黄家湾首部枢纽工程引水发电洞竖井段反井钻机施工技术研究

刘国中

(贵州省水利投资集团有限责任公司，贵阳 550001)

0 引 言

黄家湾首部枢纽工程引水发电洞竖井段开挖总高度39.9m，开挖断面为φ6.6m圆型井，衬砌成型直径为∅5.0m，由于竖井高度高，直径大，需要采取非常规施工方法进行施工，保证施工安全。

1 工程概况

黄家湾首部枢纽工程规模为大(2)型，主要枢纽建筑物有挡水大坝、左岸溢洪道、左岸导流兼泄洪放空隧洞、大地头冲沟副坝、右岸坝后电站工程等。引水发电洞竖井段设置于引0+147.43-引0+154.03m桩号段。洞室围岩为三叠系中统边阳组第二段的砂、泥岩，主要呈微风化状态，节理裂隙发育，岩体完整性较差，主要为互层状结构，地下水位比洞室高0-32m，地下水活动中等至较强烈，岩层走向与洞向交角50-80°，岩层倒转，倾角50°左右，竖井段为Ⅳ类围岩。上平段底板高程为1024.2m，下平段洞顶高程984.3m，开挖总高度39.9m，其中竖井段高度26.5m，其他余为上下转弯断，转弯半径10m。设计开挖为∅6.6m圆型井，衬砌成型直径为5.0m。

2 施工工艺技术

设计开挖为∅6.6m圆型井，衬砌成型直径为∅5.0m。竖井开挖首先反井钻机开挖溜渣井，溜渣井开挖成∅2.0m直径圆形井，用于溜送竖井扩挖时的石渣到下平段上，再用装载机进行出渣，用人工钻孔爆破的方式扩挖到设计断面后，进行竖井钢筋混凝土衬砌。

2.1 开挖溜渣井

溜渣井开挖采用LM-200型反井钻机，转机由主机、操作车、泵车组成。钻孔最深度为200m。其施工特点有：①施工工艺简单；②各种地质条件均能满足施工要求；③施工人员配置少；④施工效益高，成井速度快。施工工艺流程如下(见图1)：

2.1.1 反井钻机布置安装

钻机基础清至完整的基岩，浇筑厚75cm、强度为C20混凝土基础，预留机架固定螺栓、前拉杆螺栓槽。钻机基础混凝土浇筑7d后，将轻型轨道铺设在混凝土平台上，轨距为64cm，轨道下垫枕木(20×20cm，长120cm)或20#工字钢，每隔60-80cm垫一根，然后将钻机从洞外拆解后分散搬运至洞内，再拼装到轨道上，调好钻机位置，锁紧卡轨器，竖起钻架，安装后拉杆，调平钻机。

图1 反井钻机工艺流程图

2.1.2 反井钻机钻溜渣井施工

1)导孔施工

钻机调平后，调整动力水龙头的转速为预定值，并将动力水龙头升到最高位置、把事先与异型钻杆相接的导孔钻头移入钻架底孔并用下卡瓦卡住异型钻杆的下方卡位，然后将卡瓦放入卡座；用转盘吊将开孔钻杆放入机械手，卡住钻杆，操作机械手，连接钻杆，接好钻杆后，收回机械手；上升动力水龙头，取出下卡瓦，下放动力水龙头，使钻杆进入卡座；操作手柄使动力水龙头正转并向下推进，操作调节阀达到钻进压力，开始开孔钻进的同时开启泥浆泵供洗井液和冷却用水。

动力水龙头向下推进至最低位置时，停止向下推进，检查棘轮套的插销是否往上顶出来，如果插销被顶出来，说明孔内石渣没有冲洗干净，继续冲洗至插销回到原位。导孔冲洗干净后，提升动力水龙头，使钻杆上卡位升至卡座上方约20cm，停止动力水龙头的转动和提升，将下卡瓦卡住钻杆的上方卡位，下降动力水龙头将卡瓦放入卡座，动力水龙头反转，边转边提升动力水龙头至最高位置；同时用转盘吊将待接钻杆放入机械手，卡住钻杆，操作机械手，连接钻杆，下降动力水龙头接好钻杆，收回机械手；上升动力水龙头，取出下卡瓦，再下降动力水龙头向下钻进。

2)∅2.0m扩孔钻进

导孔钻通后，在下平洞用卸扣器将导孔钻头和异型钻杆换下，修平平洞顶拱扩孔钻进范围，用装载机将钻头运至导孔下方，将上下提吊块分别同钻头、导孔钻杆固定，上下提吊块用钢丝绳连接，提升导孔钻杆，使钻头离开地面约20cm，然后固定钻头，下放导孔钻杆，拆去上下提吊块，连接扩孔钻头；调节动力水龙头出轴转速调为慢速挡；用一个三通将冷却水泵的水分出一部分供扩孔钻头，以冷却钻头、消尘；在扩孔钻头未全进入钻孔时，为防止钻头剧烈晃动而损坏刀具，应使用低钻压、低转速，待钻头全部钻进时，方可加压钻进。

3)拆卸钻杆

扩孔完成后拆卸钻杆，在卸钻杆过程中，钻杆接头无法松动时，使用辅助卸扣辅助动力水龙头反转，如果使用辅助卸扣装置也不能松动接头时，则在待松动的接头四周用氧焊烘烤，边烘烤边反转动力水龙头直至松动为止。如果使用氧焊烘烤还是不能松动接头时，则在第一根钻杆的下边缘用钢锯锯除2-3mm，再反转动力水龙头松动接。

2.2 竖井扩挖

竖井的扩挖采用人工钻孔爆破扩挖到设计断面。竖井的扩挖需在溜渣井施工完成，下平段开挖与溜渣井相接后才能实施，竖井扩挖采用人工钻孔爆破开挖，爆破石渣经溜渣井溜到下平段后，再用装载机铲运出渣。为便于溜渣，扩挖工作面布置成漏斗阶梯状。

2.2.1 造孔

造孔采用YT-28型气腿式风钻造孔，孔径42mm，周边孔必须在测定出的轮廓线上开孔，孔间间距偏差≤5cm，其它爆破孔位偏差≤10cm。每轮钻孔深度3m，钻孔布置如图2。

图2 发电引水隧洞竖井爆破布孔图

2.2.2 装药、联网、起爆

钻孔验收合格后，由爆破人员按爆破设计，操作规程进行装药、堵塞，使用黏土对炮孔进行堵塞，并用炮棍轻轻捣实，装药、堵塞完成后，按设计联网，爆破网路要处于松弛状态，联网结束后，要检查复核整个网络，避免漏装漏联，爆破前进行清场警戒，施工人员撤离警戒区，机械设备做好安全防护，确认一切准备工作完毕后，由爆破人员起爆。爆破参数见表1。

2.2.3 安全处理及出渣

待烟尘消散后，爆破人员进入作业面检查，发现盲炮及时处理，处理完毕后，人工清除危石，确认安全后，进行出渣作业。石渣经溜渣井溜到下平段，再用装载机铲运出渣。在出渣的过程中对开挖成型的竖井壁进行喷锚支护，支护完成后，再进行下一循环的开挖。

表1 爆破参数表

2.2.4 不良地质带、探洞、探坑等的开挖

对于破碎带开挖，采用人工配合风镐挖除，人工清渣，井壁范围内的溶洞、探洞、探坑，用人工配合风镐清除充填岩块、浮渣、积水以及污物等，并用高压风水枪冲洗干净，对开挖处理后的破碎带、溶洞、探坑洞等验收合格后，根据设计要求进行回填处理。

在竖井开挖过程中遇到局部的溶洞和土洞，对于洞口深度<1m的土洞，采取清除充填物后，打设锚杆，锚杆锚固段进入完整岩体3m，且全长≥6m，锚杆间距3m。双层钢筋网挂网喷护，混凝土喷层厚度200mm，钢筋网采用HPB300￠8，间距200×200mm，向洞口周边延伸3m。对直径<1m的洞穴，采用灌注水泥砂浆及混凝土的方式，再挂网喷射混凝土进行加固处理。

在竖井开挖过程中遇见断裂带和宽大裂隙不良地质，采取清除松动、软弱充填物后，间隔设置预应力锚杆和型钢腰梁，与周边完整岩石连接，喷射混凝土护面，两侧5m范围内岩石中打设6m的岩石锚杆，锚杆直径25mm。破碎带、裂隙带中设置泄水孔，防止形成滞水。

3 结 论

黄家湾首部枢纽工程引水发电洞竖井段开挖总高度39.9m，其中竖井段高度26.5m，其余为上下转弯断，开挖断面为∅6.6m圆型井，衬砌成型直径为∅5.0m，施工难度大。通过采用LM-200型反井钻机开挖溜渣井，再用人工钻孔爆破的方式扩挖到设计断面，针对不良地质带、探洞、探坑等的开挖，采取人工特殊处理，提高了施工效率，保证了工程质量及施工安全。