反井钻机在水利工程开挖中的实例应用

反井钻机在水利工程开挖中的实例应用
摘要：水利工程中竖井开挖一直是一个施工难点，如采用普通的石方开挖方式进行开挖，施工难度大、施工安全也很难保证，鉴于以上条件，本文将采用新的开挖方式对水利工程中的竖井进行开挖。

关键词：水利工程竖井开挖反井钻机
根据设计施工图，放空洞桩号放0+048.0处设竖井式检修闸，竖井呈“凸”型断面，竖井开挖高程145.2m～172.0m，高差26.8m。

放空洞位于溢洪道右侧导流洞之间，进口至坝轴线段隧洞轴线基本与导流洞平行，之后利用斜洞与导流洞相接，利用导流洞设D1200放水钢管，后接
DN1200锥形阀，放空水流经导流洞出口阀室放空阀排入下游河道。

放水洞进口底高程143.0m，出口中心高程▽131.5m。

放空洞进口设计为矩形断面
（B×H=2.3×2.6m），竖井后为直径2.8m的圆洞。

竖井段工程地质条件一般。

围岩多呈Ⅱ～Ⅲ类岩体，从出露的情况看，岩体局部较破碎，水平层理明显。

目前放空洞已经贯通，竖井待施工。

一、选择施工方案
竖井开挖先进行导孔开挖，目前普遍采用的方法为反井吊罐法开挖小导井（直径1.4m），开挖方法一般采用自下而上钻孔、爆破，操作平台采用卷扬机吊罐，从平洞出渣。

导井贯通后再进行竖井自上而下扩挖至设计断面，利用小导井从下部放水洞出渣的方法施工。

考虑到竖井段岩石层理明显，导孔自下而上开挖过程中，宜掉块，施工安全隐患大。

为此，考虑采用利用反井钻机施工小导井（竖井）配合自上而下钻爆施工。

其工特点是施工速度快，施工劳动强度低，施工机械化程度高，主要是施工安全相对有保障。

反井钻机施工分两个步骤进行，先采用φ216mm小钻头从上至下钻进到钻下平洞，在钻进过程中采用泥浆泵或高压水泵从泥浆池抽至动力水龙头，高压水沿钻杆至钻头排水孔压出，将石碴从钻杆与孔壁间的环行空间排至排碴槽，最后进入沉渣池。

导孔贯通后（停止泥浆泵或高压水泵运行）然后卸下小钻头，改换成φ1.4m镶齿盘形滚刀钻头，由下向上扩孔。

再采用镰齿盘形滚刀在钻压的作用下沿井底滚动，从而对从下至上滚刀对岩石切削、挤压完成竖井及斜井开挖，扩孔时的石碴经过冷却水的冲刷和自重坠落到下平洞。

二、施工准备
施工准备工作的主要任务是解决施工所需的水、电、路、通讯及工业广场的平整，实现“四通一平”，为施工创造必要的工作和生活条件，为工程开工和开工后顺利施工做好必要的技术准备。

并为调整和有效的使用施工力量、设备、材料和资金提供条件。

成立施工小组：组长（兼安全员）1名、机长1名、副机长1名、铺助人员2名、测量1名，共6名人员。

全员进场后，接受项目安全培训、岗位和规程的学习、首件认可、熟悉施工图等。

对作业人员进行技术交底，组织作业人员学习施工方案、熟悉施工图纸、领会设计意图及要求。

根据需要对施工人员进行技术培训，保证作业人员的技能能满足工程施工的要求。

测量控制点的现场和资料交接，并做好复算复测工作，经检查确认无误后方
能使用。

配备ZFY2.5/70/200型钻机一台及其相关的配件一套、钻杆30m(其中包括5
根稳定钻杆,主要用于控制偏差)。

以竖井钻孔中心为中心，开挖为长4.5m、宽3m、深度0.7～1m的基坑，清理干净基坑面后浇筑砼，浇筑深度以实际开挖深度为准，混凝土上平面要平，凸凹变化不能超过1cm。

施工用水：溢洪道开挖配备备了20m3的水箱，施工用水由该水箱引入，水
箱的水由可由80m扬程，流量60m3的高压泵源源不断的从河床抽入。

钻孔用水
采用循环水，使用量不大，后期扩孔用水量15m3/h。

施工用电：钻机水泵用电量为312KW，施工用电从距离施工点60m的
400KW变压器接出，变压器位于隧洞口。

在钻机基础周围适当位置，开挖或砌筑一长约3m，宽2m，深1.0m的水池
用于导孔钻进排渣及循环供浆（水），水池顶高应低于钻机基础浇筑砼面；因为
实际现场的岩石十分破碎，裂隙较多，依靠自身无法蓄水，可以采用砂浆护面或
者采用胶布垫在池底进行蓄水。

钻机所有电机功率：大油泵75kw、副油泵15kw、水泵15kw、电压等级为
380v，电源频率为50Hz；导孔钻进需水5～10m3/h，用于循环排渣，冷却反井钻
机液压系统，扩孔钻进需水15m3/h，用于冷却液压系统和扩孔钻头，冲走扩孔
产生的岩屑。

施工面下方50m位置即是河床，可在河底安装一台80m扬程，
60m3流量的水泵，将河水抽至溢洪道水箱中，再引入循环水池。

在导孔钻进过
程中不能停电停水，否则可能发生卡钻或埋钻的恶性事故。

扩孔时供水不能中断，若因特殊原因停水必须停机防止扩孔钻头烧坏。

本工程反井钻机安装在地表，基础浇筑好后，采用15吨吊车将钻机吊工作面，至再进行钻机的安装和调试。

主要工作有：接通所有电机电源，进行短暂通电、
观察电机转向；接通钻机泵车到操作车、钻机之间进回油管路；安装机械手和转
盘吊；钻机调平、找正；安装下支撑和前后斜拉杆；二次浇地脚螺栓孔，浇筑砼
时需要加入速凝剂，等到二期砼达到70%～80%时，再次将钻机调平，然后将地
脚螺栓拧紧；进行水泵（或泥浆泵）调试，形成水（泥浆）循环系统。

三、导孔钻进施工
导孔钻进是反井钻机施工的关键，它关系到钻孔的成败和质量，必须认真对待。

导孔钻进要根据钻孔位置的地质柱状图选择合适的钻进参数。

钻进参数选择
主要依据地层条件，钻进部位，倾角等多方面因素确定。

一般按下表所示参数施工，但在施工时根据不同情况予以及时调整。

待主机、油泵及操作系统准备就绪，检查泥浆泵管路是否与主机相连，主油
泵的循环冷却系统是否调试完成，且钻孔中心及钻孔角度经校核均准确无误后，
方可开孔。

开孔钻进时，利用开孔扶正器和开孔钻杆配合慢速开孔，并启动泥浆
泵供水（供浆），开孔深度3m。

导孔钻进转速应高于开孔钻进转速，所以应调
节动力头转速，采用Ⅱ档（即快速档），因本工程中钻进位置属于断层，强度低，质地松软采用低钻压，高转速；离钻透下水平通道5m左右，应采用低钻压低转速；及时清理导孔钻进返出的岩渣，防止岩渣堆积，岩渣清理由人工配合手推车
完成；每钻进一根钻杆进度后冲水（泥浆）5-10分钟，等孔内的岩屑全部排出后，停泵接卸钻杆；导孔钻透前和扩孔过程中，距导孔钻透点10m之内不能有人员及设备作业。

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
清水将导孔内岩渣冲洗干净，直到钻机转动平稳，扭矩变化不大时停钻。

导孔钻进过程中，由于钻杆直径为250mm,而钻头直径为300mm,钻头钻进后
钻杆周围有50mm的空隙，因此在开孔后及钻进过程中要合理配备稳定钻杆（装
有4根稳定耐磨条，直径与导孔钻头一致的钻杆）强制控制导孔钻进方向，利用
导孔孔壁对稳定钻杆的束缚作用将前端一定范围内的钻杆强制摆正，使这段范围
内的钻杆钻进方向与设计钻孔轴线一致，从而控制导孔钻进方向。

钻入深度较短时，由于钻杆抗弯强度较高，钻头钻进方向不会发生偏移；当钻入深度达到一定
值后，随着钻孔深度的增加，钻杆柔度也会增加，当钻孔深度达到一定程度，受
重力作用钻杆弯曲，钻杆中间段将下落紧贴在钻孔下部，钻杆施加给钻头的作用
力将不再与设计洞轴线方向一致，在改变的作用力下钻头钻进方向将发生偏移。

为了及时掌握钻头钻进位置，根据需要对导孔钻进方向进行有效控制，可采用
CX-5C测斜仪对钻进方向和钻头位置进行测量，根据测量数据分析钻孔偏移情况，采取纠编措施，以保证钻孔偏差控制在允许范围之内。

当钻孔深度达到50m、
100m、150m时各测定一次。

根据导孔偏移情况适当合理调整前端稳定钻杆的数
量和位置，并在钻杆中部适当位置设置稳定钻杆，逐步对导孔方向进行调整和控制。

最终完成满足要求的高质量导孔。

四、扩孔及钻爆施工
导孔钻透后，将扩孔钻头和导孔钻头拆卸工具运到下口。

由于下洞无道轨，
大型装载机无法进入，可采用三轮车运输扩孔刀盘，因此放水洞竖井下口距离放
水洞进口比较短，约40米，可直接用葫芦拉到下竖井下口位置。

在安装刀盘时
通过对讲机或约定信号上下联系，上下配合拆下导孔钻头接上扩孔钻头。

就可以
向上扩孔。

扩孔开孔，当扩孔钻头接好后，慢速上提钻具。

直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用最低转速(5～13rpm)旋转，并慢慢给进、保证钻头滚刀不
受过大的冲击而破坏，给进一旦停下，等刀齿把凸出的岩石破碎掉，再继续给进。

开始扩孔时，下边要有人观察，将情况及时通知操作人员，等钻头全部均匀接触
岩石，才能正常扩孔钻进。

扩孔钻进过程中要及时清理扩孔破碎下来的岩屑，防
止下口被堵塞。

当钻头钻至距基础2.5m时，要降低钻压慢速钻进，并且要认真
观察基础周围是否有异常现象，如果有，要及时采取措施处理。

慢慢的扩孔，直
至钻头露出地面。

扩孔完成后将扩孔钻头卡固在钢轨上，先拆除钻机的各个辅助
系统油管及翻转架，然后安装钻机升降撑杆，拆掉钻机的后斜拉杆,将主机从钻架
上放倒，拆除主机于操作台连接的所有油管。

将主机车调出场地，再将扩孔钻头
吊牢，将轨道拆掉，将钻头提出孔外。

然后将操作车吊上来，再将泵车、油箱冷
却器拆下，分别运到出口。

全部钻孔工作结束。

扩孔钻进过程是大量破碎岩石的过程，需要根据岩石条件选择破岩滚刀，布
置扩孔钻头，制定相应的钻进参数。

扩孔钻进一般要求推进速度较慢、推进力大（上拉力大）、转速低，以达到钻进效率最高。

扩孔贯通后再自上而下进行钻爆作业。

爆破后石渣将用吊篮运出竖井，吊篮
牵引利用简易龙门架，卷扬机通过导向滑轮牵引吊篮。

吊篮采用型钢制作，顶部
采用活动钢顶板，用以观察爆破后围岩情况，并在盖板保护下进行排险作业，在
确认围岩安全后打开盖板进行造孔作业。

五、结语
竖井开挖在水利工程中是一个施工难点，小断面反井法施工高空作业面小、
施工难度较大，有一定的安全风险。

本工程实例采用反井钻机配合人工钻爆的施
工方法进行施工，省去了通风、排水、矸石提升等凿井辅助设施，工人的工作条
件得到极大改善，劳动强度也大大降低，安全保障性提高，施工速度快。