吳文兵

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

本工程厄瓜多爾MINAS水電站位于南美洲厄瓜多爾第三大城市昆卡西南方向，大壩距昆卡公路里程92 km。主要建筑物有：大壩、地下廠房、引水洞、變電站、壓力豎井、通風(fēng)電纜井等。但壓力豎井和通風(fēng)電纜井這兩條豎井的深度均在450米左右，開挖斷面直徑分別為Ф5.5米、Ф6.0米，是本工程的施工難點(diǎn)，通過技術(shù)人員對(duì)傳統(tǒng)施工方法與反井鉆全斷面一次成型的施工方法進(jìn)行綜合分析對(duì)比，并經(jīng)專家評(píng)審，確定采用反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井的全斷面一次擴(kuò)挖成型方案。

2 設(shè)備選型

由于壓力豎井的壓力鋼管和通風(fēng)電纜井設(shè)置電梯的要求，兩條豎井的偏斜率必須小于千分之一，通過當(dāng)?shù)刈稍?、現(xiàn)場考察設(shè)備、業(yè)績了解，最終就近選用秘魯Master Drilling MaIta Limited公司的71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)進(jìn)行先導(dǎo)孔施工、RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)進(jìn)行全斷面反擴(kuò)施工。

3 71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

（1）71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)現(xiàn)場圖片，見圖1。該鉆機(jī)采用了國際上較為先進(jìn)的兩柱三缸結(jié)構(gòu)形式。

其擁有以下特點(diǎn)：（1）整體剛性、承載能力強(qiáng)。（2）由兩個(gè)圓形導(dǎo)向立柱導(dǎo)向。（3）三只垂直主推油缸的中心線在同一圓周上均布，其在同一水平面的中心連線為一等邊三角形，三角形的幾何中心就是鉆機(jī)回轉(zhuǎn)中心，而驅(qū)動(dòng)頭、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主驅(qū)電機(jī)的重心也在鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)中心上，所以三只垂直主推液壓缸在鉆進(jìn)過程中對(duì)鉆柱施加的力較為平均，致使鉆機(jī)鉆進(jìn)穩(wěn)定性好，導(dǎo)孔精度高。

圖1

（2）71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)主機(jī)部分至下而上由鉆機(jī)支撐梁、水平液壓缸、撐靴、鉆機(jī)底座、圓形導(dǎo)向立柱、垂直主推液壓缸、驅(qū)動(dòng)頭、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主驅(qū)電機(jī)等組成。

（3）鉆機(jī)支撐梁由兩棵承載梁、端部連接構(gòu)件組成，通過高強(qiáng)度鉸制孔螺栓連接而成，安裝在按技術(shù)要求澆筑的混凝土基礎(chǔ)面上，下部通過預(yù)埋螺栓與混凝土基礎(chǔ)連接，上部與撐靴通過高強(qiáng)度鉸制孔螺栓連接，鉸制孔螺栓的作用是防止鉆進(jìn)過程中因振動(dòng)而使鉆機(jī)支撐架與撐靴間產(chǎn)生滑移，影響導(dǎo)孔精度。

（4）鉆機(jī)支撐梁上平面（與撐靴的結(jié)合面及水平液壓缸行程范圍內(nèi)與撐靴的結(jié)合面）都是在金結(jié)加工廠焊接成型并經(jīng)過整體刨削加工后運(yùn)到現(xiàn)場，所以安裝鉆機(jī)支撐架時(shí)，必須在刨削加工面四個(gè)角選點(diǎn)測量（高差嚴(yán)格按安裝說明書要求測量控制）。

（5）兩只水平液壓缸分別水平安裝在兩棵鉆機(jī)支撐梁上，一端與梁鉸接，另一端與鉆機(jī)底座鉸接，當(dāng)需要吊10米長的定向鉆桿到井眼里時(shí)，利用這兩只水平液壓缸水平推動(dòng)鉆機(jī)，待定向鉆桿放入后，再將鉆機(jī)回位。

（6）兩個(gè)撐靴的下平面也是經(jīng)過精刨削加工，上與鉆機(jī)底座通過圓柱銷連接。撐靴上的圓柱銷孔是以刨削面為基準(zhǔn)進(jìn)行加工的，所以刨削面的精度直接影響圓柱銷孔的加工精度。撐靴上部圓柱銷孔和鉆機(jī)底座下部的圓柱銷孔的加工精度及孔軸配合公差的選擇對(duì)整個(gè)鉆機(jī)的垂直度有較大影響。

（7）鉆機(jī)底座上與三只垂直主推液壓缸的活塞桿頭部鉸接，同時(shí)又與兩只圓形導(dǎo)向立柱下端通過高強(qiáng)度內(nèi)六角螺栓連接，每只圓形導(dǎo)向立柱與鉆機(jī)底座的水平基準(zhǔn)面的垂直度要求高，是先導(dǎo)孔鉆機(jī)在豎井鉆進(jìn)時(shí)確保井眼軌跡垂直水平面的關(guān)鍵部件。為了防止鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中因振動(dòng)而使導(dǎo)向立柱與鉆機(jī)底座的結(jié)合面產(chǎn)生滑移，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)①采用柱、孔間隙配合結(jié)合方式（就是通常說的止口），防止兩連接件的徑向相對(duì)滑移。②在兩接觸面采用端面徑向齒結(jié)合方式，防止兩連接件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，目的是減小高強(qiáng)度連接螺栓受剪切應(yīng)力。兩只導(dǎo)向立柱上端，用弧形板連接，形成框型結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性大大提高，導(dǎo)向性能更加良好。垂直主推油缸的缸筒通過半圓形壓蓋用高強(qiáng)度螺栓與減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外殼的半圓座固定在一起，同時(shí)連接處缸筒外圓柱面加工的圓形凸臺(tái)、而減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外殼的半圓座和半圓形壓蓋的內(nèi)圓柱面加工的環(huán)形凹槽，使減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外殼與缸筒固定為一體，從而實(shí)現(xiàn)垂直主推液壓缸提供鉆壓和提升鉆具的目的。圓形導(dǎo)向立柱也是通過半圓形壓蓋用高強(qiáng)度螺栓與減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外殼的半圓座固定在一起，特點(diǎn)：①壓蓋與半圓座的結(jié)合面采用齒型結(jié)合（齒向與運(yùn)動(dòng)方向垂直），目的是減小高強(qiáng)度連接螺栓的剪切應(yīng)力。②壓蓋與半圓座內(nèi)圓柱面加工了環(huán)形凹槽，目的是限制半圓形導(dǎo)向襯環(huán)移動(dòng)。③采用自動(dòng)定量供油潤滑裝置和手動(dòng)注油兩種方式相結(jié)合，確保潤滑的可靠性。

（8）驅(qū)動(dòng)頭下與鉆具螺紋連接，上與減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出端相連，是傳遞扭矩和承擔(dān)鉆具重量的主要部件。特點(diǎn)：①采用帶浮動(dòng)量的驅(qū)動(dòng)頭，裝卸鉆桿時(shí)使鉆桿上、下浮動(dòng)，以免由于主軸的升降速度與螺距不一致而損壞螺紋。②驅(qū)動(dòng)頭的外齒套上設(shè)計(jì)了反向棘輪，配合輔助卸桿器拆卸鉆桿。

（9）減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用：①傳遞扭矩。②按設(shè)定傳動(dòng)比降低轉(zhuǎn)速。同時(shí)鉆井液入口也設(shè)計(jì)在其機(jī)體下端。

（10）該鉆機(jī)是電動(dòng)型導(dǎo)孔鉆機(jī)，鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源是主驅(qū)電機(jī)。主要參數(shù)：電壓等級(jí)460V；頻率60Hz；電機(jī)功率250kW。采用變頻技術(shù)，使驅(qū)動(dòng)頭獲取不同的轉(zhuǎn)速，滿足鉆進(jìn)需要。

（11）71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)主要配套設(shè)施有液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、鉆井液供給回收系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、鉆具安裝拆卸系統(tǒng)（全液壓機(jī)械手）、電器控制系統(tǒng)、主要參數(shù)（主推力、轉(zhuǎn)速、扭矩）顯示系統(tǒng)、各種鉆具及擺放平臺(tái)等。

4 RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

（1）RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)現(xiàn)場圖片，見圖2。

（2）RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)主機(jī)部分至下而上由鉆機(jī)支撐梁、撐靴、鉆機(jī)底座、螺旋頂、垂直主推液壓缸、驅(qū)動(dòng)頭、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主驅(qū)電機(jī)等組成。

（3）RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)與71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)對(duì)比其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下幾方面：①四只垂直主推液壓缸在同一水平面的中心線連線為一矩形，其幾何中心就是驅(qū)動(dòng)頭的回轉(zhuǎn)中心。②四只垂直主推液壓缸的活塞桿頭部與鉆機(jī)底座連接，連接方式與71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)的圓形導(dǎo)向立柱與底座的連接方式相同；四只垂直主推液壓缸的缸筒與減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接方式與71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)的連接方式相同；四只垂直主推液壓缸的缸筒頂部用連接板通過高強(qiáng)度螺栓連接成整體，加強(qiáng)了鉆機(jī)的整體剛性。③增加了調(diào)節(jié)鉆機(jī)水平的螺旋頂。④電機(jī)功率加大到400kW。⑤為了獲取大扭矩，改變了減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式，71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)是同軸傳動(dòng)，即電機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心線與驅(qū)動(dòng)頭的回轉(zhuǎn)中心線重合。而RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)是偏心傳動(dòng)，即電機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心線與驅(qū)動(dòng)頭的回轉(zhuǎn)中心線有偏心距。

圖2

5 偏斜測量方式

（1）先導(dǎo)孔鉆進(jìn)階段是反井鉆機(jī)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，及時(shí)、準(zhǔn)確掌握先導(dǎo)孔偏斜率的大小是該環(huán)節(jié)的重點(diǎn)。71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)在鉆進(jìn)中采用機(jī)械式無線隨鉆測斜儀測量導(dǎo)孔偏斜。該測斜儀主要參數(shù)及特點(diǎn)：測量精度0.5度，井斜測量范圍0～10度，最高工作溫度260度，最大工作井深達(dá)7000米，一次測斜時(shí)間3～5min，隨鉆測斜，完全能夠滿足深井和超深井的測斜需要。

（2）機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的工作原理：通過測量機(jī)構(gòu)測得井斜信息，由控制機(jī)構(gòu)傳遞給脈沖信號(hào)發(fā)生裝置。該裝置發(fā)出的信號(hào)通過鉆井液以壓力脈沖的形式傳到地面，立管上的壓力傳感器接收到的脈沖信號(hào)由電子記錄儀處理信號(hào)后顯示偏斜大小。機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的井下部分是近鉆頭安裝在內(nèi)孔經(jīng)特殊加工的專用鉆鋌中。

6 偏斜控制

導(dǎo)孔偏斜是反井法施工常見的現(xiàn)象。導(dǎo)致偏斜的主要原因除了操作人員的技術(shù)水平、鉆機(jī)的施工工藝、鉆井設(shè)備的性能等主觀因素外，客觀因素有鉆頭載荷、鉆桿作用、巖層特性等。

6.1 防止偏斜措施

（1）鉆機(jī)安裝基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量必須按嚴(yán)格技術(shù)要求施工，地腳螺栓必須錨固可靠，高強(qiáng)度連接螺栓必須按扭矩要求緊固，確保鉆機(jī)整體剛性良好。

（2）開孔時(shí)用短穩(wěn)定開孔鉆桿、低鉆壓、慢轉(zhuǎn)速、確保開孔精度。

（3）鉆進(jìn)時(shí)合理布置穩(wěn)定鉆桿、使用合理鉆壓和轉(zhuǎn)速。

（4）合理選擇鉆井液，確保洗井質(zhì)量。

（5）了解巖層特性，根據(jù)不同的巖層特性制定不同的施工工藝等。

6.2 現(xiàn)場糾偏措施

由于71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)采用機(jī)械式無線隨鉆測斜儀，能夠及時(shí)掌握偏斜大小，當(dāng)偏斜大小接近極限時(shí)，就采用特制定向鉆桿進(jìn)行糾偏。

6.2.1 特制定向鉆桿

現(xiàn)場圖片，見圖3。

圖3

6.2.2 特制定向鉆桿特點(diǎn)

（1）整體剛性好，總長10米，重量是等長鉆具的五倍左右。

（2）鉆頭與鉆桿剛性連接，鉆頭擺動(dòng)小。

（3）近鉆頭端鉆桿內(nèi)裝有機(jī)械式無線隨鉆測斜儀，可以隨時(shí)測得糾偏效果。

（4）鉆桿外圓周上加工了兩段剛性螺旋扶正器（一段離鉆頭0.5米左右，一段離鉆桿尾部2米左右），剛性螺旋扶正器外徑比鉆頭外徑小2～3毫米（穩(wěn)定鉆桿的外徑比鉆頭外徑小4～6毫米），同時(shí)在兩只剛性扶正器間離鉆桿尾部3.5米左右設(shè)置了彈性扶正器，大大提高了定向精度。

（5）該鉆桿的外圓柱面是以鉆頭的中心為中心，通過大型超長車床一次加工成型，確保了特制定向鉆桿的同心度要求。

6.3 特制定向鉆桿的操作步驟

（1）發(fā)現(xiàn)偏斜即將超限后，利用鉆井液清洗底部鉆屑。

（2）取出鉆具。

（3）卸下鉆機(jī)支架梁與撐靴連接的高強(qiáng)度鉸制孔螺栓，利用水平液壓缸移動(dòng)鉆機(jī)。

（4）往先導(dǎo)孔內(nèi)灌注一級(jí)配強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土或水下混凝土，利用混凝土自身重力到達(dá)井底，等強(qiáng)后將特制定向鉆桿吊入先導(dǎo)孔內(nèi)，并用專用夾具鎖在混凝土基礎(chǔ)面上。

（5）利用水平液壓缸回移鉆機(jī)，安裝并擰緊鉆機(jī)支架梁與撐靴連接的高強(qiáng)度鉸制孔螺栓。

（6）按要求配置穩(wěn)定鉆桿，將特制定向鉆桿下到偏斜處，采用慢轉(zhuǎn)速、低鉆壓（根據(jù)鉆進(jìn)速度和測量的偏斜大小調(diào)整鉆壓）鉆進(jìn)，直至偏斜大小在要求范圍內(nèi)。

（7）取出特制定向鉆桿，有時(shí)要兩次、甚至多次重復(fù)以上步驟才能完成糾偏。

7 結(jié)語

厄瓜多爾MINAS水電站的壓力豎井和通風(fēng)電纜井井深均為450米左右，在國內(nèi)外均屬超深豎井之列，且國內(nèi)類似超深豎井采用全斷面一次性反擴(kuò)成型也見之甚少，最終壓力豎井導(dǎo)井貫通后實(shí)際偏差為萬分之一，通風(fēng)電纜豎井貫通后實(shí)際偏差為萬分之九。本文通過對(duì)現(xiàn)場選用的71RM先導(dǎo)鉆機(jī)和RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)、偏斜測量方式、具體糾偏方法的描述，更加深入地了解了國際水平的反井鉆機(jī)，同時(shí)促進(jìn)了反井鉆機(jī)的選型。