水电工程深竖井施工反井钻技术的应用

一、工程概况

某水电站位于山区，项目建成后的主要任务是用来发电，以此满足当地工农业生产对于电力的需求，在此基础上，工程还兼具减轻洪涝灾害对下游地区的影响、发展水产养殖、发展旅游业等综合效益。水电站采用混合式开发，以发电作为单一开发目标。枢纽布置包括三个部分：（1）首部枢纽：由电站进水口、挡水坝等建筑物组成；（2）引水工程：由压力管道、调压室、引水隧洞等建筑物组成；（3）厂区枢纽：由主副厂房、开关站、运行管理办公室等建筑物组成。在本次工程中，调压井总深179.8m，由圆形的上室（高9.5m，直径22.8m，高程1,111.5~1,102.0m）、上井筒（高112.0m，直径6.5m，高程1,102.0~990.0m）、下井筒（高52.9m、直径4.5m、高程990.0~937.1m）共同组成，高程937.1m以下为隧洞部分。调压井地表覆盖层为厚度1.5~3.0m的第四系残坡积碎石图，下伏泥土岩、黄色全风化石英砂岩夹钙质板岩，弱风化层厚度＞15m、强风化层厚度6~7m、全风化层厚度3~5m。调压井竖井以Ⅲ类围岩为主，岩性为弱风化—新鲜石英砂岩夹钙质板岩，中硬—坚硬，岩体完整性较差，呈薄层—中厚层结构，节理裂隙发育。

二、反井钻技术在工程中的应用

1．应用背景

在以往的工程建设中，反井钻机主要应用于煤矿通风等领域，随着该技术的不断成熟和进步，近年来开始在水电工程调压井、排水井、通风井等工程施工领域进行应用。本次研究所涉工程的调压井为垂直竖井，深度179.8m，引水隧洞与调压井下部垂直相交。在最初制定调压井施工方案时，设计人员曾提出采用人工钻爆法的建议，在之后的讨论中，各方对调压井地质、稳定、通风、支护、交通等情况的全面分析，发现本次工程具备采用反井钻技术的条件。相比较而言，反井钻施工方案在技术要求、操作难度、资金投入等方面要高于人工钻爆法，但该方案可大幅提高施工速度，减少工期压力。在综合考虑各方面因素的基础上，最终确定采用反井钻完成调压井导井施工。

2．机型选择

由于竖井工程的钻孔角度、深度都已经确定，因此只需对导井直径进行确认即可。由于溜渣是导井的主要作用，因此若直径过小，不仅容易发生堵塞，还会增加扩挖施工中工人的工作量，不利于施工速度的保障；若直径过大，则会大幅提高项目建设成本。所以，对导井直径进行合理选择就显得非常重要。为此，设计人员根据相关资料进行了分析和研究，最终确定本次工程中调压井导井的直径为1.4m。根据导井直径、深度、角度对反井钻机进行分析、比较和验算，以便从中筛选出最符合本次工程施工需要且具有较强经济性的设备，最终确定本次工程采用BMC300型反井钻机。

3．施工

（1）准备阶段

前期准备：调压井上室开挖施工结束后，即可进行循环水池、沉淀池与反井钻机基坑的开挖作业。随后，对基坑进行清理，直至完整岩石；测放混凝土基础线，进行C25混凝土浇筑，同时预留地脚螺栓孔。反井钻安装：使用M25水泥砂浆埋设地脚螺栓，轨道安装结束后即可吊装反井钻机。吊装结束后，由技术人员对钻机进行反复校正，确保钻孔方向完全对准竖井中心线，随后使用地脚螺栓进行固定。于调压井上室布置反井钻机钻具，并根据实际情况配备充足的稳定钻杆。全部操作结束后，根据钻机使用程序对各系统进行逐个调试，确保设备处于良好的运行状态，避免施工因各类故障被迫停止，详见图1。辅助设施：施工所需辅助设施包括水箱、循环池、沉渣池等，同时，还需依据配比试验确定的比例制作一定数量的循环液备用。

（2）施工过程

先导孔钻进：在反井钻机调试结束且确认无误后，即可使用φ241mm钻头按照自上而下的顺序进行先导孔的钻进。待钻进约1m后，技术人员应对孔斜偏差进行测量，若符合设计要求可继续钻进，否则应停止钻进并重新开孔。在整个钻进过程中，工作人员应对钻杆的转速以及钻进的速度进行严格控制，同时对返出的岩屑进行分析，以此判断导井围岩的实际情况。反向扩孔：先导孔钻进施工结束后，即可进行反向扩孔。在本次工程中，选用1.4m的扩孔钻头，先由下部对准钻杆中心，随后下钻对接，缓慢上提钻头，直至滚刀与岩面相接触。此时，采用最低旋转速度缓慢钻进，避免钻头滚刀以及周围岩体遭受过大的冲击。在扩孔时，技术人员应随时将钻进情况通报给操作人员，待钻头全部均匀接触岩石后再开始正常扩孔钻进。在整个扩孔施工中，技术人员应根据地质条件的变化对钻进速度和循环液进行调整，拆下的钻杆应上油并带好保护帽。当钻头与地面距离减少到2.5m时，应适当降低钻速，缓慢扩孔直至全部操作结束。需要注意的一点是，在扩孔施工的同时应做好出渣工作，以免因发生堵孔问题而影响整个施工进度。拆机移除：全部施工任务完成后，即可拆移钻机。首先，应封闭导井上部孔口，以免人员或设备落入其中；随后，采用φ48mm脚手架管作为支撑龙骨，并以φ25mm钢筋网格进行加固，最后满铺马道板并绑扎牢固。在设备移动的过程中，工作人员应注意做好安全管理工作，以免发生各类安全事故。孔斜控制：对于孔斜的有效控制是保障钻孔质量的决定性因素，也是关系到反井钻施工能否达到预定目标的重要内容。以往的实践经验表明，孔斜的发生既有裂隙、软弱夹层等地质原因的影响，也有测量失误、操作不当、钻机未能稳固安装等人为原因的影响，因此在钻进开孔前，工作人员务必预先校正钻机，保证开孔孔位与孔向的准确性。在钻进过程中，也要注意通过加装辅助限位扶正装置、稳定钻杆等设备确保钻孔、钻头与钻杆间的同心度，并对钻进速度进行严格控制，真正做到合理钻进。若在钻进过程中遭遇不良地质条件，应通过灌浆等方式进行处理。

三、反井钻技术的应用效果

在本次工程中，由钻进开始至扩孔完成为止，调压井导井反井钻施工共历时约3个月，每月平均施工进度约60m。反井钻施工技术的地下水排放完全、施工精度较高，为后续施工创造了良好的环境条件，整个调压井开挖施工工期也因此较预定工期缩短了三个月。需要强调的一点是，在导井开挖施工正式开始前，技术人员对调压井下部（高程970m以下）的地质条件进行了预判，并以预判结果为依据，在扩挖施工开始前针对不良地质条件可能带来的影响制定了应对方案、布置了相应的施工安全保障措施，这些都为该段扩挖施工的安全、顺利、优质进行提供了有力保障。

四、结语

综上所述，反井钻施工技术具有适应性强、施工速度快等优势，可满足不同岩层条件下的施工需求。虽然该技术的成本相对较高、操作专业性较强、对施工和操作人员的技术水平有着较高的要求，但在施工过程中却可以在相当程度上减少深竖井的开挖风险，与以往普遍采用的人工爆破开挖相比，可以为施工安全提供更为有效的保障。本次工程快速、安全的完成了深竖井开挖施工任务，既保障了按期完工，又节约了项目投资，取得了良好的经济效益，虽然所采用的具体参数并不具有广泛的适用性，但施工中所采用的方法和思路对于同类工程仍有参考和借鉴的价值。