反井鉆機在甲巖水電站緩斜井施工中的應用

高 建

(中國水利水電第十工程局有限公司 二分局，四川 都江堰 611830)

1 工程概況及地質條件

甲巖水電站位于云南省祿勸縣境內，裝機容量為24萬kW。壓力管道斜井的傾角為55°，開挖直徑6.8 m，其中上、下彎段圓弧半徑為25 m、圓心角均為55°、長23.98 m，斜直段長112.53 m，斜直段及部分上下彎段實際可鉆斜井的長度為129.52 m。壓力管道斜井中上部圍巖構造和裂隙十分發育，基本上為破碎砂巖塊及孤石，充填細粉砂土，巖石的均質性、穩定性差；斜井下部圍巖基本以板巖和砂巖為主，完整性較好(圖1)。

圖1 壓力管道布置圖

2 施工布置

2.1 作業平臺

在上彎段沿(鋼)0+032掌子面頂部向前開挖7 m，開挖斷面與壓力管道相同，以滿足鉆機基礎及泥漿循環池施工和反井鉆機運行的空間需要。

2.2 反井鉆機基礎混凝土

反井鉆機基礎采用C20混凝土分兩期澆筑,一期形成基礎并預留反井鉆機地腳螺栓坑，待機體到位并進行初校后回填二期混凝土以確保反井鉆機與基礎牢固銜接，不發生移位。混凝土澆筑厚度為80 cm，混凝土面必須平整，凸凹變化不能超過1.5 cm。為滿足該斜井55°的傾角，將基礎混凝土頂面澆筑成傾角為15°的斜面，并將鉆機的操作角度調整為70°。

2.3 反井鉆機及軌道的安裝

采用汽車將其運至洞內，龍門架卸車，配合手拉葫蘆人工進行安裝。為方便反井鉆機就位、定位，在洞內卸機部位安裝反井鉆機運輸軌道，軌距60 cm,軌道為24 kg/m的輕軌，枕木為10 cm×10 cm方木，間距根/50 cm。

2.4 泥漿循環水池

反井鉆機的冷卻循環系統由洗井泵(泥漿泵)、水池、水溝組成。洗井泵設置在鉆機車與水池之間的位置。在距反井鉆機基礎20 m處設置一個8 m3水池，水池中間設一隔墻，將水池分隔成清水池和沉淀池。混凝土基礎和水池之間由一水溝連接，導孔施工出現的回水、細沙沿此水溝回流至沉淀池。

2.5 供 水

導孔鉆進用水量為5～10 m3/h，用于循環排渣、冷卻反井鉆機液壓系統，擴孔鉆進的用水量為15 m3/h，用于冷卻液壓系統和鉆頭，從主供水管接φ5 cm鋼管引水至鉆機附近水池以方便使用。

3 施工程序

先利用LM-200型反井鉆機在上彎段上水平面擴挖區沿斜井軸線方向往下鉆φ216的導孔，導孔形成后在下彎段將φ216鉆頭更 換 成 φ

1 400擴挖刀盤，然后通過自下而上反拉擴挖形成φ1 400的溜渣導井(圖2)。施工流程如下：

上彎段擴挖支護→基礎及循環水池施工→冷卻循環水池→反井鉆機安裝調試→導孔施工→擴孔施工→鉆機拆除。

圖2 反井鉆機施工示意圖

4 施工方法

4.1 φ216導孔施工

導孔鉆孔質量是反井鉆機施工的關鍵，鉆通后的偏離誤差大小在開鉆后無法進行中間檢測和控制，需依靠經驗施工。針對不同的圍巖類別，實施不同的鉆進壓力、轉速和適時裝配穩定鉆桿進行控制。先導孔開始施工時，一般采用副泵提供較小的、均勻的動力，以免孔口周壁因振動過大開裂而難以成型。反井鉆機的鉆桿分為普通鉆桿(1 m)和穩定鉆桿(0.5 m)，差別在于后者比前者外周多了均勻分布的3 cm厚鋼肋板，其作用為導向，以防止鉆桿隨深度的增加旋轉產生過大的彎曲、過大的擺幅，起穩定作用，同時減少鉆桿與孔壁的接觸磨損。采用穩定鉆桿的加設方法如下：鉆進2 m時必須加設1根，鉆進8～10 m時再加設1根，然后每鉆進15 m加設1根。實踐證明：上述方法較為合理、安全、穩妥。

(1)鉆進參數。

根據施工揭露的地質條件，導孔采用的鉆進參數見表1。

表1 導孔鉆進參數表

(2)開孔鉆進。

開孔鉆進使用了開孔扶正器。開孔鉆進時開孔扶正器和開孔鉆桿配合慢速開孔并啟動泥漿泵供漿，進行護壁和排渣。

(3)導孔鉆進。

通過導孔鉆進129 m后進行總結分析，導孔鉆進著重做好了以下幾項工作：

①一般情況下，導孔鉆進轉速應高于開孔鉆進轉速，所以應調節動力頭轉速，可以采用Ⅱ檔或Ⅲ檔。一般情況下，對于松軟地層和過渡地層采用低鉆壓；對于硬巖和穩定地層宜采用高鉆壓。

②距鉆透下彎段3 m左右時，應逐漸降低鉆壓。

③對于導孔鉆進返出的巖渣必須及時清理，防止巖渣堆積，人工配合手推車清理巖渣。

④一根鉆桿完成后，必須等孔內的巖屑全部排出才能停泵接卸鉆桿。

⑤導孔鉆透后，停止泥漿(水)循環，但鉆機不能停轉并開始向孔內加清水，直到鉆機轉動平穩，扭矩變化不大時才能停鉆。

⑥鉆進導向孔時，如發現鉆具旋轉困難，可能是遇到了裂隙或巖層塌落，此時，應把鉆具邊旋轉邊提到一定高度，再慢速向下掃孔。若經反復掃孔仍無效果時，提鉆后查明原因，進行處理。

4.2 φ1 400擴孔施工

(1)拆導孔鉆頭，接擴孔鉆頭。

導孔鉆透后，將擴孔鉆頭和導孔鉆頭拆卸工具運到斜井下口，通過對講機上下聯系，上下配合，在拆下導孔鉆頭、接上擴孔鉆頭、形成出渣系統后，即可以向上擴孔。

(2)擴孔鉆進。

在擴孔開始前，確保距孔中心1.5 m范圍內擴孔工作面平整，對工作面凸起的巖石用風鎬等找平，若有錨桿要先行取掉。

當擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉速(5～9 rpm)旋轉并慢慢給進，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，鉆進一下后停轉，待刀齒把凸出的巖石破碎掉再繼續給進；當鉆進至8 m以上時，即可正常擴孔鉆進。擴孔鉆進時若發現排渣不暢，鉆頭激烈晃動，壓力不穩，鉆進困難時，可能是有大塊渣石落在刀盤上磨擠刀具所致，此時，將刀具下放一定距離，多次高速旋轉，將渣石甩掉；若無效果，則將鉆頭下放到底進行處理。

開始擴孔時，待鉆頭全部均勻接觸巖石后才能正常擴孔鉆進。為了延長鉆機和滾刀的使用壽命，一般將系統壓力限制在16.8 MPa之內。在擴孔過程中，當巖石硬度較大時可適當增加鉆壓；反之，可以減少鉆壓。擴孔鉆進時要及時清理擴孔破碎下來的巖屑，防止下口被堵塞。擴孔過程也是拆除鉆桿的過程，拆下的鉆桿要進行必要的清理，上油后帶好保護帽。

鉆進施工中要求供水量穩定，以使刀具能得到冷卻，供水量要求不小于7.8 m3/h。擴孔施工時，對于鉆桿的拆卸要特別注意鉆桿卡瓦的正確擺放及自身的完好程度，以免出現卡瓦突然斷裂而造成擴孔鉆頭、鉆桿的脫落。

(3)完 孔。

當鉆頭鉆至距鉆機基礎2.5 m時，要降低鉆壓慢速鉆進，并且要認真觀察基礎周圍是否有異常現象；如果有，要及時采取措施進行處理，慢慢地擴孔，直至鉆頭露出地面。

(4)拆 機。

將擴孔鉆頭卡固在鋼軌上、拆掉鉆機的前后斜拉桿和各種油管，然后從鉆架上拆掉主機，依次拆下鉆架主機車和一些輔助設備。將擴孔鉆頭吊牢，軌道拆掉，將鉆頭提出孔外，再將泵車、油箱冷卻器拆下，分別運出洞外，全部鉆孔工作結束。

該工程斜井擴孔施工實際共鉆進了124.4 m，最大單日進尺28 m,平均16 m/d(因反井鉆機故障、鉆桿斷裂除外)。

4.3 不良地質段施工的處理措施

在斜井上部斷層破碎帶、節理構造面發育、不穩定巖體等不良地質段施工時，導孔鉆進過程中容易出現漏水嚴重和塌孔現象，若不及時處理，將會出現卡鉆現象，從而影響正常的鉆進施工。根據以往的施工經驗，施工中采取了以下的預防和處理措施。

(1)泥漿護壁。

在斜井上部0～20 m范圍斷層破碎帶洞段，采用優質膨潤土泥漿和水泥、優質膨潤土雙重泥漿作為洗井液進行導孔清渣和護壁，效果較明顯。

(2)導孔固結灌漿。

斜井中上部20～46 m范圍圍巖溶蝕現象較發育，出現了塌孔和不返水、返漿現象。為避免巖渣排不出來而造成二次卡鉆影響斜井施工，對塌孔和不返水段進行了灌漿護壁處理，待強后再進行二次鉆孔，累計導孔固結灌漿65 m，二次掃孔65 m。

5 防斜措施

反井鉆機施工中的導孔是關鍵，其關系到整個斜井施工的成敗。本工程斜井上半部分地質條件差，而且對于斜孔而言，不但鉆孔頂角的變化會導致偏斜，而且方位變化對偏斜的影響更大。所以，必須從技術上做好準備，采取可靠的鉆進措施控制鉆孔的偏斜。

5.1 選擇適宜的鉆進參數

影響鉆孔偏斜的主因是鉆壓。通過計算得知，對于LM-200型反井鉆機，當鉆壓大于60 kN時，鉆桿可能失穩，因此，鉆壓最好不超過此值。但在此鉆壓下，鉆進速度較低，此時可以通過增加穩定鉆桿，提高失穩壓力、加大鉆壓來提高鉆進速度。對于本工程巖性，將鉆壓控制在10 kN，鉆進速度控制為1～1.5 m/h。本次試驗鉆井參數控制的原則是：鉆進前50 m采用低鉆壓、高轉速和恒轉速。隨著鉆孔深度的增加，摩擦阻力增長很快，故應逐步降低轉速，適當增加鉆壓并保持鉆速均勻。

5.2 增設穩定鉆桿

穩定鉆桿的外徑和鉆孔直徑基本相同，其作用是保持鉆具居于井中心，以減少由于鉆壓增加而引起鉆具彎曲造成的鉆孔偏斜。為達到防斜的目的，本工程至少布置了三根穩定鉆桿，并根據測斜結果進行了調整。

5.3 泥漿參數的控制

斜井上部地質條件復雜，各種構造發育，可能會發生漏漿、塌孔、埋鉆等孔內事故。為避免或減少孔內事故的發生，采用優質NV-1納土配制

泥漿作為洗井液。設計的泥漿參數見表2。在鉆孔過程中，根據底層條件，對泥漿做了進一步的調整。

表2 設計泥漿參數表

為保證鉆孔方位，導孔鉆進時先后進行了3次測斜工作。所使用的測量儀器為JJX-3型井斜儀，采用電磁原理，以螺盤定位和360°電路完成的方位機構不存在漂移問題。該儀器的誤差指標為：方位誤差：±2°;頂角誤差：±10°。

6 結 語

云南省祿勸縣甲巖水電站壓力管道采用LM-200型反井鉆機實施55°不良地質緩斜井施工在國內少見，導孔偏斜率僅為0.95%，精度在同類工程施工中也是比較高的。同時，反井鉆機施工大大節約了工期，為下一步人工擴挖創造了條件。

反井鉆機施工是一項綜合施工技術，需要對地質條件進行準確預報和精準的操作技術。通過甲巖水電站的施工應用，順利地完成了不良地質緩斜井施工并取得了良好的效果，證明反井鉆機施工緩斜井工藝完全可以替代傳統的人工開挖導井工藝，是一種高效、安全的施工工藝。