摘要：本文通过对安徽绩溪抽水蓄能电站尾水调压井施工中反井钻机的应用实例，综合阐述反井钻机应用中设备选型、施工控制要素及反井钻机导井工法在深大竖井施工中的优点。
关键词：竖井施工；反井钻机；导井；
1引言
近年来，抽水蓄能电站的建设快速发展，中国铁建也逐渐进入抽水蓄能电站建设的核心领域--地下厂房和输水系统施工中。尾水调压竖井便是输水系统中施工难度最大的施工任务之一，其建设进度的快慢影响到电站能否如期投产发电。而由于调压竖井下部通道与尾水管相连，竖井的施工开始时间受制因素较多，因此其工期往往比较紧张。同时调压竖井深度动辄过百米，且开挖直径可达10m以上，此种规模的竖井如采用传统钻爆上部井架提升出渣方案，效率低下，且由于通风散烟困难，往往作业环境恶劣。选择合理的施工方案对提高施工效率、改善作业环境、保证工期起到至关重要的作用。
2 工程概况
安徽绩溪抽水蓄能电站尾水调压竖井深118.9m，由上部大井和与之相接的下部小井组成。大井深54.7m，开挖直径12.6m；小井深64.2m，开挖直径4.5m。大井与尾水调压室上室相连，上室为城门洞形，宽14.6m高9.2m，长约43m。小井与阻抗管相连，开挖直径5m，长度25m。
尾水调压井竖井围岩为新鲜（似）斑状花岗岩（γ53（3）），岩质坚硬，较完整～完整，局部完整性差，岩体以块状～次块状结构为主。
尾水调压室（井）处于地下水位以下，地下水活动总体较弱，岩体微透水性，局部发育导水性裂隙，开挖时可能产生暂时性涌水。
3竖井开挖方案的选择
深大竖井的开挖需要解决的主要问题为出渣、通风和排水。传统钻爆法开挖+提升出渣与反井钻机施工对比优缺点如表1所示。
表1 传统钻爆法开挖井架提升出渣与反井钻机施工对比表
综合考虑出渣、通风、排水、施工效率等因素，结合成本控制，本项目采取反井钻施工直径1.4m导井，人工扩挖成型的施工方案。总体施工顺序为：反井钻机1.4m导井→人工反井扩挖至直径3m断面→大井正井扩挖至设计断面→小井正井扩挖至设计断面。具体施工步序为：
⑴首先采用反井钻机钻设0.241m导孔，从下部通道安装扩孔钻头，向上提拉扩孔至直径1.4m导井。
⑵反井钻机施工完成后，安装提升架、卷扬机及吊篮，人工在吊篮内将导井从下而上钻爆法扩挖，扩挖至直径3m作为正井扩挖的溜渣通道，兼做通风、排水通道。
⑶直径3m断面扩挖完成后，对直径12.6m大井剩余部分由上而下正井法人工钻爆扩挖至设计断面。由于竖井下平洞断面尺寸较小，容纳爆破石碴量有限，若一次扩挖则渣量太大，容易造成3m溜渣井通道堵塞，经计算将剩余部分的大井分两次进行扩挖。同时为提高施工效率，采用一次钻孔、分两次爆破的方法施工，第一次爆破完成后，及时将落入下部通道的石渣清运，再进行二次爆破。
⑷大井扩挖完成后进行小井剩余部分扩挖，扩挖由上而下正井法人工钻爆开挖，一次扩挖成型。
4反井钻机的选择
反井钻机选择需要考虑的主要因素有：钻孔直径、钻孔深度、钻孔角度、主机运输重量及尺寸、主机安装及工作空间尺寸、施工成本等。本工程通过以上方面综合考虑，类比相似工程施工经验，选定采用BMC300型钻机进行导井施工。其主要技术参数如表2所示：
表2 BMC300型反井钻机性能参数表
5 反井钻机施工关键工艺
5.1反井钻机基础
反井钻机基础主要作用为：精确定位钻机钻孔位置，固定钻机并为钻机钻进提供竖向及水平扭转反力。钻机基础采用钢筋混凝土结构，BMC300型钻机基础尺寸为4m×3.5m×1m（长×宽×高），顶面要平整。基础需浇筑在完整基岩上，必要时可增加竖向锚杆锚入基础下方岩体内，以确保钻机基础的稳固。基础浇筑分两期进行，第一期浇筑主体，预留反井钻机地脚螺栓坑。待一期混凝土强度达到设计强度后，反井钻机就位并进行初校，然后对钻机地脚螺栓坑回填高一强度等级的混凝土固定钻机地脚螺栓，以确保反井钻机固定牢固，保证在钻机钻进时不发生移位。
5.2反井钻机导孔施工
导孔的成孔质量直接决定扩孔后导井的垂直度偏差大小，是反井钻机导井施工的关键工序。导孔控制关键因素主要有：定位控制、开孔控制、钻进控制及围岩变化段控制等。
导孔定位要求其中心线与竖井中心线重合，定位采用相互垂直的双向测量控制，确保导孔的定位准确及垂直度。
钻机定位并调试完成后，即可进行φ241mm导孔施工。导孔开孔采用开孔扶正器和开孔钻杆配合控制开孔质量。如开孔位置围岩破碎，可在钻机基础施工前，将开孔位置下挖1~2m，采用素混凝土进行回填，以确保开孔段成孔质量及垂直度，保证导孔质量。导孔开口段钻进要以低钻压、慢转速缓慢钻进，以避免开口时发生移位、偏斜、孔口成孔困难等问题。
导孔正常钻进后，要控制钻进速度，不可一味追求高钻速。钻进速度快意味着钻压高转速快，在此工况下钻杆容易产生较大的弯曲和振幅，从而导致钻孔产生大的偏斜。常用的反井钻机钻杆有开孔钻杆、普通钻杆和稳定钻杆三种，均为空心管。导孔施工时，导孔钻头上部连接一根开孔钻杆，开孔时在扶正器约束下进行钻进开孔。普通钻杆直径203mm，壁厚5mm。稳定钻杆分螺旋、直条等类型，相当于在普通钻杆周圈焊接了均匀分布的螺旋状或直条状耐磨钢肋板，其直径约230mm。稳定钻杆的作用是约束钻杆的摆幅和弯曲，防止钻进时钻杆随深度增加摆幅和弯曲过大，保证钻孔垂直度，同时减少普通钻杆与孔壁的接触磨损，起到保护普通钻杆的作用。一般开孔钻杆连接一根稳定钻杆，其上连接4m～6m普通钻杆，然后再安装一根稳定钻杆，其上每间隔14m～18m普通钻杆安装一根稳定钻杆。在达到设计钻孔深度前2m安装一根稳定钻杆，以保证在换装扩孔钻头后扩孔开口的稳定。
在导孔钻进过程中，可通过钻压的变化和反水中携带泥沙颜色的变化判断钻孔岩层的变化。如遇到围岩变化及断层带位置，需减小钻压、转速，并适时装配稳定钻杆以控制导孔的垂直度。如遇断层破碎带、裂隙夹泥岩层等围岩突变地质，可能造成循环水漏水、孔口不返水现象。此时优先采用泥浆护壁方式进行钻进，如孔口仍不能正常返浆，则需及时起钻，对地质缺陷部位灌注砂浆或素混凝土。灌注完成后记录好混凝土或砂浆顶面标高，并在灌注完成12小时后复测标高，如标高无明显变化再继续钻孔，以避免卡钻。上述地质缺陷部位的标高需及时详细记录，以便在扩孔到达该位置时适时调整钻压、转速。
5.3 反井钻机扩孔施工
导孔贯通后，进行导孔偏斜测量，偏斜率在控制范围内时，从竖井下部阻抗孔将导孔钻头换装成Φ1.4m扩孔钻头，由下而上进行扩孔施工。扩孔控制关键因素主要有：扩孔开口控制、地质缺陷段控制、钻进控制及贯通控制等。
扩孔开口时岩面一般凹凸不平，钻头周圈难以均匀受力，采用导孔开口时类似的低钻压、慢转速缓慢钻进。当Φ1.4m扩孔钻头安装完成后，缓慢提升钻具至滚刀接触岩面，然后停止上提，用最低转速（5～9rpm）旋转，提升速度控制在10cm/h。避免扩孔钻头滚刀因受过大冲击而破坏，防止钻头偏心受力过大扭断钻杆。提升1cm停下，等滚刀将接触的岩石破碎掉，再继续提升。扩孔开口阶段下面安排专人进行钻进监护，并将钻进情况实时通知上方钻机操作人员，等钻头全部嵌入岩层，再进行正常提升扩孔施工。
在扩孔过程中，在同一岩性的地层中钻进应保持钻压和提升速度稳定。利用导孔施工时的地质记录，在到达围岩变化段或地质缺陷段时，适时减小钻压并降低转速，以保证成孔质量。扩孔钻进施工需要较为稳定供水量，以使刀具能得到冷却。需在钻机旁设置足够大并有稳定供水的水池，同时要配备相匹配的水泵对钻机供水。
扩挖贯通前2m～3m要降低钻压，以较低转速缓慢提升扩孔，直至钻头露出地面。在此过程中要安排专人对基础及其周边进行监护，仔细观察基础及周边是否有新增裂缝等异常现象，如发现类似情况，需及时采取相关措施处理。
6、结束语
安徽绩溪抽水蓄能电站尾水调压井共3条竖井，均采用反井钻开挖导井，人工钻爆法扩挖成型的施工方案。反井钻导井施工中导孔和扩孔钻进速度均控制在6~8m/天，实测贯通偏斜率均小于1%，导井单井施工时间1.5个月～2.3个月，为按期完成总施工任务打下了坚实基础。
抽水蓄能电站调压竖井的施工中，采用反井钻机施工导井，能很好的解决地下深大竖井开挖施工中出渣、通风、排水困难等难题，相较于传统的钻爆+井架提升出渣工法，对于地下水发育的竖井施工优势更加明显。反井钻机施工的关键是导孔偏斜率的控制，需从钻机选型、钻机基础、钻机定位、导孔开孔、钻具配置、钻压控制等多方面进行精细化控制。同时反井钻机施工存在成本高的问题，大直径深竖井施工中采用反井钻机施工导井，结合人工钻爆扩挖施工，可大大提高施工效率、控制成本，取得工期与效益的双赢。
论文作者:王鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/24
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