反井钻机在输水工程溢流竖井施工中的应用

2017-03-27沈继承

东北水利水电 2017年3期

关键词：导孔反井竖井

沈继承

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

反井钻机在输水工程溢流竖井施工中的应用

沈继承

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

根据工程4-8有压隧洞溢流竖井的实际情况，结合反井钻机的优点选取了反井钻施工工法，保证了施工安全，降低了现场作业人员的劳动强度；从施工质量、施工进度、施工成本等方面综合分析。

隧洞工程；反井钻机；溢流竖井

1 工程概况

辽宁某重点输水工程的4-8隧洞全长3 192 m，施工桩号D194+168～D197+360，为有压隧洞，圆型断面，设计洞径5.4 m，纵向坡比6.574 7‰，进口底板高程96.77 m，出口底板高程118.0 m。其中隧洞进口位于常河营乡姜家店村南，与4-10管线连接，在4-8隧洞进口D194+198位置处设有溢流竖井一座，与4-8隧洞进口洞段连通为一体；竖井深度H=27.58 m，高程范围EL99.67～127.25 m，开挖口径D1=6.6 m，成型口径D2=5.4 m。

2 地质情况

隧洞进口段地形为山体与河谷交界的前缘，山体多陡直，基岩直接裸露，坡脚为长皋河河床。平水期水深约0.5～1.0 m，河面宽5～8 m。进口边坡存在倾向河道方向的似层面。边坡岩石由强风化熔角砾凝灰岩组成，坡面与似层面同向，坡角下陡上部略缓。另外，根据4-8隧洞进口洞段开挖情况，D194+198处揭露岩性主要为弱风化的熔角砾凝灰岩，围岩完整性差，节理裂隙较发育，岩石单轴饱和抗压强度较高，为中硬岩。

3 方案选择

当前4-8隧洞进口洞段已衬砌完成，常规钻爆法容易对临近衬砌造成影响，需要使用反井钻机进行竖井钻挖。反井钻机成孔对临近隧洞衬砌影响最小，可最大程度保证已浇筑成型质量不受竖井施工影响。按照设计图纸所示溢流竖井中心，采用反井钻机通过导孔并一次反向扩孔形成直径3.5 m的溢流孔，采取内径φ=3 300 mm、壁厚δ= 26 mm的钢管内衬施工，以满足工程运行期间的非常溢流要求。

4 施工布置

溢流竖井施工道路采用沿4-10管线征地边线上游侧穿越长皋河（管涵桥）转弯顺水流方向下游顺山势爬坡至溢流竖井施工平台EL 125.0 m。

反井钻基础采用C20混凝土浇筑，浇筑尺寸L×H×δ=10 m×2.4 m×0.8 m，基础浇筑需满足反井钻机的安装平整度要求。

溢流竖井石方明挖需采用爆破施工，为保证道路及平台开口线开挖爆破作业安全及开挖边坡的稳定性，减少超欠挖，采用预裂光面爆破。主要爆破参数：预裂孔深3.5 m；孔距0.5 m；孔径42 mm；钻孔倾角53.1°～63.4°；药卷直径32 mm；不偶合系数1.3；单孔装药量0.7 kg。

5 反井钻机施工工法

采用BMC 400型液压反井钻机从上而下形成φ270 mm的导孔，导孔施工过程中的排渣采用泥浆泵将高压洗井液注入钻杆内，再从钻头的排水孔中压出，将石渣从钻杆与孔壁间的环形空间排至排渣槽。导孔贯通后在溢流竖井下方4-8隧洞将导孔钻头卸下并安装φ3.5 m扩孔钻头，由下向上反向扩孔至直径3.5 m的溢流孔，扩孔时的石渣经过冷却水的冲刷和自重坠落至竖井下方4-8隧洞内。采用高流态自密实将壁厚δ=26 mm、内径φ=3 300 mm的钢管内衬施工完成，溢流竖井内径D=3.3 m。反井钻机施工流程见图1。

图1 反井钻机施工流程图

5.1.1 钻进准备

1）钻机基础清理及浇筑，以钻孔中心为中心，直径在基础上浇筑厚度为80 cm、设计强度等级为C20的基础，在浇筑时预留机架固定的地脚螺栓，基础在距离钻头中心70 cm内严禁放置含金属物体，以防止金属物体损坏钻头滚刀。

2）在钻机基础砌筑一座长约3 m，宽2 m，深度1 m的沉渣池。

5.1.2 导孔钻进

钻机基础浇筑2～3 d后，将主机轨道铺设在平台上，轨距64 cm。然后将钻机吊装至轨道上，调整好钻机位置，竖立钻架，安装后拉杆，调平钻机。钻机调平后，用螺栓将钢垫板连接在钻架上，安装前拉杆及埋设预埋螺栓，再次调平钻机并浇筑二期。二期达到一定强度后，调平主机。接好钻杆后，开启泥浆泵供洗井液和冷却水，开始钻进。导孔开始钻进时采用高转速低钻压，动力水龙头的转速使用快速，钻压为2～5 MPa。

导孔钻进排渣采用泥浆泵抽取沉渣池内的水从动力水龙头的洗井液接头沿钻杆内壁压入钻头底部，经钻头底部的排水孔将孔底的石渣沿孔壁排至孔口的排渣槽，最好排入沉淀池中。石渣水经过沉淀后，再用泥浆泵抽入导孔内，循环使用。

草儿是被羊儿的叫声和牧儿的歌声吸引，便去割猪草，观察羊儿和牧儿。很快，草儿就被洁白的羊儿的叫声，牧儿的歌声和他那种已融入家乡山水的悠然的生活所吸引了。她陶醉于这种生活了，她感到自己如一朵美丽的花儿，如果开在这洁白的羊群中间，开在这悠然生活的青山绿草间，那么这花儿将更加绚丽。想着，草儿醉了，草儿的脸也被羞红了。

背压根据实际情况调整，背压过大动力水龙头不能向下推进，背压过小时动力水龙头向下推进过快容易卡钻，背压的调整原则是既能使水龙头向下推进同时不能卡钻。

动力水龙头向下推进至最低位置时，停止向下推进，检查棘轮套的插销是否向上顶出，如果插销被顶出，说明孔内石渣没有冲洗干净，继续冲洗至插销回到原位。

导孔石渣冲洗干净后，关闭泥浆泵，连接钻杆，钻杆连接完成后开启泥浆泵，继续向下钻进。

稳定钻杆布置，其作用主要是控制导孔的偏斜，开始钻进时放置一根，一般情况下稳定钻杆的配置采取钻头后连续装6～8根稳定钻杆，以后间隔一定距离放置一根。后面的稳定钻杆放置需根据地层情况和钻孔角度确定。

导孔在钻进3～5 m时，在钻孔周边布设围栏，禁止人员进入，防止石块坠落伤人。

导孔施工是整个竖井施工的关键，孔斜的大小直接影响着后续施工的难度及施工质量，因此施工中必须严格控制孔斜，每钻10 m做孔斜检测，及时进行纠偏，以利于后续施工。

5.1.3 反向扩孔

导孔自上而下贯通后，在下方平洞拆除导孔钻头并替换成φ3.5 m扩孔钻头。采用装载机将钻头运至溢流竖井下方，将上下提吊块分别同钻头、导孔钻杆固定，上下提吊块用钢丝绳连接，提升导孔钻杆，使钻头离开地面约20 cm，然后固定钻头，下方导孔钻杆，拆掉上下提升块，连接扩孔钻头。

调节动力水龙头出轴转速，快速挡调至慢速档。将油泵冷却系统的循环水出口接至导孔口，以冷却扩孔钻头并消尘。在扩孔钻头未全部进入岩层时，为防止钻头剧烈晃动而损坏刀具，使用低钻压、低钻速，待钻头全部钻进后再加压钻进。

扩孔钻压的大小根据地层岩石的具体情况而定，软岩低压、硬岩高压，但是主泵油压不得超过24 MPa；副泵油压不得超过18.5 MPa。

拆卸钻杆时，第二根钻杆上方卡位升至卡座上方约20 cm，将下卡瓦卡住第二根钻杆的上卡位，下降动力水龙头使下卡进入卡座内，反转动力水龙头一圈，升起翻转架并将机械手抱住钻杆，动力水龙头反转并提升约10 cm，取出上卡瓦，再将动力水龙头升至最高位置，下降翻转架并松开机械手，同时下降动力水龙头连接钻杆，取出下卡瓦，继续扩孔钻进。在卸钻杆的过程中，钻杆接头无法松动时，使用辅助卸扣辅助动力水龙头反转。

扩孔过程中，由于采用水冷却扩孔钻头及消尘、冲渣，每小时耗水量约9～12 m3，施工废弃水进入下部4～8隧洞内，在反向扩挖时将施工废弃水通过系统引排至洞外。

5.2 洞内出渣

考虑目前4～8隧洞进口除D194+193～D194+ 205段（溢流竖井施工预留洞段）及D194+264～D194+276段（进口临时支洞与主洞交叉口）暂未衬砌外，其余段落均已衬砌完成，受洞内空间及交通限制，自卸汽车洞内行驶困难，反井钻机开挖渣料需采用装载机逐铲倒退出渣至支洞口附近场地，再采用自卸汽车二次集中倒运至弃渣场。

5.3 特殊情况处理

导孔钻进过程中无循环水返回时可停钻注水，如注入一定水量后循环正常，说明溶洞或裂隙与外界无水力联系或联系不大，此时可继续钻进。如果循环水流失过多，而钻进扭矩又大，说明岩渣向孔底堆积，立即停止钻进，拆除钻杆进行导孔内灌浆：灌浆砂浆配比采用水∶水泥∶砂=1∶1∶1.4（重量比），人工现场拌制，人工铲送至导孔内，砂浆灌注高度高于溶洞或裂隙位置3～5 m。在砂浆灌注24 h即可继续钻进。