大型反井鉆機新技術在白鶴灘水電站溜渣井中的應用

王紅彬，李 毅，張學亮，樊啟祥

(1.中國三峽建設管理有限公司，四川成都610041;2.北京中煤礦山工程有限公司，北京100013;3.中國長江三峽集團公司，北京100038)

水電工程中為解決豎井開挖過程中的排水、出渣和通風難題，一般采用先形成溜渣井、再正井法擴挖的施工方法。其中，溜渣井的施工安全、質量、進度直接關系到豎井建設目標能否實現。常規溜渣井施工時先從上自下鉆進形成Φ216 mm導孔，再用小型反井鉆機第1次擴挖形成Φ1.4 m導井，最后人工手風鉆鉆孔爆破第二次擴挖形成Φ3.5 m溜渣井[1-7]。該方法存在溜渣井擴挖程序繁瑣、安全風險高、作業環境差、成型質量差、施工進度慢等問題。白鶴灘水電站豎井數量多，井身高度深、斷面大，溜渣井施工難度更為突出。因此，探索高深豎井溜渣井安全、快速、高質量的施工技術十分迫切。

1 概 述

白鶴灘水電站位于云南省巧家縣和四川省寧南縣交界的金沙江上，總裝機容量1 600萬kW，建成后為世界第2大水電站。受地形地質條件限制，引水發電系統工程主要建筑物均布置在兩側山體內，地下洞室群規模位居世界第1位，布置的豎井主要有壓力管道豎井、廠區進風豎井、廠區排風豎井、出線豎井上下段、尾水管檢修閘門井、尾水調壓室、尾水洞檢修閘門井、尾水隧洞通氣豎井及施工期通風井等，共計74條，總長8 935 m。豎井主要特征參數見表1。

白鶴灘水電站左右岸引水發電系統豎井數量多、井身高度深、斷面大，豎井區域地質條件復雜多變，分布有松軟覆蓋層、柱狀節理玄武巖、大型層間層內軟弱錯動帶、長大裂隙及斷層等大量的不利地質構造，且位于中高地應力區，應力集中與卸荷松弛現象明顯，溜渣井開挖過程中易發生巖爆、片幫、掉塊，甚至塌方，施工風險較大。為了降低白鶴灘水電站引水發電系統工程豎井溜渣井施工安全風險，提高溜渣井成型質量，縮短溜渣井施工工期，需改變傳統溜渣井的施工方法，尋找更為先進的施工工藝。經研究比選，決定采用北京中煤礦山工程有限公司專利產品——BMC 600型大型反井鉆機一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井的新技術，從根本上解決傳統溜渣井開挖施工的安全、質量、進度風險。BMC600型反井鉆機技術參數見表2。

表1 豎井主要特征參數統計

表2 BMC600型反井鉆機技術參數

2 大型反井鉆機施工工藝

2.1 工藝流程

大型反井鉆機進行溜渣井開的流程如圖1所示，具體為施工準備(反井鉆機吊點錨桿、基礎混凝土、沉淀池施工及鉆機安裝)→BMC 600型反井鉆機自上而下施工Φ350 mm導孔→BMC 600型反井鉆機自下而上一次成型Φ3.0～3.5 m導井溜渣井。

圖1 BMC 600大型反井鉆機施工工藝

2.2 基礎及沉淀池施工

反井鉆機基礎為9 m×3 m×0.8 m(長×寬×高)，采用混凝土澆筑，見圖2。沉淀池尺寸為5 m×1.5 m×1.5 m(長×寬×高)，采用磚砌。

圖2 反井鉆機基礎澆筑示意(單位：mm)

2.3 Φ350 mm導孔施工

待鉆機主機、油泵及操作系統準備就緒，檢查泥漿泵管路是否與主機相連，主油泵的循環冷卻系統是否調試完成，鉆孔中心及鉆孔角度經校核準確無誤后，方可開孔。開孔鉆進時，利用開孔扶正器和開孔鉆桿配合慢速開孔，并啟動泥漿泵供水，開孔深度3 m。開孔完成后開始正常的導孔鉆進。導孔施工控制要點有：

(1)導孔鉆進轉速應高于開孔鉆進轉速，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采用高鉆壓。

(2)一根鉆桿鉆進完成后，必須等孔內的巖屑全部排出后，才能停泵接卸鉆桿。

(3)距離導孔貫通剩余3 m時，應隨著貫通距離縮短逐漸降低鉆壓、減緩鉆進速度，直至貫通。

(4)導孔貫通后，先停止泥漿循環，向導孔內注入清水，同時保持鉆機繼續轉動，直到鉆機轉動平穩、扭矩變化較小時才能關停鉆機。

(5)導孔鉆進過程中，若遇到空洞、裂縫等地質缺陷而不返水時，應及時起鉆采用泥漿護壁或灌注砂漿、混凝土、水玻璃等膠凝材料，待其凝固后再重新鉆孔，以避免卡鉆。

(6)在整個導孔鉆進過程中，應采取可靠措施確保連續供水、供電，避免發生卡鉆事故。

2.4 Φ3.0～3.5 m導井溜渣井施工

導孔鉆透即將完成前，將擴孔鉆頭和導孔鉆頭拆卸工具運至豎井下部通道內。導孔鉆透后通過鉆桿打點上下聯系，上下配合拆下導孔鉆頭接上擴孔鉆頭，形成出渣系統后，即可準備自下而上的Φ3.0～3.5 m溜渣井擴孔鉆進作業。

擴孔開孔時，應在擴孔鉆頭接好后，緩慢上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，使用最低轉速(5～9 r/m)，并慢慢給進、保證鉆頭滾刀不因承受過大的沖擊而破壞，待滾刀將凸出的巖石破碎掉之后，再繼續給進，直至鉆頭全部均勻接觸巖石后開始正常地擴孔鉆進。為保證鉆機和滾刀的使用壽命，一般將系統壓力限制在18 MPa之內。在擴孔過程中，當巖石硬度較大，可適當增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。當導孔鉆頭鉆至距豎井頂面2.5 m時，要降低鉆壓緩速鉆進，認真觀察豎井頂面周圍巖體是否有異常現象。即將完孔時，應放慢擴孔速度，直至鉆頭露出地面。

2.5 精度控制措施

采用BMC 600型大型反井鉆機一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，施工精度主要取決于反井鉆機施工定位和Φ350 mm導孔偏差，須提前制定控制措施。

(1)反井鉆機施工定位控制。反井鉆機施工定位決定了孔位偏差，其精度取決于吊點錨桿、基礎混凝土預留地腳螺栓、頂面平整度和鉆機安裝：反井鉆機吊點錨桿施工時，根據設計坐標，采用測量放點，準確定位吊點，嚴格控制吊點錨桿外露長度；基礎混凝土備倉時，采用測量放點，準確定位預留地腳螺栓孔，并做好焊接固定，澆筑過程中加強檢查，確保螺栓孔位不變；基礎混凝土澆筑完成收面時，頂面應保證水平，起伏差不超過1.5 cm，對于不滿足要求的部位，使用砂布磨平或砂漿補缺；反井鉆機安裝時，認真調整鉆桿定位，確保鉆桿對中，鉆孔孔位偏差在允許范圍內。

(2)Φ350 mm導孔偏差控制。Φ350 mm導孔偏差主要包括孔斜偏差和孔向偏差。白鶴灘水電站引水發電系統均為90°傾角的垂直豎井，其導孔孔斜偏差通常較小。但導孔較深時，隨著鉆壓的增加，鉆桿就會逐漸彎曲，導致鉆孔孔向偏離鉆孔軸線；在非均質巖層中鉆進時，巖石硬度的變化也會導致鉆孔孔向發生偏差。因此，提前制定導孔孔向偏差控制措施顯得尤為重要：①選擇適合巖層特性的鉆頭，施工前，結合地質勘探成果和已有施工經驗，詳細分析不同巖層分布范圍，根據鉆頭特性合理選擇鉆頭：軟巖地層鉆進宜采用較小夾角的長楔齒或碳化鎢一字形鑲齒鉆頭，硬巖地層鉆進則宜采用較大夾角的短楔齒或碳化鎢半球形鑲齒鉆頭。②使用穩定器，穩定器是避免鉆孔偏斜最有效的工具。穩定器一般被設計為六棱或八棱形，通常將兩個或更多的穩定器聯在一起使用，以便在鉆孔底部形成一段剛性的、與孔壁多處接觸的鉆具組，以防止偏斜。③控制鉆壓，采用低于最佳鉆進速度的鉆壓并保持恒定的鉆進速度。鉆壓通常參考鉆鑿相同或相似地層的鉆井參數來確定。如果沒有經驗可參考，可參照鉆頭制造廠家提供的鉆頭產品樣本進行選擇。

(3)導孔糾偏措施。根據鉆孔深度、巖石地質條件和鉆孔精度要求等條件，可選用鐘表、磁性和陀螺測斜儀進行測井。經測量，如果發現導孔偏差超出合理范圍，必須停止正常鉆進，對鉆孔進行糾偏處理。導孔糾偏的方法須視具體情況而定：對于偏斜程度和方向非常有規律的鉆孔，可采取偏置鉆機的方法來糾正預計的偏斜，鉆機移動的距離和方向根據施工經驗而定；對于偏斜程度和方向無規律或程度較大的導孔，應采用純水泥漿、砂漿等膠凝材料回填偏斜段，待其凝固后校正鉆進方向重新鉆孔。

2.6 施工成果

經統計，2014年～2017年，白鶴灘水電站采用BMC 600型大型反井鉆機一共施工了Φ3.0～3.5 m溜渣井2 642.3 m，鉆孔偏斜均小于1%，溜渣井施工期間未發生安全事故，使用期間溜渣效果良好、未發生堵井事故。

3 與傳統溜渣井施工工藝比較

傳統溜渣井施工工藝為LM-300型反井鉆機自上而下施工Φ250 mm導孔→LM-300型反井鉆機自下而上施工Φ1.4 m導井→自下而上人工將Φ1.4 m導井鉆爆擴挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井，見圖3。采用BMC 600型大型反井鉆機方案施工方法見圖4。

圖3 傳統豎井溜渣井擴挖示意

圖4 BMC 600型大型反井鉆井一次成型留渣井施工方法示意

與傳統溜渣井施工工藝相比，采用BMC 600型大型反井鉆機施工具有以下幾方面的優缺點：

(1)降低施工安全風險。傳統的溜渣井施工工藝中，由人工從Φ1.4 m導井擴挖至Φ3.0～3.5m溜渣井時是在Φ1.4 m導井內掛設載人吊籠、人工鉆孔裝藥作業，作業空間狹小，遇到不良地質洞段時，一旦發生掉塊、塌方等突發事件，鉆孔工人無法有效躲避，人身安全風險極大；井內煙塵多、噪音大，工作環境惡劣，且井內通信網絡信號差，一旦遇到突發情況，井內、井外人員聯絡困難，救援難度大，安全隱患突出；由于導井直徑小，導井內的垂直交通只能采用簡易卷揚系統提升載人吊籠，保障系數偏低，且露天作業時易受大風、大雨影響，均存在一定的安全風險。另外，人工擴挖形成的溜渣井斷面尺寸大小不一，豎井正井擴挖溜渣時在小斷面部位很容易形成堵井，處理堵井也存在著極大的安全風險。采用BMC 600型大型反井鉆機一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，省去了由人工從Φ1.4 m導井擴挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井工序，僅需少量作業人員在上、下井口操作鉆機，無需人員進入井內，從本質上徹底消除了溜渣井擴挖時存在的安全風險，減少了粉塵對作業人員職業健康的危害。

(2)提高施工質量。傳統的溜渣井施工工藝中，溜渣井擴挖人工手風鉆鉆孔、裝藥爆破質量控制精度不夠，最終形成的溜渣井往往成型質量很差，井壁凸凹不平，井身斷面尺寸大小不一，會降低溜渣效率，甚至發生堵井事故。采用BMC 600型大型反井鉆機一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，井壁成型光滑無破損，無需對井壁欠挖進行二次開挖或加強支護；溜渣井軸線偏移量均控制在1%以內，且整個井身斷面尺寸均勻一致。白鶴灘水電站眾多豎井正井擴挖施工中，凡采用該新技術施工的豎井，均未出現堵井現象。另外，對于一些臨時的豎井，如采用BMC 600型大型反井鉆機一次成型的施工期通風豎井，無需對井壁進行錨桿和噴混凝土支護。

(3)提高施工效率。與傳統溜渣井施工工藝相比，采用BMC 600型大型反井鉆機施工溜渣井減少了由人工從Φ1.4 m導井擴挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井的工序，施工效率明顯提升，平均實際鉆進深度可達10 m/日以上。對于100 m深的豎井，采用BMC 600型大型反井鉆機一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井可縮短1個月左右工期。傳統施工工藝形成的溜渣井往往由于溜渣井斷面尺寸大小不一，而易發生堵井事故，一旦堵井，處理起來通常需要2個月以上，會嚴重降低施工效率。

(4)施工成本偏高。根據水電工程定額，采用LM-300型反井鉆機施工Φ1.4 m導井成本約3 300元/m，Φ1.4 m導井人工擴挖為Φ3.5 m溜渣井成本約1 250元/m，合計為4 550元/m。經實際測算，對于井深300 m內的溜渣井，采用BMC 600大型反井鉆機一次成型Φ3.5 m溜渣井人工成本為130元/m、材料成本為3 260元/m、機械成本為4 180元/m、其他成本及稅金為2 560元/m，合計約10 130元/m。可見，作為一項新技術，采用BMC 600大型反井鉆機一次成型Φ3.5 m溜渣井成本比傳統溜渣井施工工藝高出約5 580元/m。但隨著水利水電工程建設水平的提高和大型反井鉆機應用范圍的擴大，價格定會逐步回歸到一個較為合理的水平。因此，考慮到大型反井鉆機在施工安全、質量、效率方面所具有的無可比擬的優點，仍然是值得推廣的一項新技術。

4 結 語

采用大型反井鉆機一次施工成型大直徑溜渣井，在水電工程中白鶴灘水電站屬于首次，是對水電工程溜渣井施工工藝的一次重要探索和突破。與傳統的施工方式相比，采用大型反井鉆機省去了從Φ1.4 m導井擴挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井的人工擴挖工序，具有安全、快速、高質量的特點以及顯著的社會效益，是一項值得推廣的新技術。

目前，白鶴灘水電站已實施了25條豎井，累計達2 642.3 m，未出現任何安全問題，且效果良好。隨著對工程建設安全的重視程度越來越高，由于在減少人工投入、降低施工風險、提高施工效率等方面所具有的一系列優點，以及價格水平的回歸，采用大型反井鉆機一次施工成型大直徑溜渣井在豎井施工中將具有廣闊的應用前景。北京中煤礦山工程有限公司已研制出最大直徑達6.0 m的反井鉆機鉆頭，今后直徑小于6.0 m的深小豎井可以全部由反井鉆機一次成型，深小豎井的施工將更安全、快捷。