反井鉆機(jī)在調(diào)壓井特殊地質(zhì)條件下的成功運(yùn)用

，

(中國水利水電第十工程局有限公司二分局，四川 都江堰，611800)

1　工程概況

洞松水電站工程區(qū)位于碩曲河中下游，鄉(xiāng)城縣香巴拉鎮(zhèn)、尼斯鄉(xiāng)及洞松鄉(xiāng)境內(nèi)，是碩曲河干流“一庫五級”開發(fā)方案的第四梯級水電站。電站裝機(jī)容量180MW(3×60MW)，設(shè)計引用流量102.3m3/s，額定水頭197m，電站主要建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐組成。

洞松水電站工程調(diào)壓井為開敞式，井深112.5m，大井高24.5m，開挖直徑24.4m，小井高88m，開挖直徑15m，混凝土襯砌厚度均為2m，襯砌后大井直徑20.4m，小井直徑11m。

工程區(qū)受南北向構(gòu)造控制，處于德格-鄉(xiāng)城斷裂帶中。位于區(qū)域性鄉(xiāng)城斷裂與索讓斷裂所夾的斷塊之間，構(gòu)造復(fù)雜。工區(qū)巖層為三疊系上統(tǒng)圖姆溝組地層之砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖，次為(含炭)泥質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、灰?guī)r等。井壁圍巖以強(qiáng)風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r及弱風(fēng)化泥質(zhì)板巖為主。

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，工程區(qū)域穩(wěn)定性較差。

2　反井鉆機(jī)型號及施工程序

鉆機(jī)選用型號ZFY1.4/200(LM-200)，基本參數(shù)為：導(dǎo)孔直徑216mm；擴(kuò)孔直徑1.4m；鉆孔深度200m；出軸轉(zhuǎn)速5rpm～33rpm；導(dǎo)孔額定扭矩20kN·m；擴(kuò)孔最大扭矩40kN·m，鉆頭許用最大推力350kN。

施工程序?yàn)椋夯A(chǔ)澆筑→反井鉆機(jī)進(jìn)場安裝(LM-200型)→先導(dǎo)孔施工(φ216mm)→擴(kuò)孔鉆頭安裝(φ1400mm)→擴(kuò)孔鉆頭提升→鉆機(jī)拆除。

3　施工布置

3.1　冷卻循環(huán)系統(tǒng)

反井鉆機(jī)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要由洗井泵(泥漿泵)、水池、水溝組成，距反井鉆機(jī)15m設(shè)置一個5m3的水池，并在水池中間設(shè)一道隔墻，將水池分為沉淀池和清水池，鉆機(jī)和水池之間由水溝連接，先導(dǎo)孔中返回的高壓水及細(xì)渣從孔口沿此溝回流至沉淀池，布置還包含主泵站、操作臺及副泵站(平面布置詳見圖1)。

圖1　施工平面布置

3.2　反井鉆機(jī)安裝

反井鉆機(jī)安裝在調(diào)壓井豎井中心線上，主機(jī)起鉆孔口與豎井中心線吻合，操作車、泵車依次停放在井口平臺，操作車距起鉆孔口保證至少1m的安全操作距離，基礎(chǔ)采用C20混凝土分兩期澆筑完成，一期形成基礎(chǔ)并預(yù)留反井鉆機(jī)地腳螺栓，待主機(jī)就位并經(jīng)測量校核完成后，回填二期混凝土，確保反井鉆機(jī)和基礎(chǔ)牢固銜接，不發(fā)生移位(反井鉆機(jī)基礎(chǔ)布置詳見圖2)。

圖2　反井鉆機(jī)基礎(chǔ)布置

4　施工過程及方法

4.1　先導(dǎo)孔施工

導(dǎo)孔是整個溜渣井施工的最重要環(huán)節(jié)，導(dǎo)孔能否順利完成，直接關(guān)系到溜渣井施工的成敗。針對不同的圍巖類別，實(shí)施不同的主、副泵工作壓力、轉(zhuǎn)速和適時裝備穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行控制。

反井鉆機(jī)的鉆桿分為普通鉆桿和穩(wěn)定鉆桿，區(qū)別在于后者比前者多了平均分布的4條3cm厚的鋼肋板，其主要作用是導(dǎo)向，防止鉆桿隨深度的增加或旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大彎曲、過大擺幅，起到穩(wěn)定的作用；同時保護(hù)鉆桿和孔壁的接觸摩損。

穩(wěn)定鉆桿根據(jù)巖層條件、井深及井孔的允許偏斜率等因素決定，本工程的布置方式為：在鉆頭后面布置一根穩(wěn)定鉆桿，緊接布置一根普通鉆桿，再布置一根穩(wěn)定鉆桿，然后隔二根布置一根穩(wěn)定鉆桿，在15m處布置一根穩(wěn)定鉆桿。

4.2　先導(dǎo)孔鉆孔過程中出現(xiàn)的問題

本工程在先導(dǎo)孔施工過程中，當(dāng)鉆至35m深度處時出現(xiàn)塌孔、卡鉆，將鉆桿全部提升到鉆井平臺，向孔內(nèi)灌注純水泥漿固壁，待水泥漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，重新開鉆，但向下鉆至52m左右又出現(xiàn)塌孔、卡鉆，此方法重復(fù)嘗試均告失敗。又重新使用膨潤土進(jìn)行固壁，開鉆后由于在52m深度處重復(fù)施工，周邊圍巖擾動較大，出現(xiàn)較大范圍的塌孔，卡鉆后在提升鉆桿的過程中，由于扭力較大，鉆桿連接處出現(xiàn)滑絲，使下部多根鉆桿及鉆頭卡在先導(dǎo)孔中，只將上部部份鉆桿提升出來。

4.3　原因分析

按以往的施工經(jīng)驗(yàn)，在先導(dǎo)孔施工過程中，局部洞段出現(xiàn)塌孔，只要采用水泥漿或膨潤土固壁均可通過塌方段，但是現(xiàn)在經(jīng)過水泥漿和膨潤土固壁后最多能將固壁段鉆通，深入下部新鮮基巖后馬上又現(xiàn)新的塌孔、卡鉆。經(jīng)過多方分析，并查閱調(diào)壓井段的地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)調(diào)壓井中下部均為灰?guī)r、泥質(zhì)板巖，由于灰?guī)r、泥質(zhì)板巖遇水泥化、松軟、坍塌，因此很難成孔，加之反井鉆機(jī)的施工原理必須采用高壓水，高壓水對灰?guī)r、泥質(zhì)板巖沖刷更易造成圍巖快速泥化，使孔口周邊圍巖發(fā)生垮塌堵孔卡鉆。因此，如何解決反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔在灰?guī)r、泥質(zhì)板巖中成孔問題顯得尤為重要。

4.4　解決方案

由于灰?guī)r、泥質(zhì)板巖遇水易泥化，強(qiáng)度降低，塌孔卡鉆，因此，在反井鉆機(jī)進(jìn)行先導(dǎo)孔施工過程中只要減小水壓力或者不使用水，鉆孔過程就不易出現(xiàn)塌孔。為解決此問題，首先從反井鉆機(jī)施工原理出發(fā)進(jìn)行研究。反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔施工過程中采用高壓水的目的主要是：冷卻鉆頭；將鉆孔過程中細(xì)渣順孔壁沖出孔外。冷卻鉆頭必須使用水，可考慮采用無壓自流水，這樣對孔口周邊圍巖影響較小，短時間內(nèi)還不易造成塌孔，另外，鉆孔過程中的細(xì)渣必須排出孔口外，可考慮采用高壓風(fēng)。因此決定采用高壓風(fēng)+水的方式進(jìn)行鉆頭冷卻和返渣。

4.4.1調(diào)整反井鉆機(jī)位置及增設(shè)高壓風(fēng)管

由于第一次導(dǎo)孔已經(jīng)作廢不能使用，因此，在原有反井鉆機(jī)基礎(chǔ)不變的情況下，將反井鉆機(jī)位置向井口平臺后方偏移30cm重新布孔。

重新布置1臺20m3的空壓機(jī)供反井鉆機(jī)用風(fēng)需要，將鉆機(jī)頂部原進(jìn)機(jī)主水管調(diào)整為進(jìn)風(fēng)管，在進(jìn)風(fēng)管進(jìn)口設(shè)三岔管接進(jìn)水管。

4.4.2施工

反井鉆機(jī)調(diào)整就位后，調(diào)壓井上部35m仍采用高壓水反碴的方式進(jìn)行先導(dǎo)孔施工，施工較順利。當(dāng)導(dǎo)孔鉆至50m后，調(diào)整施工方案，采用高壓風(fēng)+水的方式進(jìn)行反渣，高壓風(fēng)壓力以能反渣為目的，隨導(dǎo)孔深度加深逐級加壓，采用此方法后，鉆孔較順利，過程中再未塌孔、卡鉆。施工過程應(yīng)注意：

(1)剛開始時應(yīng)控制鉆孔速度，并控制好進(jìn)水流量，以能剛好冷卻鉆頭且流出鉆頭后的水高壓風(fēng)能迅速將其吹干；

(2)隨鉆孔深度的增加，過程中應(yīng)對鉆機(jī)本身進(jìn)行測量復(fù)核，確保鉆機(jī)未發(fā)生移動，否則當(dāng)鉆至孔底時有可能鉆頭偏至井圈范圍以外。

4.5　擴(kuò)孔施工

先導(dǎo)孔鉆至孔底時，在開挖井圈邊沿內(nèi)，鉆頭更換完成后，由于挖孔不需要返渣，應(yīng)將方案進(jìn)行調(diào)整，不再使用高壓風(fēng)，只使用水進(jìn)行鉆頭冷卻即可。剛開始擴(kuò)孔時，為防止鉆頭劇烈晃動而損壞刀具，要逐漸加壓，并以每小時0.5m的速度慢慢鉆進(jìn)，待滾刀全部入孔后再施加正常鉆壓挖孔。

擴(kuò)孔壓力的大小應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)(硬度、結(jié)構(gòu)、節(jié)理等)和鉆頭直徑大小而定，擴(kuò)孔進(jìn)行時，應(yīng)嚴(yán)格控制主軸輸出扭矩，以主泵壓力瞬時最高值不高于15MPa(20MPa)為限。過高的扭矩可能造成鉆機(jī)的損壞，引發(fā)事故。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時，隨時觀察冷卻水的供給情況，不允許打干孔，防止損傷擴(kuò)孔鉆頭的滾刀。

5　結(jié)語

反井鉆機(jī)施工豎井，相比其他施工方法，優(yōu)勢明顯，操作簡單，進(jìn)度快，安全有保障。

洞松水電站調(diào)壓井先導(dǎo)孔反井鉆機(jī)鉆孔過程中，反復(fù)出現(xiàn)塌孔、卡鉆，后經(jīng)采用高壓風(fēng)+水的方式得以解決，保證了豎井的順利貫通。

對于設(shè)計單位提供的調(diào)壓井地質(zhì)情況，在反井鉆機(jī)施工過程中未引起高度重視，致使出現(xiàn)塌孔，采用常規(guī)的處理方式(水泥漿、膨潤土固壁)，造成大范圍塌方，導(dǎo)致先期施工的先導(dǎo)孔作廢，多根鉆桿未能取出，影響了工程進(jìn)展，在今后的工作中，應(yīng)充分了解整個洞段的圍巖情況，提前做好相應(yīng)準(zhǔn)備工作，及時調(diào)整施工方案。