斜井反井法導(dǎo)井施工精度操控技術(shù)

王 峻， 張學(xué)彬， 劉培偉

(中國水利水電第七工程局有限公司, 四川成都 610081)

在建猴子巖水電站出線洞斜井長185.1 m且傾角為45 °，洞室傾角緩、長度長，圍巖條件未知，極易出現(xiàn)鉆孔偏移，導(dǎo)致斜井無法順利貫通。反井鉆先導(dǎo)孔的施工精度是反井施工成敗關(guān)鍵，是保證洞軸線的必要條件，為此通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗對不同緩坡傾角條件下的控制方法和參數(shù)進行研究，從而摸索出一整套鉆孔前期、中期和其他關(guān)鍵時期的有效控制技術(shù)，以滿足嚴格控制斜井鉆孔偏差要求和目標。反井法施工時，斜井角度變小后會使巖體及設(shè)備本身受力發(fā)生較大變化，例如上下摩擦力不對稱會造成偏斜，必須對設(shè)備軸力、速度和扭矩等參數(shù)進行試驗，探明小傾角斜井開挖機具本身需要具備的動力參數(shù)(扭矩、軸力)，確定出不同傾角下的設(shè)備動力損失模型，據(jù)此探索出能夠滿足緩坡傾角斜井的控制方法，為后續(xù)設(shè)備研發(fā)后改進奠定基礎(chǔ)。

1 導(dǎo)孔軌跡問題分析

由于斜井開挖傾角越小，鉆機本身會產(chǎn)生與豎向或大傾角時的鉆孔有較大差異的豎向分力，致使鉆機會出現(xiàn)額外向下的作用力，客觀上導(dǎo)致鉆孔除了沿軸向鉆進外還會向下發(fā)展而造成偏離，甚至?xí)纬汕€，使得鉆桿在鉆進過程成產(chǎn)生偏離。

1.1 斜井開挖前對于導(dǎo)孔軌跡的理論分析

如果按斜井傾角進行導(dǎo)孔鉆鑿，則其軌跡并不理想，很可能會因為向下彎曲出現(xiàn)較大精度偏差，為此須在開始階段就進行適當糾偏，其糾偏角度及其軌跡分析見圖1、圖2所示。

圖1 α任意角最大偏角溜渣軌跡

圖2 α任意角最小偏角溜渣軌跡

(1)假設(shè)洞口直徑為d，斜井長度為L，斜井坡度為θ，推導(dǎo)鉆桿的極限下沉量。

(2)假設(shè)斜井周圍地質(zhì)條件均勻，鉆桿只有重力作用下向下鉆孔形成一個如圖1所示的虛線軌跡，由于導(dǎo)孔極小而斜井距離很大，偏移量很小！如猴子巖斜井為185 m，鉆孔軌跡偏離僅約為0.1 °，近似于圓弧，其誤差(類似于系統(tǒng)誤差)是可以接受的。結(jié)合微分數(shù)學(xué)的思想，采用圓弧軌跡作為鉆孔軌跡近似處理基本合理，可滿足施工控制要求。

(3)分析圓弧曲線方程，建立如圖1所示的直角坐標系。在極限狀態(tài)下，鉆桿將從洞頂中心處進入，在井底的中心處鉆出，那么這條圓弧曲線經(jīng)過如下三點：

(1)

1.2 猴子巖45 °斜井開挖前導(dǎo)孔軌跡控制

對于猴子巖45 °斜井，取θ=45 °代入式(1)得猴子巖45 °斜井糾偏后的導(dǎo)孔軌跡方程為：

(2)

y′=tanα=0.8783?α=arctan(0.8783)=41°29′

(3)

同理：對于圖2可知，當鉆桿以沿著斜井上邊緣相切的角度鉆進，此時鉆桿剛好從洞底的下邊緣鉆出，即：

y′=tanα=1?α=arctan1=45°

(4)

根據(jù)計算，如果要達到鉆桿軌跡糾偏精度，則開鉆可適當向上仰起一定角度也即鉆桿與水平夾角需適當降低。計算結(jié)果表明，降低后的角度范圍可為41～45 °之間，此角度范圍即可在理論上保證導(dǎo)孔軌跡精度。

2 施工控制技術(shù)

2.1 反井鉆機鉆進過程中控制技術(shù)

斜井的鉆孔過程中應(yīng)穩(wěn)定鉆桿(圖3)的分布及控制鉆進速度。與普通鉆桿相比，穩(wěn)定鉆桿周邊均勻焊接了4條3 cm長的鋼肋板(厚1 cm)，其優(yōu)點是導(dǎo)向，防止隨鉆孔深度的增加，鉆桿因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大的彎曲和擺幅，同時有效減少鉆桿與孔壁的接觸磨損。采用鉆桿分布是：開鉆前10 m全部使用穩(wěn)定鉆桿；10～30 m調(diào)整為3根普通鉆桿設(shè)1根穩(wěn)定鉆桿，并安裝扶正器以保證鉆孔的開孔質(zhì)量，鉆速為平均3～4 h鉆進1 m；30～80 m每隔20 m設(shè)1根穩(wěn)定鉆桿，鉆速為平均2～3 h鉆進1 m。

施工中最重要的為導(dǎo)孔的糾偏工作。在導(dǎo)孔施工中，鉆機定位時，其定位夾角為45 °30 ′，預(yù)留30 ′下沉量。鉆進20 m時傾角基本未變，鉆進至約100 m時下傾角約為44 °，偏斜值1 °。此時，主要采取以下糾偏措施：加快鉆進速度，鉆速為1.5 h左右鉆進1 m；減少主泵供水量，使導(dǎo)孔內(nèi)水壓降低，殘留的少量巖屑以利于將鉆頭向上托起；減少穩(wěn)定鉆桿，80 m以后未設(shè)置穩(wěn)定鉆桿。

圖3 穩(wěn)定鉆桿結(jié)構(gòu)示意

2.2 反井鉆機導(dǎo)井施工控制

導(dǎo)孔施工完畢后，在對應(yīng)底部施工通道安裝φ1.4 m擴孔鉆頭。

(1)擴孔開孔：擴孔開始施工時一般圍巖破壞嚴重，鉆頭周圈難以均勻受力，因此，一般采用副泵提供較小的、均勻的動力。當φ1.4 m擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速(5～9 r/min)旋轉(zhuǎn)，并慢慢給進，進尺控制在10 cm/h，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，防止鉆頭偏心受力過大而扭斷鉆桿。給進一些停下，等刀齒把凸出的巖石破碎掉，再繼續(xù)給進。

(2)開始擴孔時：下邊要有人觀察，將情況及時通知操作人員，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴孔鉆進。在擴孔過程中，當巖石硬度較大，可適當增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。擴孔時，要及時出渣，防止堵孔。擴孔過程，也是拆鉆桿的過程，拆下的鉆桿進行必要的清理，上油帶好保護帽。

鉆進施工中要求有較為穩(wěn)定供水量，以使刀具能得到水冷卻，供水量要求不小于7.8 m3/h。擴孔施工時，鉆桿的拆卸要特別注意鉆桿卡瓦正確擺放及自身的完好程度，以免出現(xiàn)卡瓦突然斷裂，造成擴孔鉆頭、鉆桿脫落。

(3)完孔：當鉆頭距基礎(chǔ)2.5 m時，要降低鉆壓慢速鉆進，并且要認真觀察基礎(chǔ)周圍是否有異常現(xiàn)象，如果有，要及時采取措施處理。慢慢的擴孔，直至鉆頭露出地面。

2.3 斜井導(dǎo)孔及導(dǎo)井施工

施工工藝流程：鉆機改造→基礎(chǔ)混凝土澆筑→鉆安裝及調(diào)試→φ216 mm導(dǎo)孔施工→φ1 400 mm擴孔施工→鉆機拆除。

2.3.1 鉆機安裝及調(diào)試

安裝斜井裝置底板和鉆機的吊裝就位按照鉆孔中心點的十字記號線方向放置反井鉆機裝置底板，然后將主機運進洞內(nèi)，通過洞頂?shù)牡跹b錨桿將主機吊起，對好位擰緊連接螺栓，使主機和底板成為一體，再裝上后支撐拉桿穩(wěn)定鉆機。

鉆機定位及角度調(diào)節(jié)直接關(guān)系著斜井導(dǎo)孔的偏斜度，必須高度重視，步驟為：

(1)調(diào)整鉆機方位角和垂直度。

先用后支撐拉桿將鉆機頂起，目測前后方向與地面大致垂直；然后調(diào)整鉆機左右方向與地面垂直。一般采用線垂測量法，在鉆架的左右兩邊，各懸掛一長2 m的線垂，通過在底板下方墊置斜鐵等辦法調(diào)整垂直度，允許偏差0.5 ‰，完畢后再用全站儀測量鉆機的方位角，確定無誤后即可裝上底腳螺栓進行基礎(chǔ)二次混凝土澆筑。

(2)調(diào)整鉆機傾斜角。

待反井鉆機基礎(chǔ)二次混凝土達到強度后，通過后支撐拉桿的伸縮調(diào)節(jié)鉆機的傾斜角，經(jīng)過計算調(diào)整好鉆機傾角，鎖緊螺母，然后用電焊將鉆機與裝置底板的幾個鉸接點焊住，防止在施工過程中后支撐拉桿松動鉆機發(fā)生移動，以確保導(dǎo)孔施工精度。

2.3.2φ216導(dǎo)孔施工

2.3.2.1 鉆進參數(shù)

根據(jù)本工程壓力管道斜井及排風豎井施工總結(jié)的施工成果，鉆進參數(shù)暫定如下，實施過程中根據(jù)實際進行調(diào)整(表1)。

表1 45°斜井初擬鉆進參數(shù)

2.3.2.2 開孔鉆進

首先對鉆桿進行改造，加工穩(wěn)定鉆桿。穩(wěn)定鉆桿與普通鉆桿相比，穩(wěn)定鉆桿周邊均勻焊接了4條3 cm長的鋼肋板，其作用是導(dǎo)向，防止隨鉆孔深度的增加，鉆桿因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大的彎曲和擺幅，同時有效減少鉆桿與孔壁的接觸磨損。

2.3.3φ1 400 mm擴孔施工

2.3.3.1 對接擴孔鉆頭

鉆頭對接前將導(dǎo)孔透孔部位進行擴挖，形成對接小平臺，用手拉葫蘆將擴挖鉆頭提升到小平臺進行對接，具體操作：

(1)放下鉆桿，對接鉆頭。將擴孔鉆頭放到斜井下部與下平段交接處，放下鉆桿對接。

(2)擴孔鉆頭提升。提升時采用小油泵，計算鉆桿及鉆頭重量，設(shè)定油泵壓力，提升時不轉(zhuǎn)動鉆桿，超過設(shè)定壓力后慢速轉(zhuǎn)動，順利將擴孔鉆頭提升到反導(dǎo)孔頂部。

2.3.3.2 擴孔鉆進

擴孔鉆進相對于前面的工序簡單，巖石較硬，平均每1 m進尺按照用時5～8 h控制。

2.3.4 鉆機拆除

將擴挖鉆頭卡固在鋼軌上，拆掉鉆機的斜撐桿及各種油管，吊出主機，然后再將反擴鉆頭取出。

2.3.5 反井鉆機偏斜率控制

反井鉆井偏斜就是反井施工的技術(shù)關(guān)鍵，為此，采取以下措施：

(1)進行精確的測量控制，發(fā)現(xiàn)偏斜較大時反復(fù)掃孔糾正偏斜度。

(2)施工設(shè)備：選用經(jīng)檢修完好的反井鉆機和泥漿泵，保證其性能良好。

(3)鉆機安裝定位：鉆機安裝牢固，定位準確，混凝土澆筑密實。

(4)合理布置鉆具：選用螺旋、直條等多種鑲齒穩(wěn)定鉆桿和硬巖導(dǎo)孔鉆頭，并根據(jù)地質(zhì)條件合理布置。

(5)正確選擇鉆進參數(shù):鉆進參數(shù)主要是根據(jù)地質(zhì)條件和不同的鉆進位置選擇不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速和確定相應(yīng)的鉆進速度，并根據(jù)實際鉆進過程進行相應(yīng)的調(diào)整。

(6)精心操作：挑選有多年實踐經(jīng)驗的操作人員，按照施工組織設(shè)計和反井鉆機操作規(guī)程進行操作，及時發(fā)現(xiàn)和處理鉆進中的問題和事故。

3 結(jié)論

(1)對斜井鉆井過程鉆桿進行受力分析，確定斜井施工過程中鉆桿實際軌跡。對斜井開挖前和開挖后進行理論分析，使斜井在理論上滿足施工過程中對于斜井角度的要求。計算其相應(yīng)的影響參數(shù)，在滿足要求的前提下控制各個參數(shù)，從而達到對斜井軌跡的精確控制。

(2)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，提出的導(dǎo)孔鉆進軌跡糾偏優(yōu)化、鉆機改造以及現(xiàn)場操作等一系列反井進度操控技術(shù)，可以滿足操作改進后的反井鉆的技術(shù)要求，并可保證斜井導(dǎo)孔、導(dǎo)井的鉆孔偏差滿足精度要求。

(3)通過合理設(shè)置穩(wěn)定鉆桿及操控鉆孔速度來保證導(dǎo)孔的鉆孔偏差滿足精度要求，加強開孔段鉆孔質(zhì)量糾偏及控制技術(shù)，確保開孔偏差盡量小，在中后期鉆孔過程中，主要依靠鉆進速度及主泵供水量調(diào)節(jié)進行鉆孔糾偏。