反井钻机在600米级深竖井中的施工技术与应用 矿井竖井箕斗提升图片

从厄瓜多尔科卡科多-辛克雷水电站竖井工程

浅谈反井钻机在600米级深竖井中的施工技术与应用

作者：中国水利水电第十四工程局有限公司大理分公司温永亮

摘要

厄瓜多尔科卡科多-辛克雷水电站（下称CCS水电站）共有两条竖井，采用芬兰进口的最新型RHINO1088DC型反井钻机进行施工。这两条竖井深度都达到527米，地质情况复杂，有大量破碎带、夹泥层和流沙层，且地下水渗水量极大，岩石主要以页岩、砂岩、凝灰岩、流文岩和火山角砾岩为主。钻孔的偏斜角度必须控制在0.1°左右，精度要求非常高，超出了大部分孔斜测量设备的仪器精度。其规模在世界水电工程领域位居前列，是CCS水电站施工难度较大的一条关键线路，并作为中国水利水电集团公司的科研项目，受到各方的密切关注。

CCS水电站1#竖井从导孔钻进到扩孔完成，仅用76天就全部贯通（导孔钻进53天，扩孔23天），扩孔速度平均23米/天，最高时达到53米/天，成孔质量较好，偏差可控。2#竖井由于导孔贯通后，地下水渗水量极大，达到800~1000立方米/小时，加上地质情况恶劣，在扩孔过程中发现大面积塌方，造成下孔口3次堵塞并最终被迫废弃，不得不将竖井中心前移重新开孔，并于2013年12月扩孔完成。

由于该竖井深度较深，地质情况复杂，常规方法难于满足要求，在反井钻施工过程中，经过不断探索研究，采取了行之有效的施工工艺和手段，从而顺利完成施工，本文主要就超深竖井的施工工艺、偏差控制措施、地下水渗水量极大的不良地质段的灌浆方法等进行详细介绍，并对测斜方法及电视摄像进行简介。

关键词：1反井钻2不良地质段深孔灌浆3偏差控制4测斜电视摄像

目录

一、概述

1.1、工程概况

1.2、RHINO1088DC反井钻机简介

二、地质情况

三、施工工艺

3.1现场布置

3.2工艺流程

3.3准备阶段

3.3.1基础施工

3.3.2基础施工的要求

3.3.3主机的测量调校及试运行

3.4导孔钻进阶段

3.4.1导孔钻进原理

3.4.2导孔钻进中的关键技术问题

3.4.3导孔钻进的参数控制

3.4.4导孔钻进的注意事项

3.5扩孔阶段

3.5.1扩孔原理

3.5.2扩孔参数控制

3.5.3扩孔注意事项

3.5.4扩孔不良地质段技术措施

3.5.5扩孔渣料管理

3.5.6扩孔过程中的渗水观测

3.5.7扩孔事故处置流程

3.6收尾阶段

四、偏差控制措施及孔偏斜精细量测技术

4.1偏差控制的基本要求

4.2钻孔过程中的偏差控制措施

4.2.1合理配置稳定钻杆

4.2.2合理控制钻进速度

4.3偏差测量

4.3.1REFLEXEZ-TRAC™测斜仪的原理

4.3.2REFLEXEZ-TRAC™测斜仪使用注意事项

4.3.2测斜方法

五、渗水量极大的不良地质段的深孔灌浆

5.1概况

5.2灌浆方法比选

5.3孔口封闭、导管排水减压灌浆方法程序

5.3.1准备工作

5.3.2灌浆注意事项

5.3.3灌浆步骤

六、总结及建议

一、概述

1.1、工程概况

厄瓜多尔科卡科多-辛克雷水电站（CCS水电站）为引水式电站，位于Ñapo省和Sucumbíos省之间的Chaco和Lumbaqui地区的coca河流域，电站位于Salado镇，距首都基多约130km。电站装机容量1500MW，发电量可以满足厄瓜多尔全国75%的地区的用电需求。

目前在全球水电工程领域，深度超过500m的竖井已然不多。在中国国内水电工程中，到目前为止，利用反井钻机施工的深竖井、斜井，其深度均在400米以内，CCS水电站两条竖井深度都达到527米，地质情况复杂，岩石主要以页岩、砂岩、凝灰岩、流纹岩和火山角砾岩为主。钻孔的偏斜角度必须控制在0.1°左右，精度要求非常高，超出了大部分孔斜测量设备的仪器精度。其规模在世界水电工程领域位居前列，是CCS水电站施工难度较大的一条关键线路，并作为集团公司的科研项目，受到各方的密切关注。

1.2、RHINO1088DC反井钻机简介

RHINO1088DC反井钻机产自芬兰SANDVIK（山特维克）公司，主要用于矿山和水利水电工程竖井和斜井施工。该机型适用于海拔-2000m~+5000m、温度0°C~+35°C的地区，导孔直径为280mm，扩孔直径从660mm~5876mm共32种尺寸可供选择（CCS水电站工程选用2134mm的扩孔刀盘），钻孔角度为40~90º。

和传统反井钻机不同，该机型提升和推进部分采用液压驱动，回转部分采用两台130KW的直流电机驱动，提升能力为400吨，最大扭矩达300KN。设备性能稳定，运行可靠，操控性强，钻孔速度快，是超深竖井、斜井施工的一把利器。

二、地质情况

CCS水电站压力管道所在部位地层从老至新依次为：①Misahualli火山岩(J-Km)，以火山凝灰岩和火山角砾岩为主，顶部高程1100-1140m；②Hollin沉积岩(Kh)，泥岩和砂岩互层，顶部高程1180-1220m；③Napo沉积岩(Kn)，泥岩、砂岩、灰岩和泥灰岩，以强风化为主；④第四系地层(Q)，复杂成因松散沉积，厚度一般5m~30m。上述地层中，泥岩一般为较软岩，砂岩为较硬岩，火山凝灰岩和火山角砾岩为硬岩。

前期勘测结果表明，压力管道沿线出露4条断层，其中2条为NE-SW走向，另外2条为NW-SE走向，均为陡倾角断层。另外出露至少5条挤压破碎带，挤压破碎带也以陡倾角为主，破碎带厚度从几米到50m不等。钻孔压水试验结果表明，除断层或挤压破碎带外，一般岩体渗透性为弱-中等程度透水。依照RMR分级结果，竖井段Ⅱ类围岩长度为443m，占全竖井段的82%；Ⅲ类围岩长度为61m，占全竖井段的11%；Ⅴ类围岩长度为40m，占全竖井段的7%。

三、施工工艺

施工工艺和传统反井钻机基本一致，但由于竖井的深度达到527米，所以对不同工施工阶段的施工工艺提出了更高的要求。

3.1现场布置

在洞内由于受到场地限制，要求场地能满足钻机安装、钻杆吊运及反井钻机运行的需要。工作场地范围：13m×6m×6m（参考尺寸），为满足吊装、搬运、拆卸等要求，可适当加大尺寸。以下为现场设备布置图：

反井钻机现场布置图

3.2工艺流程

施工分四个阶段进行：准备阶段→导孔钻进阶段→扩孔阶段→收尾阶段，具体流程见工艺流程图：

反井钻工艺流程图

3.3准备阶段

3.3.1基础施工

包括基础施工、水、电等条件具备、高精度测量、调校等，其中基础施工尤为关键。该反井钻机主机自重达18吨，当导孔贯通后，钻杆重量达150吨，加上扩孔拉力，基础承受压力就会达到400吨，所以基础的设计和施工非常关键。

通过荷载计算，形成钢筋混凝土结构的基础，基础结构见下图：

平面图

立面图

3.3.2基础施工的要求

钻机基础直接影响到反井施工的偏差，关系着反井施工的成败，所以基础施工非常关键。

钻机基础及水池按以下要求施工：

（1）要求表面平整度为±3mm；

（2）混凝土必须在坚固的岩石上浇筑，浇筑前所有松动的岩石和碎屑必须清除干净，浇筑的混凝土厚度不得小于2米；

（3）主机基础配两层钢筋，以导孔为中心直径2.5米范围内不得配筋，以错开扩孔位置；

（4）如下部岩层松散或地质情况不佳，必须将松散的部分全部清除干净，并确保浇筑的混凝土厚度不得小于2000mm；

（5）固定主机的锚杆采用Ф28螺纹钢筋，长2.5米（一头套250mm的丝）；

（6）抽水池和沉砂池挖深1.5米，中间砌隔离墙，远端设溢流口。要求底部平整，底部及四周用砂浆抹面。

3.3.3主机的测量调校及试运行

基础浇筑完成，强度达到后，即可将反井钻机的安装就位，并利用全站仪等高精度测量仪器进行调校。基础的平整度和主机的调校是偏差控制最基础最重要的工作，直接决定成孔的精度，基础表面平整度要求不超过±3mm，垂直度不超过±1mm。此项工作完成，方可进入下一阶段施工。可按以下步骤进行：

（1）钻机及其他附件安装就位；

（2）钻机测量校准；

（3）液压系统管道联接；

（4）电气控制系统安装；

（5）供水管道安装；

（6）电控柜通电除湿；

（7）以上工作就绪后通电调试；

（8）钻机试运行。

试运行正常后，即可开始导孔钻进。

3.4导孔钻进阶段

3.4.1导孔钻进原理

导孔钻进原理：由两台直流电动机作为回转动力，驱动变速箱带动钻杆旋转，同时利用油缸的推进，使导孔芽轮钻头对岩体形成挤压破碎，经挤压破碎后的岩渣，随着钻杆中心进来的洗孔水，由钻杆与导孔间的环形空间从井口排出。

导孔钻进示意图

3.4.2导孔钻进中的关键技术问题

导孔钻进是反井钻施工中的重点和难点，是反井施工中的重要环节，也较容易发生卡钻等事故，往往决定反井工程的成败。在以往反井钻施工中，由于精度失控、不良地质段影响造成塌孔和洗孔水流失等原因而发生卡钻事故，导致导孔钻进失败。在CCS水电站竖井工程中，我们制定采取了行之有效的偏差控制措施，并在施工中经过不断的摸索研究，使用了在其他反井施工中没有用过的灌浆方法，并通过孔内电视摄像等高科技手段，更直观、准确的掌握了地质情况，使得导孔顺利贯通。

因此，在导孔钻进阶段，需要解决的关键技术问题是：①偏差控制措施及孔偏精细量测技术；②渗水量极大的不良地质段的深孔灌浆措施。

对此，本节只作提点，将另章详述。

3.4.3导孔钻进的参数控制

导孔钻进时的扭矩、推力和转速控制见下表：

上表数据仅为控制参考，在实施过程中，应根据岩性变化和扭矩变化情况，不断调整钻进参数，以取得最佳推力和钻进速度。

导孔钻进参数控制说明：

（1）开孔时，通过电位器设置6~9吨的钻进压力，并以5~8转/分钟的转速慢速钻进，直到先导钻头完全进入岩石；

（2）以9~12吨的钻进压力、8~10转/分钟的转速慢速钻进，钻进速度控制在200分钟/米，直到所有的稳定钻杆全部进入岩石；

（3）稳定钻杆全部进入岩石后，可以加大钻进力，转速可慢慢加至17~19转/分钟，钻进速度控制在80分钟/米，保持匀速，避免忽快忽慢，平稳钻进；

（4）一般情况下，对于松软地层和过渡地层采用低钻压，对于硬岩和稳定地层宜采用高钻压。

3.4.4导孔钻进的注意事项

导孔钻进时各方面密切配合，操作时注意以下几点：

（1）离钻透下水平通道3米左右，应逐渐降低钻压；

（2）对于导孔钻进产生的岩渣，通过洗孔水冲到沉砂池，要及时清理，避免大量泥砂进入清水池；

（3）一根钻杆钻进完成后，必须等孔内的岩屑全部排出，循环水变清后，才能停泵接卸钻杆；

（4）导孔钻透后，停止泥浆（水）循环，但钻机不能停转，开始向孔内加清水，直到孔内的岩渣全部排出后才能停钻；

（5）导孔钻进过程中，如出现漏水现象或返水减小、返渣异常等情况，要及时停止钻进，进行灌浆等相关处理；

（6）在整个导孔钻进过程中，不得中途出现停电、停水等情况，否则会导致卡钻等严重事故发生。

3.5扩孔阶段

3.5.1扩孔原理

在下部隧洞拆掉导孔钻头，连接好扩孔刀盘，开始自下而上的提拉扩孔。扩大后的井筒直径为2134mm，扩孔钻进时破碎下来的岩屑靠自重落到下平洞，由装载机或其它装载设备运出。见扩孔示意图：

扩孔示意图

3.5.2扩孔参数控制

扩孔钻进时的扭矩、推力和转速控制见下表：

上表数据仅为控制参考，在实施过程中，应根据岩性变化和扭矩变化情况，不断调整钻进参数，以取得最佳推力和钻进速度。

扩孔参数控制说明：

（1）开孔时，通过电位器设置12~17吨的钻进压力，并以2~3转/分钟的转速慢速钻进，直到扩孔刀盘完全进入岩石；

（2）扩孔刀盘完全进入岩石后，确保全部滚刀均匀受力，可以加大提升拉力，以6~10转/分钟的转速进行扩孔；

（3）扩孔时，扭矩不得超过100KNm，正常岩石状况下控制在85~100KNm，转速调节范围为8~10转/分钟，最高不得超过10转/分钟；

（4）遇到破碎带时，要及时将钻进压力、转速降下来，尽量使反井钻机振动小，平稳运行。如果岩石非常破碎，除了及时降低钻进压力外，要将转速降到2~4转/分钟，避免产生较大的振动；

3.5.3扩孔注意事项

（1）扩孔钻进之前，应在上、下平洞之间建立良好的通讯（比如有线电话），以利于导孔钻头和扩孔钻头的拆卸和安装工作。在下平洞确保有足够的空间安装扩孔刀盘并且扩孔刀盘安装后可以正常上滑套。理想情况是，扩孔刀盘的中心刀头应首先与岩石接触，尽可能的避免只接触到其中一边而造成扩孔刀盘侧面的过度负载。

（2）换钻杆时，注意控制好刀盘与掌子面的距离，做到间隙尽量小又不影响校准，从而避免在破碎带时因间隙过大而发生岩体坍塌；

（3）反井钻机操作手要注意力集中，精心操作，听到异常声音或有异常振动等情况时，及时检查调整；

（4）在扩孔过程中，要对反井钻机进行检查，发现问题及时处理；

（5）活动套是反井钻机较容易出现问题的部位，稍有不慎就会发生严重后果，所以要求操作手在每根钻杆更换时，都要对活动套进行仔细检查，如果出现松动要及时紧固；

3.5.4扩孔不良地质段技术措施

在CCS水电站竖井反井钻施工过程中，经常遇到岩石破碎地段，并有夹泥层和流沙层，页岩、砂岩、凝灰岩、流纹岩和火山角砾岩等多种岩石交替穿插布置，使得岩石软硬变化较大，且地下水渗水量极大。在一些地段，甚至出现循环水漏水、不返水情况，就容易造成卡钻事故。在CCS水电站竖井1号井导孔钻进过程中，就在孔口往下168米位置，出现返水突然急剧减少和短时间不返水现象，幸未造成事故。但在2号井导孔钻进到243米时，由于上方（根据后来电视摄像资料显示在125米）出现大面积塌孔，加上漏水严重，使得循环水无法返出，孔内大量泥砂迅速沉积，导致卡钻的严重后果。

在导孔钻进过程中，根据钻进参数和返出来的渣料分析，可以形成较可靠的地质资料，在扩孔过程中具有指导意义，反井钻机操作手可根据此资料及时调整扩孔参数，从而使设备安全、平稳运行。

以CCS水电站2号竖井为例，根据导孔钻孔记录和岩渣样本分析，形成了以下地质资料，对扩孔起到了重要作用：

（1）从岩层分布分析，井深在0~150米范围，岩石相对较差，井深在150~527米范围岩石相对较完整。在反扩钻进过程中，根据岩层情况，井深在0~150米范围按断层破碎带参数钻进；井深在150~527米范围按完整围岩参数钻进。

（2）根据导孔钻进时对岩层情况的分析判断，出现多处不良地质段，为顺利通过不良地段，应采取降低拉力和转速来控制钻进速度，力求钻机平稳慢速钻进。

具体详见下表：

不良地质段统计和对应钻进措施

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