反井钻机在深井开挖中的应用

摘要：反井钻机是一种先进的钻井机械，它既可以进行竖井钻孔又可以进行斜井钻孔。本文主要记述反井钻机在深竖井开挖施工中的应用。

关键词：反井钻机 竖井 导孔 开挖

1、概述

1.1工程概况

甘肃省迭部达拉河口水电站工程压力管道总长702m，由上 、下水平段和竖井组成。竖井为暗井，井深135m，圆形断面，设计开挖直径4.5m。竖井区为青灰色板岩夹变质砂岩，围岩多为Ⅲ类，局部少量相当Ⅳ类。

1.2反井钻机

本工程反井钻机型号为LM200型，由主机、操作台、液压泵车、钻具等组成，辅助设备有洗井泵等。LM200型钻机的性能参数如下：

导孔直径 216mm 扩孔直径 ≤1400mm

钻井深度 200m 额定功率 82.5kw

冷却水 20～30m3/h 钻孔倾角范围 60°～90°

工作尺寸 3.4×1.7×3.4m 总重量 8.3t

施工原理：先钻Φ216mm的先导孔，钻通之后钻杆不退出，在井下换扩挖钻头（Φ1200mm），然后从下往上扩钻形成Φ1200mm的导孔，该导孔作为竖井全断面开挖的溜渣通道和通风、排水通道。

反井钻机造孔工艺主要特点：a、采用滚刀机械破岩，对围岩破坏小，井壁光滑，有利于扩挖溜渣、通风、排水。b、钻机可以钻凿斜孔，范围60度到90度。c、机械化作业，工作环境和安全条件好、劳动强度低。d、体积小、重量轻，运输、安装、拆卸都很方便，需要的操作空间小，特别适合于洞内或井下作业。e、采用全液压驱动，操作平稳、简单，便于精确测控。f、钻具系统国产化、多样化，具有 更高的使用寿命和性价比。

2、施工布置

2.1 操作空间准备

上、下平洞段先开挖至与竖井正交的位置，后进行洞室加固和现场布置。

根据钻机施工需要，操作室应具有6m的空间高度，同时要求有以竖井为中心的6×10m的工作场地。上平段原设计为直径4.5m的马蹄形断面，为满足钻机工作需要进行必要的扩挖（沿轴线纵向开挖至竖井外1.0m处，即竖井中心线以后3.25m），这样既满足钻机的布置需要又符合竖井扩挖时锁口的要求。隧洞上平段在扩挖时洞顶高程不变，向下扩挖以减少超挖量。

洞室扩挖完成后及时进行支护。上平段采用钢格栅、喷射砼支护，钢格栅间距1.0m，喷砼厚度20cm（表面和拱肋齐平）；下平段在距竖井中线下游2m的地方开始向下游5m范围内加强支护，支护型式同上平段，钢格栅间距0.5m。

2.2 供水、供电

供水管路利用洞挖时的供水系统。在洞挖时供电线路主要提供照明用电，线径较小，为满足钻机需要，重新敷设动力线路。

2.3 循环水池

钻机工作需水量为20～30m3/h，施工时设一台高扬程水泵自河道抽水向循环水池供水。在施工现场设一容积为6m3的循环水池，水池采用地埋式。池中设分隔墙，分别作为清水池和沉淀池，钻孔时用高压泵自清水池抽水并向孔内压水冲洗，冲洗水带出孔内石渣石屑，于沉淀池内沉淀后，清水流入清水池。在条件许可的情况下循环水池尽量布置在钻机基础附近。

2.4 起吊锚杆

为便于钻机安拆，在洞顶轴线上设置3根Φ25锚杆，外设吊环，分别位于竖井中心和中心前后各2.5m的地方。锚杆入岩3.0m，锚固剂填塞牢固。

2.5 钻机基础

钻机采用砼基础，平面尺寸4×3m，厚度0.8m，预留钻机地脚螺栓孔。

2.6 轨道安装

为方便钻机就位，在砼基础上安装轨道（轻轨24kg/m），轨距60cm。轨道顺洞轴线铺设，对称布置在竖井中心线两侧。钻机左右位置靠轨道定位，因此轨道安装必须准确、牢固、平直。

2.7 钻机安装、拆除

安装：安装利用预埋在洞顶的吊环，用手动葫芦起吊、就位。钻机就位于轨道上、竖起钻机，用铅锤球或者经纬仪进行钻机竖直度的精确测量，保证钻机垂直度符合规范要求，然后在轨道上滑移钻机，使钻头对准竖井中心位置，用地脚螺栓固定，最后安装机械手和转盘吊。安装完毕，要对钻机各部件进行全面检查，并通过试运转后才能投入正常施工。

拆除：扩孔结束后，先将钻头固定在孔口，拆除钻机及其辅助设备后，再用倒链将钻头从孔中提出。

3、Φ216mm先导孔施工

反井钻机施工的关键在于先导孔的钻孔质量。钻机开钻以后孔内的偏差无法检测和控制，只能依靠经验，不同的围岩类别采用不同的主副泵工作压力和转速，严格控制钻进速度；同时适时地装配稳定钻杆，控制孔斜。

反井钻机的钻杆分为普通钻杆和稳定钻杆，单根钻杆长度1m，空心，外径Φ180mm，由特制合金钢制成。普通钻杆杆身是光面，稳定钻杆是在普通钻杆杆身的外壁均匀分布了四条1.8cm高的钢板肋条，主要起导向作用，防止钻杆随深度增加而产生过大的弯曲摆幅，同时避免普通钻杆和孔壁接触，减少磨损和旋转阻力。稳定钻杆加设的原则：孔深2m时加设一根，至8～10m时再加设一根，然后每钻进20m加设一根。

钻机钻进速度控制：孔深1～10m，按1m/4h速度控制；11～20m，按1m/3h控制；20～80m，按1m/2h控制。随深度的增加钻进速度逐渐加快，在将要通时减小工作压力防止由于钻机施压过大造成岩石坍塌。钻孔过程中如果出现塌孔现象必须停钻，抽出所有钻杆，然后从孔口灌入水泥浆，待凝固后重新施钻。

4、反钻扩孔

先导孔通之后，首先对其出露点进行测量，判断导孔的偏斜是否在允许的范围内。该工程由于竖井断面较小，对导孔的偏斜要求比较严格，钻通以后测得实际的偏斜率为1.03%，略大于允许偏差1%，但是通过计算在这种情况下，导孔的边壁和竖井边壁基本重合，没有超出竖井设计开挖断面，认为导孔质量合格，可以进行反钻扩孔。

换钻头：用装载机运扩孔头从下平段进入，用千斤顶调直连接钻杆，让钻头对正钻杆中心，然后下钻对接，检查无误后施钻。

反钻扩孔：开始扩孔时由于岩石参差不齐，必须慢速进行，待钻头完全进入孔内之后进入正常扩钻。在扩钻过程中严禁打干孔，必须向孔内加注冷却水，冷却水的作用一是冷却钻头，二是除尘。废水沿孔流下，自下平段排出。钻渣在井下堆积，需及时外运，避免堆积太高而堵孔。

在扩孔过程中不需考虑控制偏斜率，可最大限度发挥钻机能力，因此扩孔速度比钻孔速度快。

5、结语

反井钻机施工工艺在保证施工安全和工期方面的优越性是其他方法无法比拟的，值得推广和借鉴。

（1）本工程从开钻到扩孔结束共历时24天，加上进场和退场时间7天，总计导孔开挖时间为31天；在该竖井上游的调压井深度110m，采用人工开挖（上下两个工作面同时进行），实际工期近3个月；相比之下工期优势非常明显。

（2）反钻法施工施工人员不进入导井内，可避免井内人员安全事故；人工开挖时作业人员无数次进出导孔，要承担很大的安全风险。相比之下反钻法又具有比较明显的安全优势。

（3）反井钻机进行竖井开挖有其进度和安全方面的优势，但是在目前造价比较高，选用之前需要进行安全经济方面的比较。为施工安全计，对深度大于100m的竖井，反井钻机施工方法应该是最优选择。