反井钻机法导井施工中的风险分析及应对措施研究

第31卷第4期2017年8月资源环境与工程Resources Environment & EngineeringVol . 31 ,No .4Aug . ,2017反井钻机法导井施工中的风险分析及应对措施研究魏斌，娄国川，郭卫新，杨继华(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003)摘要：反井钻机法在竖井开挖中具有效率高、安全性好的优点，其导井开挖是关键也是难点。

以C C S 水电站竖井导井施工为背景，研究导井施工可能面临的风险、容易遇到的问题和应对措施，并结合自身实践 总结一些竖井导井开挖中的若干经验，以期为今后的竖井导井开挖提供一些借鉴。

关键词：反井钻机；导井施工；风险分析；应对措施中图分类号：TV 52 文献标识码：A 文章编号：1671 -1211(2017)04 -0489 -04D O I ：10. 16536/j . c n k i . issn . 1671 -1211.2017.04.029在水电领域，竖井是一种重要的水工建筑物，由于 具有相对特殊的体型，因此其开挖方法与其他地下工 程相比有着很多不同。

目前，国内、外水电站竖井开挖 主要有以下两种方法:第一种是自上而下的单向作业 法，该方法一般为全断面开挖，人工或机械打眼放炮， 然后通过吊桶出渣。

该方法技术成熟、适应性好，但是 在出渣过程中存在不安全因素、出渣效率较低，在越来 越强调工期效益的今天，其优势越来越不明显。

第二 种是以反井钻机导井开挖为关键步骤的反井法，该方 法一般先使用反井钻机开挖溜渣导井，然后人工或机 械打眼放炮，通过先期开挖的溜渣导井进行出渣。

该方法于20世纪80年代从国外引进，主要应用于煤矿 行业，90年代国产反井钻机引进到水电行业，在一些 岩石强度较低、斜井较短的工程中也得到了很好的应 用[1-2]。

此种方法大幅度提高了施工效率，改善了作 业环境，在当前的水电建设中得到了越来越多的应用。

本文以已建成的厄瓜多尔共和国C o ca -C o d o S in - clair 水电站（以下简称CCS 水电站)500 m 级超深弓丨水 竖井导井施工为研究对象，研究了导井施工可能面临 的风险、容易遇到的问题和应对措施，以期为相关工程 的竖井开挖施工提供一些借鉴和参考。

1工程背景1.1工程概况CCS 水电站工程位于南美洲厄瓜多尔共和国境内的COCA 河下游，为引水式电站，设计总装机容量约 1 500 M W 。

工程主要由首部枢纽、引水隧洞、调蓄水 库、竖井、地下厂房等组成。

其中，引水竖井设计为两 条，其布置图如图1所示，开挖洞径7. 1 m ，衬砌后直径 5.8 m ，井身段长度为537.9 m ，其深度在世界水电工 程中也位居前列，施工风险较大，直接决定着电站能否 如期投产。

上平洞图1 C C S 水电站引水发电洞布置示意图Fig . 1 The schematic diagram of hydroelectric powertunnels at CCS Hydropower Station1.2工程地质条件工程区属于中山地貌，河谷深切，构造运动活跃，火山活动频繁，年降雨量极大(6 000 ~7 000 m m )。

根 据已掌握的地质资料，在竖井开挖的过程中，其可能会收稿日期：2017 -06 -09;改回日期：2017 -06 -22作者简介：魏斌（1983 -)，男，工程师，硕士，地质工程专业，从事水利水电工程地质勘察设计施工及研究工作。

E -m ail : 540867436@ 数字出版网址：http : //W w w . cnki . net /kcms /detai ^42. 1736. X . 20170620. 1344. 026. html 数字出版日期：2017 -06 -20 13: 44490资源环境与工程2017 年穿过多条小规模陡倾角断层及节理密集带。

竖井区E L1128 m高程以上主要岩性为白垩系下统H o l l i n地层（K h)的页岩、砂岩，呈互层状分布，为中硬岩，以下为株罗系一白垩系M is a h u a lli地层（J-K m)杂色火山凝灰岩、火山角砾岩及流纹岩等，为坚硬岩，岩体结构以整体块状、块状、次块状为主。

上平段H o l l i n地层与下平段M is a h u a lK地层大多为弱透水层，断层和裂隙密集带为中等透水层，无统一的地下水排泄基准面，区内附近不存在稳定地下水位，局部存在脉状、带状地下水，受岩性和构造的控制。

2导井的施工方法C C S水电站在竖井施工之前，上下平洞已开挖完成，具备了使用反井钻机开挖导井的施工条件。

导井施工采用芬兰S A ND V I K(山特维克）公司的R H IN O 1088D C反井钻机，如图2所示，其总重16 500 k g，最大提升能力为400 t，最大扭矩达300 k N，理论设计钻孔深度最大可达1 088 m，性能稳定，操作性好，在国外竖井工程中被广泛使用。

本次开挖首先在上平段选定机位，使用直径为280 m m的导孔芽轮钻头自上而下由上平段至下平段进行钻进，当钻进至下平段时，卸掉导孔芽轮钻头，改换直径为2 134 m m的反拉扩挖钻头自下而上由下平段至上平段进行反拉，最终形成溜渣井。

(C)导孔芽轮钻头 （d)反拉扩挖钻头图2 RHNO1088D C型反井钻机Fig.2The back well drill machine of RHNO1088DC3导井施工可能面临的风险3.1地质风险3.1.1 地下水的影响C C S水电站位于亚马逊雨林的上游，年降雨量达6 000 ~7 000 m m，区内植被茂密，构造运动活跃，岩体富水度高。

竖井所在区域的西南侧为高山区，有利于地下水向竖井区域方向补给，相对于竖井部位形成高水头的地下水，对井壁形成外水挤压，不利于井壁的稳定。

3.1.2岩性条件根据已掌握的地质资料，竖井所在区域内岩性及及接触关系较为复杂，特别是M is a h u a lli地层（J-K m)，其组成岩性有火山凝灰岩、火山角砾岩、安山岩及流纹岩等，都为硬质岩。

各种岩性相间分布，在构造应力的影响下易形成沿接触面发育的节理密集带，削弱了井壁岩体的自稳能力。

3. 1.3 构造运动及陡倾角结构面如前所述，区内构造运动活跃、火山活动频繁、陡倾结构面发育、降雨量极大、西南侧为高山区，这些都为地下水的赋存和运动提供了条件。

在竖井开挖的过程中，可能会穿过多条陡倾角断层及节理密集带，其倾角大多都在75°以上，其与井壁夹角非常小，如遇高水头外水的挤压，井壁及其附近破碎岩体极易坍塌，造成塌孔并伴有大量涌水，威胁导井施工。

3.2设备故障与其他地下工程施工不同，反井钻机在导井施工过程中需要连续施工，不能进行无计划的停机，特别是自上而下的先导孔施工过程中，更是对设备可靠性提出了很高的要求。

例如，如果反井钻机水泵发生损坏而停水，那么，孔壁的岩渣来不及排出就会沉淀至钻头部位，可能将钻头抱死，造成钻杆、钻头等无法从孔内拔出而导致废孔。

因此，在导井施工之前和阶段性工作之间应对设备进行认真的检修，确保完好率和可靠性。

3.3人员操作由于反井钻导井施工一般深度较大，工程地质条件复杂，在钻进过程中不会一帆风顺，会遇到很多异常情况，如钻进异响、回水变浑、推力降低等，这些异常反应了孔内围岩的变化。

这就需要钻机操作手具有丰富的处置经验和过硬的操作技术，如果操作手没有这些素质而一味地蛮干，那么导井成功贯通的几率将会大大下降。

3.4偏差控制由于C C S水电站竖井井身段长度高达537. 9 m，因此对钻孔的偏差要求非常高。

根据计算，要想达到设计要求，钻孔的偏斜角度必须控制在0. 1°左右，结合其复杂的地质条件，要想达到这个要求不是件容易的第4期魏斌等:反井钻机法导井施工中的风险分析及应对措施研究491事[3]。

而在以往的反井钻施工中，由于精度失控造成的废孔并不罕见。

因此,需要认真设计导井钻孔偏差控制方案，以确保达到设计要求的偏斜度。

4开挖过程中容易遇到的问题4.1塌孔塌孔是导井施工中最容易遇到的问题。

当钻头经过不良地质段,如断层破碎带、节理密集带、软弱接触带等地段时,岩壁受到扰动，形成临空面，岩壁容易坍塌,特别是在陡倾角发育部位更是如此。

在施工过程中的表现一般为反井钻机推力、扭矩等参数忽高忽低不能保持,钻机震动较大，返水变浑浊，返渣夹泥、返渣颗粒不均等。

这时候就应该视情况减慢钻进速度，调整钻机推力、扭矩等主要参数。

如果情况较严重，则应该暂停钻进,加大水栗压力，同时上下窜动钻具，将钻具周围的岩渣冲洗干净带至孔外，直至恢复正常。

如果长时间不能恢复，那么就应对破碎岩体进行固结灌浆处理[4]。

由于较为特殊的地质条件,CCS水电站2号竖井导孔在钻进过程中就发生了多次塌孔。

表现为其在深度44.2〜47.2 m段和84.0〜85 m段返水出现夹泥、参数变化大、返水变浑浊并伴有震动等现象，最终通过灌浆处理得以顺利通过。

4.2堵钻堵钻是指当钻进至地质条件不良地段时，由于节理裂隙、断层等不良结构面的存在，使钻孔内的循环水外渗，造成循环水压力、水量减小，钻进过程中产生的岩渣不能全部排出孔外,滞留在孔内的岩渣被钻头重复破碎，越磨越细,最终堵满钻杆与孔壁之间的排渣通道，严重时与钻杆粘连，使钻杆难以转动。

其在施工中的表现往往是返水返渣困难，钻机扭矩、推力等参数不稳定,钻机负荷变大。

遇到此种情况时，应暂停钻进，加大水量进行冲洗，同时上下窜动钻具，将孔内岩渣慢慢带出，然后进行孔内灌浆，封堵漏水结构面,加固孔壁，恢复返水返渣效率，然后继续钻进。

CCS水电站2号竖井导孔在施工过程中，在钻进至深度84.0〜110.0 m时出现返渣困难，冲渣时间长，最长一次冲渣长达6 h，严重影响了钻进效率。

根据地质资料判断，该段位于断层影响带内，为保证导孔及反拉施工的顺利进行，对此段以上进行了全孔纯压式灌浆，最终顺利通过。

5 CCS导井开挖工作中的一些经验5.1重视现场地质工作CCS水电站竖井由于深度大、地质条件复杂，在导井的开挖过程中遇到了一些困难和挫折。

特别是其2号竖井导孔施工，曾经数易井位。

在前几次不成功的探索中，对孔内的地质条件认识不足是造成失败的一条重要原因。

在最后的一次尝试中，为保证成功，现场地质工程师根据已掌握的地质资料，预测了钻孔可能会遇到的不良构造带，同时利用反井钻机钻进速度快的特点，和普通钻机相配合，有针对性地验证预测的准确性,并与其他相关专业的技术人员一道，制定了合理的施工方案和应急预案，尽量避开已知的构造带。

在导井钻进过程中，地质工程师24 h驻守工作面，与钻机操作手交流配合，最终使导井顺利贯通。

5.2充分利用施工过程中的情况进行预判在导孔的钻进过程中，返渣、返水情况，钻机参数的变化，钻进速度的快慢等情况,都能一定程度上反映孔内的围岩情况，几种情况相互印证，更能增加判断的准确性。