豎井反井鉆井法在地下水封洞庫工程中的應用

郭得福，張 慧

(中鐵隧道集團煙臺LPG地下儲氣洞庫項目部，山東煙臺 264000)

0 引言

反井鉆機法從20世紀60年代在美國采礦工程領域研制成功，是將隧道掘進機和鑿井鉆機結合形成的井筒施工設備。我國在20世紀80年代開始研制，首先用于礦山工程中［1］，90 年代后在水電［2］、公路［3－4］等工程領域開始推廣，目前在國、內外豎井施工中已普遍采用，但在地下水封洞庫工程中尚未推廣應用。

地下儲油、儲氣洞庫作為能源戰略儲備的主要設施，正在國內掀起建設高潮。地下水封洞庫一般設計為地下洞室群，施工期通風的難度很大，一般常采用通風豎井方式通風，操作豎井由于位于主洞室上部，也會用于輔助通風。地下水封洞庫的建設規模較大，進出油、氣的豎井較多，目前正在建設的地下水封洞庫中最多的設有15個豎井，豎井深度多為100 m左右。地下水封洞庫利用地下裂隙水密封主洞庫，使主洞庫內的石油及其產品能安全儲存，對天然地下水的保護是地下水封洞庫施工的關鍵。豎井施工時，不可避免地要穿透地面至主洞庫間巖體的含水層，存在破壞地下天然水的風險。為保證豎井施工過程中不出現地下水的大量流失，影響地下水封洞庫的密封性，目前地下水封洞庫工程的豎井基本均采用傳統的正井法施工，但正井法施工存在進度緩慢、施工投入多、安全風險高等不利因素。反井鉆井法是在正井法的基礎上改進的一種高效、安全的豎井施工方法，其施工工藝比較成熟［5－6］。文獻［7］介紹了反井鉆井法在地下水封洞庫工程中應用的實例，但該工程的地下水流失嚴重，曾一度影響到洞庫的儲存。國外也因顧忌地下水泄露的問題，很少采用反井鉆井法施工地下水封洞庫工程的豎井。煙臺LPG地下水封洞庫豎井施工時將水文地質勘探［8］和深孔注漿技術［9］結合到反井鉆井法中，成功地采用反井鉆井法開挖了4個豎井，其經驗值得借鑒。

1 工程概況

煙臺LPG地下水封洞庫工程位于山東省煙臺市經濟技術開發區臨港化學工業園內，工業園北側為煙臺西港區，洞庫位于工業園地下，采用地下水封洞庫儲存方式，該洞庫總庫容為100萬 m3，其中丁烷庫25萬m3，LPG庫25萬 m3，丙烷庫50萬 m3。地下水封洞庫工程主要由交通巷道、水幕巷道及水幕、主洞庫、豎井等組成。

豎井共有4個，其中，1個通風豎井，3個設備豎井。豎井直徑均為6 m，深度為116～162 m。豎井井口端有20～30 m的砂性土覆蓋層，其余均為黑云二長花崗巖，圍巖總體完整，滲水量較小，以Ⅱ級圍巖為主，巖石飽和抗壓強度達160 MPa左右。

2 方案的確定

反井鉆井法在鉆導井時，很容易將含水層鉆透而使地下水流失，因而反井鉆井法在地下水封洞庫工程中鮮有采用。要采用反井鉆井法，就必須要確保不破壞地下天然裂隙水，這就需要做好水文地質勘查工作。施工前期，在豎井中心鉆一水文地質探孔，并對探孔分段進行壓水試驗，根據試驗確定巖石滲透系數，在地下水的滲透系數普遍較小時方能采用反井鉆井法。反井鉆井法施工時，由于開挖的渣能從導井內直接溜入井底的巷道或主洞庫內，減少了出渣工序，大大提高了施工的進度和安全性。從費用角度看，采用反井鉆井法后，直徑大于6 m的豎井施工總費用一般比正井法施工的豎井略低。可見，在條件允許的情況下，宜采用反井鉆井法施工。

3 鉆機選型

目前，國內已有系列化的反井鉆機，可以滿足最大5 m導井的施工。但從反井鉆機施工方面看，其技術已比較成熟，能滿足不同巖石條件下的鉆井，這就需要采用技術經濟的手段進行鉆機選型。

在堅硬的花崗巖地層，國內目前只能使用小于2 m直徑的刀盤進行反鉆，較為成熟的鉆機型號一般為BMC200、BMC300、BMC400，均能使用 1.2，1.4，1.6，2.0 m直徑的刀盤。由于選擇的刀盤直徑不同，其鉆孔市場價格也有較大的差異，目前鉆井較為經濟的刀盤直徑為1.2 m和1.4 m。從施工技術方面看，地下水封洞庫工程豎井的圍巖完整性高，在人工鉆爆擴挖時，常出現較大塊的爆破渣體，易堵塞反井鉆機鉆的導井。本項目對國內幾十個工程反井鉆機使用情況進行過調研，發現1.2 m直徑的導井在巖石完整性高的豎井中易出現堵塞;1.4 m直徑的導井堵塞次數極少;1.6 m直徑的刀盤在國內使用較少，無堵塞的信息;花崗巖地層用2.0 m直徑的刀盤在國內技術尚不完全成熟。

綜合上述技術經濟方面的比較，本項目選用BMC300型反井鉆機配1.4 m直徑反向刀盤，導孔鉆頭直徑為235 mm。

4 反井鉆機作業原理

反井鉆機主要包括地上部分和井下部分。地上部分主要有主機、操作控制系統、洗井液循環系統、冷卻系統、電控系統;井下部分有鉆桿、導孔鉆頭、擴孔鉆頭等。反井鉆機施工工藝主要包括導孔鉆進和擴孔鉆進2個過程。導孔鉆進時，動力頭施加向下的推力和旋轉扭矩，經鉆桿傳遞給導孔鉆頭，導孔鉆頭切削、擠壓巖石，破碎的巖屑沿鉆桿外壁環形空間由洗井液(清水或泥漿)提升至地面，這一過程中，鉆桿不斷向下接長直至鉆透至下水平巷道;擴孔鉆進時，動力頭施加向上的拉力和旋轉扭矩，經鉆桿傳遞給擴孔鉆頭，布置在擴孔鉆頭上的滾刀擠壓巖石，破碎的巖屑靠自重落至下水平巷道，由裝巖機等設備運出，這一過程中，鉆桿不斷拆卸直至擴孔鉆頭露出地面。反井鉆機各部分組成及作業示意見圖1。

圖1 反井鉆機各部分組成及作業示意圖Fig.1 Raise-boring machine and its working principle

5 反井鉆機施工

反井鉆機施工順序為:水文地質探孔—地面預注漿堵水—反井鉆施工準備—施作鉆機基礎和循環水池—安裝并調試反井鉆機—自上而下鉆導孔—自下而上反鉆導井—拆除反井鉆機。

1)水文地質探孔。在每個豎井的中心位置，鉆一水文地質鉆孔，鉆孔從地面伸入到豎井下方的泵坑底部，鉆孔要全孔取芯進行地質編錄，并分段進行壓水試驗。壓水試驗有單塞式和雙塞式2種［8］，單塞式的試驗簡單，但必須每鉆孔10 m左右就試驗一次，工作量較大。雙塞式存在塞子密封不嚴的問題，為克服此問題，采用水囊式密封塞并增加了微形攝像頭，通過攝像頭來調整塞子的位置和密封情況，取得了較好的效果。通過壓水試驗結果，計算出地下巖石的滲透性，找到出水較大的部位。

2)地面預注漿堵水。通過壓水試驗發現，巖石滲透性較大的部位均集中在靠近地表端的全－中風化層，煙臺LPG項目的此類地層從地面向下20～35 m為微風化花崗巖，滲水性較差。在豎井的周圍設帷幕注漿堵水，注漿孔應從地表伸入微風化巖石中至少5 m。注漿孔應至少在豎井開口線外布置2環，環間距為1 m為宜，環內孔間距也以1 m為宜。注漿采用分段前進式，分段的長度為10 m左右，注漿壓力應不小于1 MPa，注漿材料以純水泥漿為主，輔以水玻璃。在深孔注漿后，應檢查注漿效果，根據效果進行補充注漿。

3)反井鉆施工準備。施工前，先平整場地，確保施工的車輛、物資能安全運至現場。將施工水、電接引至現場;如采用發電機供電，發電機的功率不應小于250 kW;施工用水在鉆導孔階段可一次供應10 m3左右即可，在反鉆階段每小時的供應量應不少于15 m3/h。反井鉆機施工的場地宜為10 m×15 m。

4)施作鉆機基礎和循環水池。為便于豎井鉆爆擴挖，導井的位置宜位于豎井的中心附近，也就是說反井鉆機也應安裝于豎井中心附近。為使鉆機安裝穩固，需用混凝土施作鉆機基礎，基礎尺寸一般為:4 m×3 m×1 m(長×寬×厚)，混凝土標號不低于C25，地腳螺栓處二次澆注混凝土標號不低于C30，基礎宜高出地面0.2 m。在地表覆蓋層軟弱時，可以根據情況適當加大基礎的尺寸。在鉆機基礎附近挖一循環水池，使鉆機的冷卻水和孔口反出水能自然流進池內。循環水池的容量不宜小于10 m3，應滿足人工或挖掘機等清理沉淀泥漿的作業。循環水池一般是臨時的，當距離豎井口較近時在反井鉆機施工完成后應回填。

5)安裝并調試反井鉆機。鉆機在現場進行安裝，鉆機的主機部分直接安裝于基礎上，其他部分就近安裝，用管線將各部分連接。主機部分要先調平，再用混凝土澆筑地腳螺栓。主機、液壓泵站、操作臺間連接進、回路油管，將所有的電機接380 V的電。在鉆機安裝完成后，應進行鉆機的調試，確保管線正確連接，泥漿泵形成循環排渣系統，調試完成后方可開始鉆孔。

6)自上而下鉆導孔。導孔鉆進是反井鉆機施工的關鍵，它關系到鉆孔質量和成敗。導孔鉆頭與鉆桿要配套，避免出現鉆頭與鉆桿偏差過大。在開孔時，鉆壓宜為50～30 kN，鉆進速度宜為0.3～0.6 m/h;在強風化段鉆進時，鉆壓宜為30～10 kN，鉆進速度宜為2～4 m/h;在微風化帶鉆進時，鉆壓宜為30～10 kN，鉆進速度宜為1～2 m/h。

開孔鉆進時，宜利用開孔鉆桿慢速鉆進，孔深超過3 m后方可更換普通鉆桿。在含水覆蓋層鉆進困難時可先進行注漿加固后再從孔口鉆下，注漿方法可以多次使用。在鉆完1根鉆桿后，不能直接停泵更換鉆桿，要待孔內的巖屑全部排出后再停泵更換鉆桿。

反井鉆機鉆導孔過程中，要控制鉆孔的精度，偏斜率控制在1%左右。在鉆機就位時要保證鉆機垂直，鉆桿要配有一定數量的蝶形導向鉆桿(或穩定鉆桿)，開始時要低壓力鉆進，在鉆孔進入微風化巖石后方可緩慢增加鉆進壓力，在遇到大傾斜結構面時，也要控制鉆進壓力，避免出現因鉆進壓力過大而使鉆孔發生彎曲和偏離［3］。

7)自下而上反鉆導井。在導孔鉆至井底巷道內時，在巷道內拆下導孔鉆頭，更換反向刀盤，然后慢速提鉆桿，當刀盤上的滾刀接觸到巖面時，用5～9 r/min的轉速轉動鉆桿，并慢速上提加力。待刀盤全部接觸巖面時，才能正常上提擴孔，但一般的系統壓力限制不宜超過18 MPa。

當刀盤上提接近鉆機基礎15 m時，要放慢鉆進速度，并對地面進行變形觀測，如有異常應立即停止鉆孔。當可能遇到較大的地下水泄露點時，也要停止鉆導井。為防止在地表覆蓋層和強風化巖體段出現地下水泄露，建議導井上提到中風化層即可。

8)拆除鉆機。在導井施工完成后，將刀盤放至巷道內，從巷道內拆除刀盤。鉆桿從地面逐節拆除，最后拆除鉆機。爆破拆除鉆機基礎，并回填循環水池即可。

6 正向擴挖及支護

反井鉆機施工完成后，安裝井口的提升系統。提升系統主要有:主提升機1臺，配1 m3容積的吊桶1個，用于運送材料、人員和靠井口段的正向出渣;穩車2臺，用于懸吊吊盤(作業平臺);井架1個，頂部安裝天輪;井門和吊盤各1個。擴挖采用人工風鉆鉆爆法，爆破的渣大部分從導井中自溜至巷道內，少量渣用人工扒渣至導井。支護采用吊盤輔助，可在吊盤上進行錨桿、噴射混凝土、安裝鋼支撐等作業。

擴挖的工藝與正井法施工的方法總體一致，只是出渣的方式不同，本文中不再贅述。

7 安全保障措施

豎井提升系統是安全管理的重點，目前已有較完善的措施和管理制度。反井鉆井法施工較正井法施工，尚應做好以下幾點安全措施。

1)鉆導孔時的電力保證。在導孔鉆進過程中，完全徹底地排出巖屑是鉆進的關鍵。如在鉆導孔時突然停電，且孔內的巖屑沒有排出干凈，在較長時間停電過程中，孔內的巖屑就會沉淀于孔底。當長時間停電導致沉淀的巖屑密實后，再次鉆孔時很難排出巖屑，發生埋鉆事故導致鉆孔廢棄。可見，在鉆導孔階段，一定要保證充足的電力供應。如果需要停電應提前通知反井鉆機施工方，避免造成可能產生的埋鉆事故。

2)井底作業人員應采取安全措施。由于豎井中心存在較大直徑的導井，工人在井底作業時，應佩帶安全帶，安全帶可懸掛于吊盤下。在導井口，應用鋼筋網片等完全覆蓋，網片要能承受人員在其上作業、行走的載荷。在擴挖扒渣時，覆蓋井口的網片只能按照需要逐塊移開，不能全部移開。

3)井底巷道內應設隔離區域。因鉆導井及擴挖階段的渣全部溜入井底巷道內，因此，需在巷道內劃出隔離區，設置防護圍墻。在巷道內出渣時，要與豎井作業面取得聯系，此時豎井內應停止一切作業，并用防護網覆蓋導井上口。

4)井底爆破應警戒豎井。在距離井底巷道內進行爆破作業時，為防止沖擊波從導井傳至豎井作業面發生危險，要停止豎井內的作業，將全部人員撤至地面，打開井門以便釋放沖擊波。

8 應用效果

如本工程豎井采用正井法施工，4個豎井需要設2個獨立的施工隊伍，2套提升系統，每個施工隊伍需要施工約12個月。采用反井鉆井法后，只設了1個作業隊伍，配置了1臺反井鉆機和1套提升系統，豎井平均日成井2 m左右，累計作業時間為10個月。

在鉆導井時，仍會有少量地下水流出，但均未使區域地下水出現大的下降。擴挖時，在此段施作混凝土護壁，再進行后注漿止水即可。

目前反井鉆機鉆孔的價格偏高，但提升系統擴挖由于出渣強度減少而使費用較低。本項目采用反井鉆井法施工的總費用與正井法的總費用基本相當。

由于豎井的及時投用，改善了洞庫內的通風問題，使得工程施工進展順利。在施工中，提升系統主要運載施工人員，大大降低了提升系統使用的頻率，未發生任何安全事故。

9 結論與討論

反井鉆井法施工豎井、斜井在礦山、水電等工程中應用較多，但由于易出現地下水大量流失的風險，在水封洞庫工程中一般極少采用。在煙臺LPG地下水封洞庫工程中，由于采用了水文地質探孔和深孔注漿，超前封堵了地下水，使得反井鉆井法成功實施，取得了進度、資源投入、安全等方面的良好效果。可見，反井鉆井法適合在地下水封洞庫工程中應用，且應是施工的首選方案。

為確保深孔注漿的效果和控制費用，注漿孔的深度不宜超過50 m。如水文地質探孔發現微風化以下的巖體存在較大的滲透性，建議調整豎井的位置，由于地下水封洞庫對水文地質的要求較高，必要時可相應改變洞庫的設計布局。

現階段由于反井鉆機不夠普及，工程施工費用偏高，相信隨著反井鉆機的普及和作業人員人工工資的不斷上漲，其反井鉆井法的費用將會明顯低于正井法。

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