一、工程建设概况
华建智能工程有限公司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，水电站总装机容量为MW。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m和m。斜井与水平方向夹角为70°,断面型式为直径5.2m的圆形。
1、岩石地质状况
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~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≥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。
2、天井钻机介绍
此次斜井施工采用的天井钻机型号为LM-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):
(2)导孔直径(mm):1,(二次扩孔)
(3)钻井深度(m):,小于(φ2m扩孔)
(4)总功率(kW):82.5
(5)主机外型尺寸(长×宽×高)
运输(mm):××
工作(mm):××
(6)主机重量(kg):
二、天井钻机施工布置
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15m处设置一个5m3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、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60cm,轨道为24kg/m的轻轨,枕木为10cm×10cm方木,间距为50cm/根。
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1m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。
三、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φmm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→φ扩孔施工→扩孔钻头拆卸→天井钻机撤除。
四、施工过程及方法
1、天井钻机安装
本工程平洞直径为5.2m,能满足卸车条件,天井钻机采用实际载重能力在10t以上的平板货车,货箱的长度不宜超过5.5m,离地高度不宜超过1.2m。天井钻机主机重达8.3t,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10t手动葫芦卸车,极限安全卸车高度为4.8m。
2、天井钻机先导孔施工φmm
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(1m)和稳定钻杆(0.5m),差别在于后者比前者外周多了均匀分布的四条3cm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2m时必须加设1根,钻进8~10m时再加设1根,然后每钻进20m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。
上斜井先导孔施工实际共钻进了m,最大单日进尺8m,平均3m/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m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）。
3、扩孔施工φmm
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10cm/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7.8m3/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。
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30m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5d,安全隐患及施工难度极大。上斜井扩孔施工实际共钻进了m,最大单日进尺6m,平均3?2m/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1mm改为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m后刀具才出现问题。中斜井扩孔施工实际共钻进了m扩孔,最大单日进尺7m,平均5.2m/d(因天井钻机故障除外)。
四、人力配置
施工时现场人力资源配置为:操作班由12人组成,4人一组进行三班倒,12人中有天井钻机操作手一名,维修人员一名,水工技术一名。另设一名液压系统工程师长期跟踪服务,适时进行现场指导。