不良地質條件下反井鉆機在豎井開挖中的應用

□于景波（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1 工程概況

瀑布溝水電站放空洞工程事故閘門豎井設計開挖斷面為橢圓形，長軸15m，短軸9m；豎井上口高程EL864m、下口高程EL728m，豎井高136m。

豎井位于強風化淺變質玄武巖中，圍巖以Ⅲ～Ⅳ類為主。

根據上下工作面出露的巖石情況，豎井下部為Ⅳ類圍巖，F2斷層順洞軸線方向延伸，斷層的上下盤面均為陡傾角的結構面，頂部有一組緩傾角的結構面與之相互切割，對豎井開挖穩定非常不利；豎井上部為Ⅳ類圍巖，巖石非常破碎。

2 開挖方案選擇

豎井開挖常用的方法是先開挖中導井、后擴挖至設計斷面的方法。主要的導井開挖方法有反井鉆機法、爬罐法、吊罐法、普通法等。各種方法的綜合比較見表1。

表1 反井法綜合比較表

由于圍巖較差，采用其它施工方法安全隱患較大，決定采用反井鉆機法施工導井，選用LM-200型反井鉆機。其主要技術參數見表2。

表2 反井鉆機主要技術參數表

3 反井鉆機施工

3.1 施工程序

反井鉆機施工程序：施工準備→安裝鉆機并調試→自上而下進行φ216mm導孔施工→導孔貫通→更換φ1200mm滾刀→自下而上進行擴孔施工→擴孔結束→拆除鉆機。

3.2 施工準備

清理井口的松動巖石后，澆筑厚1.20m的混凝土基礎，在固定螺栓位置預留二期混凝土。豎井中心線處預留排水溝，在基礎的一側用磚砌筑3個1.20m長的正方形水池。

基礎混凝土達到一定強度后，按設計位置鋪設軌道，軌距為60cm。

3.3 反井鉆機安裝調整

反井鉆機使用8t汽車吊吊裝。主機必須按豎井中心找正位置，并擺放平穩。

3.4 反井鉆機導孔鉆進

鉆機就位后，調整鉆桿角度至鉛垂角度，啟動液壓馬達、主推油缸及其余液壓缸，開始導孔鉆進，在施工過程中，要根據地質情況及時調整鉆進參數。

導孔鉆孔共進行17d，鉆進長度128m，平均7.52m/d。

3.5 反井鉆機擴孔

導孔鉆透后，換好擴孔鉆頭，把冷卻器出水接到井口，供給擴孔鉆頭，開始擴孔施工。在將要擴透時，必須降低鉆壓和扭矩，直到擴孔鉆頭露出。擴孔共進行20d，平均6.40m/d。

4 不良地質條件下的施工

4.1 不良地質對反井鉆機施工的影響

當鉆機鉆進到裂隙比較發育的破碎帶時，循環水流失嚴重，無法將鉆渣排出，致使鉆進無法繼續，或者會造成孔壁坍塌，嚴重時會導致卡鉆、埋鉆等嚴重后果。

當鉆頭鉆到斷層的上下盤時，由于鉆頭兩側的巖石軟硬不同，容易造成鉆孔發生偏斜。

4.2 不良地質情況統計

根據地質資料和成孔后揭露的地質情況，本工程豎井穿過5條斷層破碎帶，不良地質段情況見表3。

表3 不良地質段情況統計表

4.3 調整鉆進參數

從表3可以看出，本工程35m長的不良地質段導孔鉆進共耗時12.50d，占導孔總用時的74%，因此如何順利通過不良地質段是反井鉆機施工的關鍵環節。

不良地質段導孔鉆進時主要采用降低推進壓力來控制鉆進速度。在遇到斷層和破碎帶時，力求反井鉆機運行平穩，無明顯沖擊為宜，在鉆進過程中適時調整鉆進參數，以緩慢速度通過不良地質段。

出渣量變化情況是判斷地質條件的重要依據，必須詳細記錄每根鉆桿實際出渣量，并與理論出渣量進行對比。如果出渣量變大，需采用泥漿護壁后方可繼續鉆進。如實際出渣量比理論量小，此時需增大扭矩，若出渣量仍然小，說明可能巖體破碎，應將鉆具提升一定高度,再慢慢向下旋轉掃孔,一次掃孔不行,可多進行幾次,掃孔仍不能解決問題,需提鉆進行固結灌漿，待凝后采用泥漿護壁方可繼續鉆進。

4.4 循環洗井介質的選擇

正常鉆進時，一般選用水作為循環洗井介質，當遇到斷層、破碎帶等不良地質情況時，由于循環水流失嚴重，導致返渣量減少，此時需采用泥漿作為固壁和循環洗井介質。

本工程鉆到29～37m范圍時，固結灌漿后采用泥漿作為循環洗井介質，但出現鉆機扭矩變大，返渣量偏少等現象，決定選用高壓風作為循環洗井介質，采用水+高壓風進行返渣。高壓風壓力以能返渣為控制目標，本工程采用0.80Mpa；應注意控制水的流量，以剛好滿足冷卻鉆頭為好。

4.5 固結灌漿

根據開挖揭露的地質情況，豎井上下孔口位置巖石破碎，為Ⅳ類圍巖。在反井鉆機施工準備階段對該部分巖體進行了無蓋重固結灌漿，上部孔口處理范圍4.50m×4.50m，下部孔口處理范圍為長度6m的放空洞頂拱部位。灌漿孔深度8m，孔口接觸段長為3m，I序孔灌漿壓力采用0.30Mpa,II序孔采用0.50MPa，其它5m段采用1.00MPa。

豎井鉆進到29～37m、88～96m范圍時，出現不返水、返渣現象，采用泥漿固壁措施后，返水、返漿量明顯偏少，同時鉆機出現抖動等現象，為避免出現塌孔、卡鉆現象，決定采用水泥、水玻璃漿液進行固結灌漿。

灌漿采用在不良地質段上部2m處下止漿塞封閉灌漿，漿液水灰比0.80：l，水玻璃摻量為10%，室內終凝時間18h，待凝30h后進行二次鉆孔。

4.6 防止鉆孔偏斜的措施

在鉆進中，如遇軟硬巖層過渡，應使用穩定鉆桿鉆進，并降低鉆壓、調整轉速，使鉆頭以直線的方式鉆進，避免出現偏斜轉折點。當穩定鉆桿進入新巖層后，再恢復原來的鉆壓和轉速。

操作中，保持鉆機加壓穩定，緩慢加壓，消除人為的壓力過大或追求進度的高速鉆進。

5 堵井的處理

5.1 堵井長度和位置的確定

本工程豎井擴挖分2次進行，先自上而下擴挖成4m直徑的溜渣豎井，再全斷面擴挖。但第1次爆破溜渣后即發現堵井，使用氫氣球（充氦氣）和細繩進行量測，堵井長度約25m，距豎井上口10m、距離豎井底部約101m。

第2次堵井發生在第1次堵井處理完成后的第3天，堵井長度約29m，距豎井上口6m、距離豎井底部約101m。

5.2 堵井處理方法

經網上查閱資料，決定采用氫氣球攜帶藥包爆松石渣，但氫氣球攜帶藥量小，也無法保證炸藥朝上，試驗了3次沒有成功，決定試用水沖法，寄希望于較大流量的水流能松動石渣，水沖進行了約4h，沒有效果。于是決定采用潛孔鉆在離開導井壁2m遠的地方開始鉆孔，角度按4.40°控制，同時進行3個鉆孔的施工。成孔后，采用測斜儀進行測量，經計算，只有一個鉆孔滿足要求，進行裝藥爆破，在底部裝了2kg炸藥，爆破后，豎井貫通。第一次堵井處理共用時近3d。

此次堵井沒有引起足夠重視，以至于第3次爆破翻渣時，又發生了第2次堵井事故。

按照第一次方法又在外部又打了4個孔，進行了2次爆破處理，均沒有成功。經商議，決定采用潛孔鉆在堵井石渣上進行鉆爆。

首先使用土料將堵井部位上填3m，再利用上部鋼絎架將鉆機固定牢固。鉆進過程中使用泥漿進行固壁，約20h就完成了鉆孔，裝藥爆破后導井貫通。

導井貫通后，人員下到堵井位置進行了觀察，發現該處巖石破碎，井壁出現大面積坍塌，石塊因松動而突出，使本來就只有1.20m直徑的溜渣豎井更加狹窄，安排人員對該部位進行了撬挖和噴混凝土處理。第二次堵井處理耗時6d。

6 經驗教訓

瀑布溝水電站放空洞豎井高136m，采用反井鉆機進行施工，及時、安全地完成豎井開挖，為其它工程提供了不良地質情況下的施工經驗和堵井處理的經驗。本工程的教訓也是深刻的，主要是對不良地質段導井可能出現井壁坍塌認識不足，沒有在擴挖前對導井進行檢查處理。

[1]王立成.豎井開挖堵井預防及處理技術[J].水電施工技術,2008(53):3,11～16.

[2]王新反.井鉆機鉆進孔內事故預防及處理[J].煤炭工程,2008(5):33～34.