在煤礦、水電、金屬礦山、鐵路、公路等地下工程建設(shè)中，開鑿豎井和斜井井筒常常是整個(gè)工程建設(shè)的關(guān)鍵工程之一，其工程量雖然不大，但受水文地質(zhì)等客觀條件影響，施工難度較大，安全程度低，直接影響工程的進(jìn)度。在秦嶺終南山公路隧道中，為解決隧道的通風(fēng)問題，共設(shè)計(jì)了三座運(yùn)營通風(fēng)豎井， 1＃豎井采用反井鉆機(jī)施工，應(yīng)用非常成功。在原投標(biāo)施工組織設(shè)計(jì)中采用正井法開挖，由于其施工速度慢、不安全、輔助工程多，投入大，不能滿足主洞開挖通風(fēng)要求和施工進(jìn)度。為此，在本項(xiàng)目施工中引進(jìn)先進(jìn)的反井鉆機(jī)施工技術(shù)，快速高效的完成通風(fēng)豎井任務(wù)，僅用35天就完成豎井?dāng)U孔。

1 施工準(zhǔn)備

1.1 施工輔助生產(chǎn)系統(tǒng)

   施工輔助生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面：供水、供電、通訊與信號、井口臨時(shí)設(shè)施、鉆機(jī)安裝、換接刀孔鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭、鉆機(jī)的拆除等工作。

1.2 供水 

   施工用水采用從石砭峪河中安裝高壓水泵抽取，供給到已建高壓水池中，用Φ75㎜鋼管接至距離井口上部10m范圍內(nèi)。流量不小于10m3/h,連續(xù)供應(yīng),無間段。

1.3 供電

   在距離豎井中300m的位置已建好的630KVA變壓器,滿足反井鉆機(jī)工作電壓380V,容量220KW,循環(huán)水泵90KW，用電設(shè)備安裝采取相應(yīng)的啟動(dòng)方式進(jìn)行啟動(dòng),安裝漏電保護(hù)器。

1.4 通訊與信號

   地面通訊采用對講機(jī)進(jìn)行通訊,地面與井下的通訊采用“打點(diǎn)”的方法進(jìn)行聯(lián)系（接鉆頭時(shí)）。

1.5 井口臨時(shí)設(shè)施

   首先進(jìn)行鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)施工、循環(huán)池和清水冷卻池,三者上表面為同一標(biāo)高,由水溝連接。

1.6 施工設(shè)備的選擇導(dǎo)井技術(shù)參數(shù)的確定

    工程本身已確定了鉆孔深度和傾角，現(xiàn)在要確定導(dǎo)井直徑，也就是反井鉆機(jī)擴(kuò)孔直徑，導(dǎo)井的作用是溜渣、排水、通風(fēng)、要有足夠的斷面，保證擴(kuò)挖時(shí)不致堵塞。導(dǎo)井直徑過小，除了容易堵塞外，還增加了擴(kuò)挖時(shí)打眼和出渣工作量，降低了擴(kuò)挖速度。導(dǎo)井直徑過大，成本大大增加。因此，導(dǎo)井?dāng)嗝孢x擇必須合理。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)硬巖石導(dǎo)井?dāng)嗝嬉m當(dāng)增大，較軟的巖石可適當(dāng)減少。

1.6.1 破巖刀具的選擇

    破巖刀具包括導(dǎo)孔鉆頭和擴(kuò)孔滾刀。對于導(dǎo)孔鉆頭一般按生產(chǎn)廠家推薦的適用范圍選擇，但由于反井鉆機(jī)施工，最好中間不進(jìn)行導(dǎo)孔鉆頭的更換，所以選導(dǎo)孔鉆頭時(shí)應(yīng)選擇適用于高于所鉆地層硬度的鉆頭。對于擴(kuò)孔鉆頭，選擇滾刀時(shí)，主要根據(jù)巖石的硬度、磨蝕性來確定滾刀的齒形和布置。反井鉆機(jī)一般采用碳化鎢鑲齒盤型結(jié)構(gòu)，選擇如下： 

     巖石的磨蝕性：低   →    中    →    高

     硬        度：軟   →   中硬   →   堅(jiān)硬     

     齒        形：楔形 → 錐形 → 復(fù)合型 → 球形

     滾 刀 結(jié) 構(gòu)：多刃盤形 → 多刃盤形 → 無盤布置

1.6.2 反井鉆機(jī)的選擇

     首先根據(jù)鉆孔深度鉆孔直徑，初步選擇相應(yīng)的反井鉆機(jī)，然后對鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算：

      提升力=動(dòng)力頭重量+擴(kuò)孔鉆頭重量+鉆桿重量+鉆壓

      扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力

     轉(zhuǎn)速根據(jù)鉆頭類型、直徑以及滾刀結(jié)構(gòu)確定。一般要求提升力不超過鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大提升力的60%，扭矩不超過設(shè)計(jì)最大扭矩的70%。

1.6.3 鉆機(jī)輔助設(shè)備的確定

    反井鉆機(jī)的主要輔助設(shè)備是泵，泵作為導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)行洗井液循環(huán)。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，洗井液可采用泥漿或清水，泥漿作洗井液時(shí)除了有將巖屑帶到孔外的作用，還對地層有一定的支護(hù)作用。用清水鉆進(jìn)時(shí)一般可用離心泵，用泥漿鉆進(jìn)時(shí)必須采用柱塞式泥漿泵，泵的排量和泵壓必須滿以下兩式：

  泵壓 P[_D]=kH+Pp

其中：V─鉆桿和孔壁之間洗井液的最低流速，對于清水1.0～1.5m/s，對于泥漿0.6～1.0m/s

  dp─導(dǎo)孔鉆頭直徑

  dr─鉆桿外徑

  k─系數(shù)

  H─孔滌

  Pp─管路壓力損失

1.6.4鉆井工藝確定

根據(jù)豎井的用途和該井所穿過的地質(zhì)條件，充分考慮到該井施工難度，為此，根據(jù)以往在同類地層中的施工經(jīng)驗(yàn)，選擇BMC-300型反井鉆機(jī)施工，該鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：導(dǎo)孔直徑：216mm、擴(kuò)孔直徑：1.4－1.52m、設(shè)計(jì)鉆孔深度：250-300m、鉆機(jī)最大扭矩：64kN•m、鉆機(jī)拉力：1250kN、鉆機(jī)推力：550kN、鉆桿直徑：176mm、鉆機(jī)功率：128.5KW（不包括輔助設(shè)備）。

①、提升力驗(yàn)算（計(jì)算法）

總重量＝動(dòng)力頭重量＋180根Φ203mm重量＋擴(kuò)孔鉆頭重量＋擴(kuò)孔鉆壓

＝50＋180＊2＋15＋38＊15

＝895kN<1250 kN（鉆機(jī)提升力）

②、扭矩驗(yàn)算（工程類比法）

T∝f（K，D，Kr，P，Kf)

K-與鉆頭結(jié)構(gòu)類型相關(guān)的系數(shù)

D-鉆孔直徑

Kr-巖石的可鉆性系數(shù)

P-鉆壓

Kf-摩擦損失系數(shù)

采用工程類比的方法進(jìn)行驗(yàn)算，對比工程為溪洛渡反井鉆井工程。

①與鉆頭結(jié)構(gòu)類型相關(guān)的系數(shù)K 選用相同結(jié)構(gòu)的鉆頭  K溪洛渡＝K終南山

②鉆孔直徑D   溪洛渡為1.4m  終南山為1.4m   D溪洛渡=D終南山

③巖石的可鉆性系數(shù)Kr    溪洛渡為玄武巖  終南山為混合片麻巖

Kr溪洛渡≌Kr終南山    

④鉆壓P 溪洛渡為470 kN   終南山為470 kN   P溪洛渡＝P終南山

⑤摩擦損失系數(shù)Kf  二者均為豎井，溪洛渡深度200m  終南山深度170m,  Kf 溪洛渡> Kf終南山

綜合評價(jià)：T 溪洛渡> T終南山

BMC－300型反井鉆機(jī)在溪洛渡反井鉆井工程中取得了良好的成績，沒有反映出鉆機(jī)扭矩不足的問題，因此該鉆機(jī)應(yīng)用在終南山反井施工中，是能夠滿足施工需要的。

2 工藝流程

BMC－300型鉆機(jī)，其工作原理為，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水龍頭，將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，破巖采用鑲齒盤形滾刀，滾刀在鉆壓作用下沿井底滾動(dòng)，從而對巖石產(chǎn)生沖擊，擠壓和剪切作用，使其破碎。導(dǎo)孔時(shí)巖屑沿鉆桿與孔壁間的環(huán)形空間由洗井液提升到水平，擴(kuò)孔時(shí)巖屑靠自重落到水平豎井井筒施工采用ＢＭＣ-300型反井鉆機(jī)進(jìn)行反導(dǎo)井施工，然后進(jìn)行擴(kuò)挖。

其工藝流程為：測量放樣→鉆機(jī)就位→導(dǎo)孔鉆進(jìn)→擴(kuò)孔施工→擴(kuò)挖→出渣

2.1 測量放樣

由測量工程師測好豎井中心位置，做好標(biāo)記。

2.2 鉆機(jī)就位

ＢＭＣ -300型反井鉆機(jī)運(yùn)至工地后用吊車放至井內(nèi)1110米高程位置，平整地面，鉆機(jī)基礎(chǔ)采用Ｃ20混凝土，厚度100㎝，尺寸位置以鉆井中心定位，在施工中確保鉆機(jī)的地腳螺栓孔位的準(zhǔn)確。

2.3 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔開孔方案

本孔設(shè)計(jì)采用7根穩(wěn)定鉆桿，加在如下位置：

第一根：小鉆頭異形接頭

第二根：短節(jié)。3為普通鉆桿。

第四根：短節(jié)。5、6、7為普通鉆桿。

第八根：穩(wěn)定鉆桿。9、10、11、12、13

第十四根：穩(wěn)定鉆桿。15、16、17、18、19、20、21為普通鉆桿。

第二十二根：穩(wěn)定鉆桿。23、24、25、26、27、28、29為普通鉆桿。

第三十根：穩(wěn)定鉆桿。31、32、33、34、35、36、37、38為普通鉆桿。

第三十九根：穩(wěn)定鉆桿（此時(shí)鉆具重約6噸）。

（1）開孔時(shí)7根穩(wěn)定鉆桿全部用上。

（2）依據(jù)地質(zhì)資料，在前20米要進(jìn)行灌漿處理，鉆完7米后，將鉆桿提出，按照每2根普通鉆桿加1根穩(wěn)定鉆桿的密度進(jìn)行前20米的鉆孔（第一根穩(wěn)定鉆桿后加1根普通鉆桿，其他相隔2根），

（3）經(jīng)常檢查鉆桿的絲扣，和接頭體的絲扣，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決并上報(bào)。對于有問題的鉆桿要采用分次上緊的方法進(jìn)行上緊。

2.4 導(dǎo)孔鉆進(jìn)

   開始鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)速選用35r/min。鉆壓控制在8～10MPa，導(dǎo)孔洗井液排渣采用正循環(huán)，每鉆完一根鉆桿認(rèn)真洗井1～2 min，隨著鉆井深度加大，適當(dāng)延長沖洗時(shí)間，以避免發(fā)生抱鉆、堵鉆事故。為有效控制偏斜率，鉆進(jìn)中使用穩(wěn)定器。穩(wěn)定器在短接鉆桿后就要用一根，按開孔方案進(jìn)行。

2.5 導(dǎo)井?dāng)U孔  

   在井底風(fēng)道內(nèi)卸下φ216mm的鉆頭，換上φ1400㎜的擴(kuò)孔鉆頭，自下向上將φ216mm的導(dǎo)孔擴(kuò)大為φ1400㎜的導(dǎo)井。

將馬達(dá)至并聯(lián)狀態(tài)（即主軸轉(zhuǎn)速15r/min），打開閥門供水，即可開始擴(kuò)孔。在擴(kuò)孔前應(yīng)將孔周圍直徑范圍以內(nèi)的巖面找平。

   開始擴(kuò)孔及終孔時(shí)宜采用低壓慢速提鉆，主泵壓力在4～7MPa，副泵壓力在6～8MPa；當(dāng)擴(kuò)孔器完全進(jìn)入巖層后即可進(jìn)行正常擴(kuò)孔。根據(jù)巖石軟硬，主泵和副泵的壓力在10～18 MPa范圍內(nèi)匹配。擴(kuò)孔中在刀刃接觸巖面時(shí)，嚴(yán)禁使馬達(dá)反轉(zhuǎn)。發(fā)生卡鉆時(shí)，應(yīng)立即反向推進(jìn)，使刀刃脫離巖面。不論鉆導(dǎo)孔和擴(kuò)孔，均應(yīng)先開水，后開鉆；先停鉆，后停水。鉆進(jìn)必須連續(xù)供水，不得中斷。導(dǎo)井?dāng)U挖結(jié)束后，進(jìn)行拆機(jī), 先將擴(kuò)孔鉆頭卡固在鋼軌上、拆掉鉆機(jī)的前后拉桿和各種油管,拆掉鉆架主機(jī)車和一些輔助 設(shè)備。將擴(kuò)孔鉆頭吊牢再拆除軌道,然后將操作車吊下來,拆下泵車和油箱冷卻器運(yùn)至地面。

鉆孔施工的基本參數(shù)

 

序號	施工工序	轉(zhuǎn)速（r/min）	鉆壓（KN）	扭矩（㎏/m）
1	216㎜導(dǎo)孔	15－40	50－60	20－30
2	1400㎜擴(kuò)孔	10－16	380－470	50－60

2.6 鉆機(jī)的拆除

   擴(kuò)孔施工完畢后,在上部把ø1400㎜鉆頭卸掉,封好鉆孔。然后開始拆除卸機(jī),卸機(jī)時(shí)全面做好安全工作,防止大型設(shè)備、配件、人員等掉到孔內(nèi),鉆機(jī)移開鉆孔后,立即做好鉆孔的防護(hù)工作,作好安全警示標(biāo)志。

鉆機(jī)施工主要設(shè)備見下表：

序號	名稱	型號	數(shù)量
1	鉆機(jī)	BMC-300	1臺套
2	鉆桿	Ø176㎜	200根
3	穩(wěn)定鉆桿	ø205㎜	15根
4	擴(kuò)孔鉆頭	Ø1400㎜	1只
5	滾刀	單配	1只
6	油泵	40SCY14-1B	2臺
7	馬達(dá)	2QMJ42/2.5	2臺

3 圍巖破碎帶的施工

    豎井埋深較淺，井口段15范圍內(nèi)的圍巖較破碎，在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，影響鉆進(jìn)正常鉆進(jìn)，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，采取灌注水泥漿液法對井筒進(jìn)行護(hù)壁，待達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行二次導(dǎo)孔鉆進(jìn)。塌孔段經(jīng)過處理，鉆進(jìn)過程正常。

4 反井鉆進(jìn)過程的偏斜控制

4.1 鉆桿軸向載荷造成的偏斜

    在垂直的導(dǎo)向孔鉆進(jìn)中，鉆孔開孔時(shí)鉆桿不會彎曲，因此不會出現(xiàn)因鉆壓引起的鉆頭偏轉(zhuǎn)，但偏斜的可能性依然存在，隨著鉆壓的增加，鉆桿就會逐漸彎曲，由彎曲鉆桿產(chǎn)生的非垂直載荷實(shí)際上導(dǎo)致了鉆進(jìn)方向角度的變化，此時(shí)，鉆具的下部，即從彎曲點(diǎn)到鉆頭，已偏離了鉆孔的預(yù)定路線。

作用于斜孔的鉆具載荷按受力性質(zhì)可分成垂直分力和水平分力。垂直分力使鉆頭沿垂直方向或沿傾斜方向向下鉆進(jìn)；而水平分力使鉆頭沿水平方向或沿傾斜方向向上鉆進(jìn)。由于鉆桿的直徑比導(dǎo)孔直徑小，在斜孔中，鉆桿的重量將使鉆桿朝著導(dǎo)孔低側(cè)方面垂落。在給鉆桿施加軸向載荷時(shí)，作用于鉆桿上的推進(jìn)力會使鉆桿產(chǎn)生一定程度的彎曲，彎曲的鉆桿順著垂落的方向移動(dòng)，而穩(wěn)定器起支點(diǎn)作用，其結(jié)果使鉆頭沿傾斜上部鉆進(jìn)。

4.2 巖層對鉆頭的反作用造成的偏斜

    在無層理、節(jié)理或斷層的堅(jiān)硬而均質(zhì)巖層中鉆鑿導(dǎo)孔時(shí)，因巖層反作用造成的導(dǎo)孔偏斜較少發(fā)生，即使發(fā)生，其偏移量也是極小的。但巖石硬度的變化則會引起導(dǎo)孔偏斜。鉆頭鉆進(jìn)的方向在很大程度上取決于鉆頭與硬度變化的巖石表面相遇時(shí)的角度，如果角度小，鉆頭一般朝著與變化的巖石平面平行的方向鉆進(jìn)，如果角度大，鉆孔的偏斜將趨向與變化的巖石平面成垂直的方向發(fā)展。

4.3 鉆孔精度的影響因素及預(yù)防措施

4.3.1導(dǎo)孔鉆頭的選型

    軟巖鉆頭采用較小夾角的長楔齒，或碳化鎢一字形鑲齒。硬巖鉆頭則采用較大夾角的短楔齒，或碳化鎢半球形鑲齒。在低鉆壓下能夠獲得最大的鉆進(jìn)速度。

4.3.2 鉆壓

    提高鉆孔精度，應(yīng)采用低于最佳鉆進(jìn)速度的低鉆壓鉆進(jìn)。

選擇導(dǎo)孔鉆頭的鉆壓，通?？蓞⒖笺@鑿相同或相似地層的鉆井參數(shù)來確定。當(dāng)沒有這種經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可參考鉆頭制造廠家提供的鉆頭產(chǎn)品樣本介紹。由于低鉆壓能有效的減小鉆孔偏斜，因此，建議采用廠家規(guī)定的最低鉆壓值作為開孔鉆壓。

4.3.3 轉(zhuǎn)速

    在鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí)，保持恒定的鉆進(jìn)速度是控制偏斜最常用的方法。 

4.3.4 鉆井洗井液

    實(shí)際鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)表明，沉積在孔底0.5～5mm厚的鉆屑可將鉆進(jìn)速度降低40％左右。高效鉆進(jìn)的一個(gè)基本要求是需要對孔底鉆屑進(jìn)行有效的清理。

4.3.5 穩(wěn)定器

    穩(wěn)定器是避免鉆孔偏斜最有效的工具。穩(wěn)定器一般被設(shè)計(jì)為六棱或八棱形，通常將兩個(gè)或更多的穩(wěn)定器聯(lián)在一起使用，以便在鉆孔底部形成一段剛性的，與孔壁多處接觸的鉆具組，以防止偏斜。在本豎井鉆進(jìn)時(shí)，普通鉆桿直徑175mm，穩(wěn)定鉆桿直徑200㎜。

4.3.6 巖層特性

    掌握巖層特性，有助于確定最合適的鉆頭。 在制訂導(dǎo)孔鉆進(jìn)工藝時(shí)，應(yīng)該考慮所鉆巖層的特性，收集并掌握所鉆地區(qū)的詳細(xì)地勘材料以及附近施工獲得的地質(zhì)資料都有助于鉆井工藝措施的正確制定，避免發(fā)生意外。

4.4 偏斜測量與糾偏

    根據(jù)鉆孔深度、巖石地質(zhì)條件和對鉆孔精度要求等不同條件，可選用鐘表、磁性和陀螺測斜儀進(jìn)行測井。

    如果發(fā)現(xiàn)井孔超偏，必須停止正常鉆進(jìn)，對鉆孔進(jìn)行糾偏處理。鉆孔糾偏的方法很多，采用何鐘方法，必須視鉆孔的具體情況而定，一般來說，最常用的有如下幾種：

如果鉆孔偏斜程度和方向非常有規(guī)律，有時(shí)可采取偏置鉆機(jī)的方法來糾正預(yù)計(jì)的偏斜。移動(dòng)鉆機(jī)的距離和方向可根據(jù)本地以前施工獲得的經(jīng)驗(yàn)而定。    

可以采用堵塞偏孔，重新鉆孔的方法解決偏斜。堵塞鉆孔指用純水泥漿將變向點(diǎn)至孔底一段進(jìn)行充填，并使之凝固。

5 應(yīng)用情況

    秦嶺終南山公路隧道是目前我國最長、世界上排名第二的特長公路隧道，共設(shè)計(jì)三座運(yùn)營通風(fēng)豎井，深度分別為1＃豎井190.3m、2＃豎井661m、3＃豎井392m, 1#豎井采用反井鉆機(jī)施工，地質(zhì)構(gòu)造主要為混合片麻巖，飽和抗壓強(qiáng)度98.2－161.3MPa,巖石堅(jiān)硬，受構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育，圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)孔鉆進(jìn)20m/d,擴(kuò)孔鉆進(jìn)12m/d。

    經(jīng)測設(shè),鉆孔深度174m,實(shí)測鉆孔偏斜率0.34%。小于要求的1%。

該工程引進(jìn)反井鉆機(jī)施工很大程度上減少施工難度、降低危險(xiǎn)性，大大提高工作效率，減少開挖成本，及時(shí)解決洞內(nèi)通風(fēng)問題，創(chuàng)造良好的施工條件，加快工程進(jìn)度。該技術(shù)成井速度快，施工安全性能好，在中硬巖、軟巖中特別適用，為今后在公路隧道、鐵路隧道豎井工程中推廣打下良好基礎(chǔ)以及其它工程建設(shè)中的反井施工積累了經(jīng)驗(yàn)，對深豎井、長斜井施工技術(shù)研究具有重要意義。

參考文獻(xiàn) 

[1] 簡明建井工程手冊  

[2] 反井鉆機(jī)技術(shù)與地下工程開發(fā)