反井钻机在拉拉山水电站斜井施工中的应用

刘少辉，王宝雄，仝艳芳

(中国水利水电第五工程局有限公司第三分局，四川双流 610255)

1 工程概况

拉拉山水电站位于甘孜州巴塘县境内，为金沙江左岸支流巴楚河干流“一库五级”开发的第三级电站，系引水式电站。电站厂址位于莫多乡措松龙村，电站总装机容量为96 MW(2×48 MW)，为立轴混流式水轮发电机组。压力管道由三个平段和两个斜段组成，其中上斜段长155.36 m，开挖断面为直径5.2 m的圆形，斜井段与水平段的夹角为65°。

上斜段管道垂直埋深90～130 m，侧向最小水平埋深100 m。岩层为灰岩，受断裂带影响，岩体较破碎，节理裂隙发育，部分张开，围岩为IV～V类，岩体稳定性较差。其中井口段43 m为强风化灰岩，无强度，夹杂颗粒状碎石且裂隙渗水严重，斜井中下部位夹杂强风化灰岩。上斜段岩层分布情况见表1。在如此复杂的地质条件下，采用反井钻机开挖斜导井是一次大胆尝试，其成败与否，关键在于先导孔的钻进。

表1 压力管道上斜井地质情况表

2 反井钻施工工艺

反井钻开挖斜井是一种高效、安全的凿井施工方法，已广泛应用于我国煤矿、水电等地下工程施工中。近几年，虽然水电工程项目也有反井钻开挖斜井贯通的案例，但在不良地质条件下顺利贯通的案例还很少且导孔偏斜量往往超过设计值。

2.1 反井钻机施工的优点

(1)施工安全性好。采用反井钻机施工，工人不需要进入井内作业，工作环境和安全状况良好，避免了其他施工方法中落石、有害气体等对人的伤害。

(2)有利于后续施工。反井钻机采用滚刀机械破岩，对围岩破坏小，井壁光滑，有利于扩孔溜渣、通风、排水。

(3)操作安全简单。反井钻机操作简单、安全，改善了工人的劳动条件，减轻了劳动强度。

(4)钻机效率高，成井速度快，质量好。

2.2 反井钻机的主要参数

拉拉山水电站地处高原地带，平均海拔3 000 m以上，设备高原降耗较大，根据压力管道长度、特殊岩层和特殊洞段选用LM－300型反井钻机。

LM－300型反井钻机的主要技术参数为:导孔直径250 mm，扩孔直径1.4 m，钻孔深度300 m，钻机最大扭矩70 kN·m，最大推力550 kN，钻孔倾角为60°～90°，主机重10 t(包括运搬车)，主机搬运尺寸为3 000 mm×1 420 mm×1 740 mm，主机工作尺寸为3 280 mm×1 810 mm×3 488 mm，钻杆单根长度为1 000 mm，电机功率为128.5 kW，驱动方式为全液压驱动。

2.3 施工程序

钻机基础及循环池、冷却池施工→浇筑钻机基础→铺设轨道→钻机安装→钻机调试→浇筑地脚螺栓→导孔钻进→拆导孔钻头，接扩孔钻头→扩孔钻进和下口出渣→反井钻机撤除。

2.4 反井钻机的冷却循环系统

反井钻机的冷却循环系统由洗井泵(泥浆泵)、水池、水沟组成。在距反井钻机基础约15 m处设置一个10 m3水池，水池中间设隔墙，将水池分隔成清水池和沉淀池。混凝土基础和水池之间由水沟连接，导孔施工产生的回水、细沙沿水沟回流至沉淀池。洗井泵设置在钻机车与水池之间。

2.5 反井钻机的运输及安装

为方便反井钻机就位、定位，在洞内卸机部位地面安装运输轨道，轨道间距60 cm，轨道为24 kg/m的轻轨，枕木为10 cm×10 cm的方木，间距为50 cm/根。在主管洞顶上设置一个天锚，承载力为15 t，用于反井钻机卸车。

2.6 反井钻机的基础安装

反井钻机安装在平段与斜井相交部位，主机起钻孔口与斜井中心线延长线吻合。操作车、泵车依次停放在扩挖过后的盲洞内，操作车距起钻孔口有大于1 m的安全距离。基础采用C20混凝土分二期浇筑而成，一期形成基础并预留反井钻机地脚螺栓坑，待机体到位并进行初校后，回填二期混凝土，以确保反井钻机与基础牢固衔接，不发生移位。施工布置情况见图1。

图1 反井钻机施工布置示意图

3 导孔施工

反井钻先导孔φ250。先导孔的偏斜值若超过设计洞边线，则该导孔为废孔。开钻后偏离误差通过测斜仪检测，根据检测的结果实施不同的钻压、转速，采取过程纠偏等措施控制孔斜。

3.1 反井钻机的操作

(1)反井钻机就位、开机试运转时，操作手要先进行空载运转，检查动力水龙头的上下运行和旋转以及机械手和转盘吊的工作状况;观察液压系统有无漏油，机械系统是否运转灵活，操作手柄是否灵活可靠，各仪表指示是否正常，各种控制阀是否工作可靠，液压油温度有无异常，发现问题应及时处理。

(2)钻进时，动力头向下给适当压力，正向旋转即可。当钻井深度一定时，考虑钻具自重影响，压力逐步减小;必要时，调整平衡阀控制钻压，使刀具对岩石的压力合理。对于松软地层，采用低钻压;对于硬岩稳定地层，采用较高钻压。在钻至平洞透点3 m左右时应逐渐降低钻压。

(3)反井钻机加接钻杆时，推进油缸停止工作，同时把钻具提起50 mm以上，根据孔深继续冲洗2 min以上，观察钻孔内的返渣情况，确定孔内无沉渣后再接钻杆。

(4)接钻杆时，动力水龙头要提至最高位置，以免机械手输送钻杆时钻杆与动力水龙头碰撞。

(5)卸钻杆时，先将下卡瓦装入卡套，卸开钻杆和接头体丝扣，然后装上卡瓦，卸掉钻杆下部丝扣，上提动力水龙头，由机械手抱住钻杆，取出上卡瓦，卸下钻杆和接头体丝扣。卸扣时，为确保安全，辅工人员要撤离至主机一侧操作。

(6)操作手工作时，应根据导孔返水或返岩屑的情况不断调整钻进参数。

(7)操作手对当班的钻井深度、设备运转状态、地质状况等要记录清楚。

3.2 导孔钻进施工

钻进导孔时，如发现钻具钻进困难，此时可能遇到裂隙或岩层塌落，应把钻具旋转提到一定高度，再慢慢向下扫孔，若经反复扫孔仍无效果时，一定要提钻，查明原因并进行处理。当发现导孔钻头水眼堵塞时，要及时提钻处理。

3.3 稳定钻杆的布置

反井钻机的钻杆分为普通钻杆和稳定钻杆，差别为后者比前者多了4条3 cm厚的钢肋板，其作用是导向，避免钻孔偏斜，防止钻杆随深度(长度)的增加产生过大的弯曲和摆幅，起到稳定钻杆的作用，同时减少钻杆与孔壁的磨损。合理的布置稳定钻杆是控制钻孔偏斜的有效措施之一。拉拉山水电站上斜井钻杆分布为:在初始10 m钻孔时全部使用稳定钻杆，10～40 m内每隔1 m更换稳定钻杆，40～90 m内每隔10 m更换稳定钻杆，90～127.7 m每隔15 m更换稳定钻杆。

3.4 强风化灰岩层、渗水段的处理

在拉拉山水电站上斜井反井钻施工中，整个斜井地质条件较差，比较破碎，又存在裂隙，导孔施工过程中经常遇到不返水、不返岩屑和塌孔等现象，尤其是在钻至43 m、59 m和86 m三处时发现导孔内渗水量比较大，不返水、不返岩屑、塌孔，卡钻的现象比较严重。采取的处理方法是:立即将钻杆全部提起，采取向导孔内灌注纯水泥浆进行护壁、堵漏的方式。送浆量通过孔深和预计流失量计算，水灰比均为0.45，并掺速凝剂，待水泥浆凝固24 h后重新扫孔钻进。

3.5 导孔精度控制

在拉拉山水电站上斜井导孔施工中，主要通过调整钻压、钻速和选用有经验的钻井人员控制导孔精度，措施如下:

(1)通过调整钻压、钻速获得在不良地质条件下的最佳钻进速度，为了提高钻进精度，在钻进导孔时，采用低于最佳钻进速度的低压钻进。约1.5 h钻进1 m。

(2)通过加大主泵供水量的方式使导孔内水压增大，有利于孔底岩屑的清理，荷载直接作用于新露出的岩石上，降低钻压，从而可降低导孔的偏斜，确保导孔精度。

(3)选用有经验的钻孔人员，能够根据导孔返上的岩屑判断岩层地质情况，从而及时调整钻压、钻速，确保钻孔精度。

经过采取以上一系列措施进行处理，上斜井导孔向中轴线上偏斜1.8 m，取得了比较理想的效果。

3.6 反井钻上斜井导孔施工效果

拉拉山水电站高压管道上斜井地质条件十分复杂，最终决定采用LM－300反井钻施工导孔:2011年4月18日开钻，至2011年5月19日完成钻孔127.7 m，历时31 d，实际工作8 d，平均日进尺16 m，最终导孔向中轴线上偏斜1.8 m成功贯通。

4 结语

拉拉山水电站斜井反井钻导孔施工在高原地带、地质条件复杂等情况下顺利地完成了施工任务，施工质量好，速度快。

(1)采用LM－300型反井钻机施工不良地质条件下的斜井导井，比人工开挖安全性高、质量好、进度快。通过采取特殊措施，可以有效控制导孔的精度，确保钻孔质量。

(2)先导孔钻进应选用有经验的操作人员，施工中根据岩层情况随时调整钻进速度。孔口段应放慢钻进速度，不良地质带应先对岩性进行判断，然后根据地质条件调整施工工艺，绝对不能盲目追求进尺，否则将会造成重大损失。

(3)导孔出现偏斜时应及时采取纠偏措施。通过调节稳定钻杆、调整钻压、钻速、灌浆等一系列措施确保导孔精度。