高 建

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 二分局，四川 都江堰 611830)

1 工程概況及地質(zhì)條件

甲巖水電站位于云南省祿勸縣境內(nèi)，裝機(jī)容量為24萬(wàn)kW。壓力管道斜井的傾角為55°，開(kāi)挖直徑6.8 m，其中上、下彎段圓弧半徑為25 m、圓心角均為55°、長(zhǎng)23.98 m，斜直段長(zhǎng)112.53 m，斜直段及部分上下彎段實(shí)際可鉆斜井的長(zhǎng)度為129.52 m。壓力管道斜井中上部圍巖構(gòu)造和裂隙十分發(fā)育，基本上為破碎砂巖塊及孤石，充填細(xì)粉砂土，巖石的均質(zhì)性、穩(wěn)定性差；斜井下部圍巖基本以板巖和砂巖為主，完整性較好(圖1)。

圖1 壓力管道布置圖

2 施工布置

2.1 作業(yè)平臺(tái)

在上彎段沿(鋼)0+032掌子面頂部向前開(kāi)挖7 m，開(kāi)挖斷面與壓力管道相同，以滿足鉆機(jī)基礎(chǔ)及泥漿循環(huán)池施工和反井鉆機(jī)運(yùn)行的空間需要。

2.2 反井鉆機(jī)基礎(chǔ)混凝土

反井鉆機(jī)基礎(chǔ)采用C20混凝土分兩期澆筑,一期形成基礎(chǔ)并預(yù)留反井鉆機(jī)地腳螺栓坑，待機(jī)體到位并進(jìn)行初校后回填二期混凝土以確保反井鉆機(jī)與基礎(chǔ)牢固銜接，不發(fā)生移位。混凝土澆筑厚度為80 cm，混凝土面必須平整，凸凹變化不能超過(guò)1.5 cm。為滿足該斜井55°的傾角，將基礎(chǔ)混凝土頂面澆筑成傾角為15°的斜面，并將鉆機(jī)的操作角度調(diào)整為70°。

2.3 反井鉆機(jī)及軌道的安裝

采用汽車(chē)將其運(yùn)至洞內(nèi)，龍門(mén)架卸車(chē)，配合手拉葫蘆人工進(jìn)行安裝。為方便反井鉆機(jī)就位、定位，在洞內(nèi)卸機(jī)部位安裝反井鉆機(jī)運(yùn)輸軌道，軌距60 cm,軌道為24 kg/m的輕軌，枕木為10 cm×10 cm方木，間距根/50 cm。

2.4 泥漿循環(huán)水池

反井鉆機(jī)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)由洗井泵(泥漿泵)、水池、水溝組成。洗井泵設(shè)置在鉆機(jī)車(chē)與水池之間的位置。在距反井鉆機(jī)基礎(chǔ)20 m處設(shè)置一個(gè)8 m3水池，水池中間設(shè)一隔墻，將水池分隔成清水池和沉淀池。混凝土基礎(chǔ)和水池之間由一水溝連接，導(dǎo)孔施工出現(xiàn)的回水、細(xì)沙沿此水溝回流至沉淀池。

2.5 供 水

導(dǎo)孔鉆進(jìn)用水量為5～10 m3/h，用于循環(huán)排渣、冷卻反井鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，擴(kuò)孔鉆進(jìn)的用水量為15 m3/h，用于冷卻液壓系統(tǒng)和鉆頭，從主供水管接φ5 cm鋼管引水至鉆機(jī)附近水池以方便使用。

3 施工程序

先利用LM-200型反井鉆機(jī)在上彎段上水平面擴(kuò)挖區(qū)沿斜井軸線方向往下鉆φ216的導(dǎo)孔，導(dǎo)孔形成后在下彎段將φ216鉆頭更 換 成 φ

1 400擴(kuò)挖刀盤(pán)，然后通過(guò)自下而上反拉擴(kuò)挖形成φ1 400的溜渣導(dǎo)井(圖2)。施工流程如下：

上彎段擴(kuò)挖支護(hù)→基礎(chǔ)及循環(huán)水池施工→冷卻循環(huán)水池→反井鉆機(jī)安裝調(diào)試→導(dǎo)孔施工→擴(kuò)孔施工→鉆機(jī)拆除。

圖2 反井鉆機(jī)施工示意圖

4 施工方法

4.1 φ216導(dǎo)孔施工

導(dǎo)孔鉆孔質(zhì)量是反井鉆機(jī)施工的關(guān)鍵，鉆通后的偏離誤差大小在開(kāi)鉆后無(wú)法進(jìn)行中間檢測(cè)和控制，需依靠經(jīng)驗(yàn)施工。針對(duì)不同的圍巖類別，實(shí)施不同的鉆進(jìn)壓力、轉(zhuǎn)速和適時(shí)裝配穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行控制。先導(dǎo)孔開(kāi)始施工時(shí)，一般采用副泵提供較小的、均勻的動(dòng)力，以免孔口周壁因振動(dòng)過(guò)大開(kāi)裂而難以成型。反井鉆機(jī)的鉆桿分為普通鉆桿(1 m)和穩(wěn)定鉆桿(0.5 m)，差別在于后者比前者外周多了均勻分布的3 cm厚鋼肋板，其作用為導(dǎo)向，以防止鉆桿隨深度的增加旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過(guò)大的彎曲、過(guò)大的擺幅，起穩(wěn)定作用，同時(shí)減少鉆桿與孔壁的接觸磨損。采用穩(wěn)定鉆桿的加設(shè)方法如下：鉆進(jìn)2 m時(shí)必須加設(shè)1根，鉆進(jìn)8～10 m時(shí)再加設(shè)1根，然后每鉆進(jìn)15 m加設(shè)1根。實(shí)踐證明：上述方法較為合理、安全、穩(wěn)妥。

(1)鉆進(jìn)參數(shù)。

根據(jù)施工揭露的地質(zhì)條件，導(dǎo)孔采用的鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)表

(2)開(kāi)孔鉆進(jìn)。

開(kāi)孔鉆進(jìn)使用了開(kāi)孔扶正器。開(kāi)孔鉆進(jìn)時(shí)開(kāi)孔扶正器和開(kāi)孔鉆桿配合慢速開(kāi)孔并啟動(dòng)泥漿泵供漿，進(jìn)行護(hù)壁和排渣。

(3)導(dǎo)孔鉆進(jìn)。

通過(guò)導(dǎo)孔鉆進(jìn)129 m后進(jìn)行總結(jié)分析，導(dǎo)孔鉆進(jìn)著重做好了以下幾項(xiàng)工作：

①一般情況下，導(dǎo)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速應(yīng)高于開(kāi)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速，所以應(yīng)調(diào)節(jié)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速，可以采用Ⅱ檔或Ⅲ檔。一般情況下，對(duì)于松軟地層和過(guò)渡地層采用低鉆壓；對(duì)于硬巖和穩(wěn)定地層宜采用高鉆壓。

②距鉆透下彎段3 m左右時(shí)，應(yīng)逐漸降低鉆壓。

③對(duì)于導(dǎo)孔鉆進(jìn)返出的巖渣必須及時(shí)清理，防止巖渣堆積，人工配合手推車(chē)清理巖渣。

④一根鉆桿完成后，必須等孔內(nèi)的巖屑全部排出才能停泵接卸鉆桿。

⑤導(dǎo)孔鉆透后，停止泥漿(水)循環(huán)，但鉆機(jī)不能停轉(zhuǎn)并開(kāi)始向孔內(nèi)加清水，直到鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，扭矩變化不大時(shí)才能停鉆。

⑥鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí)，如發(fā)現(xiàn)鉆具旋轉(zhuǎn)困難，可能是遇到了裂隙或巖層塌落，此時(shí)，應(yīng)把鉆具邊旋轉(zhuǎn)邊提到一定高度，再慢速向下掃孔。若經(jīng)反復(fù)掃孔仍無(wú)效果時(shí)，提鉆后查明原因，進(jìn)行處理。

4.2 φ1 400擴(kuò)孔施工

(1)拆導(dǎo)孔鉆頭，接擴(kuò)孔鉆頭。

導(dǎo)孔鉆透后，將擴(kuò)孔鉆頭和導(dǎo)孔鉆頭拆卸工具運(yùn)到斜井下口，通過(guò)對(duì)講機(jī)上下聯(lián)系，上下配合，在拆下導(dǎo)孔鉆頭、接上擴(kuò)孔鉆頭、形成出渣系統(tǒng)后，即可以向上擴(kuò)孔。

(2)擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

在擴(kuò)孔開(kāi)始前，確保距孔中心1.5 m范圍內(nèi)擴(kuò)孔工作面平整，對(duì)工作面凸起的巖石用風(fēng)鎬等找平，若有錨桿要先行取掉。

當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開(kāi)始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速(5～9 rpm)旋轉(zhuǎn)并慢慢給進(jìn)，保證鉆頭滾刀不受過(guò)大的沖擊而破壞，鉆進(jìn)一下后停轉(zhuǎn)，待刀齒把凸出的巖石破碎掉再繼續(xù)給進(jìn)；當(dāng)鉆進(jìn)至8 m以上時(shí)，即可正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)若發(fā)現(xiàn)排渣不暢，鉆頭激烈晃動(dòng)，壓力不穩(wěn)，鉆進(jìn)困難時(shí)，可能是有大塊渣石落在刀盤(pán)上磨擠刀具所致，此時(shí)，將刀具下放一定距離，多次高速旋轉(zhuǎn)，將渣石甩掉；若無(wú)效果，則將鉆頭下放到底進(jìn)行處理。

開(kāi)始擴(kuò)孔時(shí)，待鉆頭全部均勻接觸巖石后才能正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。為了延長(zhǎng)鉆機(jī)和滾刀的使用壽命，一般將系統(tǒng)壓力限制在16.8 MPa之內(nèi)。在擴(kuò)孔過(guò)程中，當(dāng)巖石硬度較大時(shí)可適當(dāng)增加鉆壓；反之，可以減少鉆壓。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)要及時(shí)清理擴(kuò)孔破碎下來(lái)的巖屑，防止下口被堵塞。擴(kuò)孔過(guò)程也是拆除鉆桿的過(guò)程，拆下的鉆桿要進(jìn)行必要的清理，上油后帶好保護(hù)帽。

鉆進(jìn)施工中要求供水量穩(wěn)定，以使刀具能得到冷卻，供水量要求不小于7.8 m3/h。擴(kuò)孔施工時(shí)，對(duì)于鉆桿的拆卸要特別注意鉆桿卡瓦的正確擺放及自身的完好程度，以免出現(xiàn)卡瓦突然斷裂而造成擴(kuò)孔鉆頭、鉆桿的脫落。

(3)完 孔。

當(dāng)鉆頭鉆至距鉆機(jī)基礎(chǔ)2.5 m時(shí)，要降低鉆壓慢速鉆進(jìn)，并且要認(rèn)真觀察基礎(chǔ)周?chē)欠裼挟惓，F(xiàn)象；如果有，要及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，慢慢地?cái)U(kuò)孔，直至鉆頭露出地面。

(4)拆 機(jī)。

將擴(kuò)孔鉆頭卡固在鋼軌上、拆掉鉆機(jī)的前后斜拉桿和各種油管，然后從鉆架上拆掉主機(jī)，依次拆下鉆架主機(jī)車(chē)和一些輔助設(shè)備。將擴(kuò)孔鉆頭吊牢，軌道拆掉，將鉆頭提出孔外，再將泵車(chē)、油箱冷卻器拆下，分別運(yùn)出洞外，全部鉆孔工作結(jié)束。

該工程斜井?dāng)U孔施工實(shí)際共鉆進(jìn)了124.4 m，最大單日進(jìn)尺28 m,平均16 m/d(因反井鉆機(jī)故障、鉆桿斷裂除外)。

4.3 不良地質(zhì)段施工的處理措施

在斜井上部斷層破碎帶、節(jié)理構(gòu)造面發(fā)育、不穩(wěn)定巖體等不良地質(zhì)段施工時(shí)，導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)漏水嚴(yán)重和塌孔現(xiàn)象，若不及時(shí)處理，將會(huì)出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，從而影響正常的鉆進(jìn)施工。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，施工中采取了以下的預(yù)防和處理措施。

(1)泥漿護(hù)壁。

在斜井上部0～20 m范圍斷層破碎帶洞段，采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土泥漿和水泥、優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土雙重泥漿作為洗井液進(jìn)行導(dǎo)孔清渣和護(hù)壁，效果較明顯。

(2)導(dǎo)孔固結(jié)灌漿。

斜井中上部20～46 m范圍圍巖溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，出現(xiàn)了塌孔和不返水、返漿現(xiàn)象。為避免巖渣排不出來(lái)而造成二次卡鉆影響斜井施工，對(duì)塌孔和不返水段進(jìn)行了灌漿護(hù)壁處理，待強(qiáng)后再進(jìn)行二次鉆孔，累計(jì)導(dǎo)孔固結(jié)灌漿65 m，二次掃孔65 m。

5 防斜措施

反井鉆機(jī)施工中的導(dǎo)孔是關(guān)鍵，其關(guān)系到整個(gè)斜井施工的成敗。本工程斜井上半部分地質(zhì)條件差，而且對(duì)于斜孔而言，不但鉆孔頂角的變化會(huì)導(dǎo)致偏斜，而且方位變化對(duì)偏斜的影響更大。所以，必須從技術(shù)上做好準(zhǔn)備，采取可靠的鉆進(jìn)措施控制鉆孔的偏斜。

5.1 選擇適宜的鉆進(jìn)參數(shù)

影響鉆孔偏斜的主因是鉆壓。通過(guò)計(jì)算得知，對(duì)于LM-200型反井鉆機(jī)，當(dāng)鉆壓大于60 kN時(shí)，鉆桿可能失穩(wěn)，因此，鉆壓最好不超過(guò)此值。但在此鉆壓下，鉆進(jìn)速度較低，此時(shí)可以通過(guò)增加穩(wěn)定鉆桿，提高失穩(wěn)壓力、加大鉆壓來(lái)提高鉆進(jìn)速度。對(duì)于本工程巖性，將鉆壓控制在10 kN，鉆進(jìn)速度控制為1～1.5 m/h。本次試驗(yàn)鉆井參數(shù)控制的原則是：鉆進(jìn)前50 m采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)速。隨著鉆孔深度的增加，摩擦阻力增長(zhǎng)很快，故應(yīng)逐步降低轉(zhuǎn)速，適當(dāng)增加鉆壓并保持鉆速均勻。

5.2 增設(shè)穩(wěn)定鉆桿

穩(wěn)定鉆桿的外徑和鉆孔直徑基本相同，其作用是保持鉆具居于井中心，以減少由于鉆壓增加而引起鉆具彎曲造成的鉆孔偏斜。為達(dá)到防斜的目的，本工程至少布置了三根穩(wěn)定鉆桿，并根據(jù)測(cè)斜結(jié)果進(jìn)行了調(diào)整。

5.3 泥漿參數(shù)的控制

斜井上部地質(zhì)條件復(fù)雜，各種構(gòu)造發(fā)育，可能會(huì)發(fā)生漏漿、塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故。為避免或減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，采用優(yōu)質(zhì)NV-1納土配制

泥漿作為洗井液。設(shè)計(jì)的泥漿參數(shù)見(jiàn)表2。在鉆孔過(guò)程中，根據(jù)底層條件，對(duì)泥漿做了進(jìn)一步的調(diào)整。

表2 設(shè)計(jì)泥漿參數(shù)表

為保證鉆孔方位，導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)先后進(jìn)行了3次測(cè)斜工作。所使用的測(cè)量?jī)x器為JJX-3型井斜儀，采用電磁原理，以螺盤(pán)定位和360°電路完成的方位機(jī)構(gòu)不存在漂移問(wèn)題。該儀器的誤差指標(biāo)為：方位誤差：±2°;頂角誤差：±10°。

6 結(jié) 語(yǔ)

云南省祿勸縣甲巖水電站壓力管道采用LM-200型反井鉆機(jī)實(shí)施55°不良地質(zhì)緩斜井施工在國(guó)內(nèi)少見(jiàn)，導(dǎo)孔偏斜率僅為0.95%，精度在同類工程施工中也是比較高的。同時(shí)，反井鉆機(jī)施工大大節(jié)約了工期，為下一步人工擴(kuò)挖創(chuàng)造了條件。

反井鉆機(jī)施工是一項(xiàng)綜合施工技術(shù)，需要對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和精準(zhǔn)的操作技術(shù)。通過(guò)甲巖水電站的施工應(yīng)用，順利地完成了不良地質(zhì)緩斜井施工并取得了良好的效果，證明反井鉆機(jī)施工緩斜井工藝完全可以替代傳統(tǒng)的人工開(kāi)挖導(dǎo)井工藝，是一種高效、安全的施工工藝。