论反井钻在斜井施工中的应用

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【摘要】：齐热哈塔尔水电站斜井长319.333m，倾角为60°，开挖平均洞径为6m，斜井有不同程度断层经过，受埋深及强风化覆盖厚度影响，层间有错动带穿过，并附带有泥沙现象，常规的人工开挖已不能确保施工安全，施工中采用反井钻施工导井、分次扩挖的施工方法，为其它类似工程提供参考。

"Summary": qirehataer hydropower station inclined shaft long 319.333m, inclination for 60 °, excavation average hole diameter for 6m, inclined shaft has different degree fault after, by buried deep and the strong weathered cover thickness effect, layer between errors moving with through, and attached with sediment phenomenon, General of artificial excavation has cannot ensure construction security, construction in the used anti-well drill construction guide well, and points times spread dug of construction method, for other similar engineering provides reference.

关键词： 反井钻； 斜井；施工应用；

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概述

1.1工程概况

齐热哈塔尔水电站压力管道斜井工程作为齐热哈塔尔水电站的重要构筑物之一， 斜井总长为319.333m，倾角为60°，开挖平均洞径为6m，为方便施工，在斜井顶部、中部、底部分别布置有施工支洞。

针对斜井较长、开挖施工难度大、地质状况较差等问题，结合反井钻机在斜井施工中工效高、速度快、安全便捷等特点，我部采用反井钻机进行斜井导井开挖钻进施工。

1.2斜井工程地质概况

斜井上部共166m，围岩为O-S1大理岩、板岩夹片岩，中厚层状夹薄层状，上覆岩体厚120~200m。岩层产状为NW315~330°SW∠20°～40°，倾向坡内，与洞线大角度相交，围岩完整性较差，围岩以III类为主。

斜井段下部共153m，围岩主要为O-S1角闪斜长板岩、片岩夹大理岩，薄层状夹中厚层状，上覆基岩厚约200~250m。岩层产状为NW315~330°SW∠20°～40°，倾向坡内，f17断层产状为NE10°/NW∠51°，片理及f17断层、裂隙均与洞线大角度相交，结构面发育，岩体较破碎，围岩以Ⅳ类为主。

2 反井钻机选型及各项参数

2.1反井钻机选型

用于本工程调压井及斜井施工的反井钻机选用LM——250型反井钻机，数量为2台。

2.2反井钻机参数

动力形式：电动机

驱动方式：液压驱动

电机功率：129.6kw

导孔直径：Φ250㎜

扩孔直径：Φ1400㎜

钻孔深度：250～350m

钻孔倾角：50°～90°

额定扭矩：25KN.m

最大扭矩：40KN.m，

导孔最大推力：700KN

扩孔最大拉力：1250KN

钻杆直径及有效长度：Φ200×1000mm

钻孔偏斜率：≤1%

适用岩性：≤f14

3 反井钻机施工原理

反井钻机是依靠电动机带动液压马达，液压马达将动力传递给钻具系统，带动钻具系统旋转作周向及竖直轴向运动，从而实现钻头对岩体产生冲击、挤压、剪切作用，达到破岩钻进的目的。在导孔钻进过程中，钻具系统对岩体作用推力，在扩孔钻进过程中，钻具系统对岩体作用拉力。

反井钻机施工原理示意图见图3-1。

4反井钻施工说明

4.1施工准备

⑴ 施工准备

清理反井钻机施工基础面，由测量队施放井轴线中心点，在清理好的基础面上采用C20混凝土浇筑反井钻机基础平台，基础平台长5m，宽3m，高0.8m。在基础平台混凝土浇筑时预留反井钻机机架固定锚杆及固定螺栓预留槽。

⑵ 钻机安装

在基础平台达到3天龄期强度后，将钻机轨道按要求铺设到基础平台上，然后将钻机吊装到轨道上，调整好钻机位置，竖起钻架，安装后拉杆，调平钻机。在确认钻机调平后用螺栓将调整钢垫板固定在钻架上。最后安装前拉杆及埋设预埋螺栓，再次调平钻机并回填二期混凝土。

在斜井施工时，利用已安装好的天锚锚杆进行反井钻机的安装。安装完后利用测量仪器对钻机进行调平、调正处理，在确认钻机完全满足施工要求后，对钻机机架进行固定。

4.2 Φ250mm导孔施工

⑴ 导孔钻进方法

在二期混凝土达到7天龄期强度后，对钻杆轴线对位及机身平整度进行复测，确认钻杆轴线与井轴线相对接重合，机身水平后，开始进行导孔的钻进施工。

钻机调平，开孔钻进后，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，把导孔钻头移入钻架底孔并用下卡瓦卡住钻杆的下方卡位，然后将卡瓦放入卡座，用钻机辅助设备连接钻杆。接好钻杆后，开启冷却用水开始开孔钻进。

导孔钻进排渣用泥浆泵抽取沉渣池内的水从动力水龙头的洗井液接头沿钻杆内壁压入钻头底部，经钻头底部的排水孔将孔底的石渣沿孔壁排至孔口的排渣槽内，自流进沉渣池内。石渣沉淀后人工捞至堆放位置，石渣水经沉淀处理后，再用泥浆泵抽入导孔内循环利用。

导孔开始钻进时采用高转速、低钻压，动力水龙头的转速调至高速档，钻压为2～5MPa。背压根据实际情况调整，背压过大动力水龙头不能向下推进，背压过小时动力水龙头向下推进速度过快容易产生卡钻。

导孔钻进过程中的参数见表4-1。

导孔钻进参数选择

因本工程施工部位岩体较为破碎，岩石强度较低低，故在导孔钻进中采用低钻压、高转速的钻进方法。离钻透下水平通道5米左右时，采用低钻压、低转速。

钻进过程中及时清理返出的岩渣，防止岩渣堆积，每钻进一根钻杆进度后冲水（泥浆）5～10分钟，等孔内的岩屑全部排出后，停泵接卸钻杆。导孔钻透后，停止泥浆（水）循环，但钻机不能停转，开始向孔内加清水将导孔内岩渣冲洗干净，直到钻机转动平稳，扭矩变化不大时停钻。

⑵ 导孔施工难点处理措施

钻头偏移控制

导孔钻进过程中，由于钻杆直径为Φ200 mm，而钻头直径为Φ250mm,钻头钻进后钻杆周围有50 mm的空隙，因此在开孔后及钻进过程中要合理配备稳定钻杆（装有4根稳定耐磨条，直径与导孔钻头一致的钻杆）强制控制导孔钻进方向，利用导孔孔壁对稳定钻杆的约束作用将前端一定范围内的钻杆强制摆正，使这段范围内的钻杆钻进方向与设计钻孔轴线一致，从而控制导孔钻进方向。钻入深度较短时,由于钻杆抗弯强度较高,钻头钻进方向不会发生偏移；当钻入深度达到一定值后,随着钻孔深度的增加,钻杆稳定性将会随之减弱,当钻孔深度达到一定程度, 受重力作用,钻杆弯曲,钻杆中间段将受挤压紧贴在钻孔下部,钻杆施加给钻头的作用力将不再与设计洞轴线方向一致,在改变的作用力下,钻头钻进方向将发生偏移。为了及时掌握钻头钻进位置,对导孔钻进方向进行有效控制,利用测量手段对钻进方向和钻头位置进行测量,根据测量数据分析钻孔偏移情况,采取纠编措施,以保证钻孔偏差控制在允许范围之内。当钻孔深度达到50m、100m时各测定一次。根据导孔偏移情况适当合理调整前端稳定钻杆的数量和位置，并在钻杆中部适当位置设置稳定钻杆，逐步对导孔方向进行调整和控制。最终完成满足设计要求的高质量导孔。

② 塌孔、卡钻现象的预防处理措施

由于本工程调压井、斜井地处斜坡位置，岩体较为破碎，风化卸荷强烈，裂隙发育，围岩主要由碎裂岩、糜棱岩组成，在导孔钻进施工过程中极有可能发生塌孔、卡钻等现象，造成导孔报废，为解决这一施工难点，导孔钻进时采用固结灌浆的方法予以预防、处理。具体方法如下：

在现场制备水灰比为0.4～0.55的水泥浆或水泥砂浆通过灌浆设备或人工自流输送浆液的方法进行灌注，利用浆液填充断层、裂隙。灌注浆液48小时后即可进行钻孔、扫孔施工。当导孔达到一定深度后（至少要达到50米以上），采用灌浆设备灌注较稀的水泥浆液，对导孔周围岩体进行固结。具体水灰比需在现场试验确定。（一般是采用2:1,、1:1、0.5～0.8:1等几个比级），但由于要反复取钻、灌浆、扫孔，对施工进度影响较大。

4.3 Φ1400mm滚刀扩孔施工

⑴ 扩孔钻头安装

导孔贯通后，用装载机将Φ1400mm扩孔滚刀钻头运至下水平洞导孔下方，将上、下提吊块分别同扩孔钻头、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20cm，然后固定钻头，下落钻杆，拆去上、下提吊块，连接扩孔钻头。在扩孔钻头安装过程中钻机操作人员与钻头安装人员利用报话机上下联系、紧密配合。

⑵ 扩孔施工

在扩孔施工时，钻机低转速、低钻压缓慢将扩孔钻头提升至与岩面接触，然后从导孔内通入冷却水，以冷却扩孔钻头并消尘。

待扩孔钻头全部钻进岩体后开始对钻头加压，加压压力根据岩性具体而定，遇到软岩或岩石较为破碎时采用低压，遇到硬岩时采用高压。

随着扩孔钻头的逐步提升，钻杆随之跟进拆卸，拆卸钻杆时，第二根钻杆上方卡位升至卡座上方约20cm，将下卡瓦卡住第二根钻杆的上卡位，下降动力水龙头，使下卡进入卡座内，反转动力水龙头一圈，升起翻转架并将机械手抱住钻杆，动力水龙头反转并提升约10cm，取出上卡瓦，再将动力水龙头升至最高位置，下降翻转架并松开机械手，同时下降动力水龙头连接钻杆，取出下卡瓦，继续扩孔钻进。

⑶ 反井钻机拆除

扩孔施工完成后，将扩孔钻头担放在钻机基础平台上，然后利用起重设备进行钻架、机身的拆除，最后拆除扩孔钻头。

⑷ 扩孔施工中的抽排水措施

扩孔施工中用于冷却钻头及消尘的用水量较大，约为9～12m3/h，在下层水平洞内合适位置挖掘长1m，宽0.5m，深1m的集水坑，利用二级3″污水泵分段接力抽排出施工支洞外。

5．结束语

齐热哈塔尔水电站长斜井开挖施工技术是总结了国内其它电站施工的成功经验，并结合电站自身特点进行的，在施工过程中同样存在许多困难和教训，但施工进度、施工质量和施工安全总体受控，对国内其它类似斜井施工具有非常实际的参考意义。