反井钻机在坪头水电站“砂化”地质条件下竖井开挖中的应用

李宗荣，魏惊蛰，孔买群

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 655000)

1 前 言

坪头水电站整个工程由首部枢纽、引水系统及地下厂房系统等水工建筑物组成。2号竖井属于引水系统压力管道工程的一部分。2号竖井(EL747.2～EL602.065m)设计开挖直径为5.6m，内衬直径为4.4m的压力钢管，2号竖井分别接压力管道中平洞、下平洞，平洞段与竖井间采用半径为15m的圆弧连接。其主要开挖施工工程量为3 640m3，其平面布置见图1。

2 工程地质

2.1 地形地貌

压力管道段地表为大片覆盖层斜坡，由坡残积物块碎石土组成，厚度为50～65m，地形坡度35°～40°，压力管道段围岩为震旦系上统灯影组(Zbd3-1)的灰白色中厚层状细晶白云岩、灰色石灰岩、薄至中层状泥质灰岩等，岩层产状N50°～70°E/SE∠30°～40°，倾山外偏下游。

2.2 基本地质条件

(1)地层岩性。开挖揭示，压力管道2号竖井段围岩自上而下(747.2～602.3m高程)依次为第④层灰～深灰色细晶白云岩和第⑤层灰～灰白色细晶白云岩等。其中：0～12.5m段(即747.2～734.7m高程段)为第④层灰～深灰色细晶白云岩，该层岩层单层厚度以0.3～0.5m为主，部分0.1～0.3m，以中厚层状结构为主；12.5～45m段(即734.7～702.2m高程段)为第⑤层灰～灰白色细晶白云岩，该层岩层单层厚度以0.1～0.3m为主，部分0.3～0.5m，以互层状结构为主；45～132.7m段(即702.2～602.3m高程段)为含白云质泥质灰岩及含灰质泥晶白云岩，该层岩层单层厚度以0.1～0.3m为主，部分0.3～0.5m，以互层状结构为主，部分碎裂结构。

图1 竖井平面布置示意

据可研阶段试验成果，微新细晶白云岩饱和单轴抗压强度为89.65～96.4MPa，属坚硬岩。

(2)地质构造。压力管道2号竖井处于莫红背斜的SE翼，开挖过程中未见有大的断层，但岩体中裂隙较发育，除缓倾角层面裂隙外，还普遍发育2～3组中陡倾角裂隙。有关裂隙发育情况详见后述。

(3)岩体风化、卸荷。0～12.5m段(即747.2～734.7m高程段)为第④层灰～深灰色细晶白云岩，该层岩体多微新，部分弱风化；12.5～45m(即734.7～702.2m高程段)为第⑤层灰～灰白色细晶白云岩，该高程段岩体以强风化为主，部分弱风化；45～132.7m段(即702.2～602.3m高程段)为含白云质泥质灰岩及含灰质泥晶白云岩，该高程段岩体以弱风化为主，部分强风化。

压力管道2号竖井垂直埋深156～309m，水平埋深246～448m，开挖揭示，岩体卸荷作用不明显。

(4)水文地质条件。开挖揭示，压力管道2号竖井围岩总体干燥，仅竖井底部局部围岩潮湿。

(5)岩溶发育情况。开挖揭示，细晶白云岩岩溶发育程度与岩性关系较为密切，其中：0～12.5m段(即747.2～734.7m高程段)围岩为第④层灰～深灰色细晶白云岩，该层岩溶作用相对较弱，未见溶洞及贯通性溶蚀裂隙分布，仅见沿少量层面及中陡倾角结构面有溶蚀“砂化”现象，充填有粉砂土；12.5～144.9m段(即734.7～602.3m高程段)围岩为第⑤层灰～灰白色细晶白云岩、含白云质泥质灰岩及含灰质泥晶白云岩，该高程段岩溶作用较强，溶蚀“砂化”现象明显，沿结构面普遍有溶蚀“砂化”现象，充填有粉砂土，部分洞段岩体呈散体结构的“砂包土”状。

3 施工重点、难点

根据竖井结构特点、岩石及地质情况，竖井开挖存在导井施工困难问题。由于2号竖井岩石条件较差且高度较大，反井钻机施工困难，导孔不易钻进，钻孔精度不易控制，因此竖井导孔施工是本工程的关键。

4 砂化竖井开挖方案

竖井施工的主要制约因素为施工进度和施工安全，而上述两点在竖井施工过程中又有着“对立统一”的关系，因此，竖井开挖方案的确定需综合考虑。其中，决定竖井作业流程的主要工序为出渣，一般来讲，井内开挖石渣的出渣方案主要有两条，即“上行”和“下行”。“上行”方案：2号井内开挖爆破的石渣通过正井人工吊渣(人工装渣、卷扬机提升)至压力管道中平洞，此方案为竖井开挖由上而下进行，安全度相对较高，但施工进度缓慢；“下行”方案：即在2号井范围开挖导井，制造爆破临空面，井内石渣通过导井溜渣至竖井底部压力管道下平洞，其中关于导井的开挖，以往施工过程中主要通过脚手架、吊笼反井法开挖导井，在施工过程中均面临着如下问题：工作面小、通风困难、工人高空作业、受到炮烟、落石、淋水和粉尘的危害，施工人员的作业安全很难得到有效的保障。目前国内在竖井导井施工中的先进技术是用反井钻机导井法施工，它能从根本上改变竖井及斜井的施工作业环境，解决存在的安全问题。

结合2号井施工实际情况，2号井实际施工过程中面临如下制约因素：

(1)地质情况复杂，2号井施工前，通过已有地质资料可以判定压力管道2号竖井段围岩风化作用强烈，裂隙主要以层面裂隙发育为主。岩体完整性差，呈薄层～互层状结构，围岩为Ⅳ类，且可能发育有规模不等的溶隙或溶洞等，局部可能遇到岩溶水，突然发生集中涌水。

(2)2号竖井井口中平洞段工作面狭窄，不利于正井人工吊渣方案的展开。

(3)2号竖井开挖工期紧张，整个压力管道设计有钢衬，而2号竖井制约了中平洞～下平洞段钢管安装施工，进而制约发电工期。

由于存在上述制约因素，2号竖井开挖优先选定了“开挖导井，井内石渣通过导井溜渣至竖井底部压力管道下平洞”的方案施工。其中导井采用反井钻机施工，其在进行导井施工的过程中能探明2号竖井详细的地质情况，指导后续施工，同时可以良好地解决竖井施工过程中通风散烟问题。整个2号竖井施工工序流程为：216mm导孔施工→1.4m反导井施工→正井全断面扩挖。

5 反井钻机的选用

反井钻机钻进原理：由电机带动液压马达，利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转，并向上、下升降，采用镰齿盘形滚刀破岩，滚刀在钻压的作用下沿井底滚动，从而对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，使其破碎。结合反井钻机施工原理，反井钻机的选用主要考虑以下因素：井深、围岩的力学性质、现场实际条件(空间、设备等)，即反井钻机相关参数选择：钻孔直径、钻孔深度、拉力、扭矩等。目前广泛应用于水电工程竖井施工的LM系列反井钻机的主要技术特征见表1。

2号竖井井深145.135m(EL747.2～EL602.065m)，2号竖井导孔施工选用LM-200反井钻机，主要技术参数见表2。

表1 LM系列反井钻机技术特征

表2 LM-200型反井钻机主要部件尺寸及重量

反井钻机施工作业辅助设备主要有：φ216mm导孔施工时配置TBW850/50泥浆泵(850L/min)一台、用于输送循环冷却水的潜水泵2台。

6 反井钻机施工

6.1 反井钻机施工准备

(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，用水量约15～17m3/h。导孔施工时的耗水量根据基岩的溶洞、裂隙等地质情况确定(导孔施工时不能断水，否则会卡钻)，扩孔时的耗水量为7.5～8m3/h。

(2)施工用电：施工设备的额定功率：泥浆泵90kW、主机82.5kW、照明及潜水泵约10kW，共约183kW。

(3)钻机基础清理及混凝土浇筑：以钻孔中心为中心，基础尺寸为6.0m×3.0m×0.7m(长×宽×高)，混凝土标号为C20，用来固定反井钻机并以此作为操作平台。在混凝土浇筑时预留机架固定螺栓，混凝土基础在离钻头中心70cm内严禁放置含金属物体，以防损坏钻头。

(4)沉渣池、泥浆池：在钻机基础周围适当位置布置水池，用于导孔钻进排渣及循环供浆(水)，其中沉渣池2m3，泥浆池6m3。地质条件较差地段采用泥浆泵供泥浆排渣；地质条件较好地段采用泥浆泵供水排渣。水池顶高要低于钻机基础混凝土面；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。

(5)水箱：容积为3m3，采用钢板水箱。

(6)吊笼稳绳：稳绳和安全井盖连接。

(7)导井安全盖：导井安全井盖采用2m×2m，同时因安全井盖与稳绳相连，故井盖的重量要适当加大(可根据需要进行配重)。

6.2 施工程序

反井钻机导井法施工程序见图2。

图2 反井钻机导井法施工程序

6.3 施工机械设备组合

反井钻机导井法施工分为导孔施工、扩孔施工两个步骤。

导孔施工时采用泥浆泵将水(或泥浆)沿钻杆内壁压入孔内，作为排渣及冷却钻头用水。石渣经排渣槽进入沉渣池，沉淀后由人工捞至堆放位置。在施工过程中，如果出现塌孔、返水较小、不返水等异常情况，则需要拌制泥浆，用泥浆护壁及堵塞溶洞和裂隙。必要时要暂停钻井，取出钻杆后用水泥砂浆进行固结灌浆。

扩孔施工，使用自流水冷却钻头和冲渣，不再使用泥浆泵。使用的机械设备有：泥浆泵、循环水输送的潜水泵、泥浆拌制机等。主要施工设备见表3。

6.4 施工工艺流程(见图3)

6.5 反井钻机施工过程

(1)测量放线。设计轮廓扩挖规格线控制：从洞外控制网经测量导线引控制点到井口附近,竖井扩挖时,制作垂直移动控制点,用垂球把控制点引至开挖掌子面放线；同时考虑钢管安装时混凝土施工，在竖井上游侧扩挖一个40cm深的槽。

表3 施工设备组合

图3 反井钻机钻孔工艺流程

(2)先导孔施工。安装钻机精度控制在0.15%以内，安装完成后进行先导孔施工，孔口30m用0.2～0.5m/h的钻进速度。施工中必须严格控制孔斜，每钻10m必须做孔斜检测，及时进行纠偏，以利于后续施工。

(3)井口平台及锁口施工。竖井扩挖之前先进行门架基础混凝土浇筑，扩挖4m后进行锁口混凝土和井口桁架平台施工。井口平台开挖期间井口采用木板全封闭，卷扬机吊点采用门架，锁口混凝土不侵占设计结构线，井口开挖时扩大30cm，浇筑C20混凝土。

(4)导井施工。φ216mm先导孔施工完成后，在竖井底部安装钻机扩孔钻头，再由下向上扩孔成φ1 400mm导井。

7 导孔精度控制和异常情况处理

7.1 导孔精度控制

砂化地质条件下可能导致导孔偏心的因素：在竖井反井钻机导孔施工过程中，导孔精度控制是反井钻机导井法施工的关键，其中影响导孔精度的关键因素是围岩的地质条件。2号竖井高程747.20～602.20m段，围岩类别不均匀、裂隙较发育、砂化作用强烈，其砂化地质条件下独有的“粉砂土”和“砂包石”结构是制约导孔施工精度的关键因素，因此，施工过程中导孔精度的控制和纠偏是导孔施工成败的关键。采取的措施有：

(1)精确控制测量放样。在现场采用全站仪对开口点进行放样，然后在安装机身时采用水平尺和铅垂球从多角度进行精确测量，再对中心点进行校核，底座上螺孔都加工成条型孔，最后通过调节螺栓来固定钻机，确保钻杆垂直于水平面。首先是基础混凝土的浇筑，按设计倾角通过测量设备定出导线；然后是机身倾斜后的下部支撑及上部牵拉一定要牢固稳定；最后通过调节螺栓来固定。钻机造孔过程中可通过测斜仪进行孔内测斜控制钻孔偏差。

(2)合理配置稳定钻杆，保证导孔钻进不偏离。

①开孔前对合金稳定钻杆进行测量，选取与钻头直径相同的稳定钻杆进行配置，以保证钻头与钻杆同心，确保钻孔的精度。

②配置时可采取新钻头配新的稳定钻杆，旧钻头配旧的稳定钻杆，并要求直径一致。当稳定钻杆磨损较大时(直径小于标准孔径10mm以上)，则应更换新钻杆。

③稳定钻杆的配置采取钻头后连续装7根稳定钻杆，以后根据实际施工需要进行配置。

④后面的稳定钻杆在直井和破碎地层中可以不考虑放置或少放置(间隔80～100m)。

(3)合理控制钻压、钻孔速度。参考以往施工经验，初步拟定的导孔钻进参数见表4。

表4 导孔钻进参数统计

①开孔钻进。待主机、油泵及操作系统准备就绪，检查泥浆泵管路是否与主机相连、主油泵的循环冷却系统是否调试完成且钻孔中心及钻孔角度经校核均准确无误后，方可开孔。开孔钻进时，启动泥浆泵供洗井液至孔内，采用慢转速、低钻压进行钻进，利用开孔扶正器和开孔钻杆配合开孔，开孔深度一般宜在10～15m，开孔后，即可按正常钻压钻进，随后将开孔钻杆和扶正器提出，清洗擦上油后保存。

②导孔钻进时各方面必须全力配合，必须做到以下5点：

a.一般情况下，导孔钻进转速应高于开孔钻进转速，所以应调节动力头转速，可以用Ⅱ档。一般情况下，对于松软地层、过渡地层和破碎地层采用低钻压低转速，采用钻进参数表内的下限值；对于硬岩和稳定地层宜采用高钻压高转速，取钻进参数表内的上限值。

b.离钻透下水平通道3m左右，逐渐降低钻压。

c.一根钻杆完成后，冲洗2～3min，必须等孔内的岩屑全部排出后，才能停泵接卸钻杆。

d.导孔钻透后，停止泥浆(水)循环，但钻机不能停转，开始向孔与钻杆之间加清水，直到钻机转动平稳、扭矩变化不大时才能停钻。

e.在整个导孔钻进过程中，不得中途出现停电、停水等情况，否则会导致卡钻等恶性事故发生。

(4)对不良地质段进行加固处理。由于导孔在钻进过程中，钻杆遇软岩会发生偏斜，造孔过程中遭遇不良地质段可通过设计提供的地质图、造孔速度的变化、造孔返渣、返水情况进行判断，具体灌浆方法为在现场制备0.4～0.55水灰比的水泥砂浆，可通过灌浆设备或人工输送浆液的方法对不良地质段进行固孔。

7.2 异常情况处理

基于2号竖井上述特殊的地质情况，导孔施工过程中会难免出现塌孔、卡钻、导孔偏心等异常现象，为确保在上述情况出现后，能够迅速地做出反应，导孔施工前需预先拟定针对性措施。

(1)塌孔处理。这种现象多出现在断层、破碎带和松软砾石层，一般表现为循环水正常，严重时循环水减少或堵塞，钻进扭矩增大，水泵压力上升，此时应立即提钻，然后再试探性钻井，并用手扶住钻杆，此时可感觉到井底碎石与钻头接触情况，据此决定是否改清水钻进为泥浆钻进，并确定泥浆的参数以护壁。如系中间某处塌孔，应立即边旋转边提升至塌孔上部；如遇岩块阻卡导向器，可上下窜动，不可强行提钻，待浮石松动后再徐徐扫孔，认为可继续钻进时再将钻头下到孔底。否则亦应采用混浆护壁，此后方可正常钻进。

(2)导向器被卡。此种故障多出现于膨胀性岩层破碎带和煤层中，此时扭矩增大。遇此情况也要进行动钻提升，扫孔后继续钻进，在一定时间内再行提钻扫孔，并根据地层情况决定采用泥浆或清水钻进。若用泥浆钻进，应确定合理的泥浆参数。亦可在该段设置宽导向器护壁。

(3)钻杆内孔堵塞。此时只有将全部钻具提出井外进行疏通，且应注意的是当钻杆停转时要将钻头提升至离孔底0.5m以上，以防孔底岩屑继续堵孔。此外接钻杆的时间应控制在5min之内。

(4)循环水流失。钻进中无循环水返回时可停钻注水，如注入一定水量后正常，说明溶洞或裂隙与外界无水力联系或联系不大，此时可继续钻进；如果循环水流失过多，而钻进扭矩又大，说明岩渣向孔底堆积，此时应增加辅助压气管协助排渣。当钻孔与外界水源相通，且水位高于钻孔，循环水量增加，如压力不大，流量恒定，但排渣不畅，亦可采用压气排渣；如流量较大，压力很高，应立即停钻封孔。

7.3 关键性技术的解决方法

在导孔钻进过程中有时会出现由于塌孔、水压力不够、停电等导致孔内石渣滞留堆积后出现卡钻，或是导孔、扩孔施工过程中钻杆断裂后钻杆、钻头滞留在孔内。这些情况处理起来相当困难，且发生的频率也较多，是反井钻机导井法施工的难点及重点。

(1)扩孔过程中的掉钻。在扩孔过程中，由于钻杆断裂，如果扩孔钻头卡在已扩挖成形的孔内，此时若从下面处理非常危险，所以从上面导孔中进行。第一种方法：将钻杆接上后采取钻杆对钻头施加压力使其自然坠落至下平洞。第二种方法：在孔口通过钢丝绳将炸药送入钻头卡住部位，引爆后将钻头震落至下平洞。该方法每次炸药用量控制在5～8kg，对钻头不会构成大的损伤。

(2)导孔施工过程中的钻杆断裂。部分长期使用的钻杆在导孔钻进及扩孔过程中可能会发生断裂。反井钻机单根钻杆长度为1m，重达180kg。在钻杆断裂后，如果不将钻杆取出，那么一方面要丢失钻杆、钻头，造成经济损失；另一方面还得重新造孔，有些特殊部位还不允许重新造孔。因此如何打捞钻具成了反井钻机导井法施工的一个难题。为此我们借鉴了公司其他项目发明的一种钻杆打捞器，钻杆打捞器的原理与膨胀螺栓原理相同，其上部与钻杆呈直螺纹连接，下部为锥形套，前进过程中可以直接进入已断裂钻杆的内壁；进入内壁后，在打捞器提升过程中锥形套会张开，与断裂钻杆内壁紧紧连接，越拉越紧，然后通过打捞器将孔内钻杆提升到孔口用夹钎器固定后逐一取出钻杆。该打捞器一次能提升40t以上的重量，即能提取200m以上的钻杆长度，基本能满足取钻要求。钻杆打捞器见图4。

图4 钻杆打捞器示意

7.4 不良地质地层施工方法

(1)循环钻灌成孔法。灌浆材料及配合比：灌浆材料采用 P.042.5普通硅酸盐水泥。使用的浆液配比为：普通水泥浆液，水灰比0.5∶1；封孔水泥砂浆，水灰比为0.25∶1∶0.5(水∶水泥∶砂)。

灌浆压力：2号竖井采用无压自流灌浆施工，利用水泥浆自重和流动性填满裂隙，进行固壁。

循环钻灌法：在钻孔过程中遇到断层、裂隙、溶沟、溶槽或软弱夹层等地质不良段，在钻进过程中不同程度地出现孔口不返水排渣现象，均采用循环钻灌法进行处理。

将导孔钻杆上提至不良地质带以上范围，利用制备的0.5∶1水泥浆，通过污水泵或人工自流输送浆液的方法对钻头以下部分进行灌注，以填充断层、裂隙、溶沟、溶槽，后采用水泥砂浆封孔。灌注浆液24h后扫孔，恢复钻孔施工。此方法实施过程中需反复取钻、灌浆、扫孔，直至导孔口正常返水排渣。

这个方法实施较为安全可靠，但由于要反复取钻、灌浆，对施工进度影响较大。

(2)强行成孔法。该方法适合于断层、裂隙带范围不大，且处于竖井及斜井的深孔带。该方法就是在竖井及斜井孔深超过100m后，在遇到断层、裂隙出现孔口不返水时，继续钻进并不断地用泥浆泵向孔内压水，直至孔口返水。该方法的特点是利用水压力将钻孔时的积渣强行通过裂隙、断层或孔口排除并堵塞裂隙中的渗水通道。对加快施工进度方面非常有效。

实际施工中可根据情况酌情采用两种方法。

8 砂化地质条件下反井钻机可钻性分析

由于已有实际工程中关于砂化地质情况下竖井施工实例较少，为论证砂化地质条件下反井钻机的可钻性，对LM-200反井钻机在已有工程不同地质情况下的实际钻进情况进行了收集(见表5)。

表5 不同岩性可钻性统计

反井钻机在含泥灰岩地带可钻性较好，玄武岩地带次之，花岗岩最差。总体来说，软岩地带造孔条件最好，岩石硬度加大，造孔难度加大。坪头水电站2号竖井围岩为砂化细晶白云岩，参照上述分析，可钻性良好，施工过程中可能遭遇的不利情况是由于不利地质情况而造成的塌孔以及卡钻现象。

按一次钻孔考虑，竖井各段反映的实际钻进速率波动较大，反映出2号竖井岩性极不均匀。具体单次钻孔累计耗时与钻孔深度关系曲线与不同深度下的钻孔速率曲线见图5、6。

图5 单次钻孔累计耗时与钻孔深度曲线关系

图6 钻孔深度与钻孔速率关系

由图5、6可知，在砂化地质条件下，LM-200反井钻机进行导孔施工具有如下特点：

(1)在同围岩类别不同段情况下的钻孔速率差别较大，如2号竖井30～50m段及130～144.9m段，虽然同为Ⅳ类围岩，但钻孔平均速率却为26.56cm/h和198cm/h。

(2)在同围岩类别同段情况下，砂化竖井下的Ⅳ、Ⅴ类围岩钻孔速率波动较大，如Ⅴ类围岩的70～130m段。

(3)砂化地质条件下进行固结灌浆处理后，导孔的钻进速率明显增大。

由上可见，砂化地质条件下的导孔施工受砂化现象影响较大。由于2号竖井砂化地质条件下的细晶白云岩岩体中结构面普遍充填溶蚀“砂化”后的粉砂土，岩体局部或普遍呈散体结构的“砂包石”状，粉砂土结构易造成塌孔现象，小的砂包石结构易造成卡钻，大的砂包石结构围岩硬度会突然增大，进而影响钻孔速率。

9 反井钻进施工进度分析

2号竖井φ216mm先导孔于2008年9月10日开始施工，2008年10月9日施工结束。2号竖井反导井施工自2008年10月23日开始，2008年11月28日结束，历时37天，平均扩井速度3.9m/d。施工过程中的相关情况见表6。

依据表6拟合出的2号竖井反导孔施工时间与进度关系曲线见图7。

2号竖井φ1400mm反导井卡钻一次，钻头损坏3次。

反井钻机安装计划15天，实际12天完成；φ216mm先导孔施工计划50天完成，实际施工30天；φ1400mm导井开挖计划18天，实际施工37天；钻机拆除计划为10天，实际用时7天。实际施工符合进度计划安排。

表6 施工进度统计

图7 2号竖井反导孔施工时间与进度关系曲线

10 结束语

坪头水电站2号竖井高差大，地质条件差，为了满足施工要求、加快施工进度选用先开挖导井再进行扩挖的施工方法。在砂化地质条件下钻孔，卡钻、不返水等情况时有发生，通过采取各种措施进行处理，保证了工程正常施工；通过对钻进过程中采用导孔精度控制手段完成了导井的开挖。对于在砂化等不良地质条件下反井钻机的成功运用，扩大了反井钻机使用的范围。

参考文献：

[1] 刘志强.反井钻机技术装备及发展[J].煤炭科学技术，2001(4).

[2] 段汝建.周宁电站竖井开挖施工技术[J].云南水力发电，2009(2).