大倾角岩层地质条件下深竖井施工方案

□雷敬义 □雷春华（中国水利水电第十一工程局有限公司）

大倾角岩层地质条件下深竖井施工方案

□雷敬义 □雷春华（中国水利水电第十一工程局有限公司）

尼泊尔某水电站深竖井施工，刚开始采用传统的反井钻机先导孔钻进施工方法，但由于本工程地质条件复杂，岩石坚硬且岩层倾角大，导致反井钻机施工失败。后经过研究，最终采用正井法和爬罐法完成施工。文章结合该工程案例，对复杂地质条件下深竖井施工不同的施工方法进行了总结，可为类似地质条件下深竖井的施工方法选择提供参考。

竖井；大倾角岩层；反井钻机；导井；正井法

0 引言

竖井是引水式水电站常见建筑物，例如引水系统中的竖井、调压井、闸门井、出线井、通风井及交通井等。竖井施工具有工作面狭小、出渣困难、施工安全风险大等特点，是水电工程难点工程之一。

对于深度超过约50 m的深竖井，创造竖井底部出渣通道，采用反井钻机开挖导井，进一步扩挖形成竖井是一种安全、快速、经济的施工方法，已成为目前水电站竖井施工的首选方法。但在特殊地质条件下，可能导致反井钻机应用失败，采用正井法及爬罐法进行深竖井施工仍然是可能的可选方案。

尼泊尔某引水式水电站工程，装机容量4.00x9.30 MW。其中引水系统压力钢管竖井高度378 m，直径4.40 m，竖井围岩为片麻岩，属Ⅱ～Ⅲ类围岩，岩石硬度较大，岩层倾角约70～85°。竖井施工采用反井钻机施工过程中，先导孔钻进失败，最终采用正井法、爬罐法完成竖井开挖。

1 反井钻机导孔钻进过程

1.1 反井钻机钻进先导孔

本工程采用常州市立鼎煤矿机械有限公司生产的ZFY3. 50/120/400型反井钻机施工，计划导井直径1.40m，先导孔直径250 mm。在先导孔钻进过程中严密监测机架垂直度，并采用CX-5C型测斜仪监测孔底钻头位置，先导孔正常钻进速度约1 m/h，具体实施工艺不再赘述。

先导孔钻进至36 m深度时，测斜仪监测数据显示孔底偏移39 cm，偏向WS。因孔底偏移过大，停止钻孔。

在对已钻孔位进行混凝土回填后，对钻杆、钻头等设备进行进一步矫正更新，在距离原孔位50 cm处重新开钻先导孔。钻进至53 m深度时，测斜仪监测数据显示孔底偏移58.93 cm，偏向和首次钻进同为WS;另外钻孔反碴出现原孔回填混凝土材料，判断和原孔位出现串孔，停止钻孔。

1.2 加装RVDS钻进先导孔

1.2.1 RVDS智能纠偏设备

德国RVDS智能纠偏设备（Rotary Vertical Drilling System，即旋转垂直钻进系统），为德国Micon公司产品，曾成功应用于冰岛两条414 m深竖井施工，最终垂直度偏移量为0.05%～0.06%。该设备能够实时监测导孔偏移，并实时对钻头方向进行调整，保证钻进垂直度始终动态受控。该设备为独立的系统，只需整体加装在反井钻机的钻头上，并与钻杆连接，无需改变反井钻机的结构。

1.2.2 加装RVDS钻进效果

加装RVDS设备后，先后在两个孔位进行先导孔钻进。第一次先导孔钻进至36 m时，RVDS反馈数据显示孔底偏移40 cm，因偏移过大停止钻孔；第二次先导孔钻进至61 m时，孔底偏移29.90 cm，钻进至70 m时，孔底偏移33.90 cm。两次钻进均因孔底偏移过大，停止钻孔。两次偏向均为WS。

1.3 引进较大功率反井钻机并加装RVDS钻进先导孔

历经四次先导孔钻进失败后，项目部引进一台型号为250RBM的反井钻机，并加装RVDS设备进行先导孔钻进，该钻机曾被成功用于尼泊尔其他项目100 m深斜井反井施工，考虑到此前钻孔均向WS方向偏斜，将开孔位置向EN方向偏移1.75 m。

首次先导孔钻进至27 m时，RVDS监测数据显示孔底偏移17.40 cm；第二次先导孔钻进至25 m时，孔底偏移8 cm，钻进至50 m时，孔底偏移76.28 cm，偏向均为WS。两次钻进均因孔底偏移过大，停止钻孔。现场钻进过程显示，钻进超过25 m时，钻机震动明显，偏移量加大，反映出地质条件较为复杂。

CT组CT检查损伤总诊断率为70.83%，关节镜诊断率为91.67%，两种诊断方式诊断结果有显著差异（P＜0.05），见表2。

2 反井钻机先导孔钻进失败原因分析

反井钻机先导孔钻进多次尝试失败，基本证明了采用反井钻机无法成功实施本项目竖井施工，初步判断为复杂地质条件所致，为进一步验证地质条件，使用地质钻机对该竖井位置进行了50 m深度取芯实验。

2.1 岩芯分析结果

对竖井50 m深度内岩石取芯，并对不同深度的3组岩芯做抗压强度试验。测试结果见表1。

表1 岩芯试样抗压强度表

2.2 反井钻机先导孔钻进失败原因

通过岩芯破坏测试，以及6次反井钻机先导孔钻进过程中，均因孔底偏移过大而导致失败结果分析，认为本工程围岩70～85°大倾角斜纹岩体构造是反井先导孔偏移无法控制的主要原因。在先导孔钻进过程中，岩体在钻头冲击作用下，极易产生沿岩体天然斜纹方向破坏，同时因岩体硬度较大，需要较大的垂直钻进压力，导致钻头沿斜纹破坏方向滑移，即使采用RVDS设备也无法克服钻进偏移，实际结果证明在大倾角片麻岩层地质条件下，反井钻机先导孔钻进方向难以控制。

3 正井法全断面开挖竖井和爬罐法开挖导井法施工

3.1 正井法全断面开挖竖井

正井法全断面开挖与一般隧洞钻爆开挖循环作业类似，每循环开挖支护高度2.50 m，每开挖支护循环作业时间约24 h。正井法全断面开挖方案的要点是配置合理可靠的材料垂直输送系统和安全防护系统装置，该系统配置的合理性是施工成败的关键因素，其他开挖支护所需风水电供应、排水系统配置和隧洞钻爆作业类似。材料垂直输送和安全防护系统装置具有很强的专业性和实践性，本文不做说明。

3.2 爬罐法导井施工

爬罐法是利用可沿轨道爬升的爬罐设备作为钻爆工作平台，自下而上进行导井钻爆开挖，导井贯通后再自上而下扩挖成井。本工程采用Alimar公司生产的STH-5EE型电动爬罐，与正井法相比较，爬罐法施工效率较低，通风排烟困难，特别是随着导井高度增加，作业效率降低。由于爬罐法必须使用专业爬罐设备，目前应用日趋减少。

4 三种开挖方式经济效益

通过本工程竖井施工成本统计和测算，正井法施工成本约为爬罐法施工成本的1.40～1.60倍，爬罐法的施工成本约为反井钻机法的1.50～2.00倍。

5 结语

对于一般水电站工程深竖井工程，在具备竖井顶部和底部作业面的情况下，反井钻机具有无可比拟的进度、安全和成本优势；但对于大倾角层状坚硬岩石，先导孔钻进时，钻进方向会产生沿岩层结构面方向偏移，可能导致无法成功实施，同时，对于非常破碎且地下水发育的恶劣地质条件，也曾有导井贯通后发生大面积坍塌导致导井废弃的先例。因此，采用反井钻机方案前，应对围岩地质条件予以评估，以确定反井钻机的适应性。

正井全断面开挖竖井，经济性差，且须配置较为复杂的垂直提升系统和安全防护系统设施，但适应于各种复杂的地质条件，且无需竖井底部作业面，仍然是复杂地质条件下广泛使用的作业方案。

爬罐法适用于仅有底部作业面的竖井开挖，经济性介于上述两者之间，对地质条件的适应性广泛，但需要专业的爬罐设备，施工进度劣于正井法开挖。在非常破碎或富含地下水的地质条件下，应注意通过超前探孔判断掌子面不良地质条件状况，必要时采取超前灌浆等措施改良地质条件，预防出现顶部掌子面坍塌。

（责任编辑：赵 鑫）

TU 455.4

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2016-08-08