全断面反井钻机在厄瓜多尔美纳斯水电站压力竖井开挖中的应用

矫健

摘 要：厄瓜多尔美纳斯水电站采用全断面反井钻机完成直径5.5米，深度452米的压力竖井开挖工作，复测中心点偏差仅4.6厘米，钻孔精度达万分之一（0.01%），处于国际领先水平。高精度的完成素有“咽喉工程、死亡之谷”的大直径深竖井，在厄瓜多尔尚属首例，在国内也少有。通过本次工程实践，项目成功掌握了深竖井反井钻机施工精度控制措施及有效纠偏手段，熟悉了应对不良地质情况的处理技术措施，在500m级深竖井施工积累了宝贵的经验。

关键词：全断面；反井钻机；压力竖井；定向；传统钻爆法

中图分类号：TD421 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0179-01

反井钻机导井施工法于1950年在北美首先发展，60年代中期反井钻机导井施工法在欧洲开始受到欢迎。我国自70年代开始研制反井钻机，并先后在煤炭和冶金系统中应用。我国水电系统自1992年第一次引进反井钻机至今，钻井直径一般在0.9-2.4米，钻井深度一般在150-250米，施工难度相对较低，且国内水电系统中竖井开挖直径较大时，一般采用反井钻机施工导井，再采用传统钻爆法扩挖至设计断面。

厄瓜多尔美纳斯水电站压力竖井（直径5.5米，深度452米）施工难度较大，经过安全性、技术性、高效性、经济性等多方面分析，通过科学的方法对比多种压力竖井施工方法的利弊，最终选择了全断面反井钻机施工方案，这也是厄瓜多尔第一次采用全断面反井钻机设备进行深竖井施工。

1 工程概况

厄瓜多尔美纳斯水电站是一座引水式电站，整个河流分两级开发，美纳斯水电站是其中的第一级，电站装机为3台，单机容量90MW的冲击水轮发电机组，额定水头474.51m。主要施工项目为：78m高碾压混凝土大坝、13.8公里的引水隧洞、452米压力竖井、地下厂房、440米通风电缆井、地面开关站和43公里230kV输电线路的土建、机电施工等。

其中452米的压力竖井为项目关键线路，全断面反井钻机的使用在安全、质量、工期等方面都为项目顺利进行提供了保证。

2 全断面反井钻机基本工作原理

反井钻机施工原理：由电机带动主机液压马达驱动动力水龙头，利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转，并可上下升降，与岩石产生挤压和剪切作用使其破碎。需要上、下工作面都形成生产系统，其中上平台主要是主机和导孔洗井水循环系统、冷却系统等。下工作面主要是机械出渣。钻具部分包括钻杆、钻头和破岩滚刀。

美纳斯项目全断面反井钻机施工主要分两大步骤进行，先采用71RM导孔钻机进行自上而下先导孔开挖，使用12英寸定向钻杆从上至下钻进到钻下平洞，在钻进过程中采用泥浆泵或高压水泵从泥浆池抽至动力水龙头，高压水沿钻杆至钻头排水孔压出，将石碴从钻杆与孔壁间的环行空间排至排碴槽（期间可进行渣料收集），最后进入沉渣池。其中如遇不反水情况需灌浆重新钻孔，如定向钻杆发生偏斜需提出重新输入纠偏数据进行导孔纠偏。导孔贯通后（停止泥浆泵或高压水泵运行）然后卸下定向钻杆，改换成16英寸钻头，将先导孔扩至16英寸，扩孔时岩屑靠自重落到下平洞。

导孔施工完成后更换成RD5-550反扩钻机，下放钻杆在底部连接5.5米刀盘含滚刀钻头，由下向上进行反扩。滚刀在钻压的作用下沿井底滚动，从而从下至上使滚刀对岩石切削、挤压完成竖井开挖，扩孔时的石碴经过冷却水的冲刷和自重坠落到下平洞。根据岩石情况在反扩200米左右时应考虑更换一次钻头。

3 全断面反井钻施工工艺流程及特点

3.1 全断面反井钻施工工艺流程图如图1所示

3.2 全断面反井钻施工的特点

3.2.1 施工简单

反井钻机在施工竖井的导孔及反扩过程中全部采用机械设备，只需要熟练的技工操作，反井钻机操作简单、安全，对环境造成污染非常小，作业人员比较少。每个班只需要4～5人。但是反井钻机购买或租赁费用相对较高。

3.2.2 精度高

不同于传统钻爆法扩挖工艺，全断面反井钻机先导孔钻孔误差无法在扩挖阶段进行修正，先导孔的钻孔进度直接决定竖井最终的开挖精度。但反井钻机可以配合定向钻杆使用，在导孔施工时提供精度保证。

美纳斯项目导孔施工是先由稳定钻杆钻导孔15米，然后下放12米长定向钻杆按照60-70mm/6分钟的速度继续钻孔，在大约30米深的位置第二次检测先导孔偏斜。若先导孔无偏斜则继续钻进并且若地质条件良好无断层、裂缝，将钻孔进尺提高到2m每小时。按照每20米到30米的频率检查先导孔偏斜，若钻孔偏斜，取出整根钻杆和导向杆以校正钻孔。

最终导孔复测中心点偏差仅4.6厘米，钻孔精度达万分之一（0.01%），处于国际领先水平。

4 结语

美纳斯项目压力竖井地质情况复杂，有大量破碎带、夹泥层和流沙层，且地下水渗水量极大，岩石主要以页岩、砂岩、凝灰岩、流文岩和火山角砾岩为主。先导孔钻进过程中多次遭遇地质断层，循环水流失，进度与精度均受到不利影响，项目经过认真分析后，决定采取提起钻杆并用水泥净浆重力灌浆及护壁的方案，先后成功克服了6处地质断层的影响。同时，掘进过程中先后4次果断更换定位钻杆，进行垂直度校正，对钻孔精度进行了严格的控制。最终厄瓜多尔美纳斯水电站压力竖井全断面反扩顺利完成。

反井钻机施工不需要施工人员至开挖面施工，提高了竖井、斜井施工的安全性，保证了施工人员的生命安全，具有良好的社会安全效益。且施工作业人员配置较少，减少竖、斜井的施工难度，从而有效的提高施工效率，从工期方面有效节省。

因此，在我國随着水电行业的发展，全断面反井钻机施工法在水电工程施工中有广泛前景。

参考文献

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