反井钻机在导井开挖施工中的应用

反井钻机在导井开挖施工中的应用

牛支现

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摘要：以某水电站调压井导井开挖为例，对比分析反井钻机开挖与人工开挖统计数据，进行方案比选，根据工程实际选用反井钻机开挖方案，并介绍反井钻机的工作原理、施工工艺等，通过方案在本工程的实施，达到了缩短工期、提高质量及降低安全风险的目的，反井钻机导井开挖应用的合理性、安全性及经济性，希望能为类似开挖工程提供借鉴和参考。

关键词：反井钻机 导井 开挖 施工 应用

1．工程概况

某水电站由大坝和引水发电系统组成，引水发电系统包括进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、发电厂房、升压站和尾水洞等建筑物。调压井位于引水隧洞末端及压力管道起点处，由圆形的上室和井筒组成，总深179.8m。上室直径22.8m，高9.5m；井筒部分170.3m，上井筒111.2m，直径5m；下井筒59.1m，直径3.0m，石方开挖量约6500m3。

调压井所在位置地下水丰富，地层岩性为白垩系上统板岩、砂质板岩夹石英砂岩，岩层产状变化较大，弱风化，岩体完整性差，局部较破碎，Ⅲ类围岩为主，局部Ⅳ围岩，岩体节理裂隙发育，构造挤压，层间错动严重，褶皱、褶曲、小断裂、构造挤压软弱夹层、构造挤压破碎带发育。

施工初期考虑施工成本，计划采用人工开挖调压井导井，导井直径1.8m，开挖量约457m³。通过开挖上室及上端引水隧洞揭示的地质情况，发现井筒岩石破碎且渗水多，人工开挖支护难度大，且开挖过程中极易塌孔，加之工程要求工期紧，综合各方面因素，考虑调整施工方案，

2．施工方案比选

以100m长导井为例，采用BMC300型反井钻机，进行对比分析。反井钻机主要技术参数：导孔直径Ф241mm，钻进推力550kN，扩挖直径Ф1.4m，扩孔拉力1250kN，设备额定功率108Kw，额定电压380V。

2.1反井钻机施工时间

（1）反井钻机准备时间约为12～15天，包括设备基础、钻机安装、沉渣池砌筑等；

（2）Ф241mm导孔钻进速度约5m/天，耗时约20天；

（3）Ф241mm钻头拆除，Ф1.4m钻头安装，耗时约1天；

（4）Ф1.4m导井扩挖速度约5～15m/天，平均5m/天，耗时约20天；

（5）反井钻机设备拆除，耗时约3天。

综上，反井钻机施工导井，从准备工作至设备拆除耗时约59天。

2.2人工施工时间

（1）人工准备时间约为4～5天，主要是卷扬机、空压机等的安装、调试；

（2）Ф1.8m导孔施工一般0.8～1.5m/天，平均1m/天，耗时约100天；

（3）井内风、水、电管线拆除，耗时约5天。

综上，人工导井法施工，从准备工作至设备拆除耗时约110天。

从以上施工时间可以看出，在不考虑地质条件、设备维修等施工影响的前提下，反井钻机施工耗时占人工施工耗时54%，采用反井钻机施工工期可提前约1/2，不会对工期造成影响，且工期将大大提前，故调整原计划人工施工方案，选用反井钻机进行导井施工。

3．工作原理及施工工艺

3.1反井钻机工作原理

通过电机带动液压马达，利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，主机油缸产生的轴向压、拉力，通过动力头、钻杆作用在导孔钻头或扩孔钻头上，使钻头的滚刀在钻压作用下产生冲击载荷，对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石。

被破碎的岩屑在导孔钻进时被正循环的洗井液冲洗，岩屑沿着钻杆与孔壁间的环形空间由洗井液提升到钻孔外。扩孔时岩屑靠自重直接落到下水平隧洞内，采用装载机和运输设备将岩渣清理运出。

导孔钻进时，随着钻头不断钻进岩体，逐根加长钻杆，从上到下形成直径Ф241mm的钻孔，直到钻透之后形成导孔。拆除导孔钻头，换装Ф1.4m扩孔钻头。

扩孔钻进时，随着钻头不断扩挖拉升，逐根拆下钻杆，从下到上形成直径Ф1.4m的扩孔，直到钻杆全部拆完，形成导井为止。

3.2反井钻机优点

（1）施工人员不需进入不安全的井孔中，工作环境好，作业安全。

（2）操作简单安全，改善了劳动条件，大大减轻了工人的劳动强度。

（3）采用全液压驱动，操作简单、运行平稳、工艺性好、效率高。

（4）钻具工艺合理，辅助时间短；钻杆采用通用标准，安全可靠，互换性强。

（5）机械化连续作业，成井速度快、质量好，为后期施工创造了良好的条件。

（6）反井钻机采用机械破岩，对围岩破坏小，井壁光滑，有利于扩挖。

（7）钻机适用性强，可钻凿较复杂的沉积岩和坚硬的火成岩。

（8）配有专门设计的稳定钻杆、破岩滚刀，提高了耐磨性及使用寿命。

4．实施效果对比

    利用反井钻机完成本工程导井施工，对施工工期、质量、安全等进行对比分析评价如下：

4.1施工时间比较

本工程反井钻机进场、安装调试完成，耗时11天；导孔钻进耗时50天；更换钻头耗时1天；导井扩孔耗时30天；钻机拆除3天，总耗时95天，钻孔日均进尺3.5m，扩孔日均进尺5.8m。

如人工开挖导井，Ф1.8m导孔施工一般0.8～1.5m/天，按1m/天计算，耗时约需180天，施工准备和结束时间10天，总耗时约190天。

4.2施工质量比较

反井钻机导井施工采用滚刀对岩石切削、挤压，完成导井开挖，形成的井壁光滑，并能够保证预定要求的孔径。

人工导井法施工则采用人工钻孔，人工控制孔位，不可避免的误差，加之爆破作业，井壁粗糙且无法保证孔径。

4.3施工安全比较

反井钻机导井施工采用机械作业，由电能转变成液压驱动的机械能，操作安全，降低了安全事故的发生风险。人工导井法施工采用人工钻孔、爆破，施工人员必须到工作面进行作业，安全隐患较多，增加了作业人员的安全风险。

5．施工注意事项  

5.1钻机稳定

钻机稳定的好坏直接决定成井的质量，并对钻机的工作状态产生很大的影响。如工作中钻机发生偏移，钻机振动会急剧加大，钻进效率明显降低，严重时对钻机、钻杆、钻头造成损坏，甚至中断钻进，造成废孔。

5.2有效控偏

由于安装及施工中的某些原因，有可能造成钻机主轴中心线与导井中心线产生偏斜，影响钻进，钻进过程中需要始终保持重合。本工程施工过程中采用刚性大的构件，减少因变形引起的偏移，钻进中经常检查，及时紧固松动的构件；导向孔开孔使用导向器，用短钻杆、低轴压、慢钻速开孔，直至第一根稳定钻杆全部进入导孔后，加大轴压并提高钻速，在钻进深度超过稳定钻杆后，再按正常参数钻进；在钻进过程中密切注意岩层的变化，在不均质岩层中钻进时采用低轴压钻进，钻进速度缓慢均匀。

5.3防止堵钻

堵钻是钻进工作中常见且极易发生的钻进事故，在导向孔钻进时，由于岩石较破碎且涌水量大，钻孔中尚未完全排出的岩渣沉积孔底，埋住牙轮及钻杆，当供水量较少时，岩渣不能及时排出，导致输水管通道阻塞，影响及时供水，造成堵钻，致使钻进中断。本工程施工过程中，从供水管路的选择、作业过程的控制、应对措施等方面防止堵钻情况的发生，发生堵钻时积极采取处理措施，确保钻进顺利进行。

5.4预防塌孔

当反井导孔钻进软弱破碎夹层（并有较大涌水）时，由于岩石破碎，遇水后更容易变软，容易发生塌孔，此时破碎岩渣将钻杆周围的环形空间充满，水及岩渣无法排出，钻进速度明显降低。本工程调压井在导孔钻进时，就遇到较破碎的软弱夹层，发生塌孔，放慢钻进速度也很难成孔，随后将钻杆退出，在孔内注入水泥浆，通过固结待凝后重新钻进，得到了较好的成孔效果。

5.5透点加固

导孔接近透点时，在钻头冲压及上部较大水头压力作用下，如果在透点处不进行加固，则在透点处容易产生较大塌方，影响扩孔正常进行。本工程调压井下部接引水隧洞，在导孔钻进前已将透点上下游5m范围进行钢拱架支护，并进行锚喷加固，未发生塌方，导孔顺利贯通。

6. 结语

调压井导井施工反井钻机的顺利应用，在确保安全生产、加快施工进度、有效缩短工期和节约材料费用等方面取得了良好效果，其经济和社会效益显著，通过对反井钻机导井施工方法的不断认识与实践，并在实践中不断总结、研究和创新，进一步提高成井的技术水平和工作效率，为今后类似导井开挖工程提供了借鉴和参考。