LM-120反井钻在水电站陡倾角斜井中的应用

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1、 LM-120 反井钻在柳洪水电站陡倾角斜井中的应用 资讯类型：资料库 加入时间：2009 年 12 月 14 日 9:56 LM-120 反井钻在柳洪水电站陡倾角斜井中的应用 李文成 1,许 锋 2 (1.四川美姑河水电开发有限公司,四川成都 610072;2.浙江广川建设有限公司,浙江诸暨 311800)摘 要:柳洪水电站地下压力管道长 924 m,包括 3 个平段、2 个斜段,其中下斜段斜井倾角 50,长约 281m。下斜段上下部分导井分别采用反井钻及人工开挖,通过改造钻机基架、控制钻速、合理使用稳定钻杆等措施,反井钻施工 50陡倾角斜井导洞 124 m,成孔向下偏斜仅 1.2 m,偏斜

2、率约为 1%。介绍了 LM-120 反井钻在水电站陡倾角钭井中的应用技术与实践。关键词:反井钻;陡倾角;斜井;孔斜控制;施工经验 中图分类号:TV211.2 文献标识码:B 文章编号:1008-701X(2005)06-0062-03 1 工程概况 柳洪水电站位于四川省凉山州美姑县柳洪乡境内,系金沙江一级支流美姑河下游尔其至柳洪沟口河段,闸址距美姑县城 55 km,电站安装 3 台混流式机组,装机容量 18 万 kW。本工程引水系统包括引水隧洞、调压室、压力管道,其中引水隧洞长约 10.218 km,压力管道长约 924 m。压力管道包括 3 个平段、2 个斜段。压力管道下斜段长约 281 m

3、,倾角 50,开挖直径 5 m。下斜段工程地质为奥陶系灰岩、砂质页岩夹页岩。管道垂直埋深 50100 m,水平埋深 140 m,岩体微风化至新鲜,多属类围岩,具备成洞条件。斜井反井钻技术起源于 20 世纪 80 年代中期,最先在煤矿工程中应用。从 20 世纪 90 年代起开始在水电工程中得到了充分应用,主要进行竖井开挖。在天荒坪、大朝山、冶勒等电站的斜井开挖中也得到了部分成功运用,其钻孔倾角 6090,偏斜率在 1%3%间。柳洪水电站压力管道下斜段为控制发电的关键线路之一,为保证工期要求,压力管道下斜段开挖采取了以下措施:(1)开挖施工采用先导井后扩大开挖的方法,导井开挖采用正、反井同时开挖施

4、工。(2)导井开挖上部 124 m 采用反井钻施工,下部 157 m 采用人工开挖,扩挖采用斜井扩挖台车施工。2 反井钻施工工艺 2.1 反井钻施工原理 反井钻机是连续钻进导井的机械化设备,其施工工艺是将反井钻机安装在上部浇筑好的混凝土基础上,由上向下钻进小直径导向孔,导孔和下部隧洞贯通后,拆掉导孔钻头,连接扩孔钻头,由下向上扩孔,工作原理见图 1、反井钻机主要技术参数见表 1。导孔钻进时破碎下来的岩屑由循环液带出地面,扩孔时破碎下来的岩屑靠自重落到下水平,由装载机或其它装载设备运出。根据压力管道下斜段设计倾角,本次柳洪水电站所使用的 LM-120 反井钻机对原有基座进行了改造,使钻杆可调角度

5、倾角达到 50。2.2 施工程序 钻机基础及循环池、冷却池施工浇筑钻机基础铺设轨道钻机安装钻机调试浇筑地脚螺栓导孔钻进拆导孔钻头,接扩孔钻头扩孔钻进和下口出渣。2.3 导孔钻进 导孔施工是反井钻施工控制孔斜的关键工序,在柳洪水电站压力管道下斜段施工中主要采取了控制钻进速度、增加稳定钻杆、及时测量孔斜、灌浆等措施。2.3.1 钻速控制 在进行导孔施工时,首先以慢速开孔,开孔后一定深度继续采用开孔速度钻进。待钻进一定深度钻杆在钻孔内保持基本稳定后再逐渐加快钻进速度,具体参见表 2。下斜段先导孔施工实际钻进 124 m,最大单日进尺 10m,平均日进尺 3.7 m。2.3.2 稳定钻杆布置 反井钻机

6、的钻杆分为普通钻杆和稳定钻杆,差别在于后者比前者外周多了均匀分布的 4 条 3 cm 厚的钢肋板,其作用是导向,防止钻杆随深度的增加产生过大弯曲、摆幅,起到稳定的作用,同时减少钻杆与孔壁的磨损。合理布置稳定钻杆是控制钻孔偏斜的有效措施之一,但若过多布置稳定钻杆又将影响孔内的出碴。在初始 10 m 钻孔时,都用稳定钻杆,待钻进 10 m 后,将 10 m 钻杆全部更换成普通钻杆,靠近钻头的钻杆用稳定钻杆;以后1020 m内,隔1根更换稳定钻杆;再往前逐渐减少稳定钻杆的使用量,钻机布置见表3。2.3.3 渗水段地层处理 在导孔施工到孔深 35 m 及 79 m 时,遇到围岩裂隙,渗水量达 50 m

7、/h,钻碴不能及时排出,每天进尺不足 1 m。通过停钻固结灌浆,重新开孔顺利穿过了裂隙发育带,处理情况见表 4。2.3.4 测斜控制 在导孔钻进过程中多次对钻孔的偏斜情况进行了测量,在钻孔钻通后,将钻杆提出,在裸孔内作了最后一次测量。依照该测量结果,计算出钻孔透点向下偏差 1.2 m,比照用经纬仪对钻孔的测量结果,对该测斜仪的测量结果评价如下:(1)方位角:偏差太大,此测量结果不可信。(2)倾角:对钻孔的偏斜趋势能够正确反映,数据偏差较大。以本孔为例,在倾角 50的条件下,长度 124 m,经纬仪测量偏斜值为1.2 m,测斜仪测量为:2.496 m,误差:1.296 m。(3)建议在以后的施工

8、中,应用该测斜仪时,方位角可以不测,对应用倾角计算出的偏斜值向上做 1%的修正(测量环境的影响)。(4)在钻杆内测量时,不影响测量的精度。2.4 扩孔施工 扩孔开孔用 cm 钻头,当扩孔钻头接好后,慢速上提钻具,直到滚刀开始接触岩石,然后停止上提。考虑钻头刚开始扩孔时由于自重下垂,钻头滚刀不能全部接触岩面,用最低转速(59rpm)旋转,并慢慢给进、保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏,给进一些停下,等刀齿把凸出的岩石破碎掉,再继续给进。开始扩孔时,下边要有人观察,将情况及时通知操作人员,等钻头全部均匀接触岩石,才能正常扩孔钻进。为保证钻机和滚刀的使用寿命,一般将系统压力限制在 18 MPa 之内。

9、扩孔施工中要求有较为稳定的供水量,以使刀具能得到水冷却,供水量不小于 7.8 m/h。在扩孔过程中,当岩石硬度较大,可适当增加钻压,反之可以减少钻压。扩孔时,要及时出渣,防止堵孔。当钻头钻至距基础2.5 m时,要降低钻压慢速钻进,并且要认真观察基础周围是否有异常现象,如果有,要及时采取措施处理,慢慢扩孔,直至钻头露出地面。压力管道下斜段扩挖前后约历时 83 d,由于钻头滚刀与岩石硬度不相匹配,一度日进尺仅为 1.2 m,并因此停工约 20 d,更换滚刀后,最大单日进尺 8 m。2.5 反井钻机拆除 将扩孔钻头卡固在钢轨上、拆掉钻机的前后斜拉杆和各种油管,将主机车从钻架上拆掉,将钻架主机车和一些

10、辅助设备拆下。将扩孔钻头吊装牢,将轨道拆掉,将钻头提出孔外,运到井上;然后将操作车吊上来,再将泵车、油箱冷却器拆下,分别运出。全部钻孔工作结束。3 综合偏斜计算 综合偏斜计算成果见表 5,斜井测量及计算结果见图 2。4 结 语 LM-120 反井钻机主要用于煤矿竖井施工,在一些水电工程的 6090斜井施工中也得到了充分应用,但在 60以下的斜井施工尚无比较成功的经验。本次施工,中煤公司充分吸取硗碛电站施工 50斜井失败的经验,通过调整钻机液压装置、控制钻进速度、增加稳定钻杆、及时测量孔斜、灌浆等系列措施,保证了 50斜井施工孔斜率控制在 1%以内,圆满地完成了预定的施工任务。这次反井钻施工 50斜井的成功尝试,为以后水电工程采用反井钻机开挖 60以下斜长隧道提供了可供借鉴的经验。(1)反井钻可以用于 60以下斜井的开挖,同其他施工方法比较具有较强的进度优势和明显的安全优势。(2)在安装钻机时,向左做 0.5%的调整,向下做 0.45%的调整。(3)导孔开孔后一定深度内进尺钻速不宜过快,根据钻进深度逐步加大。(4)应用测斜仪测量的倾角,计算出的偏斜值,向上做 1%的修正(测量环境的影响)。(5)一般斜井的地勘资料由于受其埋深的影响,中下部皆为推测,所以在施工准备时应考虑可能出现的情况,备用不同的钻头滚刀。