定向钻机在水电工程高深竖井导孔施工中的探索

闫 平， 王 海 涛

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，四川 成都 610091)

定向钻机在水电工程高深竖井导孔施工中的探索

闫 平， 王 海 涛

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，四川 成都 610091)

为解决复杂地质条件下高深竖井施工的难题，确保工期节点目标的实现，尝试将定向钻机引入到水电工程竖井施工中，以保证高深竖井的开挖精度，提高高深竖井的开挖速度。

定向钻机；反井钻机；高深竖井；竖井开挖

1 水电工程竖井开挖施工现状

在水利水电工程施工中，竖井被广泛应用于引水式电站及抽水蓄能电站的压力管道、调压井、闸门井中，随着水电工程建设及其施工工艺的发展，竖井深度越来越大，施工难度也随之急剧增加，目前深度为200 m以上的竖井频频出现，深度大于300 m甚至大于500 m的竖井也有报道。笔者通过查阅近几年的资料可以看出：在水电工程竖井施工中，主要采用的还是反井钻机进行导孔钻进，贯通后采用反拉钻头一次扩挖到位或反拉出溜渣井后再自上而下由人工爆破扩挖到位。

2 反井钻机的工作原理及其具有的优缺点

反井钻机用于上下都有施工平洞的竖井开挖时，将反井钻机固定于上平洞竖井开挖中心点，调整好反井钻机的垂直度后连续进行竖井导孔钻进，待导孔贯通后更换反拉钻头进行反拉扩挖。

但是，随着竖井深度的增加，在采用反井钻机进行竖井开挖的过程中，反井钻机的性能已渐渐不能满足竖井开挖的要求。地质体为非均质材料，在反井钻机钻进过程中，钻头受到岩体各个方向的抵抗力不同，在钻进深度较小时，由于钻杆刚度比较大，钻头对岩体的压力占据了主导地位，钻孔不会出现偏斜，但是，随着钻进深度的增加，反井钻机钻杆逐渐加长，钻杆整体刚度逐渐降低，钻头受到岩体的不均匀抗力将会明显地使钻头发生偏斜，此时，降低钻压可以有效地防止钻孔偏斜；随着钻进深度的进一步增大，既使降低钻压也无法阻止钻头发生偏斜，钻进路径将完全受岩体对钻头的不均匀抗力方向控制。由此可以看出：在对贯通精度有要求的竖井施工中，采用反井钻机进行导孔施工必须慎重选择，一定要结合竖井深度、地质情况、钻机性能参数等各种因素综合考虑。

在采用反井钻机进行高深竖井施工时，防止导孔偏斜是竖井精确贯通中的重中之重。但是，目前除增强对反井钻机的控制(控制钻压、增加稳定杆等办法)进行小幅度的导孔纠正外，尚无简单、有效地方法进行导孔偏斜控制。

3 定向钻机的特点及应用

由于采用反井钻机进行竖井导孔施工存在无法控制导孔偏斜的问题，因此，是否可以考虑采用一种具有纠偏功能的钻机进行竖井导孔施工呢？笔者由此想到可否将定向钻机引进水电工程高深竖井进行施工。

定向钻机分用于石油钻井、煤气开采中的大型钻机平台和用于非开挖管线施工的小型定向钻机。

定向钻机具有随钻测斜、自动纠偏的功能。通常，定向钻机内置测斜仪器，在定线钻机施钻的过程中，内置测斜仪可以实时将钻机的测斜数据反馈至中控台，根据测斜仪测出的顶角大小可以判断出偏斜程度，通过方位角可以判断出偏斜的位置，在确定了偏斜量和偏斜方位后，施钻人员在更换定向钻具组合、调整好钻进角度后，主机发动机停止提供扭力，仅通过泥浆压力带动弯螺杆底部的泥浆马达旋转带动牙轮钻头破岩，当钻孔被纠正至正常孔位时，恢复正常钻进模式进行钻进。

4 定向钻机在水电工程中使用的可行性

定向钻机可以很好地解决反井钻机导孔偏斜的问题，使导孔钻进一次到位，进而避免了导孔偏斜造成的返工、废井等问题。但是，定向钻机钻进形成的导孔直径较小且无法反拉形成导井、满足水电工程施工大断面竖井的要求，因此，还需要结合反井钻机进行扩孔及反拉施工。

此外，定向钻机在通常情况下尺寸较大，且水电工程中压力竖井、调压井等井筒结构又常位于地下洞室内，从而在一定程度上制约着定向钻机在水电工程中的应用。但是，在电缆出线井、通风井这类露天井道开挖中，定向钻机的使用将不受外形尺寸的制约。

综合以上分析得知：定向钻机应用于水电工程施工中会受到一些客观条件的制约且具有一定的适用性，会受到很多限制，在目前的现状下还无法进行大范围的推广，但是，在部分工程的特定条件下仍可以适当引进。

5 工程实例及应用效果

5.1 工程情况

厄瓜多尔索普拉多拉水电站电缆竖井深度为374.32 m，直径7.3 m。竖井所在区域上部50 m为第四纪坡积物，以下为石英片岩、云母片岩，岩层倾角为65°～80°，发育有多组节理裂隙，地下水丰富，钻孔过程中极易出现偏斜，成孔条件差，同工区勘察孔及其他深竖井测斜结果显示：由于受到地层不均匀反力影响，在钻孔深度达到100 m以上时导孔会出现较为明显的偏斜。

5.2 施工情况

由于电缆竖井具有工期紧、地质条件复杂、成孔条件差等难题，经多方论证，项目部最终决定采用定向钻机和反井钻机组合的形式进行电缆井导孔施工。首先， 采用定向钻机进行φ190定向孔施工，然后采用BMC400型反井钻机通过特制的扩孔钻头，将φ190定向孔扩大为φ270导孔。

该工程于2014年1月12日开始采用定向钻机进行定向孔施工，2014年1月28日定向孔顺利贯通，平均钻孔强度为22 m/d；2014年2月11日开始采用反井钻机进行定向孔扩孔施工，2014年2月26日扩孔施工顺利完成，平均扩孔强度为23.4 m/d。

5.3 工程效果评价

采用定向钻机和反井钻机组合进行电缆井导孔施工，总施工工期为33 d，平均施工强度为11.34 m/d。最终形成的导孔偏斜量为1.21 m，钻孔精度为0.32%，远小于反井钻机钻孔1%的精度要求。

6 结 语

将反井钻机引入到水利工程、结合定向钻机进行高深竖井导孔施工在厄瓜多尔保特-索普拉多拉水电工程电缆竖井施工中的成功应用，为水电工程高深竖井导孔施工提供了一个新的方向。本次应用实践证实：将定向钻机应用于水电工程竖井施工是完全可行的。在水电工程露天高深竖井中利用定向钻机进行导孔钻进，可以有效地避免竖井导孔偏斜造成废孔，进而造成人力、物力的浪费、工程的延误和经济的浪费。

同时，我们还应看到将定向钻机应用于水电工程高深竖井导孔施工中所面临的各种困难。随着我国水电工程建设向大西部的进一步推进，施工难度也将越来越大，竖井施工所面临的问题也将越来越严峻。为解决反井钻机钻进深度及精度和工程要求之间的矛盾，未来势必需要对钻井设备进行新一轮的升级：一方面，可以考虑对现有反井钻机进行改造，提高反井钻机的钻进深度和精度，使其能够满足高深竖井导孔施工的贯通要求，如在反井钻机中增加定向钻进或自动测斜纠偏功能；另一方面，可以考虑通过对现有定向钻机进行改造，使其小型化、轻量化，从而更加适应水电工程地下钻井的需要。

闫 平(1980- )，男，陕西凤翔人，高级工程师，学士，从事水电工程施工技术与管理工作；

王海涛(1987- )，男，陕西安康人，工程师，学士，从事水电工程施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

2017- 04- 10

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