反井钻机在竖井或斜井开挖工程中的应用

金治华 王艳军 李志红

1 工程概况

水布垭水电站位于清江中游河段巴东县境内,是清江梯级开发的龙头枢纽,正常蓄水位400 m,总库容 45.8亿 m3,总装机容量1 600 MW。电站为地下式,主要建筑物包括:引水渠和进水塔、引水隧洞、主厂房、尾水洞、尾水平台及尾水渠、母线洞及母线竖井、500 kV变电所、交通洞、交通竖井、通风及管道洞、厂外排水洞等。其中母线竖井、交通竖井、通风竖井、引水隧洞斜井段采用反井钻机施工φ 1.4 m导井,总长约1 319 m,其中竖井 759 m,斜井560 m(倾角60°)。水布垭电站所处地层主要为灰岩,硬度为6级～9级,其中上部主要为灰黑色瘤状或团块状泥质生物碎屑灰岩、灰色厚层灰岩夹少量不规则泥钙质条件灰岩;下部为含灰、泥质生物碎屑灰岩、泥灰岩、泥质灰岩,局部为泥质白云岩与灰岩呈软硬相间不等厚分布,并有多条断层交错分布。

2 施工机械设备组合

反井钻机施工分为导孔、扩孔两个施工步骤。

机械设备:该项目使用的LM-200型反井钻机属煤炭科学研究总院、北京建井研究所设计、江苏苏南煤矿机械厂制造,钻机由主机、操作车、泵车组成。施工时还需要配置泥浆泵、循环水输送的潜水泵、混凝土搅拌机等。主要施工设备配置见表1。

表1 主要施工机械设备组合表

3 施工准备

1)施工用水,主要用于钻机油泵冷却、导孔排渣、扩孔冷却钻头及冲渣,正常耗水量为10 m3/h。2)施工用电,施工设备的额定功率:泥浆泵90 kW,82.5 kW,照明及潜水泵约10 kW,共约183 kW。需要 250 kVA以上的变压器一台。另外配置一台200 kW柴油发电机,作为导孔施工时停电急用。3)钻机基础清理及混凝土浇筑:基础清至完整的基岩,混凝土基础在距钻头中心70 cm内不能放置含金属物件,以防损坏钻头。4)沉渣池、泥浆池砌筑:沉渣池、泥浆池紧连钻机基础混凝土布置,以便导孔施工时排出的石渣进入沉渣池沉淀。沉渣池(3 m3)、泥浆池(2 m3)之间用网栅(网眼为5 mm×5 mm)隔开。5)水循环系统:将水源接入3 m3自制水箱,然后由潜水泵送入油泵车的冷却水箱,其水流量为10 m3/h～15 m3/h。油泵车出水口设置一个三通接头。三通接头的一头接入3 m3的循环水箱,另一头接入孔口,以自流的方式冷却扩孔钻头。

4 施工方法

4.1 导孔施工

Ⅱ期混凝土达到一定强度后,将动力水龙头的转速调为预定值,操作调节阀达到钻进压力,开孔钻进的同时开启泥浆泵供洗井液和冷却用水。导孔开始钻进时采用高转速低钻压,钻压为2 MPa～5 MPa,对于松软地层和过渡地层应采用低钻压,对于硬基岩和稳定地层则采用高钻压。洗孔排渣,在每根钻杆钻进结束后,上下提升钻头,待孔内的石渣排完后再接钻杆钻进。稳定钻杆布置,稳定钻杆的作用主要是控制导孔的偏斜率,开始钻进时放置一根,每钻进30 m～40 m及地质情况变化大的部位各放置一根,确保导孔的垂直度,但稳定钻杆不宜放置过多,否则在扩孔时容易卡钻。

4.2 φ 1.4 m 扩孔钻进

1)φ 1.4 m扩孔钻头连接。导孔钻透地层后,在下平洞将导孔和异形钻杆,大致修平扩孔范围内的岩面,连接扩孔钻头。2)将动力水龙头出轴转速调为慢速挡。3)将水管接入孔口,以冷却钻头、消尘。4)在扩孔钻头未全部进入基岩时,使用低钻压、低转速,避免钻头因剧烈晃动而损坏滚刀,待钻头全部钻进时,即可加压钻进。5)扩孔钻进结束后,拆去钻杆,将钻头固定在轨道上,主机调离后,再将钻头提出孔外。

4.3 φ 2.0 m 扩孔钻进

1)φ 1.4 m扩孔结束后,用钻杆将钻头放至竖井下平洞,卸下钻头,连接φ 2.0 m钻头,然后开始提升钻进,其施工方法和φ 1.4 m扩孔钻进相同。2)扩孔结束后,用钻杆将钻头放至竖井下平洞,卸下钻头,拆卸钻杆及钻机。

4.4 施工进度

水布垭电站竖井及斜井导井已全部施工结束,施工情况见表2。

表2 反井钻机施工进度表

反井钻机的施工进度主要由地质情况决定,基岩强度高则进度慢,垂直度容易控制;岩石强度低则进度快,垂直度不容易控制。竖井钻进速度比斜井快。水布垭电站钻孔施工速度为:导孔平均10 min/m～40 min/m;扩孔为φ 1.4 m的平均40 min/m～70 min/m;二次扩孔为φ 2 m的平均60 min/m～120 min/m。

5 反井钻机施工过程中的注意事项

1)在钻进过程中,禁止钻机反钻,油箱油温不能超过50℃;主泵油压不能超过20.0 MPa;副泵油压不能超过18.5 MPa。2)导孔钻进过程中不得停水、停电,特别是导孔深度超过50 m时突然停水、停电会使未排完的石渣抱死钻杆,造成钻杆、钻头、导孔报废的机械事故。3)导孔施工时因故需要停机,导孔深度在20 m以下,卸掉钻杆3 m～5 m;导孔深度在20 m以上,卸掉钻杆7 m～10 m,避免卡钻。

6 特殊情况处理

6.1 不良地质情况处理

2号母线竖井钻进至43 m时孔口不返水、排渣,处理方法如下:1)黏土灌浆。泥浆泵能输送的最小配比约为0.8∶1(水∶黏土),将钻杆提升2 m～3 m,用泥浆泵将浆液顺钻杆压入孔内,施灌中发现距2号母线竖井水平距离约100 m位置的厂房顶拱出现红色泥水渗漏,说明该位置裂隙延伸较长,利用黏土灌注难以满足施工要求。2)灌注水泥砂浆。灌浆前将钻杆、钻头全部拆除至孔外。水泥砂浆配比为1∶1∶1.6(水∶水泥∶砂),砂浆灌入量约为2.5 m3,2 d后重新开孔钻进,其灌浆效果能满足施工要求。

6.2 便于拆卸钻头、钻杆的方法

为方便钻杆的拆卸,在钻进过程中每次安装钻杆时,可在接头处放置一圈10号～12号铅丝绕。使用辅助卸扣都不能松动接头时,则在待拆卸钻杆的下边缘用钢锯锯除2 mm～3 mm,再反转动力水龙头即可松动钻杆接头。为了便于拆卸钻头,通常在钻杆和钻头的连接位置,均匀放置φ 10的三节钢筋,拆卸钻头时用钢锯将钢筋锯断,即可容易取下钻头。

7 结语

竖井、斜井施工能否安全、高效完成开挖,关键在于导井开挖这道工序。LM-200型反井钻机,它一改传统的开挖方法,在施工过程中具有工艺简单、施工安全可靠、施工配置人员少等特点,能够减小竖井、斜井的施工难度,降低施工的危险性,从而有效地提高施工效率,反井钻机在水电施工中具有广泛前景。

[1]杨明爽,李 平.两种新钻具在岩土工程勘察中的应用[J].山西建筑,2009,35(22):345-346.