斜井反井法导井施工精度操控技术

王 峻， 张学彬， 刘培伟

(中国水利水电第七工程局有限公司, 四川成都 610081)

在建猴子岩水电站出线洞斜井长185.1 m且倾角为45 °，洞室倾角缓、长度长，围岩条件未知，极易出现钻孔偏移，导致斜井无法顺利贯通。反井钻先导孔的施工精度是反井施工成败关键，是保证洞轴线的必要条件，为此通过室内及现场试验对不同缓坡倾角条件下的控制方法和参数进行研究，从而摸索出一整套钻孔前期、中期和其他关键时期的有效控制技术，以满足严格控制斜井钻孔偏差要求和目标。反井法施工时，斜井角度变小后会使岩体及设备本身受力发生较大变化，例如上下摩擦力不对称会造成偏斜，必须对设备轴力、速度和扭矩等参数进行试验，探明小倾角斜井开挖机具本身需要具备的动力参数(扭矩、轴力)，确定出不同倾角下的设备动力损失模型，据此探索出能够满足缓坡倾角斜井的控制方法，为后续设备研发后改进奠定基础。

1 导孔轨迹问题分析

由于斜井开挖倾角越小，钻机本身会产生与竖向或大倾角时的钻孔有较大差异的竖向分力，致使钻机会出现额外向下的作用力，客观上导致钻孔除了沿轴向钻进外还会向下发展而造成偏离，甚至会形成曲线，使得钻杆在钻进过程成产生偏离。

1.1 斜井开挖前对于导孔轨迹的理论分析

如果按斜井倾角进行导孔钻凿，则其轨迹并不理想，很可能会因为向下弯曲出现较大精度偏差，为此须在开始阶段就进行适当纠偏，其纠偏角度及其轨迹分析见图1、图2所示。

图1 α任意角最大偏角溜渣轨迹

图2 α任意角最小偏角溜渣轨迹

(1)假设洞口直径为d，斜井长度为L，斜井坡度为θ，推导钻杆的极限下沉量。

(2)假设斜井周围地质条件均匀，钻杆只有重力作用下向下钻孔形成一个如图1所示的虚线轨迹，由于导孔极小而斜井距离很大，偏移量很小！如猴子岩斜井为185 m，钻孔轨迹偏离仅约为0.1 °，近似于圆弧，其误差(类似于系统误差)是可以接受的。结合微分数学的思想，采用圆弧轨迹作为钻孔轨迹近似处理基本合理，可满足施工控制要求。

(3)分析圆弧曲线方程，建立如图1所示的直角坐标系。在极限状态下，钻杆将从洞顶中心处进入，在井底的中心处钻出，那么这条圆弧曲线经过如下三点：

(1)

1.2 猴子岩45 °斜井开挖前导孔轨迹控制

对于猴子岩45 °斜井，取θ=45 °代入式(1)得猴子岩45 °斜井纠偏后的导孔轨迹方程为：

(2)

y′=tanα=0.8783⟹α=arctan(0.8783)=41°29′

(3)

同理：对于图2可知，当钻杆以沿着斜井上边缘相切的角度钻进，此时钻杆刚好从洞底的下边缘钻出，即：

y′=tanα=1⟹α=arctan1=45°

(4)

根据计算，如果要达到钻杆轨迹纠偏精度，则开钻可适当向上仰起一定角度也即钻杆与水平夹角需适当降低。计算结果表明，降低后的角度范围可为41～45 °之间，此角度范围即可在理论上保证导孔轨迹精度。

2 施工控制技术

2.1 反井钻机钻进过程中控制技术

斜井的钻孔过程中应稳定钻杆(图3)的分布及控制钻进速度。与普通钻杆相比，稳定钻杆周边均匀焊接了4条3 cm长的钢肋板(厚1 cm)，其优点是导向，防止随钻孔深度的增加，钻杆因旋转产生过大的弯曲和摆幅，同时有效减少钻杆与孔壁的接触磨损。采用钻杆分布是：开钻前10 m全部使用稳定钻杆；10～30 m调整为3根普通钻杆设1根稳定钻杆，并安装扶正器以保证钻孔的开孔质量，钻速为平均3～4 h钻进1 m；30～80 m每隔20 m设1根稳定钻杆，钻速为平均2～3 h钻进1 m。

施工中最重要的为导孔的纠偏工作。在导孔施工中，钻机定位时，其定位夹角为45 °30 ′，预留30 ′下沉量。钻进20 m时倾角基本未变，钻进至约100 m时下倾角约为44 °，偏斜值1 °。此时，主要采取以下纠偏措施：加快钻进速度，钻速为1.5 h左右钻进1 m；减少主泵供水量，使导孔内水压降低，残留的少量岩屑以利于将钻头向上托起；减少稳定钻杆，80 m以后未设置稳定钻杆。

图3 稳定钻杆结构示意

2.2 反井钻机导井施工控制

导孔施工完毕后，在对应底部施工通道安装φ1.4 m扩孔钻头。

(1)扩孔开孔：扩孔开始施工时一般围岩破坏严重，钻头周圈难以均匀受力，因此，一般采用副泵提供较小的、均匀的动力。当φ1.4 m扩孔钻头接好后，慢速上提钻具，直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用最低转速(5～9 r/min)旋转，并慢慢给进，进尺控制在10 cm/h，保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，防止钻头偏心受力过大而扭断钻杆。给进一些停下，等刀齿把凸出的岩石破碎掉，再继续给进。

(2)开始扩孔时：下边要有人观察，将情况及时通知操作人员，等钻头全部均匀接触岩石，才能正常扩孔钻进。在扩孔过程中，当岩石硬度较大，可适当增加钻压，反之可以减少钻压。扩孔时，要及时出渣，防止堵孔。扩孔过程，也是拆钻杆的过程，拆下的钻杆进行必要的清理，上油带好保护帽。

钻进施工中要求有较为稳定供水量，以使刀具能得到水冷却，供水量要求不小于7.8 m3/h。扩孔施工时，钻杆的拆卸要特别注意钻杆卡瓦正确摆放及自身的完好程度，以免出现卡瓦突然断裂，造成扩孔钻头、钻杆脱落。

(3)完孔：当钻头距基础2.5 m时，要降低钻压慢速钻进，并且要认真观察基础周围是否有异常现象，如果有，要及时采取措施处理。慢慢的扩孔，直至钻头露出地面。

2.3 斜井导孔及导井施工

施工工艺流程：钻机改造→基础混凝土浇筑→钻安装及调试→φ216 mm导孔施工→φ1 400 mm扩孔施工→钻机拆除。

2.3.1 钻机安装及调试

安装斜井装置底板和钻机的吊装就位按照钻孔中心点的十字记号线方向放置反井钻机装置底板，然后将主机运进洞内，通过洞顶的吊装锚杆将主机吊起，对好位拧紧连接螺栓，使主机和底板成为一体，再装上后支撑拉杆稳定钻机。

钻机定位及角度调节直接关系着斜井导孔的偏斜度，必须高度重视，步骤为：

(1)调整钻机方位角和垂直度。

先用后支撑拉杆将钻机顶起，目测前后方向与地面大致垂直；然后调整钻机左右方向与地面垂直。一般采用线垂测量法，在钻架的左右两边，各悬挂一长2 m的线垂，通过在底板下方垫置斜铁等办法调整垂直度，允许偏差0.5 ‰，完毕后再用全站仪测量钻机的方位角，确定无误后即可装上底脚螺栓进行基础二次混凝土浇筑。

(2)调整钻机倾斜角。

待反井钻机基础二次混凝土达到强度后，通过后支撑拉杆的伸缩调节钻机的倾斜角，经过计算调整好钻机倾角，锁紧螺母，然后用电焊将钻机与装置底板的几个铰接点焊住，防止在施工过程中后支撑拉杆松动钻机发生移动，以确保导孔施工精度。

2.3.2φ216导孔施工

2.3.2.1 钻进参数

根据本工程压力管道斜井及排风竖井施工总结的施工成果，钻进参数暂定如下，实施过程中根据实际进行调整(表1)。

表1 45°斜井初拟钻进参数

2.3.2.2 开孔钻进

首先对钻杆进行改造，加工稳定钻杆。稳定钻杆与普通钻杆相比，稳定钻杆周边均匀焊接了4条3 cm长的钢肋板，其作用是导向，防止随钻孔深度的增加，钻杆因旋转产生过大的弯曲和摆幅，同时有效减少钻杆与孔壁的接触磨损。

2.3.3φ1 400 mm扩孔施工

2.3.3.1 对接扩孔钻头

钻头对接前将导孔透孔部位进行扩挖，形成对接小平台，用手拉葫芦将扩挖钻头提升到小平台进行对接，具体操作：

(1)放下钻杆，对接钻头。将扩孔钻头放到斜井下部与下平段交接处，放下钻杆对接。

(2)扩孔钻头提升。提升时采用小油泵，计算钻杆及钻头重量，设定油泵压力，提升时不转动钻杆，超过设定压力后慢速转动，顺利将扩孔钻头提升到反导孔顶部。

2.3.3.2 扩孔钻进

扩孔钻进相对于前面的工序简单，岩石较硬，平均每1 m进尺按照用时5～8 h控制。

2.3.4 钻机拆除

将扩挖钻头卡固在钢轨上，拆掉钻机的斜撑杆及各种油管，吊出主机，然后再将反扩钻头取出。

2.3.5 反井钻机偏斜率控制

反井钻井偏斜就是反井施工的技术关键，为此，采取以下措施：

(1)进行精确的测量控制，发现偏斜较大时反复扫孔纠正偏斜度。

(2)施工设备：选用经检修完好的反井钻机和泥浆泵，保证其性能良好。

(3)钻机安装定位：钻机安装牢固，定位准确，混凝土浇筑密实。

(4)合理布置钻具：选用螺旋、直条等多种镶齿稳定钻杆和硬岩导孔钻头，并根据地质条件合理布置。

(5)正确选择钻进参数:钻进参数主要是根据地质条件和不同的钻进位置选择不同的钻压、转速和确定相应的钻进速度，并根据实际钻进过程进行相应的调整。

(6)精心操作：挑选有多年实践经验的操作人员，按照施工组织设计和反井钻机操作规程进行操作，及时发现和处理钻进中的问题和事故。

3 结论

(1)对斜井钻井过程钻杆进行受力分析，确定斜井施工过程中钻杆实际轨迹。对斜井开挖前和开挖后进行理论分析，使斜井在理论上满足施工过程中对于斜井角度的要求。计算其相应的影响参数，在满足要求的前提下控制各个参数，从而达到对斜井轨迹的精确控制。

(2)现场试验结果表明，提出的导孔钻进轨迹纠偏优化、钻机改造以及现场操作等一系列反井进度操控技术，可以满足操作改进后的反井钻的技术要求，并可保证斜井导孔、导井的钻孔偏差满足精度要求。

(3)通过合理设置稳定钻杆及操控钻孔速度来保证导孔的钻孔偏差满足精度要求，加强开孔段钻孔质量纠偏及控制技术，确保开孔偏差尽量小，在中后期钻孔过程中，主要依靠钻进速度及主泵供水量调节进行钻孔纠偏。