大型反井钻机新技术在白鹤滩水电站溜渣井中的应用

王红彬，李 毅，张学亮，樊启祥

(1.中国三峡建设管理有限公司，四川成都610041;2.北京中煤矿山工程有限公司，北京100013;3.中国长江三峡集团公司，北京100038)

水电工程中为解决竖井开挖过程中的排水、出渣和通风难题，一般采用先形成溜渣井、再正井法扩挖的施工方法。其中，溜渣井的施工安全、质量、进度直接关系到竖井建设目标能否实现。常规溜渣井施工时先从上自下钻进形成Φ216 mm导孔，再用小型反井钻机第1次扩挖形成Φ1.4 m导井，最后人工手风钻钻孔爆破第二次扩挖形成Φ3.5 m溜渣井[1-7]。该方法存在溜渣井扩挖程序繁琐、安全风险高、作业环境差、成型质量差、施工进度慢等问题。白鹤滩水电站竖井数量多，井身高度深、断面大，溜渣井施工难度更为突出。因此，探索高深竖井溜渣井安全、快速、高质量的施工技术十分迫切。

1 概 述

白鹤滩水电站位于云南省巧家县和四川省宁南县交界的金沙江上，总装机容量1 600万kW，建成后为世界第2大水电站。受地形地质条件限制，引水发电系统工程主要建筑物均布置在两侧山体内，地下洞室群规模位居世界第1位，布置的竖井主要有压力管道竖井、厂区进风竖井、厂区排风竖井、出线竖井上下段、尾水管检修闸门井、尾水调压室、尾水洞检修闸门井、尾水隧洞通气竖井及施工期通风井等，共计74条，总长8 935 m。竖井主要特征参数见表1。

白鹤滩水电站左右岸引水发电系统竖井数量多、井身高度深、断面大，竖井区域地质条件复杂多变，分布有松软覆盖层、柱状节理玄武岩、大型层间层内软弱错动带、长大裂隙及断层等大量的不利地质构造，且位于中高地应力区，应力集中与卸荷松弛现象明显，溜渣井开挖过程中易发生岩爆、片帮、掉块，甚至塌方，施工风险较大。为了降低白鹤滩水电站引水发电系统工程竖井溜渣井施工安全风险，提高溜渣井成型质量，缩短溜渣井施工工期，需改变传统溜渣井的施工方法，寻找更为先进的施工工艺。经研究比选，决定采用北京中煤矿山工程有限公司专利产品——BMC 600型大型反井钻机一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井的新技术，从根本上解决传统溜渣井开挖施工的安全、质量、进度风险。BMC600型反井钻机技术参数见表2。

表1 竖井主要特征参数统计

表2 BMC600型反井钻机技术参数

2 大型反井钻机施工工艺

2.1 工艺流程

大型反井钻机进行溜渣井开的流程如图1所示，具体为施工准备(反井钻机吊点锚杆、基础混凝土、沉淀池施工及钻机安装)→BMC 600型反井钻机自上而下施工Φ350 mm导孔→BMC 600型反井钻机自下而上一次成型Φ3.0～3.5 m导井溜渣井。

图1 BMC 600大型反井钻机施工工艺

2.2 基础及沉淀池施工

反井钻机基础为9 m×3 m×0.8 m(长×宽×高)，采用混凝土浇筑，见图2。沉淀池尺寸为5 m×1.5 m×1.5 m(长×宽×高)，采用砖砌。

图2 反井钻机基础浇筑示意(单位：mm)

2.3 Φ350 mm导孔施工

待钻机主机、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，钻孔中心及钻孔角度经校核准确无误后，方可开孔。开孔钻进时，利用开孔扶正器和开孔钻杆配合慢速开孔，并启动泥浆泵供水，开孔深度3 m。开孔完成后开始正常的导孔钻进。导孔施工控制要点有：

(1)导孔钻进转速应高于开孔钻进转速，对于松软地层和过渡地层采用低钻压，对于硬岩和稳定地层采用高钻压。

(2)一根钻杆钻进完成后，必须等孔内的岩屑全部排出后，才能停泵接卸钻杆。

(3)距离导孔贯通剩余3 m时，应随着贯通距离缩短逐渐降低钻压、减缓钻进速度，直至贯通。

(4)导孔贯通后，先停止泥浆循环，向导孔内注入清水，同时保持钻机继续转动，直到钻机转动平稳、扭矩变化较小时才能关停钻机。

(5)导孔钻进过程中，若遇到空洞、裂缝等地质缺陷而不返水时，应及时起钻采用泥浆护壁或灌注砂浆、混凝土、水玻璃等胶凝材料，待其凝固后再重新钻孔，以避免卡钻。

(6)在整个导孔钻进过程中，应采取可靠措施确保连续供水、供电，避免发生卡钻事故。

2.4 Φ3.0～3.5 m导井溜渣井施工

导孔钻透即将完成前，将扩孔钻头和导孔钻头拆卸工具运至竖井下部通道内。导孔钻透后通过钻杆打点上下联系，上下配合拆下导孔钻头接上扩孔钻头，形成出渣系统后，即可准备自下而上的Φ3.0～3.5 m溜渣井扩孔钻进作业。

扩孔开孔时，应在扩孔钻头接好后，缓慢上提钻具，直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，使用最低转速(5～9 r/m)，并慢慢给进、保证钻头滚刀不因承受过大的冲击而破坏，待滚刀将凸出的岩石破碎掉之后，再继续给进，直至钻头全部均匀接触岩石后开始正常地扩孔钻进。为保证钻机和滚刀的使用寿命，一般将系统压力限制在18 MPa之内。在扩孔过程中，当岩石硬度较大，可适当增加钻压，反之可以减少钻压。当导孔钻头钻至距竖井顶面2.5 m时，要降低钻压缓速钻进，认真观察竖井顶面周围岩体是否有异常现象。即将完孔时，应放慢扩孔速度，直至钻头露出地面。

2.5 精度控制措施

采用BMC 600型大型反井钻机一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，施工精度主要取决于反井钻机施工定位和Φ350 mm导孔偏差，须提前制定控制措施。

(1)反井钻机施工定位控制。反井钻机施工定位决定了孔位偏差，其精度取决于吊点锚杆、基础混凝土预留地脚螺栓、顶面平整度和钻机安装：反井钻机吊点锚杆施工时，根据设计坐标，采用测量放点，准确定位吊点，严格控制吊点锚杆外露长度；基础混凝土备仓时，采用测量放点，准确定位预留地脚螺栓孔，并做好焊接固定，浇筑过程中加强检查，确保螺栓孔位不变；基础混凝土浇筑完成收面时，顶面应保证水平，起伏差不超过1.5 cm，对于不满足要求的部位，使用砂布磨平或砂浆补缺；反井钻机安装时，认真调整钻杆定位，确保钻杆对中，钻孔孔位偏差在允许范围内。

(2)Φ350 mm导孔偏差控制。Φ350 mm导孔偏差主要包括孔斜偏差和孔向偏差。白鹤滩水电站引水发电系统均为90°倾角的垂直竖井，其导孔孔斜偏差通常较小。但导孔较深时，随着钻压的增加，钻杆就会逐渐弯曲，导致钻孔孔向偏离钻孔轴线；在非均质岩层中钻进时，岩石硬度的变化也会导致钻孔孔向发生偏差。因此，提前制定导孔孔向偏差控制措施显得尤为重要：①选择适合岩层特性的钻头，施工前，结合地质勘探成果和已有施工经验，详细分析不同岩层分布范围，根据钻头特性合理选择钻头：软岩地层钻进宜采用较小夹角的长楔齿或碳化钨一字形镶齿钻头，硬岩地层钻进则宜采用较大夹角的短楔齿或碳化钨半球形镶齿钻头。②使用稳定器，稳定器是避免钻孔偏斜最有效的工具。稳定器一般被设计为六棱或八棱形，通常将两个或更多的稳定器联在一起使用，以便在钻孔底部形成一段刚性的、与孔壁多处接触的钻具组，以防止偏斜。③控制钻压，采用低于最佳钻进速度的钻压并保持恒定的钻进速度。钻压通常参考钻凿相同或相似地层的钻井参数来确定。如果没有经验可参考，可参照钻头制造厂家提供的钻头产品样本进行选择。

(3)导孔纠偏措施。根据钻孔深度、岩石地质条件和钻孔精度要求等条件，可选用钟表、磁性和陀螺测斜仪进行测井。经测量，如果发现导孔偏差超出合理范围，必须停止正常钻进，对钻孔进行纠偏处理。导孔纠偏的方法须视具体情况而定：对于偏斜程度和方向非常有规律的钻孔，可采取偏置钻机的方法来纠正预计的偏斜，钻机移动的距离和方向根据施工经验而定；对于偏斜程度和方向无规律或程度较大的导孔，应采用纯水泥浆、砂浆等胶凝材料回填偏斜段，待其凝固后校正钻进方向重新钻孔。

2.6 施工成果

经统计，2014年～2017年，白鹤滩水电站采用BMC 600型大型反井钻机一共施工了Φ3.0～3.5 m溜渣井2 642.3 m，钻孔偏斜均小于1%，溜渣井施工期间未发生安全事故，使用期间溜渣效果良好、未发生堵井事故。

3 与传统溜渣井施工工艺比较

传统溜渣井施工工艺为LM-300型反井钻机自上而下施工Φ250 mm导孔→LM-300型反井钻机自下而上施工Φ1.4 m导井→自下而上人工将Φ1.4 m导井钻爆扩挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井，见图3。采用BMC 600型大型反井钻机方案施工方法见图4。

图3 传统竖井溜渣井扩挖示意

图4 BMC 600型大型反井钻井一次成型留渣井施工方法示意

与传统溜渣井施工工艺相比，采用BMC 600型大型反井钻机施工具有以下几方面的优缺点：

(1)降低施工安全风险。传统的溜渣井施工工艺中，由人工从Φ1.4 m导井扩挖至Φ3.0～3.5m溜渣井时是在Φ1.4 m导井内挂设载人吊笼、人工钻孔装药作业，作业空间狭小，遇到不良地质洞段时，一旦发生掉块、塌方等突发事件，钻孔工人无法有效躲避，人身安全风险极大；井内烟尘多、噪音大，工作环境恶劣，且井内通信网络信号差，一旦遇到突发情况，井内、井外人员联络困难，救援难度大，安全隐患突出；由于导井直径小，导井内的垂直交通只能采用简易卷扬系统提升载人吊笼，保障系数偏低，且露天作业时易受大风、大雨影响，均存在一定的安全风险。另外，人工扩挖形成的溜渣井断面尺寸大小不一，竖井正井扩挖溜渣时在小断面部位很容易形成堵井，处理堵井也存在着极大的安全风险。采用BMC 600型大型反井钻机一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，省去了由人工从Φ1.4 m导井扩挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井工序，仅需少量作业人员在上、下井口操作钻机，无需人员进入井内，从本质上彻底消除了溜渣井扩挖时存在的安全风险，减少了粉尘对作业人员职业健康的危害。

(2)提高施工质量。传统的溜渣井施工工艺中，溜渣井扩挖人工手风钻钻孔、装药爆破质量控制精度不够，最终形成的溜渣井往往成型质量很差，井壁凸凹不平，井身断面尺寸大小不一，会降低溜渣效率，甚至发生堵井事故。采用BMC 600型大型反井钻机一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，井壁成型光滑无破损，无需对井壁欠挖进行二次开挖或加强支护；溜渣井轴线偏移量均控制在1%以内，且整个井身断面尺寸均匀一致。白鹤滩水电站众多竖井正井扩挖施工中，凡采用该新技术施工的竖井，均未出现堵井现象。另外，对于一些临时的竖井，如采用BMC 600型大型反井钻机一次成型的施工期通风竖井，无需对井壁进行锚杆和喷混凝土支护。

(3)提高施工效率。与传统溜渣井施工工艺相比，采用BMC 600型大型反井钻机施工溜渣井减少了由人工从Φ1.4 m导井扩挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井的工序，施工效率明显提升，平均实际钻进深度可达10 m/日以上。对于100 m深的竖井，采用BMC 600型大型反井钻机一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井可缩短1个月左右工期。传统施工工艺形成的溜渣井往往由于溜渣井断面尺寸大小不一，而易发生堵井事故，一旦堵井，处理起来通常需要2个月以上，会严重降低施工效率。

(4)施工成本偏高。根据水电工程定额，采用LM-300型反井钻机施工Φ1.4 m导井成本约3 300元/m，Φ1.4 m导井人工扩挖为Φ3.5 m溜渣井成本约1 250元/m，合计为4 550元/m。经实际测算，对于井深300 m内的溜渣井，采用BMC 600大型反井钻机一次成型Φ3.5 m溜渣井人工成本为130元/m、材料成本为3 260元/m、机械成本为4 180元/m、其他成本及税金为2 560元/m，合计约10 130元/m。可见，作为一项新技术，采用BMC 600大型反井钻机一次成型Φ3.5 m溜渣井成本比传统溜渣井施工工艺高出约5 580元/m。但随着水利水电工程建设水平的提高和大型反井钻机应用范围的扩大，价格定会逐步回归到一个较为合理的水平。因此，考虑到大型反井钻机在施工安全、质量、效率方面所具有的无可比拟的优点，仍然是值得推广的一项新技术。

4 结 语

采用大型反井钻机一次施工成型大直径溜渣井，在水电工程中白鹤滩水电站属于首次，是对水电工程溜渣井施工工艺的一次重要探索和突破。与传统的施工方式相比，采用大型反井钻机省去了从Φ1.4 m导井扩挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井的人工扩挖工序，具有安全、快速、高质量的特点以及显著的社会效益，是一项值得推广的新技术。

目前，白鹤滩水电站已实施了25条竖井，累计达2 642.3 m，未出现任何安全问题，且效果良好。随着对工程建设安全的重视程度越来越高，由于在减少人工投入、降低施工风险、提高施工效率等方面所具有的一系列优点，以及价格水平的回归，采用大型反井钻机一次施工成型大直径溜渣井在竖井施工中将具有广阔的应用前景。北京中煤矿山工程有限公司已研制出最大直径达6.0 m的反井钻机钻头，今后直径小于6.0 m的深小竖井可以全部由反井钻机一次成型，深小竖井的施工将更安全、快捷。