简析反井钻机在缓斜井导井施工中的应用

潘大飞

(中国水利水电第十一工程局有限公司第七分局,河南郑州 450000)

简析反井钻机在缓斜井导井施工中的应用

潘大飞

(中国水利水电第十一工程局有限公司第七分局,河南郑州 450000)

通过工程实践,将反井钻机施工技术成功应用到550斜井导井开挖施工中,证明反井钻机施工斜井导井工艺完全可以替代传统的人工反导井或爬罐斜井施工工艺,是一种高效、安全地施工工艺。反井钻机施工技术在550斜井导井开挖施工中的成功应用,将反井钻机的应用范围扩大到55～90°。

反井钻机 缓斜井导井 施工应用 古学水电站

1 工程概况

1.1 工程概况

古学水电站位于四川甘孜藏族自治州得荣县境内定曲河上，电站装机两台，单机容量45MW，总装机容量90MW。压力管道斜井倾角55°，开挖直径5.6m，其中上、下弯段圆弧半径25m、圆心角均为55°、长度23.98m，斜直段长104m，斜直段及部分上下弯段实际可钻斜井总长为124.4m。参见图1。

1.2 地质情况

压力管道斜井中上部围岩溶蚀现象发育，基本为破碎灰岩块及孤石充填细粉砂土，稳定性差；斜井下部围岩基本以板岩和灰岩为主，完整性较好；斜井沿线基本无渗水出现。

1.3 关于反井钻机

本次斜井导井施工采用的反井钻机型号为LM-200型。厂家提供的反井钻机主要技术性能如下：

(1)导孔直径：216mm；(2)扩孔直径：1400mm(一次扩孔)，2000mm(二次扩孔)；(3)钻井深度：200m(φ1.4 m扩孔)，＜150m(φ 2m扩孔)；(4)总功率：82.5kw；(5)主机外型尺寸(长×宽×高)：3230×1770×3448mm；(6)主机重量(kg)：8277；(7)钻孔偏斜率：＜1%。

表1 导孔钻进参数

2 施工布置

2.1 作业平台

在上弯段沿管0+70掌子面顶部高程向前扩挖7m，开挖断面与压力管道相同，以满足钻机基础、泥浆循环池施工和反井钻机运行的空间需要。

2.2 钻机装卸

洞外采用25t汽车吊吊装反井钻机和辅助设备，CAT320挖掘机托运至洞内，挖掘机、手拉葫芦配合人工进行安装。

2.3 钻机基础混凝土

反井钻机基础采用C20混凝土分二期浇筑而成，一期形成基础并预留反井钻机地脚螺栓坑，待机体到位并进行初校后，回填二期混凝土，以确保反井钻机与基础牢固衔接，不发生移位。混凝土浇筑厚度应不小于70cm，混凝土面要平整，凸凹变化不能超过1.5cm。同时为满足反井钻机(正常钻孔倾角为60～90°)能用于本钻井55°倾角的要求，将基础混凝土顶面浇成倾角15°的斜面，将钻机的操作角度调整为70°，正好是钻孔的55°倾角。

2.4 泥浆循环水池

反井钻机的冷却循环系统由：洗井泵(泥浆泵)、水池、水沟组成。距反井钻机基础15m处设置一个5m3水池，水池中间设一隔墙，将水池分隔成清水池和沉淀池。混凝土基础和水池之间由一水沟连接，导孔施工出现的回水、细沙沿此沟回流至沉淀池。洗井泵设置在钻机车与水池之间。

图1 压力管道布置图

2.5 反井钻机运输轨道的安装

为方便反井钻机就位、定位，在洞内卸机部位地面安装运输轨道，轨距60cm，轨道为24kg/m的轻轨，枕木为10cm×10cm方木，间距为50cm/根。

2.6 供水

导孔钻进需水5～10m3/h，用于循环排渣，冷却反井钻机液压系统；扩孔钻进需水15m3/h，用于冷却液压系统和扩孔钻头，从主供水管接1.5吋钢管直接引水至钻机附近砌筑水池进行供水。

3 反井钻机施工程序

先利用LM-200型反井钻机在上弯段的平面扩挖区，沿斜井轴线方向往下钻一直径为216mm的导孔；导孔形成后，在下弯段将Ф 216mm钻头更换成Ф1400mm扩挖刀盘，然后通过自下而上反拉扩挖，形成直径Ф1400mm的溜渣导井。施工流程如下：上弯段扩挖支护→基础及循环水池施工→冷却循环水池→反井钻机安装调试→导孔施工→扩孔施工→钻机拆除。

4 施工过程及方法

4.1 φ216mm导孔施工

反井钻机的钻杆分为普通钻杆(1m)和稳定钻杆(0.5m)，差别在于后者比前者外周多了均匀分布的3cm厚的钢肋板。采用的稳定钻杆的加设方法如下：钻进2m时必须加设1根，钻进8～10m时再加设1根，然后每钻进15m加设1根。

(1)钻进参数；根据本工程施工揭露的地质条件，总结导孔钻进参数见表1。

(2)开孔钻进；开孔钻进使用了开孔扶正器。开孔钻进时开孔扶正器和开孔钻杆配合慢速开孔，并启动泥浆泵供浆，进行护壁和排渣。

(3)导孔钻进；通过导孔钻进124m施工总结分析，导孔钻进要着重做好以下几点：

1)离钻透下平段3m左右时，应逐渐降低钻压。2)导孔钻透后，停止泥浆(水)循环，但钻机不能停转，开始向孔内加清水，直到钻机转动平稳，扭矩变化不大时才能停钻。3)钻进导向孔时，如发现钻具旋转困难时，可能遇到裂隙或岩层塌落，此时应把钻具边旋转边提到一定高度，再慢速向下扫孔，若经反复扫孔，仍无效果时，提钻等查明原因进行处理。

斜井先导孔施工实际共钻进了185.4m(钻孔至61m时因卡钻而移位重钻)，最大单日进尺18m，平均6m/d(处理反井钻机故障、卡钻除外)。斜井施工时曾多次出现反井钻机机械故障，并曾出现塌孔、大量漏水等异常现象。

4.2 φ1400mm扩孔施工

(1)拆导孔钻头接扩孔钻头；导孔钻透后，将扩孔钻头和导孔钻头拆卸工具运到斜井下口，通过对讲机或电话上下联系，上下配合拆下导孔钻头接上扩孔钻头，形成出渣系统后，就可以向上扩孔。(2)扩孔钻进；在扩孔开始前，检查处理距孔中心1.5m范围内扩孔工作面的平整和有无锚杆，对工作面凸起的岩石用风镐等找平，有锚杆要先行取掉。当扩孔钻头接好后，慢速上提钻具。扩孔钻进时，发现排渣不畅，钻头激烈晃动，压力不稳，钻进困难时，可能有大块渣石落在刀盘上磨挤刀具所致，此时将刀具下放一定距离，多次高速旋转，将渣石甩掉，若无效果时，把钻头下放到底进行处理。开始扩孔时钻头全部均匀接触岩石后，才能正常扩孔钻进。钻进施工中要求有较为稳定供水量，以使刀具能得到水冷却，供水量要求不小于7.8 m3/h。扩孔施工时，钻杆的拆卸要特别注意钻杆卡瓦正确摆放及自身的完好程度，以免出现卡瓦突然断裂，造成扩孔钻头、钻杆脱落。(3)完孔；当钻头钻至距钻机基础2.5m时，要降低钻压慢速钻进，并且要认真观察基础周围是否有异常现象；如果有，要及时采取措施处理；慢慢的扩孔，直至钻头露出地面。(4)拆机；将扩孔钻头卡固在钢轨上、拆掉钻机的前后斜拉杆和各种油管，将主机从钻架上拆掉，将钻架主机车和一些辅助设备拆下。将扩孔钻头吊牢，将轨道拆掉，将钻头提出孔外。然后将操作车吊上来，再将泵车、油箱冷却器拆下，分别运出洞外。全部钻孔工作结束。

4.3 不良地质段施工处理措施

根据以往施工经验，施工中采取以下预防和处理措施：

(1)泥浆护壁；在斜井上部0～20m范围断层破碎带洞段，采用优质膨润土泥浆和水泥、优质膨润土双重泥浆，作为洗井液进行导孔清渣和护壁，效果较明显。(2)导孔固结灌浆；在斜井中上部20～46m范围，围岩溶蚀现象较发育，出现塌孔和不返水、返浆现象，为避免岩渣排不出来而造成二次卡钻影响斜井施工，对塌孔和不返水段进行灌浆护壁处理，等强后再进行二次钻孔，累计导孔固结灌浆74.5m，二次扫孔74.5m。(3)卡钻处理；在反井钻机一次导孔钻进至61m时，因地质原因出现塌孔和卡钻现象，钻具不能提升和下降；采用高压风、水等方式对孔壁及孔底渣体反复进行清理，处理历时1.5个月仍然无效后，采取将反井钻机向右侧平移90cm，然后重新开孔钻进，导孔贯通后再进行扩孔施工。二次开孔吸取一次开孔经验，并采取了合理有效地措施，施工过程中非常顺利，从开孔至扩孔结束历时1个月。

5 结语

将反井钻机应用于55°缓斜井导井施工，在保证安全的前提下顺利地完成了施工任务，这是一次新技术在古学水电站的成功应用。同时，在水电、采矿、煤炭等领域的调压井、闸门井、电缆井、母线竖井、引排水井、通风孔、溜渣(矿)井等施工领域中应用前景广阔，特别是在保证施工安全方面，该方法值得借鉴与推广。

[1]高建.反井钻机在甲岩水电站缓斜井施工中的应用[J].四川水力发电,2014(2).

潘大飞(1975—),男,河南南阳人,工程师,本科,主要从事水利水电工程项目管理工作。