暗立（斜）井天井钻机施工

1概述

1.1工程概况

水电站总装机容量为240 MW。我部承建了调压室及压力管道工程。其中上斜井、中斜井长度分别为242 m和270 m。斜井与水平方向夹角为60°,断面型式为直径4.6 m的圆形。采用天井钻机与人工下导洞开挖相结合的方案进行导孔施工。

1.2地质情况

斜井围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主,上中部为Ⅴ类围岩。围岩节理裂隙发育,特别是在桩号0 668~0 682段(扩挖钻头安装平台附近)岩层挤压破碎,裂隙中充有次生泥,围岩自稳能力极差,地下水丰富,从不同部位呈股状、滴状涌(渗)出,涌渗水量达300 m3/h。斜井围岩岩性由晋宁期石英闪长岩组成,具混合岩化特点,岩质坚硬,湿抗压强度≥100 MPa。岩体中隐微裂隙较发育,岩脉与围岩呈溶解式接触,或挤压破碎接触。

1.3关于天井钻机

本次斜井施工采用的天井钻机型号为LM-200型。主要由钻机车、操作车、泵车、钻具等四部分组成,配套辅助设备为洗井泵一台,斜井专用装置一套。厂家提供的天井钻机主要技术性能如下:

(1)导孔直径(mm):216

(2)导孔直径(mm):1 400,2 000(二次扩孔)

(3)钻井深度(m):200,小于150 (φ2 m扩孔)

(4)总功率(kW):82.5

(5)主机外型尺寸(长×宽×高)

运输(mm):2 950×1 370×1 570

工作(mm):3 230×1 770×3 448

(6)主机重量(kg):8 277

2施工布置

2.1天井钻机的冷却循环系统

天井钻机的冷却循环系统由:洗井泵(泥浆泵)、水池、水沟组成。距反井钻机基础15 m处设置一个5 m3水池,水池中间设一隔墙,将水池分隔成清水池和沉淀池。混凝土基础和水池之间由一水沟连接,导孔施工出现的回水、细沙沿此沟回流至沉淀池。洗井泵设置在钻机车与水池之间。具体布置见图1。

2.2天井钻机运输轨道的安装

为方便天井钻机就位、定位,在洞内卸机部位地面安装运输轨道,轨距60 cm,轨道为24kg/m的轻轨,枕木为10 cm×10 cm方木,间距为50 cm/根。

2.3天井钻机的安装基础

天井钻机安装在平段与斜井相交部位,主机起钻孔口与斜井中心线延长线吻合。操作车、泵车依次停放在扩挖过后的盲洞内,操作车距起钻孔口有大于1 m的安全距离。基础采用C20混凝土分二期浇筑而成,一期形成基础并预留天井钻机地脚螺栓坑,待机体到位并进行初校后,回填二期混凝土,以确保天井钻机与基础牢固衔接,不发生移位。

3天井钻机施工程序

基础浇筑(一期含循环水池)→天井钻机进场安装(包括高压洗井泵)测量初定位φ216 mm先导孔施工→钻头在预定深度出露(若未出露扩挖找钻头)→扩孔钻头安装平台施工→扩孔钻头提升→扩孔钻头安装→安装平台撤出→φ1 200扩孔施工→扩孔钻头拆卸→天井钻机撤除。

4施工过程及方法

4.1天井钻机的安装

本工程平洞直径为4.6 m,能满足卸车条件,天井钻机采用实际载重能力在10 t以上的平板货车,货箱的长度不宜超过5.5 m,离地高度不宜超过1.2 m。天井钻机主机重达8.3 t,无法采用汽车吊、装载机等灵便设备在洞内卸车,经研究讨论最终选择在地质塌方部位,利用支护钢支撑再充分加固后配以10 t手动葫芦卸车,极限安全卸车高度为4.8 m。

4.2φ216 mm先导孔施工

天井钻机施工的关键在于先导孔钻孔质量。最终导孔能否钻通,钻通后的偏离误差大小在开钻后无法进行中间检测和控制,只能依靠经验,针对不同的围岩类别,实施不同的主、副泵工作压力、转速和适时装配稳定钻杆进行控制。天井钻机的钻杆分为普通钻杆(1 m)和稳定钻杆(0.5 m),差别在于后者比前者外周多了均匀分布的四条3 cm厚的钢肋板,其作用是导向,防止钻杆随深度的增加旋转产生过大弯曲、过大摆幅,起到稳定的作用,同时保护钻杆与孔壁的接触磨损。我部采用的稳定钻杆的加设方法如下:钻进2 m时必须加设1根,钻进8~10 m时再加设1根,然后每钻进20 m加设1根。实践证明上述方法较为合理、安全、稳妥。钻杆加设时一般采用副泵提供的较小动力运行,钻杆丝扣之间力度适中,过紧容易损伤丝扣,过松钻杆容易脱落。为了便于拆卸钻杆,可在钻杆套接前于丝扣处加设少量10号铅丝。先导孔开始施工时一般采用副泵提供较小的、均匀的动力,以免孔口周壁因振动过大开裂而难以成型。我部总结的主、副泵在不同围岩类别、不同钻孔深度等条件下的工作压力经验数据见表1。

上斜井先导孔施工实际共钻进了160 m,最大单日进尺8 m,平均3 m/d(处理天井钻机故障时除外)。中斜井施工时曾多次出现天井钻机机械故障,但示出现塌孔、大量漏水等异常现象。中斜井导孔施工共钻进了180m导孔，最大单日进尺10m，平均3.8m/d（处理天井钻机故障时除外）。

4.3φ1 200 mm扩孔施工

扩孔开始施工时一般围岩破坏严重,钻头周圈难以均匀受力。因此,采用副泵提供较小的、均匀的动力,进尺较慢,控制在10 cm/h,以防钻头偏心受力过大而扭断钻杆。钻进施工中要求有较为稳定供水量,以使刀具能得到水冷却,供水量要求不小于7.8 m3/h。扩孔施工时,钻杆的拆卸要特别注意钻杆卡瓦正确摆放及自身的完好程度,以免出现卡瓦突然断裂,造成扩孔钻头、钻杆脱落。天井钻机在各种条件下,进行扩孔施工的工作压力经验数据见表1。

上斜井扩孔施工时未出现孔壁坍塌等异常现象,但钻头刀具磨损较为严重,几乎每钻进30 m就要更换一副全新的刀具,每次更换刀具时,钻头要重新回放至扩挖平台上,耗时5 d,安全隐患及施工难度极大。上斜井扩孔施工实际共钻进了160 m,最大单日进尺6 m,平均3?2 m/d(天井钻机故障除外)。

根据上斜井扩挖施工经验,在中斜井施工前,我部会同有关厂家技术人员对扩孔钻头进行了大胆的技术改造:将直径由原来的1 400 mm改为1 200 mm,并对刀盘刃角进行了倒圆处理。此举收到了较为良好的效果,中斜井一次性反扩了170 m后刀具才出现问题。中斜井扩孔施工实际共钻进了180 m扩孔,最大单日进尺7 m,平均5.2 m/d(因天井钻机故障除外)。

4.4人力资源配置

斜井导孔、扩孔施工时现场人力资源配置为:操作班由9人组成,3人一组进行三班倒,9人中有机械技术员一名,修理工一名,水工技术人员一名。另设一名机械工长期跟踪服务,适时进行现场指导。

5结语

将天井钻机应用于长斜井,在保证安全的前提下顺利地完成了施工任务,这是一次新技术应用的成功典范,同时在未来水电工程施工应用中前景广阔,特别是在保证施工安全方面,该方法值得借鉴与推广。现将施工中所取得的几点体会叙述如下。

(1)天井钻机的工作原理较为先进,能适用于大倾角、长深度的斜(竖)井施工,与其他导井施工方法相比较,具有一定的进度优势和明显的安全优势;

(2)加设、拆卸钻杆时要特别注意施工方法,钻机压力应适中、均匀,以防钻杆脱落,造成难以处理的工程事故;

(3)施工中要注意钻进速度,不能盲目追求高进尺,否则容易造成导孔偏斜率偏高而难以控制,甚至扭断钻杆;

(4)就现有的性能而言,LM-200型天井钻机适用于深度在150 m以下、可一次性贯通、并且在斜井施工中具有足够的安装工作面。