阳江抽水蓄能电站高压电缆洞斜井反井钻机改造及应用

刘振庚，王 强，王 峻

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)

引言

随着“双碳目标”的逐步实施，越来越多的抽水蓄能电站将逐步开发。抽水蓄能电站作为清洁能源的配套供给措施，迎来了建设高峰。高压电缆洞(又称“出线洞”)作为连接主变与开关站之间的电缆通道，根据检修维护要求，往往设置为斜井或竖井。结合消防通道等特殊的要求，一般将斜井的坡度设置在45°以下，这就给施工带来了很大的困难。斜井开挖最理想的方法就是反井法，即采用反井钻机先施作一条溜渣导井，然后自上而下扩挖成形。这种方案避免了采用常规正向开挖所需的渣料提升系统布置而面临的安全风险，大大提升了施工效率。目前，国内外反井钻机设计适用的倾角为60°～90°，国内也有将反井钻机的基础和吊杆进行改造后适用于45°斜井施工中的案例。但阳江抽水蓄能电站的高压电缆洞斜井倾角低至36°，自重方向的分力更大，加之导孔不同程度的弯曲，导致钻机反扩扭矩进一步增大，对钻机受力及稳定性提出了更高的要求。

1 工程概况

阳江抽水蓄能电站高压电缆洞主要有上平洞、斜井及下平洞组成，其中下平段长37m，斜井段长257.07m，倾角36°，上平段长105.35m，总长399.42m。

隧洞主要以花岗岩为主，局部为混合岩，岩石强度较高。I类、II类围岩约占隧洞总长的80.4%；Ⅲ类围岩约占隧洞总长的12.4%；出口段全～强风化带为IV～V类，约占隧洞总长的7.2%，围岩不稳定，需及时衬砌。

2 反井钻机选型与分析

反井钻机的选型直接关系到斜井导井的贯通成败，本工程选取一种AT型反井钻机，钻机主机总成，它包括主机框架、推进组件、滑架和回转动力总成。主机框架的顶部设有上顶油缸、底部设有调脚靴板和接卸杆系统；回转动力总成设置于滑架内；滑架装配于主机框架内；推进组件的一端与主机框架的底部相连、另一端与滑架相连能够推动滑架沿主机框架的内壁运动。该类钻机将回转动力总成通过滑架装配于主机框架内，推进组件推动滑架沿主机框架的内壁升降，主机框架除了支撑的作用还起到了导向的作用，提高了升降运动的稳定性，保证了钻头推进的稳定性，提高了钻孔的精度。能更有效地提升斜井施工精度，降低钻杆扭矩。

根据钻机受力计算分析，选择AT2500反井钻机，该钻机的工作原理为：电机带动液压马达，利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转，并向上提升，采用楔齿盘形滚刀破岩，滚刀在钻压的作用下沿井底滚动，从而对岩石产生冲击、研磨、挤压和剪切作用，使其破碎。钻导孔时岩屑沿钻杆与孔壁间的环形空间由洗井液浮升到井座面，扩孔时岩屑靠自重落到井下通道。

3 钻机基础结构设计

反井钻机进行斜井、竖井施工，在施工前均需要施作钻机基础，一方面是方便钻机安装加固，另一方面也可以改善反扩导井时钻机受力条件，且利于布置反井钻机施工相应的配套设施(泥浆池、清水池等)。反井钻机基础通常采用素混凝土结构，常规的混凝土基础由于倾角较大(大于45°)，可以同时在反井钻机吊杆和基础上进行局部改造，即可满足相应角度钻孔需要，对钻机受力影响不大。

对于缓于该角度的斜井，钻机受力复杂，重力方向上的分力更大，钻机在作用力下容易发生机械故障，需尽量让钻机作用力垂直于基础面，以改善受力情况。经研究改造最终高压电缆洞斜井反井钻机基础采用混凝土结构基础。具体如下：混凝土基础直接布置于隧洞底板，并采用技术性超挖，形成“凹”型基础，增加基础抗滑能力；混凝土基础迎钻机安装方向设置为斜面，确保钻机开孔角度；混凝土基础内沿斜井钻进中心线预埋钢管，减少钻孔对基础的稳定破坏和工作量；基础斜面上设置预埋H钢，用于安装固定反井钻机；基础一侧采用混凝土设置钻杆存放架，用于钻机吊运钻杆。

现场具体参数如下：

(1)混凝土强度C30浇筑，斜面为54°，长度方向浇筑至端墙，宽度2.4m，高度1.65m；

(2)斜面埋设300H型钢，长度1850mm，后期根据反井钻机基础板开孔后，采用螺栓连接；

(3)混凝土基础预留反井钻机钻孔，预留槽尺寸50cm×50cm，采用模板隔出；

(4)找平层收面后保持水平度，误差+5mm；300H型钢保持54°斜面，误差小于0.03°，即型钢上下口+1mm；

(5)混凝土浇筑前，原定向钻机基础凿毛，并设置插筋φ25@1000mm，L=2000mm，外露500mm。

图1 反井钻机基础结构布置

4 钻机结构改造

36°斜井受缓倾角影响反井钻机反扩导井时，刀盘受力极不均衡，极易发生钻杆断裂，刀盘破损现象。普通反井钻机难以实现36°斜井施工，需进行相应改造。项目团队深入反井钻机适应性改造，将液压支撑底座、液压可调底板、液压抓手、双液压马达等，逐一改进以满足斜井施工需求。主要改造分为以下四个部分：

(1)液压底座改造：常规反井钻机仅能实现普通竖井的开挖，本工程36°斜井倾角较缓，为保证倾角，在底座增加液压支撑，便于调节入钻角度。反井钻机底座与支撑梁增加2组液压千斤顶，千斤顶支撑梁连接部位设置三角撑，千斤顶底座连接部位设置矩形支撑。

(2)脚板改进：反井钻机脚板一般为固定直角板，为进一步提升入钻点准确度，将脚板增加2组液压千斤顶，脚板预留锚固孔，将基础板与脚板通过螺栓连接。

(3)吊杆改造：普通反井钻机钻杆安装采用小型吊机吊运至液压抓手，抓手旋转90°安装钻杆。改进液压抓手采用两组液压系统，分别控制大臂、小臂，犹如人的手臂，能够满足反井钻机液压抓手横纵移动，更加便捷地安装斜井钻杆。

(4)液压马达改造：液压马达选用两组改进型液压马达，将液压马达做到轻量化。采用双组设计更加稳定，避免钻杆受重力影响。

图2 改造后的斜井施工反井钻机

5 施工控制要点

(1)钻机基础混凝土浇筑2～3天后，将轻型轨道铺设在混凝土平台上，轨距为64cm，轨道下垫枕木(20cm×20cm，长120cm)或20工字钢，每隔60cm～80cm垫一根，然后将钻机吊至轨道上，调好钻机位置，锁紧卡轨器，竖起钻架，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Ⅱ期混凝土。

(2)安装反井钻机时首先将吊帽等专用工具运至井底，扩孔钻头运到井下钻孔中心点位置，并采用钢丝绳、手动葫芦及装载机配合进行安装。确保上平洞通讯通畅，连接时上下呼应，上平洞钻机操作手根据下平洞指令操作。

(3)调节动力水龙头出轴转速为慢速挡。

(4)用一个三通将冷却水泵的水分出一部分供扩孔钻头，以冷却钻头、消尘。

(5)在扩孔钻头未全进入钻孔时，为防止钻头剧烈晃动而损坏刀具，应使用低钻压、低转速，待钻头全部钻进时，方可加压钻进。扩孔钻压的大小根据地层的具体情况而定，软岩低压、硬岩高压，但是主泵油压不得超过24.0MPa；副泵油压不得超过18.5MPa。

(6)拆卸钻杆，第二根钻杆上方卡位升至卡座上方约20cm，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，动力水龙头反转提升约10cm，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，如果使用辅助卸扣装置也不能松动接头时，则在待松动的接头四周用氧焊烘烤，边烘烤边反转动力水龙头直至松动为止。

(7)扩孔直径为1.4m，每米实渣量为1.54m3。反井钻机每天可扩孔钻进10m，则每天的出渣量为15.4m3。需在下平洞固定布置一台装载机，根据溜渣量进行出渣。下平洞安排专人值班，观察存渣量，当存渣高度到达隧洞顶板，应立即通知钻机司机停钻，下平洞出渣工作人员及时出渣，完成出渣工作后通知钻机司机继续钻进，如此循环，直至完成扩孔工作。扩孔期间，下平洞应做好警戒防护，除值班人员外所有人员严禁进入下平洞。值班人员在观察存渣时，离透孔中心点距离不小于30m。

6 应用效果

本工程采用反井钻机进行导井施工，历时75d，日平均进尺3.5m，施工过程中未发生钻杆断裂、设备异常等状况，施工过程中安全可控。

7 结论

针对缓坡长斜井大扭矩反扩施工难题，本文通过对导井反扩钻机、钻具受力特征等进行分析，研发了水平抗滑机座，提出了配置双液压驱动马达，辅以稳定轴承、液压支撑底座、支撑导向主机框架等适应性改制，突破了反井钻机缓倾角的适应范围，使得工程顺利安全实施。然而，对设备的改造需要花费大量的人力物力，且通用性不强。因此，需要进一步和生产厂家联合攻关，以期生产出一款通用性强、造价低廉、性能优越的反井钻机，扩大其应用范围。