反井钻机在溪洛渡水电站右岸闸室竖井开挖中的应用

文/袁晓晶 中国葛洲坝集团物流有限公司 重庆 401320

反井钻机在溪洛渡水电站右岸闸室竖井开挖中的应用

文/袁晓晶 中国葛洲坝集团物流有限公司 重庆 401320

反井钻机在20世纪五十到六十年代出现在美国和德国采矿工程领域，它是将隧道掘进机和钻井法凿井机结合形成的井筒施工设备，用于施工矿山地下暗井、溜井、矿仓等导井工程。我国在八十年代末开始将反井钻机用于煤矿地下工程中，九十年代开始在水电工程施工中试用。近年来，随着反井钻机技术的不断完善与发展，开始在应用于水利水电工程竖井、斜井的施工。反井钻机施工具有安全、快速、高质量等优势，在溪洛渡水电站右岸导流洞闸室竖井开挖过程中，成功地应用反井钻机完成了闸室竖井溜渣导井的开挖，大大降低了竖井开挖难度，并确保了安全与进度。

反井钻机；溪洛渡水电站；竖井开挖

1、工程概述

1.1 建筑物概况

溪洛渡水电站施工期坝址两岸各布置了3条导流洞，右岸为4#～6#导流洞。导流洞平面上呈弯道布置，洞身断面为城门洞型，衬砌后净断面尺寸均为18×20m。在4＃导流洞桩号0+168m～0+248处及5#导流洞在桩号0+233.886m～0+313.866处设置竖井闸室，闸室由下闸室（导流洞洞身扩挖形成）、启闭机室及闸室竖井组成，启闭机室位于下闸室正上方，两者之间通过闸室竖井连接。闸门竖井开挖断面为矩形，断面尺寸为 14.5m×34m，开挖高差43m。

1.2 围岩主要地质状况

右岸导流洞布置于金沙江右岸山体内，高程约在364m～400m之间，洞身所在岩层主要为P2β4～P2β6层致密状玄武岩、斑状玄武岩及角砾（集块）熔岩，岩石岩性坚硬，单轴抗压强度大于100MPa，属坚硬～极坚硬岩类。导流洞沿线岩体新鲜完整，嵌合紧密，岩体多呈块状～次块状结构，地应力量值中等，岩体透水性总体较弱，围岩稳定性较好，以Ⅱ类围岩为主，层间、层内错动带发育段局部围岩稳定性较差，为Ⅲ1类。

1.3 工期要求

闸室竖井开挖安排在启闭机室及下闸室上层开挖完成后进行，并要求在导流洞洞身中层开挖至下闸室断前完成，工期较紧张。

2、施工方案的研究

右岸导流洞竖井开挖，高度43m，断面尺寸达14.5×34m，如此大断面的竖井，必须采用先打通溜渣导井再分多次扩挖成型的方案，施工的关键点是溜渣导井的开挖，有如下方案可供选择：

（1）导井人工开挖。由于竖井深度仅50m，可在上部启闭机室设置起吊系统，人工进行导井正井法钻爆开挖，同时，在下闸室顶部人工由下往上进行反向垫渣钻爆开挖，上下两方向贯通后，导井开挖完成。该施工方法优点是易于组织，设备投入最少。缺点是方法原始，特别是正向开挖，钻爆掏槽效果差，每循环进尺不足1m，且出渣为人工作业，劳动强度大，效率低下；反向垫渣开挖作业环境差，造成导流洞闸室段交通中断，且安全保障性小。

（2）爬罐法反向开挖。我集团公司采用爬罐施工竖井与斜井技术已相当成熟，在三峡地下右岸电站排沙斜洞等工程均成功采用爬罐施工。但是，溪洛渡导流洞下闸室跨度大，爬罐工作平台扩挖安装困难，费时费力，且爬罐施工同样存在效率不高，井壁平整度差，作业环境差等缺点。

（3）反井钻机开挖。采用LM-200反井钻机，在启闭机室安装完成后，沿竖井中心线造一φ216mm先导孔贯通下闸室，再在下闸室安装反井钻机反扩钻头，由下至上反向扩孔施工，完成φ1.4m溜渣导井扩挖。反井钻机施工技术先进，速度快，安全性高，扩孔后井壁光滑，便于溜渣，且无爆破作业对围岩的扰动。

鉴于我集团公司反井钻机施工技术已相当娴熟，闸室启闭机室场地开阔，反井钻机安装方便，且使用反井钻机掘进明显优于前三个方案，故采用了反井钻机开挖方案。

3、反井钻机的工作原理

它是将隧道掘进机和钻井法凿井机结合形成的井筒施工设备，反井钻机由机身、转盘吊及翻转架、电动液压系统及操作台几大部分组成，钻进过程中，可利用转盘吊与机械手实现自动接钻杆，钻杆的装卸灵活、准确、操纵机械化。正向先导孔钻孔采用在钻杆上安装φ216mm钻头直接钻进，先导孔贯穿后，将钻杆降至导流洞下闸室上层底板上，卸下φ216mm钻头，安装反向扩孔钻头，再反向提升进行扩孔施工。反向扩孔是TBM机械法破岩掘进技术的应用：采用大扭矩液压马达驱动动力水龙头，后者将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转；破岩采用镶齿盘形滚刀，滚刀在钻压的作用下沿井底滚动，对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，使其破碎。 钻先导孔时岩屑由洗井液沿钻杆与孔壁间的环行空间提升到上部，流入位于启闭机室底板上的循环水池；扩孔时岩屑靠自重落到下闸室底板。

4、施工情况简介

由于下闸室开挖过程中，顶拱已支护，为了防止已施工锚杆损坏钻头，对下闸室顶拱中心部位采用反向掏槽法进行了钻爆作业，炸除了溜渣竖井周围锚杆。在先导孔开孔、钻进50cm、钻进100cm，对孔向进行测量校核，确保钻向垂直，以免先导孔孔向发生偏移，在扩孔过程中钻杆偏心受力，发生断杆事故。先导孔钻孔在坚硬新鲜的玄武岩中进行，若钻进速度过快，钻头磨损将较严重，且孔底残留岩屑易使钻进方向发生偏移，因此，为确保成孔质量，降低成本在先导孔钻进过程中，匀速徐徐钻进，并加强高压水洗孔，先导孔造孔平均钻进效率达到为10m/d，而在其他工地变质砂岩中造孔，曾达到40m/d的高效率钻孔进度。先导孔造孔贯穿下闸室后，继续延伸钻杆下至下闸室底板，安装扩孔钻头，提升钻头至下闸室顶拱，开始φ1.4m导井的反向扩孔施工，反向扩孔主要靠镶齿盘形滚刀在钻压的作用下沿井底滚动，对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，由于围岩为硬质玄武岩，反向钻进速度平均达到5m/d。在其他工地变质砂岩中反向扩孔，曾达到15m/d的高效率进度。

虽然反井钻机在新鲜坚硬的玄武岩中施工，掘进效率受到一定的限制，但是掘进速度仍明显高于采用爬罐开挖导井（日均进度1.5～2.4m）,更远远高于人工土法钻爆开挖，φ1.4m溜渣导井形成后，井壁光滑，溜渣效果相当好，为闸室竖井二次扩挖创造了良好的临空面及溜渣竖井。

结语：

随着我国能源开发需要，金沙江流域相继梯级开发的水电工程中将有大量的地下工程，反井钻机将更加广泛应用到地下洞室工程竖井、斜井的掘进施工中。反井钻机在溪洛渡水电站导流洞闸室竖井开挖的成功应用，化解了施工难度，确保了施工进度，并突破了LM-200反井钻机在抗压强度大于100Mpa的极坚硬玄武岩中掘进的技术难关，为后期在溪洛渡采用反井钻机施工竖井与斜井提供了施工参考数据，为反井钻机在溪洛渡地下工程建设中发挥更大作用奠定了基础。

袁晓晶，中国葛洲坝集团物流有限公司，助理工程师。