反井鉆機在拉拉山水電站斜井施工中的應用

劉少輝，王寶雄，仝艷芳

(中國水利水電第五工程局有限公司第三分局，四川雙流 610255)

1 工程概況

拉拉山水電站位于甘孜州巴塘縣境內，為金沙江左岸支流巴楚河干流“一庫五級”開發的第三級電站，系引水式電站。電站廠址位于莫多鄉措松龍村，電站總裝機容量為96 MW(2×48 MW)，為立軸混流式水輪發電機組。壓力管道由三個平段和兩個斜段組成，其中上斜段長155.36 m，開挖斷面為直徑5.2 m的圓形，斜井段與水平段的夾角為65°。

上斜段管道垂直埋深90～130 m，側向最小水平埋深100 m。巖層為灰巖，受斷裂帶影響，巖體較破碎，節理裂隙發育，部分張開，圍巖為IV～V類，巖體穩定性較差。其中井口段43 m為強風化灰巖，無強度，夾雜顆粒狀碎石且裂隙滲水嚴重，斜井中下部位夾雜強風化灰巖。上斜段巖層分布情況見表1。在如此復雜的地質條件下，采用反井鉆機開挖斜導井是一次大膽嘗試，其成敗與否，關鍵在于先導孔的鉆進。

表1 壓力管道上斜井地質情況表

2 反井鉆施工工藝

反井鉆開挖斜井是一種高效、安全的鑿井施工方法，已廣泛應用于我國煤礦、水電等地下工程施工中。近幾年，雖然水電工程項目也有反井鉆開挖斜井貫通的案例，但在不良地質條件下順利貫通的案例還很少且導孔偏斜量往往超過設計值。

2.1 反井鉆機施工的優點

(1)施工安全性好。采用反井鉆機施工，工人不需要進入井內作業，工作環境和安全狀況良好，避免了其他施工方法中落石、有害氣體等對人的傷害。

(2)有利于后續施工。反井鉆機采用滾刀機械破巖，對圍巖破壞小，井壁光滑，有利于擴孔溜渣、通風、排水。

(3)操作安全簡單。反井鉆機操作簡單、安全，改善了工人的勞動條件，減輕了勞動強度。

(4)鉆機效率高，成井速度快，質量好。

2.2 反井鉆機的主要參數

拉拉山水電站地處高原地帶，平均海拔3 000 m以上，設備高原降耗較大，根據壓力管道長度、特殊巖層和特殊洞段選用LM－300型反井鉆機。

LM－300型反井鉆機的主要技術參數為:導孔直徑250 mm，擴孔直徑1.4 m，鉆孔深度300 m，鉆機最大扭矩70 kN·m，最大推力550 kN，鉆孔傾角為60°～90°，主機重10 t(包括運搬車)，主機搬運尺寸為3 000 mm×1 420 mm×1 740 mm，主機工作尺寸為3 280 mm×1 810 mm×3 488 mm，鉆桿單根長度為1 000 mm，電機功率為128.5 kW，驅動方式為全液壓驅動。

2.3 施工程序

鉆機基礎及循環池、冷卻池施工→澆筑鉆機基礎→鋪設軌道→鉆機安裝→鉆機調試→澆筑地腳螺栓→導孔鉆進→拆導孔鉆頭，接擴孔鉆頭→擴孔鉆進和下口出渣→反井鉆機撤除。

2.4 反井鉆機的冷卻循環系統

反井鉆機的冷卻循環系統由洗井泵(泥漿泵)、水池、水溝組成。在距反井鉆機基礎約15 m處設置一個10 m3水池，水池中間設隔墻，將水池分隔成清水池和沉淀池。混凝土基礎和水池之間由水溝連接，導孔施工產生的回水、細沙沿水溝回流至沉淀池。洗井泵設置在鉆機車與水池之間。

2.5 反井鉆機的運輸及安裝

為方便反井鉆機就位、定位，在洞內卸機部位地面安裝運輸軌道，軌道間距60 cm，軌道為24 kg/m的輕軌，枕木為10 cm×10 cm的方木，間距為50 cm/根。在主管洞頂上設置一個天錨，承載力為15 t，用于反井鉆機卸車。

2.6 反井鉆機的基礎安裝

反井鉆機安裝在平段與斜井相交部位，主機起鉆孔口與斜井中心線延長線吻合。操作車、泵車依次停放在擴挖過后的盲洞內，操作車距起鉆孔口有大于1 m的安全距離。基礎采用C20混凝土分二期澆筑而成，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。施工布置情況見圖1。

圖1 反井鉆機施工布置示意圖

3 導孔施工

反井鉆先導孔φ250。先導孔的偏斜值若超過設計洞邊線，則該導孔為廢孔。開鉆后偏離誤差通過測斜儀檢測，根據檢測的結果實施不同的鉆壓、轉速，采取過程糾偏等措施控制孔斜。

3.1 反井鉆機的操作

(1)反井鉆機就位、開機試運轉時，操作手要先進行空載運轉，檢查動力水龍頭的上下運行和旋轉以及機械手和轉盤吊的工作狀況;觀察液壓系統有無漏油，機械系統是否運轉靈活，操作手柄是否靈活可靠，各儀表指示是否正常，各種控制閥是否工作可靠，液壓油溫度有無異常，發現問題應及時處理。

(2)鉆進時，動力頭向下給適當壓力，正向旋轉即可。當鉆井深度一定時，考慮鉆具自重影響，壓力逐步減小;必要時，調整平衡閥控制鉆壓，使刀具對巖石的壓力合理。對于松軟地層，采用低鉆壓;對于硬巖穩定地層，采用較高鉆壓。在鉆至平洞透點3 m左右時應逐漸降低鉆壓。

(3)反井鉆機加接鉆桿時，推進油缸停止工作，同時把鉆具提起50 mm以上，根據孔深繼續沖洗2 min以上，觀察鉆孔內的返渣情況，確定孔內無沉渣后再接鉆桿。

(4)接鉆桿時，動力水龍頭要提至最高位置，以免機械手輸送鉆桿時鉆桿與動力水龍頭碰撞。

(5)卸鉆桿時，先將下卡瓦裝入卡套，卸開鉆桿和接頭體絲扣，然后裝上卡瓦，卸掉鉆桿下部絲扣，上提動力水龍頭，由機械手抱住鉆桿，取出上卡瓦，卸下鉆桿和接頭體絲扣。卸扣時，為確保安全，輔工人員要撤離至主機一側操作。

(6)操作手工作時，應根據導孔返水或返巖屑的情況不斷調整鉆進參數。

(7)操作手對當班的鉆井深度、設備運轉狀態、地質狀況等要記錄清楚。

3.2 導孔鉆進施工

鉆進導孔時，如發現鉆具鉆進困難，此時可能遇到裂隙或巖層塌落，應把鉆具旋轉提到一定高度，再慢慢向下掃孔，若經反復掃孔仍無效果時，一定要提鉆，查明原因并進行處理。當發現導孔鉆頭水眼堵塞時，要及時提鉆處理。

3.3 穩定鉆桿的布置

反井鉆機的鉆桿分為普通鉆桿和穩定鉆桿，差別為后者比前者多了4條3 cm厚的鋼肋板，其作用是導向，避免鉆孔偏斜，防止鉆桿隨深度(長度)的增加產生過大的彎曲和擺幅，起到穩定鉆桿的作用，同時減少鉆桿與孔壁的磨損。合理的布置穩定鉆桿是控制鉆孔偏斜的有效措施之一。拉拉山水電站上斜井鉆桿分布為:在初始10 m鉆孔時全部使用穩定鉆桿，10～40 m內每隔1 m更換穩定鉆桿，40～90 m內每隔10 m更換穩定鉆桿，90～127.7 m每隔15 m更換穩定鉆桿。

3.4 強風化灰巖層、滲水段的處理

在拉拉山水電站上斜井反井鉆施工中，整個斜井地質條件較差，比較破碎，又存在裂隙，導孔施工過程中經常遇到不返水、不返巖屑和塌孔等現象，尤其是在鉆至43 m、59 m和86 m三處時發現導孔內滲水量比較大，不返水、不返巖屑、塌孔，卡鉆的現象比較嚴重。采取的處理方法是:立即將鉆桿全部提起，采取向導孔內灌注純水泥漿進行護壁、堵漏的方式。送漿量通過孔深和預計流失量計算，水灰比均為0.45，并摻速凝劑，待水泥漿凝固24 h后重新掃孔鉆進。

3.5 導孔精度控制

在拉拉山水電站上斜井導孔施工中，主要通過調整鉆壓、鉆速和選用有經驗的鉆井人員控制導孔精度，措施如下:

(1)通過調整鉆壓、鉆速獲得在不良地質條件下的最佳鉆進速度，為了提高鉆進精度，在鉆進導孔時，采用低于最佳鉆進速度的低壓鉆進。約1.5 h鉆進1 m。

(2)通過加大主泵供水量的方式使導孔內水壓增大，有利于孔底巖屑的清理，荷載直接作用于新露出的巖石上，降低鉆壓，從而可降低導孔的偏斜，確保導孔精度。

(3)選用有經驗的鉆孔人員，能夠根據導孔返上的巖屑判斷巖層地質情況，從而及時調整鉆壓、鉆速，確保鉆孔精度。

經過采取以上一系列措施進行處理，上斜井導孔向中軸線上偏斜1.8 m，取得了比較理想的效果。

3.6 反井鉆上斜井導孔施工效果

拉拉山水電站高壓管道上斜井地質條件十分復雜，最終決定采用LM－300反井鉆施工導孔:2011年4月18日開鉆，至2011年5月19日完成鉆孔127.7 m，歷時31 d，實際工作8 d，平均日進尺16 m，最終導孔向中軸線上偏斜1.8 m成功貫通。

4 結語

拉拉山水電站斜井反井鉆導孔施工在高原地帶、地質條件復雜等情況下順利地完成了施工任務，施工質量好，速度快。

(1)采用LM－300型反井鉆機施工不良地質條件下的斜井導井，比人工開挖安全性高、質量好、進度快。通過采取特殊措施，可以有效控制導孔的精度，確保鉆孔質量。

(2)先導孔鉆進應選用有經驗的操作人員，施工中根據巖層情況隨時調整鉆進速度。孔口段應放慢鉆進速度，不良地質帶應先對巖性進行判斷，然后根據地質條件調整施工工藝，絕對不能盲目追求進尺，否則將會造成重大損失。

(3)導孔出現偏斜時應及時采取糾偏措施。通過調節穩定鉆桿、調整鉆壓、鉆速、灌漿等一系列措施確保導孔精度。