反井钻机施工及其应用Word文档格式.docx
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近期要施工的竖井有20条，计2540m）；
四川省锦屏二级水电站岩石为灰岩，岩石硬度为12级，共施工1条竖井（长191m）。
总计施工600m。
截至2006年9月大理分局机械化项目部累计施工竖井32条，6条斜井。
总计施工竖、斜井5514m。
二、反井钻机施工的基本原理
反井钻机施工原理：
由电机带动主机液压马达驱动动动力水龙头，利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转，并向上、下升降，岩石产生挤压和剪切作用，使其破碎。
反井钻机施工分两个步骤进行，先采用Ø
216mm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Ø
1.4m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。
三、反井钻机竖、斜导井施工工法的特点
1、反井钻机竖、斜井施工的特点
反井钻机在施工竖、斜井的导孔过程中全部采用机械设备，只需要熟练的技工操作就行，反井钻机操作简单、安全，对环境造成污染非常小，作业人员比较少。
每个班只需要4～5人。
但是反井钻机一次性投入相对较高，国产一台套LM-200型钻机投入使用其费用约145万元。
一台套进口RHNO300型反井钻机投入费用约1400万元。
四、传统人工竖、斜井导井施工特点
斜井和竖井施工方法有全断面一次开挖法和导井开挖法两种方式，其中传统导井法开挖方式有正井、反井或正反井结合法。
反导井施工通常采用吊罐法、爬罐法或深孔分段爆破法，传统导井法施工目前在水利水电工程中应用比较普遍，施工工艺应用得较为纯熟。
一次性投入比较少，主要投入的设备：
20m3空压机一台、手风钻10把、通风设备一台、运输设备一台（卷扬机、吊罐爬罐），投入费用不到40万元。
如果采用阿立玛克爬罐则投入费用将增大，一台阿立玛克爬罐售价为255万元。
传统人工导井法施工无论采用正导井法、反导井法、吊罐法施工，均需要人员及设备至开挖掌子面进行钻爆施工。
因此在施工过程中均不可避免地存在着安全隐患，而通风散烟困难，进度也容易受限制等。
据统计，深度在100m左右的洞室导井开挖一般日平均进尺在1～1.5m左右。
人工导井施工方法对井深有一定的限制，深度越深，施工难度越大、安全隐患更大。
五、反井钻机与传统人工导井施工工艺的比较
根据对我国68座不同坝型和不同开发型式的大型水电站的统计，其中有地下竖井、斜井的电站就有28座，占41%，而且每座电站都有数个竖井、斜井。
从规模上看，调压井直径已达24m以上，井深达90m以上，垂直压力管道深度已达300m以上。
天生桥二级两段斜井深已达754m，可以说竖井、斜井在水电建设中占有一定的比重。
竖井、斜井开挖又是其施工的重要环节，而且由于竖井、斜井施工难度很大，往往是电站建设工期的控制项目之一。
为了解决这个难题，水电建设者们克服了诸多困难，不断地学习、借鉴、研究和应用新的施工方法和技术，推动了我国水电竖井、斜井开挖技术的发展。
从开挖方法和施工设备的发展来看，已从正井人工吊碴开挖发展到人工反井溜碴法、人工配合机械的反井吊罐法、反井爬罐法。
而后又发明了劳动强度较低的一次钻孔反井分段爆破法和反井钻机开挖方法等。
应该说，从正井开挖进入应用重力势能的反井开挖法，是竖井开挖技术质的飞跃。
一次钻孔分段爆破是一项技术进步，而反井钻机的应用更使竖井、斜井开挖进入了一个新的阶段。
1、传统人工导井施工法分析
（1）正导井开挖法
上马岭电站调压井开挖和压力管道上部开挖，采用自上而下的正井开挖方法。
天生桥调压井为了加快施工进展，顶部也采用上部吊碴方法。
永定河上马岭电站压力管道倾角33°
11′26.5″，开挖直径6.6m，全长179m，开始从上弯段向下开挖，施工十分困难，进展很慢，后来在中间增开一条“七、一”支洞，开始从下而上的反井开挖，初步解决了出碴问题。
（2）反导井开挖法
云南大朝山电站尾水设4个闸门井，开挖断面为12×
16m，闸门井高45m，都是采用2×
3m断面开挖反导井，采用人工搭设脚手架平台进施工反井施工，施工中配置2台手风钻，47天向上开挖导井45m，平均日进尺0.96m，最高日进尺2.5m。
（3）反井爬罐导井开挖法
广蓄电站压力管道斜井，上斜井长406.22m，下斜井长347.45m。
开挖直径9.7m，倾角50°
。
斜井开挖采用正、反井结合方法施工，先开挖2.4×
2m下导井（底拱），采用上、下对口四个工作面同时开挖。
上部向下开挖提升出碴，下部向上用阿立马克STH-500型（柴油）和STH-588型（电动）爬罐。
上斜井导井用127天完成，最高月进尺90m；
下斜井导井用125天完成，月进尺77m。
上斜井下口工作面平均日进尺2.595m，下斜井下口平均日进尺1.974m。
天生桥电站压力管道，长159.5m（总计178.3m）。
大井直径.7m，竖井导井用阿立马克爬罐开挖，断面2.5m×
2.5m，每个循环进尺1～1.5m，平均月进尺55m，最高月进尺80m。
（4）反井吊罐导井开挖法
反井吊罐开挖导井，是从冶金系统引进到水电六局的，而后在一些水电站施工中推广应用。
渔子溪埋藏式竖井压力管道竖井为272.2m，开挖直径5.2m，钢衬直径3.4m，内水压力.92MPa。
开挖采用红旗300型钻机钻设φ100mm中心孔，最高班进尺3m，实际偏差为15～40cm。
竖井分三段开挖，每段约90m，反井吊罐法开挖导井，导井断面为3.24m2。
折叠式吊罐重400kg，载重600kg，折叠尺寸为900mm×
900mm×
1250mm，展开尺寸为1760mm×
1460×
2100mm。
钻爆人员4人，采用01-43和01-45型钻机，混合式通风方式。
导井开挖平均日进尺2.88m，中心孔上部用华1型游动卷扬机牵引。
（5）一次钻孔反井分段爆破开挖法
三门峡改建工程排沙洞1号工作闸门井，深51m。
采用一次钻孔、自下而上分段爆破的方法开挖导井，导井断面1.8m×
1.8m，实际开挖成2.25m×
1.93m。
使用KA-2M-300型钻机，钻φ150mm中心孔，爆破孔φ110～120mm，钻机偏差小于1.7‰。
开挖布置6个孔，后来增加至10个孔，装药8.5～12kg/孔，崩落孔7～11kg/孔，周边孔8～12kg/孔。
岩石竖固系数为8～12。
孔径120mm，药卷直径105mm（内径95mm），采用毫秒爆破，并串并联法。
放炮有效天数10.33天，最高班进尺4.28m，最高日循环4次，进尺8.19m，平均日进尺4.6m。
如果把钻孔和准备工作时间包括在内，则日平均进尺仅为0.807m。
天生桥二级调压井，Ø
24m，深90m，采用一次钻孔，分段自下而上爆破法开挖导井，导井φ2.4m，共钻7个孔，中间一个大孔，垂直偏差小于1%。
每次进尺1m，月进尺20m。
2、反井钻机导井法施工分析
（1）湖北省水布垭电站地下厂房通风竖井长183m，竖井直径Ø
1.4m。
岩层为灰岩，岩石硬度12级，反井钻机为LM-200型。
于2002年8月20日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），9月6日开钻，9月17日Ø
216mm导孔贯通，9月18日导井Ø
1.4m扩孔，9月26日扩孔结束。
其中由于厂房施工停工8天，纯施工时间为47天，平均日钻进3.2m。
（2）湖北省水布垭电站引水斜井长156m，倾角60°
，反井钻机为LM-200型。
于2003年8月26日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），9月10日开钻，9月14日Ø
216mm导孔贯通，10月14日导井Ø
1.4m扩孔结束。
历时44天，平均日钻进3.54m。
（3）贵州省三板溪水电站岩石为花岗岩，岩石硬度为14～16级，电缆竖井长184m。
反井钻机为LM-200型。
于2003年6月26日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），7月3日开钻，7月9日Ø
216mm导孔贯通，8月20日导井Ø
其中由于主变室施工停工10天，纯施工时间为44天，平均日钻进2.7m。
（4）云南省小湾水电站使用，小湾水电站的岩石为花岗岩，岩石硬度为14～16级，地下厂房主变排风竖井长210m。
反井钻机为LM-280型。
于2004年5月25日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），6月1日开钻，6月11日Ø
216mm导孔贯通，8月22日导井Ø
施工历时为57天，平均日钻进3.7m。
（5）云南省溪洛渡水电站右岸地下厂房主变排风竖井长215m，岩层为玄武岩，岩石硬度14～16级，反井钻机为LM-200型。
于2006年5月10日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），5月26日开钻，6月16日Ø
216mm导孔贯通（外界影响停工10天），6月18日导井Ø
1.4m扩孔，7月26日扩孔结束（外界影响停工12天）。
施工历时为54天，平均日钻进3.98m。
反井钻机在不同岩性的竖、斜井导井钻进情况统计表
电站名称
井深（m）
岩石名称
Ø
216mm钻进速度（m/天）
1.4m扩孔速度（m/天）
备注
水布垭电站
115～183
灰岩
38～40
18～20
竖井
156
32～34
14～16
斜井（60°
）
三板溪电站
43～120
花岗岩
19～32
8～10
小湾电站
88～212
30～35
13～16
三峡电站
82
22～32
12～15
溪洛渡电站
194～215
玄武岩
20～26
5～10
从表中显示，随着岩石硬度及竖、斜井长度的增大，施工难度加大，其钻进速度减慢，灰岩可钻性最好。
3、反井钻机与传统人工导井工期比较
（1）反进钻机导孔施工时间统计
①反井钻机开钻前的准备时间一般为12～15天，主要是主机基础砼浇筑、主机就位、二期砼浇筑、沉渣池砌筑等。
②Ø
216mm导孔施工一般25m/天，以100m长的竖、斜井为例，Ø
216mm导孔耗时约4天。
③Ø
216mm钻头拆下至安装Ø
1.4m钻头结束耗时约1天。
④Ø
1.4m导井扩挖速度约5～15m/天，平均10m/天，以100m长的竖、斜井为例，Ø
1.4m导井扩挖耗时约10天。
⑤反井钻拆除耗时约3天。
根据统计显示，100m长的竖、斜井反井钻机从准备工作至设备拆除约耗时约33天。
（2）传统人工导井施工时间统计
①传统人工导井开钻前的准备时间一般为4～5天，主要是空压机的安装（卷扬机或爬罐可不占用工期）。
1.8m导孔施工一般0.8～1.5m/天，以100m长的竖、斜井为例，Ø
1.8m导井耗时约91天。
③井内风、水、电管线拆除耗时约5天。
根据统计显示，100m长的竖、斜井传统人工导井法施工从准备工作至设备拆除约耗时约101天。
从以上的反井钻机和传统人工导井法施工时间统计，反井钻机导井法施工耗时只占传统人工导井法施工耗时32.6%。
采用反井钻施工工期可提前约2/3。
4、反井钻机与传统人工导井质量比较
反井钻导井施工采用滚刀对岩石切削、挤压完成竖井及斜井导井开挖，形成的导井井壁非常光滑，并能够形成预定要求的洞径。
传统人工导井法施工则采用人工钻孔，人工控制周边孔位，不可避免的误差，导井井壁不是很光滑。
综上所述，反井钻导井施工比传统人工导井法施工质量要好得多。
5、反井钻机与传统人工导井安全比较
反井钻导井施工均采用设备操作，且反井钻机由电能传到液压系统，转变成液压驱动，操作安全，容易避免安全事故的发生。
传统人工导井法施工则采用人工钻孔、爆破，施工人员必须到工作面进行操作，安全隐患较多，安全不易保证。
四、工艺流程及操作要点
1、竖井、斜井反井钻机施工工艺流程框图
竖井、斜井反井钻机导井施工工艺流程框图
2、施工方法
（1）设备组合
主要设备配置表
设备名称
型号
重量
功率
数量
备注
反井钻机
主机
LM-200
8.3t
83kw
1台套
主机轨道（18#工字钢9m）
操作车
0.89t
油泵车
2.5t
泥浆泵
TBW850/50
5.5t
90kw
1台
用于Ø
216mm导孔施工
潜水泵
2.2kw
3台
油泵车冷却水循环水
随车吊
3t
1辆
吊运钻杆、操作车、油泵车
沃尔沃装载机
150型
主机、泥浆泵的吊装
钢板水箱
4m3、5m3
各一个
水箱大小按供、排水情况定
216mm钻头
216mm
0.05t
一个
一个钻头可施工300～500m
1.4m钻头
1.4m
2.3t
（2）施工方法
钻机基础砼浇筑2~3天后，将主机轨道铺设在砼平台上，轨距为64cm，轨道下垫枕木（20×
20cm，长120cm）或20#工字钢，每隔60～80cm垫一根，然后将主机吊至轨道上，调好钻机位置，锁紧卡轨器，竖起钻架，安装后拉杆，调平钻机。
钻机调平后，用螺栓将钢垫板连接在钻架上，安装前拉杆及埋设预埋螺栓，再次调平钻机并浇筑Ⅱ期砼。
①Ø
216mm导钻进
Ⅱ期砼达到一定的强度后，安装转盘吊和翻转架，开孔钻进，钻机调平后，调整动力水龙头的转速为预定值，并将动力水龙头升到最高位置、把事先与异型钻杆相接的导孔钻头移入钻架底孔并用下卡瓦卡住异型钻杆的下方卡位，然后将卡瓦放入卡座。
用钻机辅助设备连接钻杆。
接好钻杆后，开启泥浆泵供洗井液和冷却用水，开始从上往下开孔钻进。
导孔开始钻进时采用高转速低钻压，动力水龙头的转速使用快速挡，钻压为2～5Mpa，一般情况下，对于松软地层和过渡地层应采用低钻压，对于硬岩和稳定地层宜采用高钻压。
稳定钻杆的布置，稳定钻杆的作用主要控制导孔钻进的偏斜率，在钻头后连续布置6～8根，控制钻杆与导孔壁的间隙，从而减少钻杆摆动幅度，确保导孔钻进的垂直度。
背压根据实际情况调整，背压过大动力水龙头不能向下推进，背压过小时动力水龙头向下推进过快而容易卡钻，背压的调整原则是既能使动力水龙头向下推进也不能卡钻。
洗孔，动力水龙头向下推进至最低位置时，停止向下推进，检查棘轮套的插销是否往上顶出来，如果插销被顶出来，说明孔内石渣没有冲洗干净，继续冲洗至插销回到原位。
导孔石碴冲洗干净后，关闭泥浆泵，连接钻杆，钻杆连接完成后开启泥浆泵，继续往下钻进。
导孔在钻穿约有5～8m时，在预测钻穿位置设置围栏，禁止人员进入，防止石块坠落伤人。
1.4m从下往上反向扩孔
导孔贯通后，在下平洞用卸扣器将导孔钻头和异型钻杆换下，用吊车或装载机将Ø
1.4m钻头运至导孔下方，将上下提吊块分别同钻头、导孔钻杆固定，上下提吊块用钢丝绳连接，提升导孔钻杆，使钻头离开地面约20cm，然后固定钻头，下放导孔钻杆，拆去上下提吊块，连接扩孔钻头。
调节动力水龙头出轴转速调为慢速挡。
在扩孔钻头未全进入钻孔时，为防止钻头剧烈晃动而损坏刀具，使用低钻压、低转速，待钻头全部钻进后可加压钻进。
扩孔钻压的大小根据地层的具体情报况而定，软岩低压、硬岩高压，但是，主泵油压不得超过24.0Mpa；
副泵油压不得超过18.5Mpa。
扩孔钻进结束后，拆去钻杆，采用钢丝绳将Ø
1.4m钻头固定在主机轨道上，主机调离后再将钻头从导孔吊出。
（3）关键技术
在导孔钻进过程中有时会出现由于塌孔、水压力不够、停电等导致孔内石碴滞留堆积后出现卡钻，或是导孔、扩孔施工过程中钻杆断裂后钻杆、钻头滞留在孔内，这些情况处理起来相当困难，并且发生的频率也较多，属于反井钻机导井法施工的难点及重点，在此我们根据经验谈几点体会。
①导孔钻进过程中的卡钻
我们采取了几种方法进行处理，其中一种方法是采取高压水强行冲孔，在冲孔过程中起动钻机转动钻杆，直至钻杆转动提升。
另外一种方法是导孔离下下平洞较近的情况下，从下往上人工打导井贯通导孔，贯通后用高压水冲孔。
②扩孔过程中的掉钻
在扩孔过程中，由于钻杆断裂，如果扩孔钻头卡在已扩挖成形的孔内，此时若从下面处理非常危险。
所以我们考虑从上面导孔中进行，第一种方法：
将钻杆接上后采取钻杆对钻头施加压力使其自然坠落至下平洞。
第二种方法：
在孔口通过钢丝绳将炸药送入钻头卡住部位，引爆后将钻头震落至下平洞。
该方法每次炸药用量控制在5～8kg，对钻头不会构成大的损伤。
③导孔施工过程中的钻杆断裂
部份长期使用的钻杆在导孔钻进及扩孔过程中可能会发生断裂，反井钻机单根钻杆长度为1m，重达180Kg。
在钻杆断裂后，如果不将钻杆取出，那么一方面要丢失钻杆、钻头，造成经济。
另一方面还得重新造孔，有些特殊部位还不允许重新造孔。
因此如何打捞钻具成了反井钻机导井法施工的一个难题。
为此我们发明了一种钻杆打捞器，钻杆打捞器的原理跟膨胀螺栓原理相同，其上部与钻杆呈直螺纹连接，下部为椎形套，前进过程中可以直接进入已断裂钻杆的内壁，进入内壁后，在打捞器提升过程中椎形套会张开，与断裂钻杆内壁紧紧连接，越拉越紧，然后通过打捞器将孔内钻杆提升到孔口用夹钎器固定后逐一取出钻杆。
该打捞器一次能提升40吨以上的重量。
即能提取200m以上的钻杆长度。
基本能满足取钻要求。
附图1：
钻杆打捞器示意图
④不良地质地层施工方法
经过实践，我局总结出以下两种方法进行不良地质地层施工。
a、循环钻灌成孔法
我局在小湾左岸砂石系统遇2#竖井、水布垭电站4#引水斜井、4#母线竖井、交通电梯井及三板溪电站的2#、4#引水竖井在钻孔过程中遇到断层、裂隙、溶沟、溶槽或软弱夹层等地质不良段，在钻进过程中不同程度的出现孔口不返水排碴现象。
均采用循环钻灌成孔法进行处理。
具体方法为在现场制备0.4～0.55水灰比的水泥砂浆或泥浆，通过灌浆设备或人工自流输送浆液的方法进行灌注，利用浆液填充断层、裂隙、溶沟、溶槽，灌注浆液24小时后即可进行钻孔施工。
这个方法实施较为安全可靠，但由于要反复取钻、灌浆，对施工进度影响较大。
b、强行成孔法
该方法适合于断层、裂隙带范围不大，且处于竖井及斜井的深孔带，该方法就是在竖井及斜井孔深超过100m后，在遇到断层、裂隙后出现孔口不返水时，继续钻进并不断的用泥浆泵向孔内压水，直至孔口返水。
该方法的特点是利用水压力将钻孔时的积碴强行通过裂隙、断层或孔口排除并堵塞裂隙里的渗水通道。
我局在三板溪电站、小湾电站竖井施工均采用过该方法，对加快施工进度方面非常有效。
在实际施工中，可根据情况两种方法均酌情采用。
⑤反井钻在硬岩施工中的改良，其方法详见《五、针对水电工程地质情况施工对国产反井钻机的改良》措施。
五、针对水电工程地质情况施工对国产反井钻机的改良
1、对Ø
1.4m钻头进行改良，使之适应硬岩施工
LM-200型反井钻机扩孔钻头由6把对称扩孔滚刀组成，其中2把在中心，称为中心刀，另外4把在外侧，称为边刀。
呈对称布置。
在实际扩孔钻进过程中，发现外面4把扩孔
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