调压井反井钻机施工方法

赵继红

（甘肃省水利水电工程局有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

反井钻机主要用于煤矿产业和水电系统竖井和斜井施工，成井速度快，施工安全性好，应用较为广泛。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，先使用小直径导孔钻头向下进行打孔，贯通后在下部更换大直径扩孔钻头向上提升，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石，岩石靠自重坠落在下水平隧洞内，再采用出渣运输设备运出。

1 工程概况及地质情况

勾洁寺水电站位于甘肃省迭部县境内的达拉河上，形式为低坝引水式电站，工程规模为Ⅳ等小（1）型，主要建筑物级别为4级，次要建筑物及临时建筑物为5级。单机容量8MW，总装机容量24MW。调压井采用阻抗式，大井断面直径6.0m，阻抗孔直径2.0m，大井高70.00m，阻抗孔高12.80m，井顶出露，井壁采用钢筋混凝土衬砌，衬厚60cm，井壁四周围岩进行固结灌浆处理。调压井后接压力管道，压力管道主管由上平段、竖井段和下平段组成。调压井表层厚度为10m左右为强风化岩体，下部厚度20m左右弱风化岩体。调压井进口位于山梁最窄处，地表左右宽只有1m多，井口左侧岩体厚只有7.2m、右侧岩体厚只有7.4m，两侧岩体厚度较小，需对井口采取锁口加固措施。

2 施工方案选择

调压井位于山梁最窄处，厂房通往调压井平台施工具有道路崎岖车辆无法正常出渣等特点，并综合考虑总工期、施工安全和质量等因素，决定采用反井法施工。具体方案：先用反井钻机械施工Φ24.4m的导向孔直至和底部隧洞贯通，换用Φ1.2m的扩孔钻头向上扩孔形成正导井，然后再用钻爆法由上到下扩挖至设计直径。

3 反井钻机的选型

根据勾洁寺调压井施工技术参数（调压井孔深82.80m，阻抗孔直径Φ1.2m），岩石、水文地质条件以及现场施工条件，选择ZFY1.2/120型（LM-120）反井钻机满足施工需要。该机主要技术参数如表1所示，主要部件尺寸及重量如表2所示。ZFY1.2/120型（LM-120）反井钻机样式如图1所示，工作示意图如图2所示。

表1 LM-120型反井钻机主要技术参数

表2 LM-120型反井钻机主要部件尺寸及重量

图1 LM-120型反井钻机样式

图2 LM-120型反井钻机工作示意图

4 施工前期准备

（1）施工现场。调压井施工平台前期利用挖掘机进行开挖平整及硬化处理，因调压井表层厚度为10m左右为强风化岩体、下部厚度20m左右为弱风化岩体，先采用固结注浆对岩体进行加固处理，然后对边坡进行浆砌石防护，四周开挖排水沟、临空部位增设安全护栏等措施进行锁口处理，边坡采用挂网喷锚支护进行防护处理，以确保施工安全。（2）设备的场内装卸运输。因施工现场位于山体半身坡处，通过临时施工道路，用挖掘机配合装载机将反井钻机拉运至调压井平台。（3）钻机基础。钻机基础现浇C25混凝土，浇筑时有以下几点需要注意：①必须确定导井的中心方位；②根据导井的中心确定基座，开挖长4m、宽3m、深1.2m的基础，再用混凝土（标号不低于C25）浇筑，基础表面应尽量光滑平整，凸凹变化不能超过1.5cm；③混凝土等强期后，在基础表面钻孔点标注十字记号线，以备钻机安装使用。（4）泥浆池。在紧邻钻机基础位置，修建一座8m3左右水池用来导孔钻进排渣及循环供浆（水），水池顶高低于钻机基础浇筑混凝土面。（5）供电。反井钻机总功率约62.5kW，施工用电增设一趟120mm2三相四线制铝芯线至工作面附近设置两台二级配电箱，供反井钻机施工作业期间用电。（6）供水。施工用水采用在调压井平台附近修建2个6m3蓄水池，供水主要用来冷却液压系统油温、在导孔钻进中用于循环排渣、在扩孔钻进中冷却扩孔头，每小时大约需要10m3左右。

5 反井钻机的安装、调试

（1）反井钻机垂直度控制。反井钻机调压井施工，钻压、钻杆的重力方向钻头移位对钻孔偏斜影响很大，对反井钻机施工是否成功起着决定性作用，所以控制反井钻机垂直度尤为重要。用后支撑拉杆将钻机顶起，观测钻机前后、左右方向和基础面大致垂直，垂直度允许偏差0.5‰，最后用专用的测量仪器进行钻机方位的测量，满足要求后装上地脚螺栓再进行二期混凝土浇筑，将底板固定在基础上。待二期混凝土达到设计强度后，利用后支撑拉杆的伸缩调节钻机的垂直角，通过计算调整好钻机角度，拧紧螺母，钻机定位完毕。后期施工中经常检测其垂直度，以保证钻孔的准确性。（2）操作车、油箱车及水泵的就位。钻机定位完毕后，可根据施工现场的环境合理布置操作车、油箱车和水泵。需要注意以下几点：①操作车的位置应先在操作手视线较好的地方，便于操作钻机；②油箱车不能距离主机和操作车太远，以免油管长度不够；③水泵要靠近泥浆池；④以上设备的摆放不得影响钻杆的放置。（3）钻机的调试。先将水、电及油管连接好，应全面检查各部件安装连接是否准确，然后合闸进行调试。观测液压系统是否漏油，机械系统是否运转灵活，操作阀手柄是否安全可靠，仪表压力是否满足要求，若不正常应及时检查处理，正常后方可进行开孔钻进。

6 施工工艺及过程

6.1 导孔钻进

（1）开孔及导孔钻进。开孔钻进时，首先凿出一个基础水平面，保持开孔钻头垂直于基础面，安装好开孔钻杆及导孔钻头，采用扶正器将开孔钻杆准确定位，固定牢固后调整出轴转速为低转速，然后进行开孔作业；当第1根开孔钻杆完全钻入岩石后，取下开孔钻杆安装导向钻杆，安装导向钻头，并将出轴转速调整为高速开始正常钻进，钻进过程中每隔2根普通钻杆安装一个稳定钻杆，然后配合正常的钻具组合，持续钻进，在距离钻透点还有3m左右时，逐渐降低钻压，至孔通为止。施工中对于软弱层和风化层采用低钻压，对于硬岩稳定岩层采用高钻压。（2）钻具布置。开孔钻杆+开孔钻头+导孔钻杆+导孔钻头+普通钻杆（1）+普通钻杆（2）+稳定钻杆+普通钻杆（3）+普通钻杆（4）+稳定钻杆+…+普通钻杆（n）+普通钻杆（n+1）+稳定钻杆。为减少钻进过程中产中偏差，采用的开孔钻杆、导孔钻杆、普通钻杆及稳定钻杆的直径全部相同，使得钻进过程中可以挤紧导孔侧壁，防止晃动产生偏差，进而确保钻孔质量，同时也加快了钻孔的速度。

6.2 接扩孔钻头、扩孔钻进

导孔钻通后，在调压井下口处即贯通的隧洞内卸下导孔钻头，装上Φ1.2m的扩孔钻头。调节动力水龙头出轴转速为低速。在扩孔钻头全部进入钻孔时，采用低钻压。扩孔时扩孔钻压大小应根据岩石情况而定。当下部的石渣堆积到一定高度时应停机，清理石渣，清理后再进行正常的钻孔，直至扩孔全部完成为止。勾洁寺调压井正导孔扩孔施工情况：正常钻孔速度5～6m/d，24h连续工作，15d完成了正导孔扩孔的施工任务。

6.3 拆机

将扩孔钻头用铁轨吊在钻孔里，先将各种油管从主机上拆下，拆掉翻转架和小吊车，拆掉钻机的后支撑拉杆，将主机放倒，再把钻头提出孔外，全部钻孔工作结束。调压井反井钻机导井施工总工期为3+2+15=20d完成。

6.4 调压井导井扩挖

此调压井的开挖面积为45.34m2，在导井扩挖时除周边眼用3m长钻杆外，其余的炮眼均采用4.5m的钻杆，导井扩挖一次形成。这样在爆破后就可以在中间形成一个漏斗装的“下料口”，再将爆破后的石渣顺着已开挖好的正导井溜至压力管道的上平段方便出渣。由于反井钻机导孔已经形成，爆破时临空面较大，爆破质量及光面效果远远优于常规施工方案。

7 质量保证措施

反井钻机施工中垂直度为关键控制点，为此，可采用以下措施：（1）选用性能好的反井钻机和水泵等施工设备；（2）钻机安装牢固，定位准确，混凝土浇筑密实；（3）根据地质条件合理布置钻具，根据实际钻进情况及时调整钻进参数（钻压、转数、钻速）；（4）选择熟练的操作人员，发现问题能及时处理。

8 结束语

反井钻机在调压井施工中的优势：（1）施工安全。避免工作人员进入工作面进行钻爆，也不再受深坑落石、淋水、有害气体的伤害，大大避免了安全事故的发生。（2）工作效率高。机械化连续作业速度快，比以往钻爆法施工工效提高了5～10倍，为后续工作提供了充裕时间。（3）工程质量好。反井钻机施工对围岩破坏小，井壁光滑，更利于扩挖溜渣、通风、排水。