水电工程反井钻施工效率影响因素浅析

张云飞，曹 畅，张 琦

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2.中国电力财务有限公司，北京市 100005）

0 引言

水电工程建设过程中，有大量的竖井、斜井工程，与其相应的导井工程施工具有岩石硬、长度大、偏斜率要求高的特点。传统的施工方式一般采用吊罐或爬罐法施工，这些施工方法存在安全风险大、施工周期长、质量控制难度大等缺点。从1992年4月北京十三陵抽水蓄能电站首次引进反井钻机技术以来，后续的水电工程竖井、斜井施工中，反井钻机施工技术展现出安全、快速、高质量等多方面优势[1]。

1 反井钻施工工艺

反井钻的施工工序一般分为两道，即导孔钻进和扩孔钻进。首先从竖井或者斜井上部的施工通道从上往下进行导孔钻进，钻机将旋转扭矩和压力作用在钻头上，钻头对岩石产生冲击、挤压或者刮削作用，将岩石从岩体上分离出来，形成圆形的钻孔，一般钻机利用泥浆泵通过浆液循环将岩屑排出[8]。在钻孔和下部巷道贯通后，拆掉导孔钻头换上扩孔钻头，通过反井钻机产生的拉力形成破岩钻压，在钻机旋转的作用下，破碎岩石，形成导井[2]，如图1所示。

图1 反井钻原理示意图Figure 1 The working principle of raise reaming machine

导井的直径一般有1m、1.4m、2m和2.5m等，随着技术的不断发展，现在水电工程中应用较多的一般是2.5m直径的导井，一方面因为施工效率较高，另一个方面因为后期扩挖过程中能够保证溜渣顺利，降低堵井的可能性[4]。已有工程中应用的反井钻机包括国外设备TR3000，国产设备LM-200、BMC200、BMC300、BMC400、BMC600等。随着国产设备的不断发展，目前工程应用较多的为国产BMC系列设备，与之相配套的设备还包括TDX-50定向钻等。

2 反井钻施工效率影响因素分析

水电工程中竖井、斜井的开挖一般均为工程管理过程中的重点，施工质量要求高，安全风大，进度控制严格。在实际施工过程中，影响反井钻机施工效率的因素主要包括工程地质、井深、导井直径、倾角等。

2.1 工程地质对反井钻施工效率影响

工程地质对反井钻施工的影响主要表现在矿物属性、地质年代、岩石类型、地质构造、水文条件、瓦斯因素等方面[5]。结合水电工程中竖井、斜井所在位置地质情况看，反井钻施工效率主要受到矿物属性、岩石类型和地址构造三个方面影响。一般情况下，水电工程中岩石硬度大，对钻头磨损较为严重，在导孔开挖过程中需要采用耐磨性较强的钻头，扩孔钻进过程中，破岩滚刀消耗较大；变质岩为主的部位钻进效率低，沉积岩为主的部位容易卡钻；针对不同地质构造中存在的节理、裂隙、层理、断层、陷落柱等地质缺陷，容易造成钻孔倾斜，进而加大测斜和纠偏的工作量。

2.2 井深对反井钻施工效率影响

竖井、斜井井深不同对应施工难度差异性较大。如抽水蓄能工程的引水系统中斜井或竖井的长度一般在300m以上，导孔开挖过程中，动力传导过程中损耗大，对钻杆扭矩要求高，同理在反拉过程中也存在这些问题。另外，反拉钻进过程中对刀盘的稳定性和扭矩都要求较高，这些因素都会使反井钻施工效率降低。

2.3 倾角对反井钻施工效率影响

水电工程中，洞轴线与水平夹角在25°～75°的地下洞室开挖为斜井开挖，洞轴线与水平夹角大于75°，深度大于上口短边长度或者直径的地下洞室开挖工程为竖井开挖[3]。倾角不同时，导井开挖难度差异较大，主要表现在下钻难度随倾角变小加大，偏斜控制难度加大，量测及纠偏工作量与竖井开挖相比成倍增加。另外，开挖过程中，倾角越小，扩孔钻进时出渣难度越大，大大降低了施工效率。目前水电工程斜井施工中，一般采用定向钻配合反井钻的施工工艺，先以定向钻钻导孔，视现场实际情况在反拉扩孔之前再添加一次正向扩孔，或以定向钻完成导孔开挖后直接反拉钻进形成导井[6]，主要目的就是为了保证斜井开挖偏斜率。

2.4 导井直径对反井钻施工效率影响

导井直径的大小取决于反井钻反拉刀盘的大小，随着国产机械设备制造水平的不断发展。导井直径从最初的1m一直增大到现在普遍使用的2.5m。导井开挖直径的增大，对设备质量、刀盘的制造技术、钻杆技术参数都提高了要求，施工过程中由于刀盘稳定性控制难度增大，反拉钻进的效率会有一定的降低。但从整体上看，大直径导井的开挖为导井后续的进一步扩挖打下了良好的基础。部分工程采用导井直径为1.4m的反井钻机时，为防止后续扩挖导井过程中溜渣堵井，在导井开挖完成后需要进行两次扩挖，即采用手风钻自下而上先进行一次反向扩挖[7]，将导井直径扩至3.5m（2m以上），再采用自上而下正向开挖一次扩挖至设计尺寸。这种施工工艺不仅使工期延长，由于加入反向开挖爆破作业，使施工安全风险加大。因此，部分水电工程已经要求针对井深较大的斜井开挖，其导井直径不得小于2m。

3 各影响因素对施工效率影响

已有研究中，关于工程地质对反井钻施工效率影响的研究较多。水电工程中，反井钻施工对应的岩石一般较为坚硬，对施工效率的影响为工程地质综合作用的结果，不易做量化分析。本文收集了十三陵、大朝山、溪洛渡、山东沂蒙、福建厦门等7个电站中地质情况相近的35条斜竖井施工效率资料，通过以井深、倾角和导井直径三个影响因素为自变量，导孔施工进尺速度和扩孔施工进尺速度为因变量，对表1所示五组关系进行研究。

表1 施工效率影响因素分析表Table 1 Analysis table of factors affecting construction efficiency

3.1 井深对反井钻施工效率的影响

选取竖井样本进行分析，如表2所示。

表2 导孔进尺速度与井深关系数据表Table 2 The data table of drilling speed and depth

以自变量井深为横轴，因变量导孔进尺速度为纵轴，关系如图2所示。

图2 导孔进尺速度与井深关系图Figure 2 The relationship diagram of drilling speed and depth

续表

从图2中可以看出，当井深由70m增加至130m时，导孔进尺速度出现明显下降，且随着井深的增加，导孔进尺速度不断降低，到达200m附近时，呈明显下降趋势。由此认为，井深增加到一定程度时，施工过程中的不确定性对施工导孔进尺速度的影响突变，施工效率明显降低。

对扩孔进尺速度与井深的研究选取表3所列竖井样本。

表3 扩孔进尺速度与井深关系数据表Table 3 The data table of reaming speed and depth

同样，扩孔进尺速度与井深的关系如图3所示。

由图3可见，70m以下范围内，随着井深的增加，扩孔进尺速度未呈现出较为明显的趋势变化。扩孔深度在130～150m的范围内时，与70m左右井深的扩孔进尺速度相比，施工效率呈跳跃式下降，200m以上井深下降趋势亦明显，整体变化趋势与井深对导孔施工效率的影响大体一致。

图3 扩孔进尺速度与井深关系图Figure 3 The relationship diagram of reaming speed and depth

3.2 倾角对反井钻施工效率的影响

选取井深相近的斜井进行数据分析，如表4所示。

表4 导孔进尺速度与倾角关系数据表Table 4 The data table of drilling speed and dip-angle

以倾角为横轴，导孔进尺速度为纵轴，得到如图4所示关系。

图4 导孔进尺速度与倾角关系图Figure 4 The relationship diagram of drilling speed and dip-angle

如图4所示，在井深和导井直径保持一致的情况下，倾角越小，导孔进尺速度越慢，到90°竖井时，基本趋于稳定。同理，在井深和导井直径保持一致的情况下，选取有效数据样本如表5所示。

表5 扩孔进尺速度与倾角关系数据表Table 5 The data table of reaming speed and dip-angle

以横轴表示倾角，纵轴表示扩孔进尺速度，得到如图5所示关系。

如图5所示，斜井扩孔进尺速度普遍低于竖井，主要因为斜井施工过程中，量测校准等工作量较大，偏斜控制工作较多。从以上趋势可以看出，倾角对导孔进尺速度影响比倾角对扩孔进尺速度影响较小，主要因为在反井钻施工过程中，对于偏斜率的控制工作主要集中在导井开挖过程中，导井的施工质量对整个井的偏斜率影响占主要作用。

图5 扩孔进尺速度与倾角关系图Figure 5 The relationship diagram of reaming speed and dip-angle

3.3 导井直径对反井钻施工效率的影响

选取井深与倾角相近数据样本，分析扩孔进尺速度与导井直径关系，数据表如表6所示。

表6 扩孔进尺速度与导井直径关系数据表Table 6 The data table of reaming speed and diameter

以导井直径为横轴，扩孔进尺速度为纵轴，得到二者关系如图6所示。

由图6可以看出，当导井直径由1.4m增加到2m时，扩孔进尺速度大幅度减小。且导井直径为1.4m的样本平均扩孔进尺速度明显大于导井直径为2m样本的扩孔进尺速度。由此认为，导井直径越大，施工难度随之增加，扩孔速度也就随之减小。从以上的研究可以得出结论如表7所示。

表7 施工效率影响因素结论表Table 7 Conclusion table of factors influencing construction efficiency

图6 扩孔进尺速度与导井直径关系图Figure 6 The relationship diagram of reaming speed and diameter

以上分析旨在反映井深、倾角与导井直径对反井钻施工效率影响的关系，依据2004版《水电建筑工程预算定额》中的子目设置可以看出，定额子目考虑了倾角与导井直径对施工效率的影响，但未纳入井深因素。另外，现有定额中导井直径最大为2m，随着设备的不断更新，应根据投入使用的最新设备参数对施工机械进行补充，并在定额子目中增补对应子目。

本文收集的部分施工样本数据时间较早，由于施工机械不统一造成施工效率的变化因素也会对结果造成一定影响，因此本文只分析定性结论，为定额子目的后续增补框架设置提供思路，对于针对井深、倾角、导井直径三个因素的区间合理划分和定量数据结论尚需增加一定数量的数据样本进行说明。

4 结论与展望

本文从工程地质、井深、倾角和导井直径四个方面定性分析了反井钻施工效率的影响因素。以导孔进尺速度和扩孔进尺速度作为衡量反井钻施工效率的参数，结合实际工程数据样本分析了井深、倾角、导井直径对反井钻施工效率的影响。为水电建筑定额反井钻施工子目的完善和补充提供了建议。近年来，反井钻施工技术在水电工程中应用更加广泛，后续研究过程中应注意不断补充完善工程数据样本，定量分析不同因素对反井钻施工效率的影响，为反井钻施工预算定额的编制提供更多的参考和建议。