張云飛，曹 暢，張 琦

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2.中國電力財務有限公司，北京市 100005）

0 引言

水電工程建設過程中，有大量的豎井、斜井工程，與其相應的導井工程施工具有巖石硬、長度大、偏斜率要求高的特點。傳統(tǒng)的施工方式一般采用吊罐或爬罐法施工，這些施工方法存在安全風險大、施工周期長、質量控制難度大等缺點。從1992年4月北京十三陵抽水蓄能電站首次引進反井鉆機技術以來，后續(xù)的水電工程豎井、斜井施工中，反井鉆機施工技術展現(xiàn)出安全、快速、高質量等多方面優(yōu)勢[1]。

1 反井鉆施工工藝

反井鉆的施工工序一般分為兩道，即導孔鉆進和擴孔鉆進。首先從豎井或者斜井上部的施工通道從上往下進行導孔鉆進，鉆機將旋轉扭矩和壓力作用在鉆頭上，鉆頭對巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓或者刮削作用，將巖石從巖體上分離出來，形成圓形的鉆孔，一般鉆機利用泥漿泵通過漿液循環(huán)將巖屑排出[8]。在鉆孔和下部巷道貫通后，拆掉導孔鉆頭換上擴孔鉆頭，通過反井鉆機產(chǎn)生的拉力形成破巖鉆壓，在鉆機旋轉的作用下，破碎巖石，形成導井[2]，如圖1所示。

圖1 反井鉆原理示意圖Figure 1 The working principle of raise reaming machine

導井的直徑一般有1m、1.4m、2m和2.5m等，隨著技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在水電工程中應用較多的一般是2.5m直徑的導井，一方面因為施工效率較高，另一個方面因為后期擴挖過程中能夠保證溜渣順利，降低堵井的可能性[4]。已有工程中應用的反井鉆機包括國外設備TR3000，國產(chǎn)設備LM-200、BMC200、BMC300、BMC400、BMC600等。隨著國產(chǎn)設備的不斷發(fā)展，目前工程應用較多的為國產(chǎn)BMC系列設備，與之相配套的設備還包括TDX-50定向鉆等。

2 反井鉆施工效率影響因素分析

水電工程中豎井、斜井的開挖一般均為工程管理過程中的重點，施工質量要求高，安全風大，進度控制嚴格。在實際施工過程中，影響反井鉆機施工效率的因素主要包括工程地質、井深、導井直徑、傾角等。

2.1 工程地質對反井鉆施工效率影響

工程地質對反井鉆施工的影響主要表現(xiàn)在礦物屬性、地質年代、巖石類型、地質構造、水文條件、瓦斯因素等方面[5]。結合水電工程中豎井、斜井所在位置地質情況看，反井鉆施工效率主要受到礦物屬性、巖石類型和地址構造三個方面影響。一般情況下，水電工程中巖石硬度大，對鉆頭磨損較為嚴重，在導孔開挖過程中需要采用耐磨性較強的鉆頭，擴孔鉆進過程中，破巖滾刀消耗較大；變質巖為主的部位鉆進效率低，沉積巖為主的部位容易卡鉆；針對不同地質構造中存在的節(jié)理、裂隙、層理、斷層、陷落柱等地質缺陷，容易造成鉆孔傾斜，進而加大測斜和糾偏的工作量。

2.2 井深對反井鉆施工效率影響

豎井、斜井井深不同對應施工難度差異性較大。如抽水蓄能工程的引水系統(tǒng)中斜井或豎井的長度一般在300m以上，導孔開挖過程中，動力傳導過程中損耗大，對鉆桿扭矩要求高，同理在反拉過程中也存在這些問題。另外，反拉鉆進過程中對刀盤的穩(wěn)定性和扭矩都要求較高，這些因素都會使反井鉆施工效率降低。

2.3 傾角對反井鉆施工效率影響

水電工程中，洞軸線與水平夾角在25°～75°的地下洞室開挖為斜井開挖，洞軸線與水平夾角大于75°，深度大于上口短邊長度或者直徑的地下洞室開挖工程為豎井開挖[3]。傾角不同時，導井開挖難度差異較大，主要表現(xiàn)在下鉆難度隨傾角變小加大，偏斜控制難度加大，量測及糾偏工作量與豎井開挖相比成倍增加。另外，開挖過程中，傾角越小，擴孔鉆進時出渣難度越大，大大降低了施工效率。目前水電工程斜井施工中，一般采用定向鉆配合反井鉆的施工工藝，先以定向鉆鉆導孔，視現(xiàn)場實際情況在反拉擴孔之前再添加一次正向擴孔，或以定向鉆完成導孔開挖后直接反拉鉆進形成導井[6]，主要目的就是為了保證斜井開挖偏斜率。

2.4 導井直徑對反井鉆施工效率影響

導井直徑的大小取決于反井鉆反拉刀盤的大小，隨著國產(chǎn)機械設備制造水平的不斷發(fā)展。導井直徑從最初的1m一直增大到現(xiàn)在普遍使用的2.5m。導井開挖直徑的增大，對設備質量、刀盤的制造技術、鉆桿技術參數(shù)都提高了要求，施工過程中由于刀盤穩(wěn)定性控制難度增大，反拉鉆進的效率會有一定的降低。但從整體上看，大直徑導井的開挖為導井后續(xù)的進一步擴挖打下了良好的基礎。部分工程采用導井直徑為1.4m的反井鉆機時，為防止后續(xù)擴挖導井過程中溜渣堵井，在導井開挖完成后需要進行兩次擴挖，即采用手風鉆自下而上先進行一次反向擴挖[7]，將導井直徑擴至3.5m（2m以上），再采用自上而下正向開挖一次擴挖至設計尺寸。這種施工工藝不僅使工期延長，由于加入反向開挖爆破作業(yè)，使施工安全風險加大。因此，部分水電工程已經(jīng)要求針對井深較大的斜井開挖，其導井直徑不得小于2m。

3 各影響因素對施工效率影響

已有研究中，關于工程地質對反井鉆施工效率影響的研究較多。水電工程中，反井鉆施工對應的巖石一般較為堅硬，對施工效率的影響為工程地質綜合作用的結果，不易做量化分析。本文收集了十三陵、大朝山、溪洛渡、山東沂蒙、福建廈門等7個電站中地質情況相近的35條斜豎井施工效率資料，通過以井深、傾角和導井直徑三個影響因素為自變量，導孔施工進尺速度和擴孔施工進尺速度為因變量，對表1所示五組關系進行研究。

表1 施工效率影響因素分析表Table 1 Analysis table of factors affecting construction efficiency

3.1 井深對反井鉆施工效率的影響

選取豎井樣本進行分析，如表2所示。

表2 導孔進尺速度與井深關系數(shù)據(jù)表Table 2 The data table of drilling speed and depth

以自變量井深為橫軸，因變量導孔進尺速度為縱軸，關系如圖2所示。

圖2 導孔進尺速度與井深關系圖Figure 2 The relationship diagram of drilling speed and depth

續(xù)表

從圖2中可以看出，當井深由70m增加至130m時，導孔進尺速度出現(xiàn)明顯下降，且隨著井深的增加，導孔進尺速度不斷降低，到達200m附近時，呈明顯下降趨勢。由此認為，井深增加到一定程度時，施工過程中的不確定性對施工導孔進尺速度的影響突變，施工效率明顯降低。

對擴孔進尺速度與井深的研究選取表3所列豎井樣本。

表3 擴孔進尺速度與井深關系數(shù)據(jù)表Table 3 The data table of reaming speed and depth

同樣，擴孔進尺速度與井深的關系如圖3所示。

由圖3可見，70m以下范圍內，隨著井深的增加，擴孔進尺速度未呈現(xiàn)出較為明顯的趨勢變化。擴孔深度在130～150m的范圍內時，與70m左右井深的擴孔進尺速度相比，施工效率呈跳躍式下降，200m以上井深下降趨勢亦明顯，整體變化趨勢與井深對導孔施工效率的影響大體一致。

圖3 擴孔進尺速度與井深關系圖Figure 3 The relationship diagram of reaming speed and depth

3.2 傾角對反井鉆施工效率的影響

選取井深相近的斜井進行數(shù)據(jù)分析，如表4所示。

表4 導孔進尺速度與傾角關系數(shù)據(jù)表Table 4 The data table of drilling speed and dip-angle

以傾角為橫軸，導孔進尺速度為縱軸，得到如圖4所示關系。

圖4 導孔進尺速度與傾角關系圖Figure 4 The relationship diagram of drilling speed and dip-angle

如圖4所示，在井深和導井直徑保持一致的情況下，傾角越小，導孔進尺速度越慢，到90°豎井時，基本趨于穩(wěn)定。同理，在井深和導井直徑保持一致的情況下，選取有效數(shù)據(jù)樣本如表5所示。

表5 擴孔進尺速度與傾角關系數(shù)據(jù)表Table 5 The data table of reaming speed and dip-angle

以橫軸表示傾角，縱軸表示擴孔進尺速度，得到如圖5所示關系。

如圖5所示，斜井擴孔進尺速度普遍低于豎井，主要因為斜井施工過程中，量測校準等工作量較大，偏斜控制工作較多。從以上趨勢可以看出，傾角對導孔進尺速度影響比傾角對擴孔進尺速度影響較小，主要因為在反井鉆施工過程中，對于偏斜率的控制工作主要集中在導井開挖過程中，導井的施工質量對整個井的偏斜率影響占主要作用。

圖5 擴孔進尺速度與傾角關系圖Figure 5 The relationship diagram of reaming speed and dip-angle

3.3 導井直徑對反井鉆施工效率的影響

選取井深與傾角相近數(shù)據(jù)樣本，分析擴孔進尺速度與導井直徑關系，數(shù)據(jù)表如表6所示。

表6 擴孔進尺速度與導井直徑關系數(shù)據(jù)表Table 6 The data table of reaming speed and diameter

以導井直徑為橫軸，擴孔進尺速度為縱軸，得到二者關系如圖6所示。

由圖6可以看出，當導井直徑由1.4m增加到2m時，擴孔進尺速度大幅度減小。且導井直徑為1.4m的樣本平均擴孔進尺速度明顯大于導井直徑為2m樣本的擴孔進尺速度。由此認為，導井直徑越大，施工難度隨之增加，擴孔速度也就隨之減小。從以上的研究可以得出結論如表7所示。

表7 施工效率影響因素結論表Table 7 Conclusion table of factors influencing construction efficiency

圖6 擴孔進尺速度與導井直徑關系圖Figure 6 The relationship diagram of reaming speed and diameter

以上分析旨在反映井深、傾角與導井直徑對反井鉆施工效率影響的關系，依據(jù)2004版《水電建筑工程預算定額》中的子目設置可以看出，定額子目考慮了傾角與導井直徑對施工效率的影響，但未納入井深因素。另外，現(xiàn)有定額中導井直徑最大為2m，隨著設備的不斷更新，應根據(jù)投入使用的最新設備參數(shù)對施工機械進行補充，并在定額子目中增補對應子目。

本文收集的部分施工樣本數(shù)據(jù)時間較早，由于施工機械不統(tǒng)一造成施工效率的變化因素也會對結果造成一定影響，因此本文只分析定性結論，為定額子目的后續(xù)增補框架設置提供思路，對于針對井深、傾角、導井直徑三個因素的區(qū)間合理劃分和定量數(shù)據(jù)結論尚需增加一定數(shù)量的數(shù)據(jù)樣本進行說明。

4 結論與展望

本文從工程地質、井深、傾角和導井直徑四個方面定性分析了反井鉆施工效率的影響因素。以導孔進尺速度和擴孔進尺速度作為衡量反井鉆施工效率的參數(shù)，結合實際工程數(shù)據(jù)樣本分析了井深、傾角、導井直徑對反井鉆施工效率的影響。為水電建筑定額反井鉆施工子目的完善和補充提供了建議。近年來，反井鉆施工技術在水電工程中應用更加廣泛，后續(xù)研究過程中應注意不斷補充完善工程數(shù)據(jù)樣本，定量分析不同因素對反井鉆施工效率的影響，為反井鉆施工預算定額的編制提供更多的參考和建議。