反井鉆機在抽水蓄能電站長斜井施工的應用

王明星

摘要： 我國已成為裝備制造強國，基礎設施建設中大型機械設備的應用已十分普遍。近年來反井鉆機已普遍應用在水電站的斜井、豎井反導井工程施工中，其施工技術已趨于成熟。但在250m以上、角度60°及以下的斜井中用國產反井鉆機施工還屬攻關課題。文章介紹國內反井鉆機，用于新疆阜康抽水蓄能電站長斜井反導井施工中，在安全、精確、高速的成功應用。

關鍵詞： 長斜井;反井鉆;施工的應用

工程概況

阜康抽水蓄能電站引水系統壓力鋼管由1#和2#引水壓力鋼管組成，1#和2#引水壓力鋼管主管平行布置，洞軸線間距為43.72m，立面上采用雙斜井布置。

引水系統工程上、下斜井共有四條，斜長約270m，斜井角度為60°。斜井總體傾斜角度大、長度深、貫通精度要求高、開挖難度大。

地質條件：斜井覆巖體厚度190m～350m，基巖以灰黑色～灰綠色硅質巖夾砂巖（C2-2）為主，上部少量礫巖夾細砂巖、灰巖（C2-3）。層面較發育，巖層走向較穩定，約NW275°～280°，傾向NE，傾角35°～45°。斷裂構造較發育，發育斷層多與洞室斜交，中、陡傾角，其與巖層互相切割組合，對洞室穩定影響較大。

施工程序

斜井導井先采用反井鉆機進行正導孔（φ311mm）施工，正導孔與下部平洞貫通后，再由下部平洞安裝D=2m反拉鉆頭，由下至上形成圓形D=2m直徑導井（溜渣井）。反井鉆機斜井導井施工程序見圖1。

設備主要參數

以1#引水下斜井為例，反井鉆機鉆進長度約為330m（含上、下彎段），與地面水平方向夾角為60°。受洞室內運輸及施工場地限制，反井鉆機工作高度為8.4m。

本工程選用的BMC400型反井鉆機，主要用于水電系統豎井和斜井施工。本工程地質條件以中硬巖為主，導孔鉆孔速度5m/班，擴孔速度約2.5m/班（每天2班，每班10小時）。該鉆機具有：施工安全性高，鉆孔速度快，勞動條件好，應用比較廣泛。BMC400型反井鉆機主要性能參數：導孔直徑：311mm，擴孔直徑：≤3.0m，設計鉆孔深度：400m，鉆孔傾斜角度（與水平方向夾角）–10°～90°，偏斜控制：7.5‰，單根鉆桿有效長度/重量：1500mm/423kg，鉆機功率：128.5kW。Φ311mm高精度導孔開孔鉆具組合：Ф311mm牙輪鉆頭+Ф172mm鉆鋌+Ф127mm短鉆桿（2m）。

導孔施工

準備工作

反井鉆機施工用水量：（1）導孔鉆進時循環補充水10m3/h，用于循環排渣和冷卻反井鉆機液壓系統;（2）擴孔鉆進時需水約5m3/h，用于冷卻液壓系統和擴孔鉆頭。

施工供電：高精度導孔施工時，反井鉆機總功率為325kW，擴孔施工時，反井鉆機總功率為140kW，配備的變壓器電壓等級為380V，電源頻率50HZ。

施工用電：除工作面的工作燈采用36V安全電壓外，其它供電均采用220V或380V電壓，所用供電線路均采用帶絕緣皮的電纜。

照明：壓力鋼管上斜井反井鉆機施工區洞頂部位安裝2個200WLED燈提供施工照明。

施工排水：反井鉆導孔施工廢水及圍巖滲水，采用污水泵抽取至施工支洞排水溝內，定期對集水坑和排水溝內的泥漿巖屑進行清理。

導孔開孔

斜井反井鉆鉆機依靠電力啟動，并需要大量的施工用水確保鉆孔施工，主要材料為易消耗磨損的材料：如鉆桿、鉆頭，要常備倉庫。反井鉆機采用15t平板貨車運輸，受洞內空間限制，經研究討論最終選擇在洞內頂拱設6組天錨（Φ28砂漿錨桿L=6m）利用天錨再充分加固后配以10 t手動葫蘆卸車，滿足了安全卸車要求。

開孔前將鉆機找正，使斜井設計軸線與鉆桿及動力鉆頭軸線重合。鉆孔泥漿應制備完成，并使泥漿充分循環。導孔開始鉆進時采用輕壓、慢轉、大泵量為宜。一般控制在轉數60r/min，鉆壓500kg，泵量600～1200L/min左右。動力供水開啟快速擋。接好鉆桿后，開啟泥漿泵供高壓漿液和冷卻用水，開始從上往下開孔鉆進。實際施工中需根據不同的地質條件調整鉆壓，對于軟質巖層或斷層帶采用低鉆壓，對于中硬巖地層采用高鉆壓。根據地質條件采用泥漿泵供漿排渣或泥漿泵供水排渣。

導孔測斜、糾偏

阜康抽水蓄能電站引水系統斜井導孔測斜使用“直井MWD無線隨鉆測斜儀”。在導孔鉆進過程中對孔斜的監測和定向的糾偏。原理為利用磁導向裝置進行監測，根據反饋數據判定導孔的角度及方位。

孔斜監測：當導孔深度達到一定深度時（100m～150m），將隨鉆測斜儀隨同鉆桿一同下入井下，在鉆進過程中，每鉆進30m測斜一次，5～10m一個測點，每測斜一次可取多個測點。并將測量數據實時傳到地面上來，根據數據與設計導孔軌跡進行對比?？仔背珪r，加密測點，并制定定向糾偏設計。

鉆孔糾偏：根據制定的糾偏設計，利用Ф172mm彎螺桿進行定向鉆進，采用隨鉆測斜儀進行糾偏。根據隨鉆測斜儀反饋數據，判定導孔偏斜軌跡的大小，調整螺桿鉆具的扭方位，并通過泥漿泵產生的高壓泥漿，傳至馬達后，馬達通過萬向軸和傳遞軸傳遞給鉆頭，進而實現了糾偏。

地質缺陷部位的處理

在長斜井施工中，地質條件對導孔施工起到最重要的影響，遇到不良地質段或軟弱夾層，導孔護壁變得尤為重要，如導孔發生塌孔，會造成埋鉆、卡鉆等事故，而且對偏斜控制不利。在阜康抽水蓄能電站斜井反井鉆施工中，由于斜井地質圍巖較破碎，斷裂構造較發育，發育多道斷層帶。導孔施工中多次遇到不返水和巖屑、塌孔、卡鉆等現象。采取的處理方法：

在導孔施工前，根據前期地質勘查資料認真分析不良地質段的位置及分布，為施鉆提供技術準備。

遇到不良地質段時，采取調整泥漿參數的措施，提高泥漿的護壁和攜渣能力，確保反渣和孔壁通暢，最終達到順利通過不良地質段目的。

發生卡鉆事件時，我們一般采取以下兩種辦法：高壓水強行沖洗導孔，在沖洗孔過程中啟動鉆機轉動鉆桿，直到將鉆桿轉動并提升。第二種辦法是當導孔距離下平洞較近時，從下往上打導孔貫通導孔，貫通后再用高壓水進行沖洗導孔。

在遇到軟弱夾層、較大裂隙或斷層帶等地質條件時，導孔鉆進過程中，可能會出現孔口不返水、不排渣情況，可采用循環鉆灌成孔法，即拌制水灰比為0.45的水泥漿，并摻速凝劑，通過灌漿設備將水泥漿液灌注導孔內，利用水泥漿液填充斷層帶、較大裂隙，待水泥漿凝固24小時后重新掃孔鉆進。該方法不足處為需要反復取鉆和灌漿，對導孔鉆進的施工進度影響較大。另外在斜井孔深超過150m，并且斷層、裂隙帶范圍不大時，可采用強行鉆進成孔法，該方法在孔口不返水時，繼續鉆進并不斷用泥漿泵向導孔內壓水，將積渣強行排除。

擴孔施工

導孔鉆進與下部隧洞貫通后，在下平洞安裝直徑2.0m的擴孔鉆頭。擴孔鉆頭運到下平洞導孔中心點位置，同時利用吊帽等專用工具進行安裝。在安裝時上下平洞利用對講機呼應，在統一指揮下，上平洞鉆機操作手根據下平洞安裝擴孔鉆頭施工人員指令進行操作。

擴孔直徑為2.0m，每米實渣量為3.14m3。反井鉆機每天可擴孔鉆進10m，則每天的出渣量為31.4m3。

在擴孔過程中可能因為急于加快擴孔進度，加大提升力，使反井鉆機扭矩超額定值而造成鉆桿斷裂（扭矩不超過設計最大扭矩的60%），發生擴孔鉆頭卡在已擴挖完成的孔內時，從下面處理鉆頭是十分危險的。所以應在保證安全的情況下進行處理，方法一：將鉆桿接上，用鉆桿對擴孔鉆頭施加壓力使擴孔鉆頭自然從已擴挖完成的孔內墜落至下平洞。方法二：將鉆桿全部提升，利用鋼絲繩從孔口將炸藥送入鉆頭卡住位置，毫秒雷管起爆炸藥將鉆頭震落至下平洞，該方法必須控制好每次的炸藥量，已保證擴孔鉆頭不產生結構性損傷。

當擴孔即將完成時，一般在鉆頭距離地面3m時，應慢速降壓擴孔，同時現場人員要觀察地面情況是否出現異常，緩慢使鉆頭露出地面。擴孔完成后進行反井鉆的拆除工作。拆除順序：鉆頭固定懸掛→拆下鉆架主機和一些輔助設備→鉆頭提出孔外→拆裝泵車、油箱→清理現場。

反井鉆機施工效果

反井鉆反拉導井井壁平整，開挖過程中對巖體擾動小，可以避免斜井擴挖過程中掉塊，起到安全保護作用。同時斜井采取反井鉆施工，施工人員遠離掌子面作業區，安全保證系數高，對作業人員的健康保證相對較好。

反井鉆機開孔利用開孔扶正器，保證開孔的精度。在鉆進過程成合理布置穩定鉆桿，鉆頭選用硬巖保徑三牙輪鉆頭，保證鉆孔過程中導孔不縮徑，能夠使穩定鉆桿順利通過，并保證孔的鉆鑿精度。在鉆進施工過程中，選用電子單多點測斜儀測量，導孔每鉆進30m停鉆，使用測斜儀進行一次測斜工作，及時發現超標偏差，避免大工作量的返工。

遇到不良地質帶先對巖性進行判斷，在正確施工反井鉆的情況下圍巖的變化是影響導孔施工的主要因素，所以我們一般采取調節穩定鉆桿、鉆速、調整鉆壓等手段進行反井鉆的操控。如鉆桿無法通過不良地質帶時應考慮采用灌漿的辦法進行孔壁加固，最終達到確保導孔精度的目的。

結語

反井鉆機法施工斜井具有安全風險低，改善施工環境，加快施工進度等優點。本工程兩條引水主洞，四條斜井地質條件較差，且均為長斜井，對施工導孔的偏斜控制提出了挑戰。本工程在技術人員不斷的摸索、攻關下達到了理想的效果。反井鉆機施工法作為目前斜井施工最為科學、安全的施工方法，成功的應用于不同施工條件的斜井，正確施工和加快施工進度作為重要的施工課題進行研究，并將成果進行推廣應用。

參考文獻

DL/T5407–2009水電水利工程斜井豎井施工規范[S].

胡本永.反井鉆機在周寧水電站高豎井開挖中的應用[J].廣西水利水電，2005（03）：20.