松山水库引水隧洞通风孔施工工艺

施泽龙，孙 健，杨成功

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春130021；2.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春130021；3.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春130021）

1 概 况

松山水库位于吉林省抚松县松江河境内，设计发电引水隧洞长度12 km。通风孔工程是为解决松江河电站引水隧洞开挖、掘进之需的通风、输料、通讯、送电问题而进行的。施工工区地质条件为：0~6 m为碎石壤土层，6~27.5 m为玄武岩，27.5~32 m为砂卵石层，32~85 m以下是安山岩。通风孔设计孔深85 m（按引水隧洞顶控制），终孔直径不小于640 mm，垂直孔偏斜率小于2%。

这是一个难度较大的钻凿工程，其难度在于地层复杂，钻孔直径大。在收集了小浪底倒垂孔等工程施工的成功经验的基础上，研究制定了一整套行之有效的施工方案，并在施工过程中优化。完成了一个深85 m、终孔直径φ640 mm，钻孔垂直偏差0.7%的优质大口径通风孔。

2 设备机具的选择

根据工程的具体情况和技术要求选择：1）XY-5G型工程钻机，立轴最大扭矩10 kN·m，转盘最大扭矩25 kN·m；2）Bw600/30—1泥浆泵 ，最大排量730 L/min，最大压力25 MPa；3）主动钻杆，φ89 mm×79 mm；4）钻杆 ，φ89 mm 外丝；5）扶正器，φ790 mm×1 000 mm，φ700 mm×1 000 mm，φ640 mm×1 000 mm，φ275 mm×500 mm；6）粗径钻具，φ700 mm钻具、φ640 mm扩孔钻具、φ275 mm钻具。

3 施工工艺

由于钻孔钻进地层复杂，且要求精度高，钻孔直径大，为了满足工程要求，在设备、机具的选择和施工工艺方面采取了有针对性的措施和对策。

3.1 钻进、护壁、堵漏工艺

由于钻进地层复杂，技术要求比较高。随着钻孔加深，全断面钻进，钻机扭矩难以实现，且大口径钻孔存在岩粉排出困难的问题，为了提高效率，钻孔32 m以上采用牙轮全断面钻进，为保证钻孔垂直度32 m以下采用两次成孔法。

3.1.1 碎石壤土层

碎石壤土层采用φ700 mm牙轮全断面钻进、普通泥浆护壁，钻头总压力50~60 kN，转速0.5~1.0 m/s，泵量400~730 L/min，根据施钻情况严格控制钻进参数。由于牙轮钻头钻进效率高，6 m深碎石壤土层在2 h就完成了。又由于碎石粒径很不均一，地层不稳定，使牙轮钻头施钻过程中跳动，孔壁受到较大的侧向力，钻头在钻进时，不断横向位移，造成钻孔扩孔。利用这一现象，当碎石层钻完后，及时的下入内径φ720 mm的护管，并用浮子测斜仪（顶角精度0.1%）校正护管垂直度。护管底脚用稻壳和黄土做泥球浆封死，护管与孔壁间隙用沉砂的方法填实，上部距孔口1 m的护管与孔壁用水泥砂浆灌注，保证了护管的稳定性，并起到导向钻具作用。

3.1.2 玄武岩

玄武岩地层结构相对均一、稳定，采用牙轮钻头与扶正器组成的简易刚性钻具钻进。钻头总压力40~50 kN，转速0.4~1.0 m/s，泵量400~700 L/min；根据岩粉的排出情况，改变循环液—泥浆的粘度，提高岩粉的排出量，并根据孔内情况适时打捞孔内岩粉。

3.1.3 深层砂卵石层

深层砂卵石层的钻进，护壁是工程的一个重点，施工前经过反复研究，制定了多种钻进护壁方法，综合运用并在施工中优化。针对这一地层采取了“探试、分析、综合”的处理思路。

首先，采用普通泥浆护壁φ127 mm粗径钻具取芯钻进，摸清砂卵石层的厚度、密实性、含水性、成分组成。由此，采用牙轮钻头与扶正器组成的简易刚性钻具钻进，研磨卵石，用专用取粉器和冲抓器捞取岩粉和部分小颗粒砂卵石，直至到穿过砂卵层。这时砂卵石层钻孔也形成了一定的扩径，然后，把稻壳和黄土搅拌成的粘土球送入孔底，用牙轮钻头挤压、旋转泯抹，反复进行。并灌注水泥粘土浆，用牙轮钻头搅拌挤压，护壁起到很好的护壁效果。

3.1.4 安山岩地层

32 m以下是安山岩地层，埋藏较深，岩石结构完整，加之钻孔加深、扭矩增大，钻进方向控制难度较大，岩粉排出困难等不良因素，采用φ275 mm金刚石粗径钻具与扶正器组成的简易满眼钻具取芯钻进（钻头总压力10~20 kN，转速 1.5~2.5 m/s，泵量 500~730 L/min）和 φ640 mm 扩孔钻具钻进（钻头总压力20~30 kN，转速0.5~1.0 m/s，泵量600~730 L/min）。两次成孔，降低了不利因素对钻进、孔轴线跑偏的影响，并在施钻过程中，调节泥浆粘度，增加泥浆的携带岩粉能力，根据孔内岩粉情况及时打捞岩粉。

3.2 钻具的选择与防斜措施

为了防止施钻过程中，由于轴向压力易大，造成增大钻孔轴线顶角，把钻机安装在方向和引水隧洞走向成平行状态的水泥浇筑平台上；并用水准仪、水平尺校正立轴，使其达到铅直状态；开孔前人为埋设孔口管φ800 mm（内径）2 mm深，校正其垂直状态；根据不同孔深孔内钻杆弯曲情况，在钻杆弯曲的半波波峰处安装扶正器，增加钻具的刚性，组成简易刚性钻具、简易满眼钻具，是其保持稳定状态，限制了钻孔轴线顶角、方位角的增大。因此，终孔测得全孔偏差仅为0.7%，优于设计2%的要求。

3.2.1 扶正器与牙轮钻头组成简易刚钻具

牙轮钻头由于轴向距离短，导向性差。为了抗衡钻头施钻过程中钻头上受到的较大侧向力，限制牙轮钻头的横向位移，在距牙轮钻头上部每隔1 m安装了两个接近牙轮钻头外径的扶正器，提高了粗径钻具的刚性和导正居中性，减小了粗径钻具与孔壁的歪倒角，解决了牙轮钻头施钻过程中需要的高钻压，又保证了其导向性。并在粗径钻具的上部钻杆弯曲的半波波峰处安装了扶正器。

3.2.2 φ275 mm粗径钻具与扶正器组成简易满眼钻具

随着钻孔加深，作用于钻杆的轴向力，离心力以及施加在钻头上的力，使钻柱下部钻具发生弯曲。为此，加长了φ275 mm粗径钻具长6~8 m，形成柱状钻具，增加其下部刚性，并在粗径钻具上部至到孔口的钻杆间，根据扶正器安装位置，安装了相应外径扶正器，组成简易满眼钻具。

3.2.3 φ275 mm粗径钻具改制的扩孔钻具

在φ275 mm粗径钻具距钻头安装部位1.5 m处外侧，焊接了4个牙轮牙掌，其外径φ640 mm，底部安装φ275 mm金刚石钻头，牙掌以下的φ275 mm粗径钻具起导向作用。同时在焊接牙轮上部1 m处焊接外径φ640 mm的扶正圈，形成护孔粗径钻具。并在施钻时粗径钻具上部钻杆之间安装适当外径和一定数量的扶正器制，制成刚性和导向性都较好的简易刚性钻具。

3.2.4 自制取粉管、岩粉打捞器

根据每次施钻的粗径钻具外径，在每次施钻时都安装了相应尺寸和外径的取粉管，捞取钻进过程中的大颗粒岩粉。随着钻孔加深，由于孔径较大，泵量泵压受到限制，使之较大颗的岩粉不能返出孔口。在每次提钻之后，下入孔底自制岩粉打捞器，并开足泵量泵压，不给钻压，转动打捞器，捞取岩粉，施钻过程中行之有效。

3.3 测斜措施

测斜仪采用DZ—500型浮子测斜仪（顶角精度0.1%），用以测量预埋管和碎石壤土层下入的套管；KXP—1型测斜仪测量其它孔段。为了解决孔径大，难于测量的问题，特制了两种测斜仪的孔内量中装置，解决了测斜仪孔内装置和钻孔实际轴线位于同一直线的问题。

在测量过程中，除了每5 m设一测量点外，还在地层变化前后，下管前后都进行了测量，并根据施工情况增加了测量点，及时地校验了每一孔段的成孔质量。