李宗榮,魏驚蟄,孔買群
(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司,云南 昆明 655000)
坪頭水電站整個(gè)工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)及地下廠房系統(tǒng)等水工建筑物組成。2號(hào)豎井屬于引水系統(tǒng)壓力管道工程的一部分。2號(hào)豎井(EL747.2~EL602.065m)設(shè)計(jì)開挖直徑為5.6m,內(nèi)襯直徑為4.4m的壓力鋼管,2號(hào)豎井分別接壓力管道中平洞、下平洞,平洞段與豎井間采用半徑為15m的圓弧連接。其主要開挖施工工程量為3 640m3,其平面布置見圖1。
壓力管道段地表為大片覆蓋層斜坡,由坡殘積物塊碎石土組成,厚度為50~65m,地形坡度35°~40°,壓力管道段圍巖為震旦系上統(tǒng)燈影組(Zbd3-1)的灰白色中厚層狀細(xì)晶白云巖、灰色石灰?guī)r、薄至中層狀泥質(zhì)灰?guī)r等,巖層產(chǎn)狀N50°~70°E/SE∠30°~40°,傾山外偏下游。
(1)地層巖性。開挖揭示,壓力管道2號(hào)豎井段圍巖自上而下(747.2~602.3m高程)依次為第④層灰~深灰色細(xì)晶白云巖和第⑤層灰~灰白色細(xì)晶白云巖等。其中:0~12.5m段(即747.2~734.7m高程段)為第④層灰~深灰色細(xì)晶白云巖,該層巖層單層厚度以0.3~0.5m為主,部分0.1~0.3m,以中厚層狀結(jié)構(gòu)為主;12.5~45m段(即734.7~702.2m高程段)為第⑤層灰~灰白色細(xì)晶白云巖,該層巖層單層厚度以0.1~0.3m為主,部分0.3~0.5m,以互層狀結(jié)構(gòu)為主;45~132.7m段(即702.2~602.3m高程段)為含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r及含灰質(zhì)泥晶白云巖,該層巖層單層厚度以0.1~0.3m為主,部分0.3~0.5m,以互層狀結(jié)構(gòu)為主,部分碎裂結(jié)構(gòu)。
圖1 豎井平面布置示意
據(jù)可研階段試驗(yàn)成果,微新細(xì)晶白云巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為89.65~96.4MPa,屬堅(jiān)硬巖。
(2)地質(zhì)構(gòu)造。壓力管道2號(hào)豎井處于莫紅背斜的SE翼,開挖過程中未見有大的斷層,但巖體中裂隙較發(fā)育,除緩傾角層面裂隙外,還普遍發(fā)育2~3組中陡傾角裂隙。有關(guān)裂隙發(fā)育情況詳見后述。
(3)巖體風(fēng)化、卸荷。0~12.5m段(即747.2~734.7m高程段)為第④層灰~深灰色細(xì)晶白云巖,該層巖體多微新,部分弱風(fēng)化;12.5~45m(即734.7~702.2m高程段)為第⑤層灰~灰白色細(xì)晶白云巖,該高程段巖體以強(qiáng)風(fēng)化為主,部分弱風(fēng)化;45~132.7m段(即702.2~602.3m高程段)為含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r及含灰質(zhì)泥晶白云巖,該高程段巖體以弱風(fēng)化為主,部分強(qiáng)風(fēng)化。
壓力管道2號(hào)豎井垂直埋深156~309m,水平埋深246~448m,開挖揭示,巖體卸荷作用不明顯。
(4)水文地質(zhì)條件。開挖揭示,壓力管道2號(hào)豎井圍巖總體干燥,僅豎井底部局部圍巖潮濕。
(5)巖溶發(fā)育情況。開挖揭示,細(xì)晶白云巖巖溶發(fā)育程度與巖性關(guān)系較為密切,其中:0~12.5m段(即747.2~734.7m高程段)圍巖為第④層灰~深灰色細(xì)晶白云巖,該層巖溶作用相對(duì)較弱,未見溶洞及貫通性溶蝕裂隙分布,僅見沿少量層面及中陡傾角結(jié)構(gòu)面有溶蝕“砂化”現(xiàn)象,充填有粉砂土;12.5~144.9m段(即734.7~602.3m高程段)圍巖為第⑤層灰~灰白色細(xì)晶白云巖、含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r及含灰質(zhì)泥晶白云巖,該高程段巖溶作用較強(qiáng),溶蝕“砂化”現(xiàn)象明顯,沿結(jié)構(gòu)面普遍有溶蝕“砂化”現(xiàn)象,充填有粉砂土,部分洞段巖體呈散體結(jié)構(gòu)的“砂包土”狀。
根據(jù)豎井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、巖石及地質(zhì)情況,豎井開挖存在導(dǎo)井施工困難問題。由于2號(hào)豎井巖石條件較差且高度較大,反井鉆機(jī)施工困難,導(dǎo)孔不易鉆進(jìn),鉆孔精度不易控制,因此豎井導(dǎo)孔施工是本工程的關(guān)鍵。
豎井施工的主要制約因素為施工進(jìn)度和施工安全,而上述兩點(diǎn)在豎井施工過程中又有著“對(duì)立統(tǒng)一”的關(guān)系,因此,豎井開挖方案的確定需綜合考慮。其中,決定豎井作業(yè)流程的主要工序?yàn)槌鲈?,一般來講,井內(nèi)開挖石渣的出渣方案主要有兩條,即“上行”和“下行”?!吧闲小狈桨福?號(hào)井內(nèi)開挖爆破的石渣通過正井人工吊渣(人工裝渣、卷?yè)P(yáng)機(jī)提升)至壓力管道中平洞,此方案為豎井開挖由上而下進(jìn)行,安全度相對(duì)較高,但施工進(jìn)度緩慢;“下行”方案:即在2號(hào)井范圍開挖導(dǎo)井,制造爆破臨空面,井內(nèi)石渣通過導(dǎo)井溜渣至豎井底部壓力管道下平洞,其中關(guān)于導(dǎo)井的開挖,以往施工過程中主要通過腳手架、吊籠反井法開挖導(dǎo)井,在施工過程中均面臨著如下問題:工作面小、通風(fēng)困難、工人高空作業(yè)、受到炮煙、落石、淋水和粉塵的危害,施工人員的作業(yè)安全很難得到有效的保障。目前國(guó)內(nèi)在豎井導(dǎo)井施工中的先進(jìn)技術(shù)是用反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工,它能從根本上改變豎井及斜井的施工作業(yè)環(huán)境,解決存在的安全問題。
結(jié)合2號(hào)井施工實(shí)際情況,2號(hào)井實(shí)際施工過程中面臨如下制約因素:
(1)地質(zhì)情況復(fù)雜,2號(hào)井施工前,通過已有地質(zhì)資料可以判定壓力管道2號(hào)豎井段圍巖風(fēng)化作用強(qiáng)烈,裂隙主要以層面裂隙發(fā)育為主。巖體完整性差,呈薄層~互層狀結(jié)構(gòu),圍巖為Ⅳ類,且可能發(fā)育有規(guī)模不等的溶隙或溶洞等,局部可能遇到巖溶水,突然發(fā)生集中涌水。
(2)2號(hào)豎井井口中平洞段工作面狹窄,不利于正井人工吊渣方案的展開。
(3)2號(hào)豎井開挖工期緊張,整個(gè)壓力管道設(shè)計(jì)有鋼襯,而2號(hào)豎井制約了中平洞~下平洞段鋼管安裝施工,進(jìn)而制約發(fā)電工期。
由于存在上述制約因素,2號(hào)豎井開挖優(yōu)先選定了“開挖導(dǎo)井,井內(nèi)石渣通過導(dǎo)井溜渣至豎井底部壓力管道下平洞”的方案施工。其中導(dǎo)井采用反井鉆機(jī)施工,其在進(jìn)行導(dǎo)井施工的過程中能探明2號(hào)豎井詳細(xì)的地質(zhì)情況,指導(dǎo)后續(xù)施工,同時(shí)可以良好地解決豎井施工過程中通風(fēng)散煙問題。整個(gè)2號(hào)豎井施工工序流程為:216mm導(dǎo)孔施工→1.4m反導(dǎo)井施工→正井全斷面擴(kuò)挖。
反井鉆機(jī)鉆進(jìn)原理:由電機(jī)帶動(dòng)液壓馬達(dá),利用液壓動(dòng)力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng),帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn),并向上、下升降,采用鐮齒盤形滾刀破巖,滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動(dòng),從而對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和剪切作用,使其破碎。結(jié)合反井鉆機(jī)施工原理,反井鉆機(jī)的選用主要考慮以下因素:井深、圍巖的力學(xué)性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件(空間、設(shè)備等),即反井鉆機(jī)相關(guān)參數(shù)選擇:鉆孔直徑、鉆孔深度、拉力、扭矩等。目前廣泛應(yīng)用于水電工程豎井施工的LM系列反井鉆機(jī)的主要技術(shù)特征見表1。
2號(hào)豎井井深145.135m(EL747.2~EL602.065m),2號(hào)豎井導(dǎo)孔施工選用LM-200反井鉆機(jī),主要技術(shù)參數(shù)見表2。
表1 LM系列反井鉆機(jī)技術(shù)特征
表2 LM-200型反井鉆機(jī)主要部件尺寸及重量
反井鉆機(jī)施工作業(yè)輔助設(shè)備主要有:φ216mm導(dǎo)孔施工時(shí)配置TBW850/50泥漿泵(850L/min)一臺(tái)、用于輸送循環(huán)冷卻水的潛水泵2臺(tái)。
(1)施工用水:主要用于鉆機(jī)油泵冷卻、導(dǎo)孔排渣、擴(kuò)孔冷卻鉆頭及沖渣,用水量約15~17m3/h。導(dǎo)孔施工時(shí)的耗水量根據(jù)基巖的溶洞、裂隙等地質(zhì)情況確定(導(dǎo)孔施工時(shí)不能斷水,否則會(huì)卡鉆),擴(kuò)孔時(shí)的耗水量為7.5~8m3/h。
(2)施工用電:施工設(shè)備的額定功率:泥漿泵90kW、主機(jī)82.5kW、照明及潛水泵約10kW,共約183kW。
(3)鉆機(jī)基礎(chǔ)清理及混凝土澆筑:以鉆孔中心為中心,基礎(chǔ)尺寸為6.0m×3.0m×0.7m(長(zhǎng)×寬×高),混凝土標(biāo)號(hào)為C20,用來固定反井鉆機(jī)并以此作為操作平臺(tái)。在混凝土澆筑時(shí)預(yù)留機(jī)架固定螺栓,混凝土基礎(chǔ)在離鉆頭中心70cm內(nèi)嚴(yán)禁放置含金屬物體,以防損壞鉆頭。
(4)沉渣池、泥漿池:在鉆機(jī)基礎(chǔ)周圍適當(dāng)位置布置水池,用于導(dǎo)孔鉆進(jìn)排渣及循環(huán)供漿(水),其中沉渣池2m3,泥漿池6m3。地質(zhì)條件較差地段采用泥漿泵供泥漿排渣;地質(zhì)條件較好地段采用泥漿泵供水排渣。水池頂高要低于鉆機(jī)基礎(chǔ)混凝土面;沉渣池、泥漿池緊連鉆機(jī)基礎(chǔ)混凝土布置,以便導(dǎo)孔施工時(shí)排出的石渣進(jìn)入沉渣池沉淀。
(5)水箱:容積為3m3,采用鋼板水箱。
(6)吊籠穩(wěn)繩:穩(wěn)繩和安全井蓋連接。
(7)導(dǎo)井安全蓋:導(dǎo)井安全井蓋采用2m×2m,同時(shí)因安全井蓋與穩(wěn)繩相連,故井蓋的重量要適當(dāng)加大(可根據(jù)需要進(jìn)行配重)。
反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工程序見圖2。
圖2 反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工程序
反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工分為導(dǎo)孔施工、擴(kuò)孔施工兩個(gè)步驟。
導(dǎo)孔施工時(shí)采用泥漿泵將水(或泥漿)沿鉆桿內(nèi)壁壓入孔內(nèi),作為排渣及冷卻鉆頭用水。石渣經(jīng)排渣槽進(jìn)入沉渣池,沉淀后由人工撈至堆放位置。在施工過程中,如果出現(xiàn)塌孔、返水較小、不返水等異常情況,則需要拌制泥漿,用泥漿護(hù)壁及堵塞溶洞和裂隙。必要時(shí)要暫停鉆井,取出鉆桿后用水泥砂漿進(jìn)行固結(jié)灌漿。
擴(kuò)孔施工,使用自流水冷卻鉆頭和沖渣,不再使用泥漿泵。使用的機(jī)械設(shè)備有:泥漿泵、循環(huán)水輸送的潛水泵、泥漿拌制機(jī)等。主要施工設(shè)備見表3。
(1)測(cè)量放線。設(shè)計(jì)輪廓擴(kuò)挖規(guī)格線控制:從洞外控制網(wǎng)經(jīng)測(cè)量導(dǎo)線引控制點(diǎn)到井口附近,豎井?dāng)U挖時(shí),制作垂直移動(dòng)控制點(diǎn),用垂球把控制點(diǎn)引至開挖掌子面放線;同時(shí)考慮鋼管安裝時(shí)混凝土施工,在豎井上游側(cè)擴(kuò)挖一個(gè)40cm深的槽。
表3 施工設(shè)備組合
圖3 反井鉆機(jī)鉆孔工藝流程
(2)先導(dǎo)孔施工。安裝鉆機(jī)精度控制在0.15%以內(nèi),安裝完成后進(jìn)行先導(dǎo)孔施工,孔口30m用0.2~0.5m/h的鉆進(jìn)速度。施工中必須嚴(yán)格控制孔斜,每鉆10m必須做孔斜檢測(cè),及時(shí)進(jìn)行糾偏,以利于后續(xù)施工。
(3)井口平臺(tái)及鎖口施工。豎井?dāng)U挖之前先進(jìn)行門架基礎(chǔ)混凝土澆筑,擴(kuò)挖4m后進(jìn)行鎖口混凝土和井口桁架平臺(tái)施工。井口平臺(tái)開挖期間井口采用木板全封閉,卷?yè)P(yáng)機(jī)吊點(diǎn)采用門架,鎖口混凝土不侵占設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線,井口開挖時(shí)擴(kuò)大30cm,澆筑C20混凝土。
(4)導(dǎo)井施工。φ216mm先導(dǎo)孔施工完成后,在豎井底部安裝鉆機(jī)擴(kuò)孔鉆頭,再由下向上擴(kuò)孔成φ1 400mm導(dǎo)井。
砂化地質(zhì)條件下可能導(dǎo)致導(dǎo)孔偏心的因素:在豎井反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工過程中,導(dǎo)孔精度控制是反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的關(guān)鍵,其中影響導(dǎo)孔精度的關(guān)鍵因素是圍巖的地質(zhì)條件。2號(hào)豎井高程747.20~602.20m段,圍巖類別不均勻、裂隙較發(fā)育、砂化作用強(qiáng)烈,其砂化地質(zhì)條件下獨(dú)有的“粉砂土”和“砂包石”結(jié)構(gòu)是制約導(dǎo)孔施工精度的關(guān)鍵因素,因此,施工過程中導(dǎo)孔精度的控制和糾偏是導(dǎo)孔施工成敗的關(guān)鍵。采取的措施有:
(1)精確控制測(cè)量放樣。在現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀對(duì)開口點(diǎn)進(jìn)行放樣,然后在安裝機(jī)身時(shí)采用水平尺和鉛垂球從多角度進(jìn)行精確測(cè)量,再對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行校核,底座上螺孔都加工成條型孔,最后通過調(diào)節(jié)螺栓來固定鉆機(jī),確保鉆桿垂直于水平面。首先是基礎(chǔ)混凝土的澆筑,按設(shè)計(jì)傾角通過測(cè)量設(shè)備定出導(dǎo)線;然后是機(jī)身傾斜后的下部支撐及上部牽拉一定要牢固穩(wěn)定;最后通過調(diào)節(jié)螺栓來固定。鉆機(jī)造孔過程中可通過測(cè)斜儀進(jìn)行孔內(nèi)測(cè)斜控制鉆孔偏差。
(2)合理配置穩(wěn)定鉆桿,保證導(dǎo)孔鉆進(jìn)不偏離。
①開孔前對(duì)合金穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行測(cè)量,選取與鉆頭直徑相同的穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行配置,以保證鉆頭與鉆桿同心,確保鉆孔的精度。
②配置時(shí)可采取新鉆頭配新的穩(wěn)定鉆桿,舊鉆頭配舊的穩(wěn)定鉆桿,并要求直徑一致。當(dāng)穩(wěn)定鉆桿磨損較大時(shí)(直徑小于標(biāo)準(zhǔn)孔徑10mm以上),則應(yīng)更換新鉆桿。
③穩(wěn)定鉆桿的配置采取鉆頭后連續(xù)裝7根穩(wěn)定鉆桿,以后根據(jù)實(shí)際施工需要進(jìn)行配置。
④后面的穩(wěn)定鉆桿在直井和破碎地層中可以不考慮放置或少放置(間隔80~100m)。
(3)合理控制鉆壓、鉆孔速度。參考以往施工經(jīng)驗(yàn),初步擬定的導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)見表4。
表4 導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)
①開孔鉆進(jìn)。待主機(jī)、油泵及操作系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒,檢查泥漿泵管路是否與主機(jī)相連、主油泵的循環(huán)冷卻系統(tǒng)是否調(diào)試完成且鉆孔中心及鉆孔角度經(jīng)校核均準(zhǔn)確無(wú)誤后,方可開孔。開孔鉆進(jìn)時(shí),啟動(dòng)泥漿泵供洗井液至孔內(nèi),采用慢轉(zhuǎn)速、低鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn),利用開孔扶正器和開孔鉆桿配合開孔,開孔深度一般宜在10~15m,開孔后,即可按正常鉆壓鉆進(jìn),隨后將開孔鉆桿和扶正器提出,清洗擦上油后保存。
②導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)各方面必須全力配合,必須做到以下5點(diǎn):
a.一般情況下,導(dǎo)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速應(yīng)高于開孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速,所以應(yīng)調(diào)節(jié)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速,可以用Ⅱ檔。一般情況下,對(duì)于松軟地層、過渡地層和破碎地層采用低鉆壓低轉(zhuǎn)速,采用鉆進(jìn)參數(shù)表內(nèi)的下限值;對(duì)于硬巖和穩(wěn)定地層宜采用高鉆壓高轉(zhuǎn)速,取鉆進(jìn)參數(shù)表內(nèi)的上限值。
b.離鉆透下水平通道3m左右,逐漸降低鉆壓。
c.一根鉆桿完成后,沖洗2~3min,必須等孔內(nèi)的巖屑全部排出后,才能停泵接卸鉆桿。
d.導(dǎo)孔鉆透后,停止泥漿(水)循環(huán),但鉆機(jī)不能停轉(zhuǎn),開始向孔與鉆桿之間加清水,直到鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、扭矩變化不大時(shí)才能停鉆。
e.在整個(gè)導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中,不得中途出現(xiàn)停電、停水等情況,否則會(huì)導(dǎo)致卡鉆等惡性事故發(fā)生。
(4)對(duì)不良地質(zhì)段進(jìn)行加固處理。由于導(dǎo)孔在鉆進(jìn)過程中,鉆桿遇軟巖會(huì)發(fā)生偏斜,造孔過程中遭遇不良地質(zhì)段可通過設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)圖、造孔速度的變化、造孔返渣、返水情況進(jìn)行判斷,具體灌漿方法為在現(xiàn)場(chǎng)制備0.4~0.55水灰比的水泥砂漿,可通過灌漿設(shè)備或人工輸送漿液的方法對(duì)不良地質(zhì)段進(jìn)行固孔。
基于2號(hào)豎井上述特殊的地質(zhì)情況,導(dǎo)孔施工過程中會(huì)難免出現(xiàn)塌孔、卡鉆、導(dǎo)孔偏心等異?,F(xiàn)象,為確保在上述情況出現(xiàn)后,能夠迅速地做出反應(yīng),導(dǎo)孔施工前需預(yù)先擬定針對(duì)性措施。
(1)塌孔處理。這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在斷層、破碎帶和松軟礫石層,一般表現(xiàn)為循環(huán)水正常,嚴(yán)重時(shí)循環(huán)水減少或堵塞,鉆進(jìn)扭矩增大,水泵壓力上升,此時(shí)應(yīng)立即提鉆,然后再試探性鉆井,并用手扶住鉆桿,此時(shí)可感覺到井底碎石與鉆頭接觸情況,據(jù)此決定是否改清水鉆進(jìn)為泥漿鉆進(jìn),并確定泥漿的參數(shù)以護(hù)壁。如系中間某處塌孔,應(yīng)立即邊旋轉(zhuǎn)邊提升至塌孔上部;如遇巖塊阻卡導(dǎo)向器,可上下竄動(dòng),不可強(qiáng)行提鉆,待浮石松動(dòng)后再徐徐掃孔,認(rèn)為可繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)再將鉆頭下到孔底。否則亦應(yīng)采用混漿護(hù)壁,此后方可正常鉆進(jìn)。
(2)導(dǎo)向器被卡。此種故障多出現(xiàn)于膨脹性巖層破碎帶和煤層中,此時(shí)扭矩增大。遇此情況也要進(jìn)行動(dòng)鉆提升,掃孔后繼續(xù)鉆進(jìn),在一定時(shí)間內(nèi)再行提鉆掃孔,并根據(jù)地層情況決定采用泥漿或清水鉆進(jìn)。若用泥漿鉆進(jìn),應(yīng)確定合理的泥漿參數(shù)。亦可在該段設(shè)置寬導(dǎo)向器護(hù)壁。
(3)鉆桿內(nèi)孔堵塞。此時(shí)只有將全部鉆具提出井外進(jìn)行疏通,且應(yīng)注意的是當(dāng)鉆桿停轉(zhuǎn)時(shí)要將鉆頭提升至離孔底0.5m以上,以防孔底巖屑繼續(xù)堵孔。此外接鉆桿的時(shí)間應(yīng)控制在5min之內(nèi)。
(4)循環(huán)水流失。鉆進(jìn)中無(wú)循環(huán)水返回時(shí)可停鉆注水,如注入一定水量后正常,說明溶洞或裂隙與外界無(wú)水力聯(lián)系或聯(lián)系不大,此時(shí)可繼續(xù)鉆進(jìn);如果循環(huán)水流失過多,而鉆進(jìn)扭矩又大,說明巖渣向孔底堆積,此時(shí)應(yīng)增加輔助壓氣管協(xié)助排渣。當(dāng)鉆孔與外界水源相通,且水位高于鉆孔,循環(huán)水量增加,如壓力不大,流量恒定,但排渣不暢,亦可采用壓氣排渣;如流量較大,壓力很高,應(yīng)立即停鉆封孔。
在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由于塌孔、水壓力不夠、停電等導(dǎo)致孔內(nèi)石渣滯留堆積后出現(xiàn)卡鉆,或是導(dǎo)孔、擴(kuò)孔施工過程中鉆桿斷裂后鉆桿、鉆頭滯留在孔內(nèi)。這些情況處理起來相當(dāng)困難,且發(fā)生的頻率也較多,是反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的難點(diǎn)及重點(diǎn)。
(1)擴(kuò)孔過程中的掉鉆。在擴(kuò)孔過程中,由于鉆桿斷裂,如果擴(kuò)孔鉆頭卡在已擴(kuò)挖成形的孔內(nèi),此時(shí)若從下面處理非常危險(xiǎn),所以從上面導(dǎo)孔中進(jìn)行。第一種方法:將鉆桿接上后采取鉆桿對(duì)鉆頭施加壓力使其自然墜落至下平洞。第二種方法:在孔口通過鋼絲繩將炸藥送入鉆頭卡住部位,引爆后將鉆頭震落至下平洞。該方法每次炸藥用量控制在5~8kg,對(duì)鉆頭不會(huì)構(gòu)成大的損傷。
(2)導(dǎo)孔施工過程中的鉆桿斷裂。部分長(zhǎng)期使用的鉆桿在導(dǎo)孔鉆進(jìn)及擴(kuò)孔過程中可能會(huì)發(fā)生斷裂。反井鉆機(jī)單根鉆桿長(zhǎng)度為1m,重達(dá)180kg。在鉆桿斷裂后,如果不將鉆桿取出,那么一方面要丟失鉆桿、鉆頭,造成經(jīng)濟(jì)損失;另一方面還得重新造孔,有些特殊部位還不允許重新造孔。因此如何打撈鉆具成了反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的一個(gè)難題。為此我們借鑒了公司其他項(xiàng)目發(fā)明的一種鉆桿打撈器,鉆桿打撈器的原理與膨脹螺栓原理相同,其上部與鉆桿呈直螺紋連接,下部為錐形套,前進(jìn)過程中可以直接進(jìn)入已斷裂鉆桿的內(nèi)壁;進(jìn)入內(nèi)壁后,在打撈器提升過程中錐形套會(huì)張開,與斷裂鉆桿內(nèi)壁緊緊連接,越拉越緊,然后通過打撈器將孔內(nèi)鉆桿提升到孔口用夾釬器固定后逐一取出鉆桿。該打撈器一次能提升40t以上的重量,即能提取200m以上的鉆桿長(zhǎng)度,基本能滿足取鉆要求。鉆桿打撈器見圖4。
圖4 鉆桿打撈器示意
(1)循環(huán)鉆灌成孔法。灌漿材料及配合比:灌漿材料采用 P.042.5普通硅酸鹽水泥。使用的漿液配比為:普通水泥漿液,水灰比0.5∶1;封孔水泥砂漿,水灰比為0.25∶1∶0.5(水∶水泥∶砂)。
灌漿壓力:2號(hào)豎井采用無(wú)壓自流灌漿施工,利用水泥漿自重和流動(dòng)性填滿裂隙,進(jìn)行固壁。
循環(huán)鉆灌法:在鉆孔過程中遇到斷層、裂隙、溶溝、溶槽或軟弱夾層等地質(zhì)不良段,在鉆進(jìn)過程中不同程度地出現(xiàn)孔口不返水排渣現(xiàn)象,均采用循環(huán)鉆灌法進(jìn)行處理。
將導(dǎo)孔鉆桿上提至不良地質(zhì)帶以上范圍,利用制備的0.5∶1水泥漿,通過污水泵或人工自流輸送漿液的方法對(duì)鉆頭以下部分進(jìn)行灌注,以填充斷層、裂隙、溶溝、溶槽,后采用水泥砂漿封孔。灌注漿液24h后掃孔,恢復(fù)鉆孔施工。此方法實(shí)施過程中需反復(fù)取鉆、灌漿、掃孔,直至導(dǎo)孔口正常返水排渣。
這個(gè)方法實(shí)施較為安全可靠,但由于要反復(fù)取鉆、灌漿,對(duì)施工進(jìn)度影響較大。
(2)強(qiáng)行成孔法。該方法適合于斷層、裂隙帶范圍不大,且處于豎井及斜井的深孔帶。該方法就是在豎井及斜井孔深超過100m后,在遇到斷層、裂隙出現(xiàn)孔口不返水時(shí),繼續(xù)鉆進(jìn)并不斷地用泥漿泵向孔內(nèi)壓水,直至孔口返水。該方法的特點(diǎn)是利用水壓力將鉆孔時(shí)的積渣強(qiáng)行通過裂隙、斷層或孔口排除并堵塞裂隙中的滲水通道。對(duì)加快施工進(jìn)度方面非常有效。
實(shí)際施工中可根據(jù)情況酌情采用兩種方法。
由于已有實(shí)際工程中關(guān)于砂化地質(zhì)情況下豎井施工實(shí)例較少,為論證砂化地質(zhì)條件下反井鉆機(jī)的可鉆性,對(duì)LM-200反井鉆機(jī)在已有工程不同地質(zhì)情況下的實(shí)際鉆進(jìn)情況進(jìn)行了收集(見表5)。
表5 不同巖性可鉆性統(tǒng)計(jì)
反井鉆機(jī)在含泥灰?guī)r地帶可鉆性較好,玄武巖地帶次之,花崗巖最差??傮w來說,軟巖地帶造孔條件最好,巖石硬度加大,造孔難度加大。坪頭水電站2號(hào)豎井圍巖為砂化細(xì)晶白云巖,參照上述分析,可鉆性良好,施工過程中可能遭遇的不利情況是由于不利地質(zhì)情況而造成的塌孔以及卡鉆現(xiàn)象。
按一次鉆孔考慮,豎井各段反映的實(shí)際鉆進(jìn)速率波動(dòng)較大,反映出2號(hào)豎井巖性極不均勻。具體單次鉆孔累計(jì)耗時(shí)與鉆孔深度關(guān)系曲線與不同深度下的鉆孔速率曲線見圖5、6。
圖5 單次鉆孔累計(jì)耗時(shí)與鉆孔深度曲線關(guān)系
圖6 鉆孔深度與鉆孔速率關(guān)系
由圖5、6可知,在砂化地質(zhì)條件下,LM-200反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔施工具有如下特點(diǎn):
(1)在同圍巖類別不同段情況下的鉆孔速率差別較大,如2號(hào)豎井30~50m段及130~144.9m段,雖然同為Ⅳ類圍巖,但鉆孔平均速率卻為26.56cm/h和198cm/h。
(2)在同圍巖類別同段情況下,砂化豎井下的Ⅳ、Ⅴ類圍巖鉆孔速率波動(dòng)較大,如Ⅴ類圍巖的70~130m段。
(3)砂化地質(zhì)條件下進(jìn)行固結(jié)灌漿處理后,導(dǎo)孔的鉆進(jìn)速率明顯增大。
由上可見,砂化地質(zhì)條件下的導(dǎo)孔施工受砂化現(xiàn)象影響較大。由于2號(hào)豎井砂化地質(zhì)條件下的細(xì)晶白云巖巖體中結(jié)構(gòu)面普遍充填溶蝕“砂化”后的粉砂土,巖體局部或普遍呈散體結(jié)構(gòu)的“砂包石”狀,粉砂土結(jié)構(gòu)易造成塌孔現(xiàn)象,小的砂包石結(jié)構(gòu)易造成卡鉆,大的砂包石結(jié)構(gòu)圍巖硬度會(huì)突然增大,進(jìn)而影響鉆孔速率。
2號(hào)豎井φ216mm先導(dǎo)孔于2008年9月10日開始施工,2008年10月9日施工結(jié)束。2號(hào)豎井反導(dǎo)井施工自2008年10月23日開始,2008年11月28日結(jié)束,歷時(shí)37天,平均擴(kuò)井速度3.9m/d。施工過程中的相關(guān)情況見表6。
依據(jù)表6擬合出的2號(hào)豎井反導(dǎo)孔施工時(shí)間與進(jìn)度關(guān)系曲線見圖7。
2號(hào)豎井φ1400mm反導(dǎo)井卡鉆一次,鉆頭損壞3次。
反井鉆機(jī)安裝計(jì)劃15天,實(shí)際12天完成;φ216mm先導(dǎo)孔施工計(jì)劃50天完成,實(shí)際施工30天;φ1400mm導(dǎo)井開挖計(jì)劃18天,實(shí)際施工37天;鉆機(jī)拆除計(jì)劃為10天,實(shí)際用時(shí)7天。實(shí)際施工符合進(jìn)度計(jì)劃安排。
表6 施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)
圖7 2號(hào)豎井反導(dǎo)孔施工時(shí)間與進(jìn)度關(guān)系曲線
坪頭水電站2號(hào)豎井高差大,地質(zhì)條件差,為了滿足施工要求、加快施工進(jìn)度選用先開挖導(dǎo)井再進(jìn)行擴(kuò)挖的施工方法。在砂化地質(zhì)條件下鉆孔,卡鉆、不返水等情況時(shí)有發(fā)生,通過采取各種措施進(jìn)行處理,保證了工程正常施工;通過對(duì)鉆進(jìn)過程中采用導(dǎo)孔精度控制手段完成了導(dǎo)井的開挖。對(duì)于在砂化等不良地質(zhì)條件下反井鉆機(jī)的成功運(yùn)用,擴(kuò)大了反井鉆機(jī)使用的范圍。
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