全斷面反井鉆機在厄瓜多爾美納斯水電站壓力豎井開挖中的應用

矯健

摘 要：厄瓜多爾美納斯水電站采用全斷面反井鉆機完成直徑5.5米，深度452米的壓力豎井開挖工作，復測中心點偏差僅4.6厘米，鉆孔精度達萬分之一（0.01%），處于國際領先水平。高精度的完成素有“咽喉工程、死亡之谷”的大直徑深豎井，在厄瓜多爾尚屬首例，在國內也少有。通過本次工程實踐，項目成功掌握了深豎井反井鉆機施工精度控制措施及有效糾偏手段，熟悉了應對不良地質情況的處理技術措施，在500m級深豎井施工積累了寶貴的經驗。

關鍵詞：全斷面；反井鉆機；壓力豎井；定向；傳統鉆爆法

中圖分類號：TD421 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0179-01

反井鉆機導井施工法于1950年在北美首先發展，60年代中期反井鉆機導井施工法在歐洲開始受到歡迎。我國自70年代開始研制反井鉆機，并先后在煤炭和冶金系統中應用。我國水電系統自1992年第一次引進反井鉆機至今，鉆井直徑一般在0.9-2.4米，鉆井深度一般在150-250米，施工難度相對較低，且國內水電系統中豎井開挖直徑較大時，一般采用反井鉆機施工導井，再采用傳統鉆爆法擴挖至設計斷面。

厄瓜多爾美納斯水電站壓力豎井（直徑5.5米，深度452米）施工難度較大，經過安全性、技術性、高效性、經濟性等多方面分析，通過科學的方法對比多種壓力豎井施工方法的利弊，最終選擇了全斷面反井鉆機施工方案，這也是厄瓜多爾第一次采用全斷面反井鉆機設備進行深豎井施工。

1 工程概況

厄瓜多爾美納斯水電站是一座引水式電站，整個河流分兩級開發，美納斯水電站是其中的第一級，電站裝機為3臺，單機容量90MW的沖擊水輪發電機組，額定水頭474.51m。主要施工項目為：78m高碾壓混凝土大壩、13.8公里的引水隧洞、452米壓力豎井、地下廠房、440米通風電纜井、地面開關站和43公里230kV輸電線路的土建、機電施工等。

其中452米的壓力豎井為項目關鍵線路，全斷面反井鉆機的使用在安全、質量、工期等方面都為項目順利進行提供了保證。

2 全斷面反井鉆機基本工作原理

反井鉆機施工原理：由電機帶動主機液壓馬達驅動動力水龍頭，利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統，帶動鉆具旋轉，并可上下升降，與巖石產生擠壓和剪切作用使其破碎。需要上、下工作面都形成生產系統，其中上平臺主要是主機和導孔洗井水循環系統、冷卻系統等。下工作面主要是機械出渣。鉆具部分包括鉆桿、鉆頭和破巖滾刀。

美納斯項目全斷面反井鉆機施工主要分兩大步驟進行，先采用71RM導孔鉆機進行自上而下先導孔開挖，使用12英寸定向鉆桿從上至下鉆進到鉆下平洞，在鉆進過程中采用泥漿泵或高壓水泵從泥漿池抽至動力水龍頭，高壓水沿鉆桿至鉆頭排水孔壓出，將石碴從鉆桿與孔壁間的環行空間排至排碴槽（期間可進行渣料收集），最后進入沉渣池。其中如遇不反水情況需灌漿重新鉆孔，如定向鉆桿發生偏斜需提出重新輸入糾偏數據進行導孔糾偏。導孔貫通后（停止泥漿泵或高壓水泵運行）然后卸下定向鉆桿，改換成16英寸鉆頭，將先導孔擴至16英寸，擴孔時巖屑靠自重落到下平洞。

導孔施工完成后更換成RD5-550反擴鉆機，下放鉆桿在底部連接5.5米刀盤含滾刀鉆頭，由下向上進行反擴。滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，從而從下至上使滾刀對巖石切削、擠壓完成豎井開挖，擴孔時的石碴經過冷卻水的沖刷和自重墜落到下平洞。根據巖石情況在反擴200米左右時應考慮更換一次鉆頭。

3 全斷面反井鉆施工工藝流程及特點

3.1 全斷面反井鉆施工工藝流程圖如圖1所示

3.2 全斷面反井鉆施工的特點

3.2.1 施工簡單

反井鉆機在施工豎井的導孔及反擴過程中全部采用機械設備，只需要熟練的技工操作，反井鉆機操作簡單、安全，對環境造成污染非常小，作業人員比較少。每個班只需要4～5人。但是反井鉆機購買或租賃費用相對較高。

3.2.2 精度高

不同于傳統鉆爆法擴挖工藝，全斷面反井鉆機先導孔鉆孔誤差無法在擴挖階段進行修正，先導孔的鉆孔進度直接決定豎井最終的開挖精度。但反井鉆機可以配合定向鉆桿使用，在導孔施工時提供精度保證。

美納斯項目導孔施工是先由穩定鉆桿鉆導孔15米，然后下放12米長定向鉆桿按照60-70mm/6分鐘的速度繼續鉆孔，在大約30米深的位置第二次檢測先導孔偏斜。若先導孔無偏斜則繼續鉆進并且若地質條件良好無斷層、裂縫，將鉆孔進尺提高到2m每小時。按照每20米到30米的頻率檢查先導孔偏斜，若鉆孔偏斜，取出整根鉆桿和導向桿以校正鉆孔。

最終導孔復測中心點偏差僅4.6厘米，鉆孔精度達萬分之一（0.01%），處于國際領先水平。

4 結語

美納斯項目壓力豎井地質情況復雜，有大量破碎帶、夾泥層和流沙層，且地下水滲水量極大，巖石主要以頁巖、砂巖、凝灰巖、流文巖和火山角礫巖為主。先導孔鉆進過程中多次遭遇地質斷層，循環水流失，進度與精度均受到不利影響，項目經過認真分析后，決定采取提起鉆桿并用水泥凈漿重力灌漿及護壁的方案，先后成功克服了6處地質斷層的影響。同時，掘進過程中先后4次果斷更換定位鉆桿，進行垂直度校正，對鉆孔精度進行了嚴格的控制。最終厄瓜多爾美納斯水電站壓力豎井全斷面反擴順利完成。

反井鉆機施工不需要施工人員至開挖面施工，提高了豎井、斜井施工的安全性，保證了施工人員的生命安全，具有良好的社會安全效益。且施工作業人員配置較少，減少豎、斜井的施工難度，從而有效的提高施工效率，從工期方面有效節省。

因此，在我國隨著水電行業的發展，全斷面反井鉆機施工法在水電工程施工中有廣泛前景。

參考文獻

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