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國產反井鉆機在水電工程的應用
來源：m.76pq.com 作者：admin 日期：2015-11-23 06:34:47 熱度：980 ℃
國產反井鉆機在水電工程的應用
譚金龍 馬紹龍
摘要：反井鉆機導井施工方法于1950年在北美首先發展，60年代中期，反井鉆機導井施工方法在歐洲，特別是德國開始受到歡迎。我國自70年代開始研制反井鉆機，并先后在媒炭和冶金系統中應用， 1992年水電系統第一次引進反井鉆機，在十三陵抽水蓄能電站的出線洞、調壓井和高壓管道斜井等工程上，使用反井鉆機進行導井法施工，并取得了高效、安全、優質、經濟的效果。水電十四局是較早應用、探索反井鉆機導井施工的水電施工企業，5年來對反井鉆機的應用，特別是國產反井鉆機的應用進行了深入、全面的探索，并取得了一定的經驗。
關鍵詞 國產反井鉆機 導井施工方法 水電工程 應用
一、前言
1、反井鉆機概述
反井鉆機導井施工方法于1950年在北美首先發展，60年代中期，反井鉆機導井施工方法在歐洲，特別是德國開始受到歡迎，當時反井鉆機鉆孔直徑為1.2m，深度為150～200m；而到70年代初期，鉆孔直徑可達2.0～2.4m，鉆孔深度可達250～500m；發展到今天，世界上已有眾多廠家生產反井鉆機，典型的有美國羅賓斯公司，可提供28種型號的產品，鉆孔直徑為1.2～6.0m，鉆孔深度可達900m，德國維爾特公司生產的HG100、160、210、250、330SP系列，鉆孔直徑從1.4～6.0m，鉆孔深度高達1000m。
我國自70年代開始研制反井鉆機，并先后在媒炭和冶金系統中應用，產品多集中于小直徑擴孔的反井鉆機，典型產品有蘇南煤機廠生產的LM－90～300系列、長沙礦山研究院生產的TYZ1000～1500系列及西北有色冶金機械廠生產的的AF-2000等，鉆孔直徑為0.9m～2.4m，鉆孔深度可達250m。
1992年水電系統第一次引進反井鉆機，在十三陵抽水蓄能電站的出線洞、調壓井和高壓管道斜井等工程上，使用反井鉆機進行導井法施工，并取得了高效、安全、優質、經濟的效果。此后反井鉆機又在河南小浪底水利樞紐工程、山西萬家寨引黃入晉工程、云南大朝山水電站等使用。
水力發電站為滿足不同條件和對水工結構物功能上的要求，設立地下豎井式閘門井、調壓井和垂直與斜井壓力管道。豎井、斜井施工素有“咽喉工程、死亡之谷”之稱。因此豎井及斜井施工歷來都是水電施工行業的難點和重點。
而水電十四局在水電工程施工中享有“地下鐵軍”的榮譽稱號，為了滿足水電站地下工程施工，水電十四局根據水電工程市場需要于2002年7月購買了第一臺LM-200型反井鉆機，在湖北省水布埡電站成功應用，至2004年12月先后購買共4臺反井鉆，先后在貴州三板溪水電站、云南省小灣水電站、云南省溪洛渡水電站、湖北省水布埡、三峽水電站等成功應用。
ML系列國產反井鉆機由煤炭科學研究總院、北京建井研究所設計，由江蘇蘇南煤礦機械廠制造。反井鉆機設計主要用于煤礦開采，設計施工的巖石硬度較低，巖石硬度為12級以下。反井鉆機由主機、油泵車、操作平臺組成，施工時配置泥漿泵、循環水輸送的潛水泵、5t隨車吊等。反井鉆機結構見附圖1。
反井鉆機結構示意圖
2、反井鉆機在水電工程的豎井、斜井導井施工的應用
2002年7月水電十四購買了第一臺ML-200型反井鉆機并在湖北水布埡電站使用，水布埡電站的巖石為灰巖，巖石硬度為9～12級，共施工7條豎井（最長豎井181 m），4條斜井（傾角為60度，長150m），總計施工1400 m。
2003年6月水電十四購買了第二臺ML-200型反井鉆機在貴州省三板溪水電站使用，三板溪水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工6條豎井（最長豎井186 m），總計施工670m。
2004年8月水電十四購買了第三臺ML-280型反井鉆機在云南省小灣水電站使用，小灣水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工11條豎井（最長豎井212 m），總計施工1525m。
2004年12月水電十四購買了第四臺RHNO300型進口反井鉆機在廣州惠蓄水電站使用，惠蓄水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工3條豎井（最長豎井177 m），2條斜井（傾角為60度，最長303.7m），總計施工1085m。
2005年3月水電十四采用ML-200型反井鉆機在湖北省三峽水電站使用，三峽水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工2條豎井（最長豎井82 m），總計施工164m。
2006年3月水電十四采用ML-200型、ML-280型反井鉆機分別在云南省溪洛渡水電站右岸地下廠房、四川省錦屏二級水電站使用，溪洛渡水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工2條豎井（最長豎井215 m。近期要施工的豎井有20條，計2540m）；四川省錦屏二級水電站巖石為灰巖，巖石硬度為12級，共施工1條豎井（長191 m）。總計施工600m。
截至2006年9月大理分局機械化項目部累計施工豎井32條，6條斜井。總計施工豎、斜井5514 m。
二、反井鉆機施工的基本原理
反井鉆機施工原理：由電機帶動主機液壓馬達驅動動動力水龍頭，利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統，帶動鉆具旋轉，并向上、下升降，巖石產生擠壓和剪切作用，使其破碎。
反井鉆機施工分兩個步驟進行，先采用Ø216mm小鉆頭從上至下鉆進到鉆下平洞，在鉆進過程中采用泥漿泵或高壓水泵從泥漿池抽至動力水龍頭，高壓水沿鉆桿至鉆頭排水孔壓出，將石碴從鉆桿與孔壁間的環行空間排至排碴槽，最后進入沉渣池。導孔貫通后（停止泥漿泵或高壓水泵運行）然后卸下小鉆頭，改換成Ø1.4m鑲齒盤形滾刀鉆頭，由下向上擴孔。再采用鐮齒盤形滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，從而對從下至上滾刀對巖石切削、擠壓完成豎井及斜井開挖，擴孔時的石碴經過冷卻水的沖刷和自重墜落到下平洞。
三、反井鉆機豎、斜導井施工工法的特點
1、反井鉆機豎、斜井施工的特點
反井鉆機在施工豎、斜井的導孔過程中全部采用機械設備，只需要熟練的技工操作就行，反井鉆機操作簡單、安全，對環境造成污染非常小，作業人員比較少。每個班只需要4～5人。但是反井鉆機一次性投入相對較高，國產一臺套LM-200型鉆機投入使用其費用約145萬元。一臺套進口RHNO300型反井鉆機投入費用約1400萬元。
四、傳統人工豎、斜井導井施工特點
斜井和豎井施工方法有全斷面一次開挖法和導井開挖法兩種方式，其中傳統導井法開挖方式有正井、反井或正反井結合法。反導井施工通常采用吊罐法、爬罐法或深孔分段爆破法，傳統導井法施工目前在水利水電工程中應用比較普遍，施工工藝應用得較為純熟。一次性投入比較少，主要投入的設備：20m3空壓機一臺、手風鉆10把、通風設備一臺、運輸設備一臺（卷揚機、吊罐爬罐），投入費用不到40萬元。如果采用阿立瑪克爬罐則投入費用將增大，一臺阿立瑪克爬罐售價為255萬元。傳統人工導井法施工無論采用正導井法、反導井法、吊罐法施工，均需要人員及設備至開挖掌子面進行鉆爆施工。因此在施工過程中均不可避免地存在著安全隱患，而通風散煙困難，進度也容易受限制等。據統計，深度在100m左右的洞室導井開挖一般日平均進尺在1～1.5m左右。人工導井施工方法對井深有一定的限制，深度越深，施工難度越大、安全隱患更大。
五、反井鉆機與傳統人工導井施工工藝的比較
水力發電站為滿足不同條件和對水工結構物功能上的要求，設立地下豎井式閘門井、調壓井和垂直與斜井壓力管道。根據對我國68座不同壩型和不同開發型式的大型水電站的統計，其中有地下豎井、斜井的電站就有28座，占41%，而且每座電站都有數個豎井、斜井。從規模上看，調壓井直徑已達24m以上，井深達90m以上，垂直壓力管道深度已達300m以上。天生橋二級兩段斜井深已達754m，可以說豎井、斜井在水電建設中占有一定的比重。豎井、斜井開挖又是其施工的重要環節，而且由于豎井、斜井施工難度很大，往往是電站建設工期的控制項目之一。為了解決這個難題，水電建設者們克服了諸多困難，不斷地學習、借鑒、研究和應用新的施工方法和技術，推動了我國水電豎井、斜井開挖技術的發展。
從開挖方法和施工設備的發展來看，已從正井人工吊碴開挖發展到人工反井溜碴法、人工配合機械的反井吊罐法、反井爬罐法。而后又發明了勞動強度較低的一次鉆孔反井分段爆破法和反井鉆機開挖方法等。應該說，從正井開挖進入應用重力勢能的反井開挖法，是豎井開挖技術質的飛躍。一次鉆孔分段爆破是一項技術進步，而反井鉆機的應用更使豎井、斜井開挖進入了一個新的階段。
1、傳統人工導井施工法分析
（1）正導井開挖法
上馬嶺電站調壓井開挖和壓力管道上部開挖，采用自上而下的正井開挖方法。天生橋調壓井為了加快施工進展，頂部也采用上部吊碴方法。永定河上馬嶺電站壓力管道傾角33°11′26.5″，開挖直徑6.6m，全長179m，開始從上彎段向下開挖，施工十分困難，進展很慢，后來在中間增開一條“七、一”支洞，開始從下而上的反井開挖，初步解決了出碴問題。
（2）反導井開挖法
云南大朝山電站尾水設4個閘門井，開挖斷面為12×16m，閘門井高45m，都是采用2×3 m斷面開挖反導井，采用人工搭設腳手架平臺進施工反井施工，施工中配置2臺手風鉆，47天向上開挖導井45m，平均日進尺0.96m，最高日進尺2.5m。
（3）反井爬罐導井開挖法
廣蓄電站壓力管道斜井，上斜井長406.22m，下斜井長347.45m。開挖直徑9.7m，傾角50°。斜井開挖采用正、反井結合方法施工，先開挖2.4×2m下導井（底拱），采用上、下對口四個工作面同時開挖。上部向下開挖提升出碴，下部向上用阿立馬克STH-500型（柴油）和STH-588型（電動）爬罐。上斜井導井用127天完成，最高月進尺90m；下斜井導井用125天完成，月進尺77m。上斜井下口工作面平均日進尺2.595m，下斜井下口平均日進尺1.974m。
天生橋電站壓力管道，長159.5m（總計178.3m）。大井直徑.7m，豎井導井用阿立馬克爬罐開挖，斷面2.5m×2.5m，每個循環進尺1～1.5m，平均月進尺55m，最高月進尺80m。
（4）反井吊罐導井開挖法
反井吊罐開挖導井，是從冶金系統引進到水電六局的，而后在一些水電站施工中推廣應用。
漁子溪埋藏式豎井壓力管道豎井為272.2m，開挖直徑5.2m，鋼襯直徑3.4m，內水壓力.92MPa。開挖采用紅旗300型鉆機鉆設φ100mm中心孔，最高班進尺3m，實際偏差為15～40cm。豎井分三段開挖，每段約90m，反井吊罐法開挖導井，導井斷面為3.24m2。折疊式吊罐重400kg，載重600kg，折疊尺寸為900mm×900mm×1250mm，展開尺寸為1760mm×1460×2100mm。鉆爆人員4人，采用01-43和01-45型鉆機，混合式通風方式。導井開挖平均日進尺2.88m，中心孔上部用華1型游動卷揚機牽引。
（5）一次鉆孔反井分段爆破開挖法
三門峽改建工程排沙洞1號工作閘門井，深51m。采用一次鉆孔、自下而上分段爆破的方法開挖導井，導井斷面1.8m×1.8m，實際開挖成2.25m×1.93m。使用KA-2M-300型鉆機，鉆φ150mm中心孔，爆破孔φ110～120mm，鉆機偏差小于1.7‰。開挖布置6個孔，后來增加至10個孔，裝藥8.5～12kg/孔，崩落孔7～11kg/孔，周邊孔8～12kg/孔。巖石豎固系數為8～12。孔徑120mm，藥卷直徑105mm（內徑95mm），采用毫秒爆破，并串并聯法。放炮有效天數10.33天，最高班進尺4.28m，最高日循環4次，進尺8.19m，平均日進尺4.6m。如果把鉆孔和準備工作時間包括在內，則日平均進尺僅為0.807m。
天生橋二級調壓井，Ø24m，深90m，采用一次鉆孔，分段自下而上爆破法開挖導井，導井φ2.4m，共鉆7個孔，中間一個大孔，垂直偏差小于1%。每次進尺1m，月進尺20m。
2、反井鉆機導井法施工分析
（1）湖北省水布埡電站地下廠房通風豎井長183m，豎井直徑Ø1.4m。巖層為灰巖，巖石硬度12級， 反井鉆機為LM-200型。于2002年8月20日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），9月6日開鉆，9月17日Ø216mm導孔貫通，9月18日導井Ø1.4m擴孔，9月26日擴孔結束。其中由于廠房施工停工8天，純施工時間為47天，平均日鉆進3.2m。
（2）湖北省水布埡電站引水斜井長156m，傾角60°，反井鉆機為LM-200型。于2003年8月26日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），9月10日開鉆，9月14日Ø216mm導孔貫通，10月14日導井Ø1.4m擴孔結束。歷時44天，平均日鉆進3.54m。
（3）貴州省三板溪水電站巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，電纜豎井長184m。反井鉆機為LM-200型。于2003年6月26日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），7月3日開鉆，7月9日Ø216mm導孔貫通，8月20日導井Ø1.4m擴孔結束。其中由于主變室施工停工10天，純施工時間為44天，平均日鉆進2.7m。
（4）云南省小灣水電站使用，小灣水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，地下廠房主變排風豎井長210m。反井鉆機為LM-280型。于2004年5月25日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），6月1日開鉆，6月11日Ø216mm導孔貫通，8月22日導井Ø1.4m擴孔結束。施工歷時為57天，平均日鉆進3.7m。
（5）云南省溪洛渡水電站右岸地下廠房主變排風豎井長215m，巖層為玄武巖，巖石硬度14～16級， 反井鉆機為LM-200型。于2006年5月10日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），5月26日開鉆，6月16日Ø216mm導孔貫通（外界影響停工10天），6月18日導井Ø1.4m擴孔，7月26日擴孔結束（外界影響停工12天）。施工歷時為54天，平均日鉆進3.98m。
反井鉆機在不同巖性的豎、斜井導井鉆進情況統計表
從表中顯示，隨著巖石硬度及豎、斜井長度的增大，施工難度加大，其鉆進速度減慢，灰巖可鉆性最好。
3、反井鉆機與傳統人工導井工期比較
（1）反進鉆機導孔施工時間統計
①反井鉆機開鉆前的準備時間一般為12～15天，主要是主機基礎砼澆筑、主機就位、二期砼澆筑、沉渣池砌筑等。
②Ø216mm導孔施工一般25m/天，以100m長的豎、斜井為例，Ø216mm導孔耗時約4天。
③Ø216mm鉆頭拆下至安裝Ø1.4m鉆頭結束耗時約1天。
④Ø1.4m導井擴挖速度約5～15m/天，平均10m/天，以100m長的豎、斜井為例，Ø1.4m導井擴挖耗時約10天。
⑤反井鉆拆除耗時約3天。
根據統計顯示，100m長的豎、斜井反井鉆機從準備工作至設備拆除約耗時約33天。
（2）傳統人工導井施工時間統計
①傳統人工導井開鉆前的準備時間一般為4～5天，主要是空壓機的安裝（卷揚機或爬罐可不占用工期）。
②Ø1.8m導孔施工一般0.8～1.5m/天，以100m長的豎、斜井為例，Ø1.8m導井耗時約91天。
③井內風、水、電管線拆除耗時約5天。
根據統計顯示，100m長的豎、斜井傳統人工導井法施工從準備工作至設備拆除約耗時約101天。
從以上的反井鉆機和傳統人工導井法施工時間統計，反井鉆機導井法施工耗時只占傳統人工導井法施工耗時32.6%。采用反井鉆施工工期可提前約2/3。
4、反井鉆機與傳統人工導井質量比較
反井鉆導井施工采用滾刀對巖石切削、擠壓完成豎井及斜井導井開挖，形成的導井井壁非常光滑，并能夠形成預定要求的洞徑。
傳統人工導井法施工則采用人工鉆孔，人工控制周邊孔位，不可避免的誤差，導井井壁不是很光滑。
綜上所述，反井鉆導井施工比傳統人工導井法施工質量要好得多。
5、反井鉆機與傳統人工導井安全比較
反井鉆導井施工均采用設備操作，且反井鉆機由電能傳到液壓系統，轉變成液壓驅動，操作安全，容易避免安全事故的發生。
傳統人工導井法施工則采用人工鉆孔、爆破，施工人員必須到工作面進行操作，安全隱患較多，安全不易保證。
四、工藝流程及操作要點
1、豎井、斜井反井鉆機施工工藝流程框圖
豎井、斜井反井鉆機導井施工工藝流程框圖
2、施工方法
（1）設備組合
主要設備配置表
（2）施工方法
鉆機基礎砼澆筑2~3天后，將主機軌道鋪設在砼平臺上，軌距為64cm，軌道下墊枕木（20×20cm，長120cm）或20#工字鋼，每隔60～80cm墊一根，然后將主機吊至軌道上，調好鉆機位置，鎖緊卡軌器，豎起鉆架，安裝后拉桿，調平鉆機。
鉆機調平后，用螺栓將鋼墊板連接在鉆架上，安裝前拉桿及埋設預埋螺栓，再次調平鉆機并澆筑Ⅱ期砼。
①Ø216mm導鉆進
Ⅱ期砼達到一定的強度后，安裝轉盤吊和翻轉架，開孔鉆進，鉆機調平后，調整動力水龍頭的轉速為預定值，并將動力水龍頭升到最高位置、把事先與異型鉆桿相接的導孔鉆頭移入鉆架底孔并用下卡瓦卡住異型鉆桿的下方卡位，然后將卡瓦放入卡座。用鉆機輔助設備連接鉆桿。接好鉆桿后，開啟泥漿泵供洗井液和冷卻用水，開始從上往下開孔鉆進。
導孔開始鉆進時采用高轉速低鉆壓，動力水龍頭的轉速使用快速擋，鉆壓為2～5Mpa，一般情況下，對于松軟地層和過渡地層應采用低鉆壓，對于硬巖和穩定地層宜采用高鉆壓。
穩定鉆桿的布置，穩定鉆桿的作用主要控制導孔鉆進的偏斜率，在鉆頭后連續布置6～8根，控制鉆桿與導孔壁的間隙，從而減少鉆桿擺動幅度，確保導孔鉆進的垂直度。
背壓根據實際情況調整，背壓過大動力水龍頭不能向下推進，背壓過小時動力水龍頭向下推進過快而容易卡鉆，背壓的調整原則是既能使動力水龍頭向下推進也不能卡鉆。
洗孔，動力水龍頭向下推進至最低位置時，停止向下推進，檢查棘輪套的插銷是否往上頂出來，如果插銷被頂出來，說明孔內石渣沒有沖洗干凈，繼續沖洗至插銷回到原位。
導孔石碴沖洗干凈后，關閉泥漿泵，連接鉆桿，鉆桿連接完成后開啟泥漿泵，繼續往下鉆進。
導孔在鉆穿約有5～8m時，在預測鉆穿位置設置圍欄，禁止人員進入，防止石塊墜落傷人。
②Ø1.4m從下往上反向擴孔
導孔貫通后，在下平洞用卸扣器將導孔鉆頭和異型鉆桿換下，用吊車或裝載機將Ø1.4m鉆頭運至導孔下方，將上下提吊塊分別同鉆頭、導孔鉆桿固定，上下提吊塊用鋼絲繩連接，提升導孔鉆桿，使鉆頭離開地面約20cm，然后固定鉆頭，下放導孔鉆桿，拆去上下提吊塊，連接擴孔鉆頭。
調節動力水龍頭出軸轉速調為慢速擋。在擴孔鉆頭未全進入鉆孔時，為防止鉆頭劇烈晃動而損壞刀具，使用低鉆壓、低轉速，待鉆頭全部鉆進后可加壓鉆進。
擴孔鉆壓的大小根據地層的具體情報況而定，軟巖低壓、硬巖高壓，但是，主泵油壓不得超過24.0Mpa；副泵油壓不得超過18.5Mpa。
擴孔鉆進結束后，拆去鉆桿，采用鋼絲繩將Ø1.4m鉆頭固定在主機軌道上，主機調離后再將鉆頭從導孔吊出。
（3）關鍵技術
在導孔鉆進過程中有時會出現由于塌孔、水壓力不夠、停電等導致孔內石碴滯留堆積后出現卡鉆，或是導孔、擴孔施工過程中鉆桿斷裂后鉆桿、鉆頭滯留在孔內，這些情況處理起來相當困難，并且發生的頻率也較多，屬于反井鉆機導井法施工的難點及重點，在此我們根據經驗談幾點體會。
①導孔鉆進過程中的卡鉆
我們采取了幾種方法進行處理，其中一種方法是采取高壓水強行沖孔，在沖孔過程中起動鉆機轉動鉆桿，直至鉆桿轉動提升。另外一種方法是導孔離下下平洞較近的情況下，從下往上人工打導井貫通導孔，貫通后用高壓水沖孔。
②擴孔過程中的掉鉆
在擴孔過程中，由于鉆桿斷裂，如果擴孔鉆頭卡在已擴挖成形的孔內，此時若從下面處理非常危險。所以我們考慮從上面導孔中進行，第一種方法：將鉆桿接上后采取鉆桿對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，對鉆頭不會構成大的損傷。
③導孔施工過程中的鉆桿斷裂
部份長期使用的鉆桿在導孔鉆進及擴孔過程中可能會發生斷裂，反井鉆機單根鉆桿長度為1m，重達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，造成經濟。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導井法施工的一個難題。為此我們發明了一種鉆桿打撈器，鉆桿打撈器的原理跟膨脹螺栓原理相同，其上部與鉆桿呈直螺紋連接，下部為椎形套，前進過程中可以直接進入已斷裂鉆桿的內壁，進入內壁后，在打撈器提升過程中椎形套會張開，與斷裂鉆桿內壁緊緊連接，越拉越緊，然后通過打撈器將孔內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40噸以上的重量。即能提取200m以上的鉆桿長度。基本能滿足取鉆要求。
附圖1：鉆桿打撈器示意圖
④不良地質地層施工方法
經過實踐，我局總結出以下兩種方法進行不良地質地層施工。
a、循環鉆灌成孔法
我局在小灣左岸砂石系統遇2#豎井、水布埡電站4#引水斜井、4#母線豎井、交通電梯井及三板溪電站的2#、4#引水豎井在鉆孔過程中遇到斷層、裂隙、溶溝、溶槽或軟弱夾層等地質不良段，在鉆進過程中不同程度的出現孔口不返水排碴現象。均采用循環鉆灌成孔法進行處理。具體方法為在現場制備0.4～0.55水灰比的水泥砂漿或泥漿，通過灌漿設備或人工自流輸送漿液的方法進行灌注，利用漿液填充斷層、裂隙、溶溝、溶槽，灌注漿液24小時后即可進行鉆孔施工。這個方法實施較為安全可靠，但由于要反復取鉆、灌漿，對施工進度影響較大。
b、強行成孔法
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、裂隙后出現孔口不返水時，繼續鉆進并不斷的用泥漿泵向孔內壓水，直至孔口返水。該方法的特點是利用水壓力將鉆孔時的積碴強行通過裂隙、斷層或孔口排除并堵塞裂隙里的滲水通道。我局在三板溪電站、小灣電站豎井施工均采用過該方法，對加快施工進度方面非常有效。
在實際施工中，可根據情況兩種方法均酌情采用。
⑤反井鉆在硬巖施工中的改良，其方法詳見《五、針對水電工程地質情況施工對國產反井鉆機的改良》措施。
五、針對水電工程地質情況施工對國產反井鉆機的改良
1、對Ø1.4m鉆頭進行改良，使之適應硬巖施工
LM-200型反井鉆機擴孔鉆頭由6把對稱擴孔滾刀組成，其中2把在中心，稱為中心刀，另外4把在外側，稱為邊刀。呈對稱布置。在實際擴孔鉆進過程中，發現外面4把擴孔邊刀擴孔負荷較大，容易受磨損，需要經常更換，而里面2把的中心刀負荷較小，基本不需要更換。這樣由于負荷不均勻導致外面鉆頭盤刀更換頻繁，降低了造孔速度，同時也造成了里面擴孔中心刀閑置，在經過反復驗證并仔細研究了各滾刀的運行軌跡后。將里面的其中1把擴孔盤刀改裝到了外面，這樣保證了每把擴孔盤刀均勻受力，在不增加任何投入的情況下，加快了施工進度，降低了施工成本。改裝前和改裝后的擴孔鉆頭布置見附圖2。
a:由廠家提供的對稱擴孔盤刀 b: 經改良的非對稱擴孔盤刀（按滾刀的工作量布刀）
附圖2：改裝前、后的擴孔鉆頭布置圖
2、改變原來穩定鉆桿的配置方法，更好的控制鉆進精度
在Ø216m導孔鉆進時，原廠家設計連接鉆頭的第一、二根鉆桿為穩定鉆桿，然后接一般鉆桿，穩定根據地質情況布置，以此控制鉆進偏斜。根據施工經驗該方法存在一定的弊端，導孔產生偏斜一般前20～30m發生，為了更好的控制鉆進精度，在Ø216m導孔鉆進時連接鉆頭的第一～八根鉆桿均為穩定鉆桿，按此布置后，導孔鉆進的偏斜均在1%以內。
3、擴孔鉆頭中心管的改進
LM-200型反井鉆機擴孔鉆頭中心管主要作用為連接擴孔鉆頭與鉆桿，長度約為50cm。由于接頭部位離擴孔鉆頭較近且該部位所承受的扭矩較大，應力容易集中，在初期擴孔施工中經常出現與其它鉆桿的連接部位斷裂。為此我局經過研究后，將擴孔中心管長度加長至1.5m，并將擴孔中心管采用合金穩定條加固，經過加固后的擴孔鉆頭在后期施工中基本不出現斷裂現象。改裝前和改裝后的擴孔中心管布置見附圖3。
a:由廠家提供的擴孔鉆頭中心管 b: 經改良的擴孔鉆中心管（加長并增加合金穩定條）
附圖3：改裝前、后的擴孔鉆頭鉆頭中心管布置
4、擴孔鉆頭冷卻系統的改進
LM-200型反井鉆機擴孔鉆頭擴孔施工期間的冷卻主要靠采用在孔口通過自流形式落至鉆頭上進行冷卻。由于導孔較小，而擴孔鉆頭較大，通過自流的水僅能冷卻位于中間的擴孔滾刀，而外圍幾把滾刀無法冷卻，導致外圍滾刀在工作中因過熱容易損壞。鑒于此情況，我局將冷卻系統進行了改造，即在原利用孔口自流水冷卻的同時，從鉆機頂部連接一根2寸冷卻水管通過鉆桿中心孔，然后在擴孔鉆頭底盤上各引一4〞管進入 附圖4：改良后鉆頭冷卻系統
各滾刀。使各滾刀在運轉中均能受到冷卻，這樣不僅使滾刀使用時間比原來增加了一倍，同時也加快了施工進度。改裝后所增加的擴孔冷卻系統見附圖4。
5、擴孔鉆頭破巖滾刀的改進
LM-200型反井鉆機擴孔鉆頭破巖滾刀一般為4齒滾刀，齒間距為6cm，采用4齒滾刀在八級以下的巖石基本能滿足破巖要求，我局在水布埡電站的豎井及斜井施工中就是采用由廠家提供的4齒滾刀進行破巖，在進入小灣電站和三板溪電站后，巖性為花崗巖，巖石級別十二級。在初期進行主排風洞的擴孔施工中，發覺擴孔速度相當緩慢，而鉆頭磨損較大。最初是認為合金鉆頭難以滿足造孔要求，于是先將合金鉆頭改為金鋼石鉆頭，但效果仍不是太明顯，后仔細分析滾刀破巖原理后，認為是齒間距過大，難以達到破巖效果，在將4齒滾刀調整為5齒滾刀、齒間距調整為5cm后，造孔速度明顯提高，最后將滾刀調整為6齒滾刀、齒間距調整為4cm后，在花崗巖中造孔速度能滿足要求。改裝前和改裝后的破巖滾刀見附圖5。
a:由廠家提供滾刀（四齒） b: 第一次改良的滾刀（五齒） c: 第一次改良的滾刀（六齒）
（適用于十級以下巖石） （適用于十一～十三巖石） （適用于十四以上巖石）
附圖5：改裝前、后的擴孔鉆頭擴孔鉆頭破巖滾刀
目前我局根據不同的巖石級別設計了三種擴孔鉆頭，擴孔鉆頭的滾刀布置采用改良的布景形式。硬度八至十級的巖石采4齒合金滾刀、齒間距為6cm；十一至十三級的巖石采用5齒金剛石滾刀、齒間距調整為5cm；十四至十六級的巖石采用6齒金剛石滾刀、齒間距調整為4 cm。并委托鉆頭生產廠家按我局設計的鉆頭類型進行生產。在以后施工中進一步總結經驗，設計出更加完美的擴孔鉆頭。
六、效益分析
1、經濟效益
豎井導井施工所采用的較為傳統的施工方法就是手風鉆導井施工，現以開挖一條150m長斷面為Ø1.4m的豎井導井（巖石為十二級）為例來分析常規施工、反井鉆機施工方法的成本及進度特點。
（1）傳統人工導井法施工分析
手風鉆豎井導井施工采用正導井和反導井工法相結合，設備配置為：手持式風鉆8～12臺，卷揚機1臺、1臺阿立瑪克爬罐，20m3空壓機2臺。人員配置：按三班作業，鉆手15人，炮工3名，卷揚機、爬罐操作工各3名，安全員6名，總計27人。正導井和反導井同時施工，平均每天共進尺2.5m（反向開挖平均每天1.5m，正向開挖平均每天1m）。施工總耗時60天。
（2）反井鉆機導井法施工分析
反井鉆機導井法施工是水電施工中的一種新技術、新工藝。根據施工工藝，設備LM-200型反井鉆一臺套。人員配置：操作工及換鉆桿人員每班4人，按三班計算總計12人。
先采用Ø216mm的鉆頭自上而下鉆孔，小孔貫通后再采用1.4m的鉆頭從下往上反向擴孔，鉆進速度按25m/天，計6天； Ø1.4m導井反向擴時鉆進速度為8m/天，計19天。施工共耗時約為25天。
（3）傳統人工和反井鉆機豎井導井法施工分析
主要設備、工期及人員情況對照表
從上表中顯示，150m豎井傳統人工導井法施工設備投入約289萬元，設備電機功率共324 KW，電費約19.4萬元（按0.5元/ KW·h計），Ø40mm鉆頭、鉆桿、炸藥等材料消耗3.7萬元，總計23.1萬元；反井鉆機導井法施工鉆頭材料消耗約17萬元，設備功率約180 KW，電費約2.8萬元（按0.5元/ KW·h計），總計19.8萬元。傳統人工導井法施工的材料消耗約比反井鉆機導井法施工多約4萬元。
2、環境保護效益
豎井傳統人工導井法施工需要鉆孔爆破，手風鉆產生的噪音比較大，對鉆工身體健康產生一定的損害；爆破產生的灰塵和氣體對人體健康會產生一定的損害，嚴重時得職業病。反井鉆機導井法施工產生的噪音比較小，對作業人員身體健康產生一定的損害非常小，Ø1.4m導井反向擴時作業人員不需要至工作面，產生的灰塵不會對作業人員身體健康產生損害。同此可見，反井鉆機導井法施工比傳統人工導井法施工對環境影響小得多。
3、安全效益
豎井傳統人工導井法施工需要鉆孔爆破，施工人員必須到工作面操作，人工進行安裝炸藥、出渣等，安全隱患較多，安全不易保證。反井鉆機導井法施工作業人員不需要至工作面，安全隱患比較少，安全容易保證。因此反井鉆機導井法施工比傳統人工導井法施工安全容易保證。
七、應用實例
1、湖北省水布埡電站施工（豎井、斜井施工）
湖北省水布埡電站施工地下廠房通風豎井長183 m，洞徑為Ø1.4m；引水隧洞斜井長156 m，洞徑為Ø6.9m。巖石以灰為主，局部為泥質生物碎屑灰巖、泥質白云巖與灰巖呈軟硬兼相間不等厚分布并有多條斷層交錯頒布，硬度為8～12級。
廠房通風豎井施工采用蘇南煤機廠生產的LM－200型反井鉆機進行施工。LM－200型反井鉆機由主機、操作車、油泵車組成，主機為最大件，尺寸為2.95×1.37×1.57m。電機總功率為82.5kw，以液壓為主動力，運行操作簡單、安全。在Ø216mm導孔施工時配置TBW850/50型泥漿泵一臺，作為導孔時排渣。
廠房通風豎井、引水隧洞斜井反井鉆機施工分兩班作業，每個班作業人員為4人,駕駛員1人（隨車吊），共9人。
（1）廠房通風豎井反井鉆機施工
①施工條件
施工用水較緊缺，由于廠房通風上井口布置在露天平臺，施工期間為枯水期，山體無滲水可接至工作面，施工用水從清江抽至工作面比較困難。
施工中采取的相應措施：距上井口20m遠的平臺（該平臺高出豎井上口10m）砌筑容量為30m3的漿砌石水池，施工用采9m3的水車運至水池內，以滿足施工期用水。
②廠房通風豎井反井鉆機Ø216mm導孔施工
于2002年8月20日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），9月6日開鉆，9月12日Ø216mm導孔貫通，平均鉆進速度為30. 5 m /天。
③廠房通風豎井反井鉆機Ø1.4m導孔施工
反井鉆機Ø1.4m導孔從2002年9月13日開始擴孔，2002年9月26日結束。歷時13天，平均鉆進速度為14 m /天。
（2）4#引水斜井反井鉆機施工
①引水隧洞斜井反井鉆機Ø216mm導孔施工
于2003年6月21日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），7月14日開鉆，7月23日Ø216mm導孔貫通，歷時9天，平均鉆進速度為18 m /天。
②引水隧洞斜井反井鉆機Ø1.4m導孔施工
反井鉆機Ø1.4m導孔從2003年7月24日開始擴孔，2003年8月26日結束。歷時28天，平均鉆進速度為5.6 m /天。
2、云南省溪洛渡電站豎井硬巖施工
溪洛渡電站右岸地下廠房主變室排風豎井，深度為215.14m，開挖洞徑為8.2m，噴砼后凈斷面洞徑為8m。
主變室排風系統出露的巖體主要為P2β4層含斑玄武巖（約占80%）和P2β5層致密狀玄武巖（約占20%），巖體新鮮較完整，巖體以塊體、層狀結構為主，主要為Ⅱ類圍巖，部分圍巖受層內錯動帶和裂隙影響呈鑲嵌結構，屬Ⅲ1類圍巖，主變室排風豎井走向基本垂直巖層，巖石硬度為12～14級。
主變排風豎井施工程序：反井鉆機施工（Ø216mm導孔施工→Ø1.4m導井施工）→Ø3.8m人工反向擴挖→Ø8.2m人工正向擴挖及支護。
主變排風豎井Ø1.4m導井施工采用蘇南煤機廠生產的LM－200型反井鉆機進行施工。
（1）主變排風豎井反井鉆機Ø216mm導孔施工
①施工條件
a、施工干憂比較大，在距主變排風豎井反井鉆機作業部位約10m，有1#通風平洞的施工作業，1#通風平洞的施工（開挖爆破、通風散煙、出渣等）對反井鉆機施工的干擾非常大，爆破、通風散煙、出渣時無法施工；
b、施工用水較緊缺，由于廠房進風豎井、排風斜井同主變排風豎井施工使用同一供水管路，而主變排風豎井井口高程相對較高，水壓非常小。
c、主變排風豎井井深215.14m，LM-200型反井鉆機設計施工深度為200m。
②施工中采取的相應措施
a、設置兩個蓄水水箱，兩個水箱的容量分別為4m3、5m3，在導孔施工前一次將水箱和沉渣池內注滿水，作為循環水和沉渣池的水量補充；
b、為了增加供水管水壓，在供水管上安裝一臺2.2kw的管道增壓泵；
c、在沉渣池外挖一集水坑，將沉渣池滲漏的水引入集水坑，用潛水泵將集水坑內的水抽至水箱內作為油泵車冷卻循環用水，使沉渣池及水箱內的水全部循環以滿足施工期用水。
d、主變排風豎井井深215.14m，LM-200型反井鉆機設計施工深度為200m，為保證設備的正常運行和對孔斜的控制，在開孔及前20鉆進過程中控制鉆進速度在1.5～2小時/m。
③施工時段
Ø216mm導孔從2006年5月25日開始施工，2006年6月16日結束，歷時23天，其中6月8日至6月16日時段由于主變室施工影響停工。另外，受1#通風平洞施工影響停機時間約4天，實際鉆孔施工時間約為267個小時，平均鉆進速度為19. 4 m /天。
④施工資源配置和材料耗費
主變室排風豎井反井鉆機施工分兩班作業，每個班作業人員為4人,駕駛員1人（隨車吊），隊長1人，共9人。其設備配置見表1，材料耗費見表2。
表1 設備配置表
表2 材料耗費表
(2)主變排風豎井反井鉆機Ø1.4m導孔施工
反井鉆機Ø1.4m導孔從2006年6月18日13:00開始施工，2006年7月31日12：30結束。歷時44天，其中，受1#通風平洞爆破、出渣、通風散煙影響停機時間69.5小時，反井鉆機、水泵等設備檢修及漏油處理時間90.5小時，停水影響時間70小時，停電影響時間為6小時，外界影響230小時（10天）。實際擴孔施工時間為819小時（35天），平均鉆進速度為6.15 m /天。
導井施工材料消耗情況見表3。
表3 材料耗費表
八、反井鉆機在水電工程中的施工前景
水力發電站為滿足不同條件下對水工結構物功能上的要求，設立地下豎井式閘門井、調壓井、通排風豎、斜井和垂直與斜井壓力管道。根據對我國68座不同壩型和不同開發型式的大型水電站的統計，其中有地下豎井、斜井的電站就有28座，占41%，而且每座電站都有數個豎井、斜井，井深達90m以上，垂直壓力管道深度已達300m以上。2004年開工的廣州惠蓄水電站地下廠房A廠房引水斜井隧洞長303m，傾角為60°；2005年開工的云南省溪洛渡水電站左、右岸地下廠，總計設置2條斜井，深度為215 m，傾角為75.6°；深度90m 豎井有24條，最深的豎井為215.6 m。
隨著水電行業的發展，安全文明施工、環境保護的意識的隨著加強，特別是安全防范、法律、法規意識的增強。在水電工程施工中對安全要求也在隨著提高，安全在第一位置。另外水電工程在市場經濟的沖出下，工期也在大幅度縮短，一條200 m深的豎井工期要求約為4～5個月，傳統人工導井法施工在如此短的時間內完成200 m深的豎井的施工，其難度非常高，且豎井、斜井施工素有“咽喉工程、死亡之谷”之稱。反井鉆機導井法施工不需要施工人員至開挖面施工，提高了豎井、斜井施工的安全性，保證了施工人員的生命安全，具有良好的社會安全效益。且施工作業人員配置較少，減少豎、斜井的施工難度，從而有效的提高施工效益。因此，反井鉆機導井法施工在水電工程施工中有廣泛前景。
作者簡介：
譚金龍，云南人，高級工程師
馬紹龍，云南人，工程師
譚金龍 馬紹龍
摘要：反井鉆機導井施工方法于1950年在北美首先發展，60年代中期，反井鉆機導井施工方法在歐洲，特別是德國開始受到歡迎。我國自70年代開始研制反井鉆機，并先后在媒炭和冶金系統中應用， 1992年水電系統第一次引進反井鉆機，在十三陵抽水蓄能電站的出線洞、調壓井和高壓管道斜井等工程上，使用反井鉆機進行導井法施工，并取得了高效、安全、優質、經濟的效果。水電十四局是較早應用、探索反井鉆機導井施工的水電施工企業，5年來對反井鉆機的應用，特別是國產反井鉆機的應用進行了深入、全面的探索，并取得了一定的經驗。
關鍵詞 國產反井鉆機 導井施工方法 水電工程 應用
一、前言
1、反井鉆機概述
反井鉆機導井施工方法于1950年在北美首先發展，60年代中期，反井鉆機導井施工方法在歐洲，特別是德國開始受到歡迎，當時反井鉆機鉆孔直徑為1.2m，深度為150～200m；而到70年代初期，鉆孔直徑可達2.0～2.4m，鉆孔深度可達250～500m；發展到今天，世界上已有眾多廠家生產反井鉆機，典型的有美國羅賓斯公司，可提供28種型號的產品，鉆孔直徑為1.2～6.0m，鉆孔深度可達900m，德國維爾特公司生產的HG100、160、210、250、330SP系列，鉆孔直徑從1.4～6.0m，鉆孔深度高達1000m。
我國自70年代開始研制反井鉆機，并先后在媒炭和冶金系統中應用，產品多集中于小直徑擴孔的反井鉆機，典型產品有蘇南煤機廠生產的LM－90～300系列、長沙礦山研究院生產的TYZ1000～1500系列及西北有色冶金機械廠生產的的AF-2000等，鉆孔直徑為0.9m～2.4m，鉆孔深度可達250m。
1992年水電系統第一次引進反井鉆機，在十三陵抽水蓄能電站的出線洞、調壓井和高壓管道斜井等工程上，使用反井鉆機進行導井法施工，并取得了高效、安全、優質、經濟的效果。此后反井鉆機又在河南小浪底水利樞紐工程、山西萬家寨引黃入晉工程、云南大朝山水電站等使用。
水力發電站為滿足不同條件和對水工結構物功能上的要求，設立地下豎井式閘門井、調壓井和垂直與斜井壓力管道。豎井、斜井施工素有“咽喉工程、死亡之谷”之稱。因此豎井及斜井施工歷來都是水電施工行業的難點和重點。
而水電十四局在水電工程施工中享有“地下鐵軍”的榮譽稱號，為了滿足水電站地下工程施工，水電十四局根據水電工程市場需要于2002年7月購買了第一臺LM-200型反井鉆機，在湖北省水布埡電站成功應用，至2004年12月先后購買共4臺反井鉆，先后在貴州三板溪水電站、云南省小灣水電站、云南省溪洛渡水電站、湖北省水布埡、三峽水電站等成功應用。
ML系列國產反井鉆機由煤炭科學研究總院、北京建井研究所設計，由江蘇蘇南煤礦機械廠制造。反井鉆機設計主要用于煤礦開采，設計施工的巖石硬度較低，巖石硬度為12級以下。反井鉆機由主機、油泵車、操作平臺組成，施工時配置泥漿泵、循環水輸送的潛水泵、5t隨車吊等。反井鉆機結構見附圖1。
反井鉆機結構示意圖
2、反井鉆機在水電工程的豎井、斜井導井施工的應用
2002年7月水電十四購買了第一臺ML-200型反井鉆機并在湖北水布埡電站使用，水布埡電站的巖石為灰巖，巖石硬度為9～12級，共施工7條豎井（最長豎井181 m），4條斜井（傾角為60度，長150m），總計施工1400 m。
2003年6月水電十四購買了第二臺ML-200型反井鉆機在貴州省三板溪水電站使用，三板溪水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工6條豎井（最長豎井186 m），總計施工670m。
2004年8月水電十四購買了第三臺ML-280型反井鉆機在云南省小灣水電站使用，小灣水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工11條豎井（最長豎井212 m），總計施工1525m。
2004年12月水電十四購買了第四臺RHNO300型進口反井鉆機在廣州惠蓄水電站使用，惠蓄水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工3條豎井（最長豎井177 m），2條斜井（傾角為60度，最長303.7m），總計施工1085m。
2005年3月水電十四采用ML-200型反井鉆機在湖北省三峽水電站使用，三峽水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工2條豎井（最長豎井82 m），總計施工164m。
2006年3月水電十四采用ML-200型、ML-280型反井鉆機分別在云南省溪洛渡水電站右岸地下廠房、四川省錦屏二級水電站使用，溪洛渡水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，共施工2條豎井（最長豎井215 m。近期要施工的豎井有20條，計2540m）；四川省錦屏二級水電站巖石為灰巖，巖石硬度為12級，共施工1條豎井（長191 m）。總計施工600m。
截至2006年9月大理分局機械化項目部累計施工豎井32條，6條斜井。總計施工豎、斜井5514 m。
二、反井鉆機施工的基本原理
反井鉆機施工原理：由電機帶動主機液壓馬達驅動動動力水龍頭，利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統，帶動鉆具旋轉，并向上、下升降，巖石產生擠壓和剪切作用，使其破碎。
反井鉆機施工分兩個步驟進行，先采用Ø216mm小鉆頭從上至下鉆進到鉆下平洞，在鉆進過程中采用泥漿泵或高壓水泵從泥漿池抽至動力水龍頭，高壓水沿鉆桿至鉆頭排水孔壓出，將石碴從鉆桿與孔壁間的環行空間排至排碴槽，最后進入沉渣池。導孔貫通后（停止泥漿泵或高壓水泵運行）然后卸下小鉆頭，改換成Ø1.4m鑲齒盤形滾刀鉆頭，由下向上擴孔。再采用鐮齒盤形滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，從而對從下至上滾刀對巖石切削、擠壓完成豎井及斜井開挖，擴孔時的石碴經過冷卻水的沖刷和自重墜落到下平洞。
三、反井鉆機豎、斜導井施工工法的特點
1、反井鉆機豎、斜井施工的特點
反井鉆機在施工豎、斜井的導孔過程中全部采用機械設備，只需要熟練的技工操作就行，反井鉆機操作簡單、安全，對環境造成污染非常小，作業人員比較少。每個班只需要4～5人。但是反井鉆機一次性投入相對較高，國產一臺套LM-200型鉆機投入使用其費用約145萬元。一臺套進口RHNO300型反井鉆機投入費用約1400萬元。
四、傳統人工豎、斜井導井施工特點
斜井和豎井施工方法有全斷面一次開挖法和導井開挖法兩種方式，其中傳統導井法開挖方式有正井、反井或正反井結合法。反導井施工通常采用吊罐法、爬罐法或深孔分段爆破法，傳統導井法施工目前在水利水電工程中應用比較普遍，施工工藝應用得較為純熟。一次性投入比較少，主要投入的設備：20m3空壓機一臺、手風鉆10把、通風設備一臺、運輸設備一臺（卷揚機、吊罐爬罐），投入費用不到40萬元。如果采用阿立瑪克爬罐則投入費用將增大，一臺阿立瑪克爬罐售價為255萬元。傳統人工導井法施工無論采用正導井法、反導井法、吊罐法施工，均需要人員及設備至開挖掌子面進行鉆爆施工。因此在施工過程中均不可避免地存在著安全隱患，而通風散煙困難，進度也容易受限制等。據統計，深度在100m左右的洞室導井開挖一般日平均進尺在1～1.5m左右。人工導井施工方法對井深有一定的限制，深度越深，施工難度越大、安全隱患更大。
五、反井鉆機與傳統人工導井施工工藝的比較
水力發電站為滿足不同條件和對水工結構物功能上的要求，設立地下豎井式閘門井、調壓井和垂直與斜井壓力管道。根據對我國68座不同壩型和不同開發型式的大型水電站的統計，其中有地下豎井、斜井的電站就有28座，占41%，而且每座電站都有數個豎井、斜井。從規模上看，調壓井直徑已達24m以上，井深達90m以上，垂直壓力管道深度已達300m以上。天生橋二級兩段斜井深已達754m，可以說豎井、斜井在水電建設中占有一定的比重。豎井、斜井開挖又是其施工的重要環節，而且由于豎井、斜井施工難度很大，往往是電站建設工期的控制項目之一。為了解決這個難題，水電建設者們克服了諸多困難，不斷地學習、借鑒、研究和應用新的施工方法和技術，推動了我國水電豎井、斜井開挖技術的發展。
從開挖方法和施工設備的發展來看，已從正井人工吊碴開挖發展到人工反井溜碴法、人工配合機械的反井吊罐法、反井爬罐法。而后又發明了勞動強度較低的一次鉆孔反井分段爆破法和反井鉆機開挖方法等。應該說，從正井開挖進入應用重力勢能的反井開挖法，是豎井開挖技術質的飛躍。一次鉆孔分段爆破是一項技術進步，而反井鉆機的應用更使豎井、斜井開挖進入了一個新的階段。
1、傳統人工導井施工法分析
（1）正導井開挖法
上馬嶺電站調壓井開挖和壓力管道上部開挖，采用自上而下的正井開挖方法。天生橋調壓井為了加快施工進展，頂部也采用上部吊碴方法。永定河上馬嶺電站壓力管道傾角33°11′26.5″，開挖直徑6.6m，全長179m，開始從上彎段向下開挖，施工十分困難，進展很慢，后來在中間增開一條“七、一”支洞，開始從下而上的反井開挖，初步解決了出碴問題。
（2）反導井開挖法
云南大朝山電站尾水設4個閘門井，開挖斷面為12×16m，閘門井高45m，都是采用2×3 m斷面開挖反導井，采用人工搭設腳手架平臺進施工反井施工，施工中配置2臺手風鉆，47天向上開挖導井45m，平均日進尺0.96m，最高日進尺2.5m。
（3）反井爬罐導井開挖法
廣蓄電站壓力管道斜井，上斜井長406.22m，下斜井長347.45m。開挖直徑9.7m，傾角50°。斜井開挖采用正、反井結合方法施工，先開挖2.4×2m下導井（底拱），采用上、下對口四個工作面同時開挖。上部向下開挖提升出碴，下部向上用阿立馬克STH-500型（柴油）和STH-588型（電動）爬罐。上斜井導井用127天完成，最高月進尺90m；下斜井導井用125天完成，月進尺77m。上斜井下口工作面平均日進尺2.595m，下斜井下口平均日進尺1.974m。
天生橋電站壓力管道，長159.5m（總計178.3m）。大井直徑.7m，豎井導井用阿立馬克爬罐開挖，斷面2.5m×2.5m，每個循環進尺1～1.5m，平均月進尺55m，最高月進尺80m。
（4）反井吊罐導井開挖法
反井吊罐開挖導井，是從冶金系統引進到水電六局的，而后在一些水電站施工中推廣應用。
漁子溪埋藏式豎井壓力管道豎井為272.2m，開挖直徑5.2m，鋼襯直徑3.4m，內水壓力.92MPa。開挖采用紅旗300型鉆機鉆設φ100mm中心孔，最高班進尺3m，實際偏差為15～40cm。豎井分三段開挖，每段約90m，反井吊罐法開挖導井，導井斷面為3.24m2。折疊式吊罐重400kg，載重600kg，折疊尺寸為900mm×900mm×1250mm，展開尺寸為1760mm×1460×2100mm。鉆爆人員4人，采用01-43和01-45型鉆機，混合式通風方式。導井開挖平均日進尺2.88m，中心孔上部用華1型游動卷揚機牽引。
（5）一次鉆孔反井分段爆破開挖法
三門峽改建工程排沙洞1號工作閘門井，深51m。采用一次鉆孔、自下而上分段爆破的方法開挖導井，導井斷面1.8m×1.8m，實際開挖成2.25m×1.93m。使用KA-2M-300型鉆機，鉆φ150mm中心孔，爆破孔φ110～120mm，鉆機偏差小于1.7‰。開挖布置6個孔，后來增加至10個孔，裝藥8.5～12kg/孔，崩落孔7～11kg/孔，周邊孔8～12kg/孔。巖石豎固系數為8～12。孔徑120mm，藥卷直徑105mm（內徑95mm），采用毫秒爆破，并串并聯法。放炮有效天數10.33天，最高班進尺4.28m，最高日循環4次，進尺8.19m，平均日進尺4.6m。如果把鉆孔和準備工作時間包括在內，則日平均進尺僅為0.807m。
天生橋二級調壓井，Ø24m，深90m，采用一次鉆孔，分段自下而上爆破法開挖導井，導井φ2.4m，共鉆7個孔，中間一個大孔，垂直偏差小于1%。每次進尺1m，月進尺20m。
2、反井鉆機導井法施工分析
（1）湖北省水布埡電站地下廠房通風豎井長183m，豎井直徑Ø1.4m。巖層為灰巖，巖石硬度12級， 反井鉆機為LM-200型。于2002年8月20日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），9月6日開鉆，9月17日Ø216mm導孔貫通，9月18日導井Ø1.4m擴孔，9月26日擴孔結束。其中由于廠房施工停工8天，純施工時間為47天，平均日鉆進3.2m。
（2）湖北省水布埡電站引水斜井長156m，傾角60°，反井鉆機為LM-200型。于2003年8月26日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），9月10日開鉆，9月14日Ø216mm導孔貫通，10月14日導井Ø1.4m擴孔結束。歷時44天，平均日鉆進3.54m。
（3）貴州省三板溪水電站巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，電纜豎井長184m。反井鉆機為LM-200型。于2003年6月26日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），7月3日開鉆，7月9日Ø216mm導孔貫通，8月20日導井Ø1.4m擴孔結束。其中由于主變室施工停工10天，純施工時間為44天，平均日鉆進2.7m。
（4）云南省小灣水電站使用，小灣水電站的巖石為花崗巖，巖石硬度為14～16級，地下廠房主變排風豎井長210m。反井鉆機為LM-280型。于2004年5月25日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），6月1日開鉆，6月11日Ø216mm導孔貫通，8月22日導井Ø1.4m擴孔結束。施工歷時為57天，平均日鉆進3.7m。
（5）云南省溪洛渡水電站右岸地下廠房主變排風豎井長215m，巖層為玄武巖，巖石硬度14～16級， 反井鉆機為LM-200型。于2006年5月10日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），5月26日開鉆，6月16日Ø216mm導孔貫通（外界影響停工10天），6月18日導井Ø1.4m擴孔，7月26日擴孔結束（外界影響停工12天）。施工歷時為54天，平均日鉆進3.98m。
反井鉆機在不同巖性的豎、斜井導井鉆進情況統計表
| 電站名稱 | 井深（m） | 巖石名稱 | Ø216mm鉆進速度（m/天） | Ø1.4m擴孔速度（m/天） | 備注 |
| 水布埡電站 | 115～183 | 灰巖 | 38～40 | 18～20 | 豎井 |
| 156 | 32～34 | 14～16 | 斜井（60°） | ||
| 三板溪電站 | 43～120 | 花崗巖 | 19～32 | 8～10 | 豎井 |
| 小灣電站 | 88～212 | 30～35 | 13～16 | ||
| 三峽電站 | 82 | 22～32 | 12～15 | ||
| 溪洛渡電站 | 194～215 | 玄武巖 | 20～26 | 5～10 |
3、反井鉆機與傳統人工導井工期比較
（1）反進鉆機導孔施工時間統計
①反井鉆機開鉆前的準備時間一般為12～15天，主要是主機基礎砼澆筑、主機就位、二期砼澆筑、沉渣池砌筑等。
②Ø216mm導孔施工一般25m/天，以100m長的豎、斜井為例，Ø216mm導孔耗時約4天。
③Ø216mm鉆頭拆下至安裝Ø1.4m鉆頭結束耗時約1天。
④Ø1.4m導井擴挖速度約5～15m/天，平均10m/天，以100m長的豎、斜井為例，Ø1.4m導井擴挖耗時約10天。
⑤反井鉆拆除耗時約3天。
根據統計顯示，100m長的豎、斜井反井鉆機從準備工作至設備拆除約耗時約33天。
（2）傳統人工導井施工時間統計
①傳統人工導井開鉆前的準備時間一般為4～5天，主要是空壓機的安裝（卷揚機或爬罐可不占用工期）。
②Ø1.8m導孔施工一般0.8～1.5m/天，以100m長的豎、斜井為例，Ø1.8m導井耗時約91天。
③井內風、水、電管線拆除耗時約5天。
根據統計顯示，100m長的豎、斜井傳統人工導井法施工從準備工作至設備拆除約耗時約101天。
從以上的反井鉆機和傳統人工導井法施工時間統計，反井鉆機導井法施工耗時只占傳統人工導井法施工耗時32.6%。采用反井鉆施工工期可提前約2/3。
4、反井鉆機與傳統人工導井質量比較
反井鉆導井施工采用滾刀對巖石切削、擠壓完成豎井及斜井導井開挖，形成的導井井壁非常光滑，并能夠形成預定要求的洞徑。
傳統人工導井法施工則采用人工鉆孔，人工控制周邊孔位，不可避免的誤差，導井井壁不是很光滑。
綜上所述，反井鉆導井施工比傳統人工導井法施工質量要好得多。
5、反井鉆機與傳統人工導井安全比較
反井鉆導井施工均采用設備操作，且反井鉆機由電能傳到液壓系統，轉變成液壓驅動，操作安全，容易避免安全事故的發生。
傳統人工導井法施工則采用人工鉆孔、爆破，施工人員必須到工作面進行操作，安全隱患較多，安全不易保證。
四、工藝流程及操作要點
1、豎井、斜井反井鉆機施工工藝流程框圖
豎井、斜井反井鉆機導井施工工藝流程框圖
2、施工方法
（1）設備組合
主要設備配置表
| 設備名稱 | 型 號 | 重 量 | 功 率 | 數 量 | 備 注 | |
| 反井鉆機 | 主機 | LM-200 | 8.3t | 83kw | 1臺套 | 主機軌道（18#工字鋼9m） |
| 操作車 | 0.89t | |||||
| 油泵車 | 2.5t | |||||
| 泥漿泵 | TBW850/50 | 5.5t | 90kw | 1臺 | 用于Ø216mm導孔施工 | |
| 潛水泵 | 2.2kw | 2.2kw | 3臺 | 油泵車冷卻水循環水 | ||
| 隨車吊 | 3t | 1輛 | 吊運鉆桿、操作車、油泵車 | |||
| 沃爾沃裝載機 | 150型 | 1臺 | 主機、泥漿泵的吊裝 | |||
| 鋼板水箱 | 4m3、5m3 | 各一個 | 水箱大小按供、排水情況定 | |||
| Ø216mm鉆頭 | Ø216mm | 0.05t | 一個 | 一個鉆頭可施工300～500m | ||
| Ø1.4m鉆頭 | Ø1.4m | 2.3t | 一個 | |||
鉆機基礎砼澆筑2~3天后，將主機軌道鋪設在砼平臺上，軌距為64cm，軌道下墊枕木（20×20cm，長120cm）或20#工字鋼，每隔60～80cm墊一根，然后將主機吊至軌道上，調好鉆機位置，鎖緊卡軌器，豎起鉆架，安裝后拉桿，調平鉆機。
鉆機調平后，用螺栓將鋼墊板連接在鉆架上，安裝前拉桿及埋設預埋螺栓，再次調平鉆機并澆筑Ⅱ期砼。
①Ø216mm導鉆進
Ⅱ期砼達到一定的強度后，安裝轉盤吊和翻轉架，開孔鉆進，鉆機調平后，調整動力水龍頭的轉速為預定值，并將動力水龍頭升到最高位置、把事先與異型鉆桿相接的導孔鉆頭移入鉆架底孔并用下卡瓦卡住異型鉆桿的下方卡位，然后將卡瓦放入卡座。用鉆機輔助設備連接鉆桿。接好鉆桿后，開啟泥漿泵供洗井液和冷卻用水，開始從上往下開孔鉆進。
導孔開始鉆進時采用高轉速低鉆壓，動力水龍頭的轉速使用快速擋，鉆壓為2～5Mpa，一般情況下，對于松軟地層和過渡地層應采用低鉆壓，對于硬巖和穩定地層宜采用高鉆壓。
穩定鉆桿的布置，穩定鉆桿的作用主要控制導孔鉆進的偏斜率，在鉆頭后連續布置6～8根，控制鉆桿與導孔壁的間隙，從而減少鉆桿擺動幅度，確保導孔鉆進的垂直度。
背壓根據實際情況調整，背壓過大動力水龍頭不能向下推進，背壓過小時動力水龍頭向下推進過快而容易卡鉆，背壓的調整原則是既能使動力水龍頭向下推進也不能卡鉆。
洗孔，動力水龍頭向下推進至最低位置時，停止向下推進，檢查棘輪套的插銷是否往上頂出來，如果插銷被頂出來，說明孔內石渣沒有沖洗干凈，繼續沖洗至插銷回到原位。
導孔石碴沖洗干凈后，關閉泥漿泵，連接鉆桿，鉆桿連接完成后開啟泥漿泵，繼續往下鉆進。
導孔在鉆穿約有5～8m時，在預測鉆穿位置設置圍欄，禁止人員進入，防止石塊墜落傷人。
②Ø1.4m從下往上反向擴孔
導孔貫通后，在下平洞用卸扣器將導孔鉆頭和異型鉆桿換下，用吊車或裝載機將Ø1.4m鉆頭運至導孔下方，將上下提吊塊分別同鉆頭、導孔鉆桿固定，上下提吊塊用鋼絲繩連接，提升導孔鉆桿，使鉆頭離開地面約20cm，然后固定鉆頭，下放導孔鉆桿，拆去上下提吊塊，連接擴孔鉆頭。
調節動力水龍頭出軸轉速調為慢速擋。在擴孔鉆頭未全進入鉆孔時，為防止鉆頭劇烈晃動而損壞刀具，使用低鉆壓、低轉速，待鉆頭全部鉆進后可加壓鉆進。
擴孔鉆壓的大小根據地層的具體情報況而定，軟巖低壓、硬巖高壓，但是，主泵油壓不得超過24.0Mpa；副泵油壓不得超過18.5Mpa。
擴孔鉆進結束后，拆去鉆桿，采用鋼絲繩將Ø1.4m鉆頭固定在主機軌道上，主機調離后再將鉆頭從導孔吊出。
（3）關鍵技術
在導孔鉆進過程中有時會出現由于塌孔、水壓力不夠、停電等導致孔內石碴滯留堆積后出現卡鉆，或是導孔、擴孔施工過程中鉆桿斷裂后鉆桿、鉆頭滯留在孔內，這些情況處理起來相當困難，并且發生的頻率也較多，屬于反井鉆機導井法施工的難點及重點，在此我們根據經驗談幾點體會。
①導孔鉆進過程中的卡鉆
我們采取了幾種方法進行處理，其中一種方法是采取高壓水強行沖孔，在沖孔過程中起動鉆機轉動鉆桿，直至鉆桿轉動提升。另外一種方法是導孔離下下平洞較近的情況下，從下往上人工打導井貫通導孔，貫通后用高壓水沖孔。
②擴孔過程中的掉鉆
在擴孔過程中，由于鉆桿斷裂，如果擴孔鉆頭卡在已擴挖成形的孔內，此時若從下面處理非常危險。所以我們考慮從上面導孔中進行，第一種方法：將鉆桿接上后采取鉆桿對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，對鉆頭不會構成大的損傷。
③導孔施工過程中的鉆桿斷裂
部份長期使用的鉆桿在導孔鉆進及擴孔過程中可能會發生斷裂，反井鉆機單根鉆桿長度為1m，重達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，造成經濟。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導井法施工的一個難題。為此我們發明了一種鉆桿打撈器，鉆桿打撈器的原理跟膨脹螺栓原理相同，其上部與鉆桿呈直螺紋連接，下部為椎形套，前進過程中可以直接進入已斷裂鉆桿的內壁，進入內壁后，在打撈器提升過程中椎形套會張開，與斷裂鉆桿內壁緊緊連接，越拉越緊，然后通過打撈器將孔內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40噸以上的重量。即能提取200m以上的鉆桿長度。基本能滿足取鉆要求。
附圖1：鉆桿打撈器示意圖
④不良地質地層施工方法
經過實踐，我局總結出以下兩種方法進行不良地質地層施工。
a、循環鉆灌成孔法
我局在小灣左岸砂石系統遇2#豎井、水布埡電站4#引水斜井、4#母線豎井、交通電梯井及三板溪電站的2#、4#引水豎井在鉆孔過程中遇到斷層、裂隙、溶溝、溶槽或軟弱夾層等地質不良段，在鉆進過程中不同程度的出現孔口不返水排碴現象。均采用循環鉆灌成孔法進行處理。具體方法為在現場制備0.4～0.55水灰比的水泥砂漿或泥漿，通過灌漿設備或人工自流輸送漿液的方法進行灌注，利用漿液填充斷層、裂隙、溶溝、溶槽，灌注漿液24小時后即可進行鉆孔施工。這個方法實施較為安全可靠，但由于要反復取鉆、灌漿，對施工進度影響較大。
b、強行成孔法
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、裂隙后出現孔口不返水時，繼續鉆進并不斷的用泥漿泵向孔內壓水，直至孔口返水。該方法的特點是利用水壓力將鉆孔時的積碴強行通過裂隙、斷層或孔口排除并堵塞裂隙里的滲水通道。我局在三板溪電站、小灣電站豎井施工均采用過該方法，對加快施工進度方面非常有效。
在實際施工中，可根據情況兩種方法均酌情采用。
⑤反井鉆在硬巖施工中的改良，其方法詳見《五、針對水電工程地質情況施工對國產反井鉆機的改良》措施。
五、針對水電工程地質情況施工對國產反井鉆機的改良
1、對Ø1.4m鉆頭進行改良，使之適應硬巖施工
LM-200型反井鉆機擴孔鉆頭由6把對稱擴孔滾刀組成，其中2把在中心，稱為中心刀，另外4把在外側，稱為邊刀。呈對稱布置。在實際擴孔鉆進過程中，發現外面4把擴孔邊刀擴孔負荷較大，容易受磨損，需要經常更換，而里面2把的中心刀負荷較小，基本不需要更換。這樣由于負荷不均勻導致外面鉆頭盤刀更換頻繁，降低了造孔速度，同時也造成了里面擴孔中心刀閑置，在經過反復驗證并仔細研究了各滾刀的運行軌跡后。將里面的其中1把擴孔盤刀改裝到了外面，這樣保證了每把擴孔盤刀均勻受力，在不增加任何投入的情況下，加快了施工進度，降低了施工成本。改裝前和改裝后的擴孔鉆頭布置見附圖2。
a:由廠家提供的對稱擴孔盤刀 b: 經改良的非對稱擴孔盤刀（按滾刀的工作量布刀）
附圖2：改裝前、后的擴孔鉆頭布置圖
2、改變原來穩定鉆桿的配置方法，更好的控制鉆進精度
在Ø216m導孔鉆進時，原廠家設計連接鉆頭的第一、二根鉆桿為穩定鉆桿，然后接一般鉆桿，穩定根據地質情況布置，以此控制鉆進偏斜。根據施工經驗該方法存在一定的弊端，導孔產生偏斜一般前20～30m發生，為了更好的控制鉆進精度，在Ø216m導孔鉆進時連接鉆頭的第一～八根鉆桿均為穩定鉆桿，按此布置后，導孔鉆進的偏斜均在1%以內。
3、擴孔鉆頭中心管的改進
LM-200型反井鉆機擴孔鉆頭中心管主要作用為連接擴孔鉆頭與鉆桿，長度約為50cm。由于接頭部位離擴孔鉆頭較近且該部位所承受的扭矩較大，應力容易集中，在初期擴孔施工中經常出現與其它鉆桿的連接部位斷裂。為此我局經過研究后，將擴孔中心管長度加長至1.5m，并將擴孔中心管采用合金穩定條加固，經過加固后的擴孔鉆頭在后期施工中基本不出現斷裂現象。改裝前和改裝后的擴孔中心管布置見附圖3。
a:由廠家提供的擴孔鉆頭中心管 b: 經改良的擴孔鉆中心管（加長并增加合金穩定條）
附圖3：改裝前、后的擴孔鉆頭鉆頭中心管布置
4、擴孔鉆頭冷卻系統的改進
LM-200型反井鉆機擴孔鉆頭擴孔施工期間的冷卻主要靠采用在孔口通過自流形式落至鉆頭上進行冷卻。由于導孔較小，而擴孔鉆頭較大，通過自流的水僅能冷卻位于中間的擴孔滾刀，而外圍幾把滾刀無法冷卻，導致外圍滾刀在工作中因過熱容易損壞。鑒于此情況，我局將冷卻系統進行了改造，即在原利用孔口自流水冷卻的同時，從鉆機頂部連接一根2寸冷卻水管通過鉆桿中心孔，然后在擴孔鉆頭底盤上各引一4〞管進入 附圖4：改良后鉆頭冷卻系統各滾刀。使各滾刀在運轉中均能受到冷卻，這樣不僅使滾刀使用時間比原來增加了一倍，同時也加快了施工進度。改裝后所增加的擴孔冷卻系統見附圖4。
5、擴孔鉆頭破巖滾刀的改進
LM-200型反井鉆機擴孔鉆頭破巖滾刀一般為4齒滾刀，齒間距為6cm，采用4齒滾刀在八級以下的巖石基本能滿足破巖要求，我局在水布埡電站的豎井及斜井施工中就是采用由廠家提供的4齒滾刀進行破巖，在進入小灣電站和三板溪電站后，巖性為花崗巖，巖石級別十二級。在初期進行主排風洞的擴孔施工中，發覺擴孔速度相當緩慢，而鉆頭磨損較大。最初是認為合金鉆頭難以滿足造孔要求，于是先將合金鉆頭改為金鋼石鉆頭，但效果仍不是太明顯，后仔細分析滾刀破巖原理后，認為是齒間距過大，難以達到破巖效果，在將4齒滾刀調整為5齒滾刀、齒間距調整為5cm后，造孔速度明顯提高，最后將滾刀調整為6齒滾刀、齒間距調整為4cm后，在花崗巖中造孔速度能滿足要求。改裝前和改裝后的破巖滾刀見附圖5。
a:由廠家提供滾刀（四齒） b: 第一次改良的滾刀（五齒） c: 第一次改良的滾刀（六齒）（適用于十級以下巖石） （適用于十一～十三巖石） （適用于十四以上巖石）
附圖5：改裝前、后的擴孔鉆頭擴孔鉆頭破巖滾刀
目前我局根據不同的巖石級別設計了三種擴孔鉆頭，擴孔鉆頭的滾刀布置采用改良的布景形式。硬度八至十級的巖石采4齒合金滾刀、齒間距為6cm；十一至十三級的巖石采用5齒金剛石滾刀、齒間距調整為5cm；十四至十六級的巖石采用6齒金剛石滾刀、齒間距調整為4 cm。并委托鉆頭生產廠家按我局設計的鉆頭類型進行生產。在以后施工中進一步總結經驗，設計出更加完美的擴孔鉆頭。
六、效益分析
1、經濟效益
豎井導井施工所采用的較為傳統的施工方法就是手風鉆導井施工，現以開挖一條150m長斷面為Ø1.4m的豎井導井（巖石為十二級）為例來分析常規施工、反井鉆機施工方法的成本及進度特點。
（1）傳統人工導井法施工分析
手風鉆豎井導井施工采用正導井和反導井工法相結合，設備配置為：手持式風鉆8～12臺，卷揚機1臺、1臺阿立瑪克爬罐，20m3空壓機2臺。人員配置：按三班作業，鉆手15人，炮工3名，卷揚機、爬罐操作工各3名，安全員6名，總計27人。正導井和反導井同時施工，平均每天共進尺2.5m（反向開挖平均每天1.5m，正向開挖平均每天1m）。施工總耗時60天。
（2）反井鉆機導井法施工分析
反井鉆機導井法施工是水電施工中的一種新技術、新工藝。根據施工工藝，設備LM-200型反井鉆一臺套。人員配置：操作工及換鉆桿人員每班4人，按三班計算總計12人。
先采用Ø216mm的鉆頭自上而下鉆孔，小孔貫通后再采用1.4m的鉆頭從下往上反向擴孔，鉆進速度按25m/天，計6天； Ø1.4m導井反向擴時鉆進速度為8m/天，計19天。施工共耗時約為25天。
（3）傳統人工和反井鉆機豎井導井法施工分析
主要設備、工期及人員情況對照表
| 施工方法 | 設備 | 設備價值 | 人員 | 工期 | 材料消耗 |
| 反井鉆機 | 反井鉆機一臺套 | 140萬元 | 12人 | 25天 | Ø216mm鉆頭1個1萬元 |
| 隨車吊一輛 | 14.5萬元 | Ø1.4m鉆頭2個16萬元 | |||
| 人工導井開挖 | 8t卷揚機一臺 | 3.8萬元 | 27人 | 60天 | 空壓機電機功率計250KW，軌道安裝90m |
| 阿立瑪克爬罐一臺 | 255萬元 | ||||
| 20m3空壓機2臺 | 17萬元 | ||||
| 軸流風機2臺 | 12.8萬元 | 37 KW | |||
| Ø40mm鉆頭、鉆桿、炸藥等 | 3.7萬元 | ||||
2、環境保護效益
豎井傳統人工導井法施工需要鉆孔爆破，手風鉆產生的噪音比較大，對鉆工身體健康產生一定的損害；爆破產生的灰塵和氣體對人體健康會產生一定的損害，嚴重時得職業病。反井鉆機導井法施工產生的噪音比較小，對作業人員身體健康產生一定的損害非常小，Ø1.4m導井反向擴時作業人員不需要至工作面，產生的灰塵不會對作業人員身體健康產生損害。同此可見，反井鉆機導井法施工比傳統人工導井法施工對環境影響小得多。
3、安全效益
豎井傳統人工導井法施工需要鉆孔爆破，施工人員必須到工作面操作，人工進行安裝炸藥、出渣等，安全隱患較多，安全不易保證。反井鉆機導井法施工作業人員不需要至工作面，安全隱患比較少，安全容易保證。因此反井鉆機導井法施工比傳統人工導井法施工安全容易保證。
七、應用實例
1、湖北省水布埡電站施工（豎井、斜井施工）
湖北省水布埡電站施工地下廠房通風豎井長183 m，洞徑為Ø1.4m；引水隧洞斜井長156 m，洞徑為Ø6.9m。巖石以灰為主，局部為泥質生物碎屑灰巖、泥質白云巖與灰巖呈軟硬兼相間不等厚分布并有多條斷層交錯頒布，硬度為8～12級。
廠房通風豎井施工采用蘇南煤機廠生產的LM－200型反井鉆機進行施工。LM－200型反井鉆機由主機、操作車、油泵車組成，主機為最大件，尺寸為2.95×1.37×1.57m。電機總功率為82.5kw，以液壓為主動力，運行操作簡單、安全。在Ø216mm導孔施工時配置TBW850/50型泥漿泵一臺，作為導孔時排渣。
廠房通風豎井、引水隧洞斜井反井鉆機施工分兩班作業，每個班作業人員為4人,駕駛員1人（隨車吊），共9人。
（1）廠房通風豎井反井鉆機施工
①施工條件
施工用水較緊缺，由于廠房通風上井口布置在露天平臺，施工期間為枯水期，山體無滲水可接至工作面，施工用水從清江抽至工作面比較困難。
施工中采取的相應措施：距上井口20m遠的平臺（該平臺高出豎井上口10m）砌筑容量為30m3的漿砌石水池，施工用采9m3的水車運至水池內，以滿足施工期用水。
②廠房通風豎井反井鉆機Ø216mm導孔施工
于2002年8月20日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），9月6日開鉆，9月12日Ø216mm導孔貫通，平均鉆進速度為30. 5 m /天。
③廠房通風豎井反井鉆機Ø1.4m導孔施工
反井鉆機Ø1.4m導孔從2002年9月13日開始擴孔，2002年9月26日結束。歷時13天，平均鉆進速度為14 m /天。
（2）4#引水斜井反井鉆機施工
①引水隧洞斜井反井鉆機Ø216mm導孔施工
于2003年6月21日開始準備工作（含基礎砼施工、設備就位調試及沉渣砌筑等），7月14日開鉆，7月23日Ø216mm導孔貫通，歷時9天，平均鉆進速度為18 m /天。
②引水隧洞斜井反井鉆機Ø1.4m導孔施工
反井鉆機Ø1.4m導孔從2003年7月24日開始擴孔，2003年8月26日結束。歷時28天，平均鉆進速度為5.6 m /天。
2、云南省溪洛渡電站豎井硬巖施工
溪洛渡電站右岸地下廠房主變室排風豎井，深度為215.14m，開挖洞徑為8.2m，噴砼后凈斷面洞徑為8m。
主變室排風系統出露的巖體主要為P2β4層含斑玄武巖（約占80%）和P2β5層致密狀玄武巖（約占20%），巖體新鮮較完整，巖體以塊體、層狀結構為主，主要為Ⅱ類圍巖，部分圍巖受層內錯動帶和裂隙影響呈鑲嵌結構，屬Ⅲ1類圍巖，主變室排風豎井走向基本垂直巖層，巖石硬度為12～14級。
主變排風豎井施工程序：反井鉆機施工（Ø216mm導孔施工→Ø1.4m導井施工）→Ø3.8m人工反向擴挖→Ø8.2m人工正向擴挖及支護。
主變排風豎井Ø1.4m導井施工采用蘇南煤機廠生產的LM－200型反井鉆機進行施工。
（1）主變排風豎井反井鉆機Ø216mm導孔施工
①施工條件
a、施工干憂比較大，在距主變排風豎井反井鉆機作業部位約10m，有1#通風平洞的施工作業，1#通風平洞的施工（開挖爆破、通風散煙、出渣等）對反井鉆機施工的干擾非常大，爆破、通風散煙、出渣時無法施工；
b、施工用水較緊缺，由于廠房進風豎井、排風斜井同主變排風豎井施工使用同一供水管路，而主變排風豎井井口高程相對較高，水壓非常小。
c、主變排風豎井井深215.14m，LM-200型反井鉆機設計施工深度為200m。
②施工中采取的相應措施
a、設置兩個蓄水水箱，兩個水箱的容量分別為4m3、5m3，在導孔施工前一次將水箱和沉渣池內注滿水，作為循環水和沉渣池的水量補充；
b、為了增加供水管水壓，在供水管上安裝一臺2.2kw的管道增壓泵；
c、在沉渣池外挖一集水坑，將沉渣池滲漏的水引入集水坑，用潛水泵將集水坑內的水抽至水箱內作為油泵車冷卻循環用水，使沉渣池及水箱內的水全部循環以滿足施工期用水。
d、主變排風豎井井深215.14m，LM-200型反井鉆機設計施工深度為200m，為保證設備的正常運行和對孔斜的控制，在開孔及前20鉆進過程中控制鉆進速度在1.5～2小時/m。
③施工時段
Ø216mm導孔從2006年5月25日開始施工，2006年6月16日結束，歷時23天，其中6月8日至6月16日時段由于主變室施工影響停工。另外，受1#通風平洞施工影響停機時間約4天，實際鉆孔施工時間約為267個小時，平均鉆進速度為19. 4 m /天。
④施工資源配置和材料耗費
主變室排風豎井反井鉆機施工分兩班作業，每個班作業人員為4人,駕駛員1人（隨車吊），隊長1人，共9人。其設備配置見表1，材料耗費見表2。
表1 設備配置表
| 設備名稱 | 型 號 | 重 量 | 功 率 | 數 量 | 備 注 | |
| 反井鉆機 | 主機 | LM-200 | 8.3t | 83kw | 1臺套 | 主機新配軌道（18#工字鋼9m） |
| 操作車 | 0.89t | |||||
| 油泵車 | 2.5t | |||||
| 泥漿泵 | TBW850/50 | 5.5t | 90kw | 1臺 | ||
| 潛水泵 | 2.2kw | 2.2kw | 3臺 | 1臺備用（1臺新購） | ||
| 1.1kw | 1.1kw | 1臺 | 新購 | |||
| 管道增壓泵 | 2.2kw | 2.2kw | 1臺 | 供水增壓 | ||
| 隨車吊 | 3t | 1輛 | ||||
| 沃爾沃裝載機 | 150型 | 1臺 | 主機、泥漿泵的吊裝 | |||
| 鋼板水箱 | 4m3、5m3 | 各一個 | ||||
| 手拉葫蘆 | 2t | 一個 | 新購 | |||
| 角磨機 | 1臺 | 新購 | ||||
| 溢流閥 | DB10-1-30/315 | 4臺 | 新購 | |||
| DB20-1-30/315 | 2臺 | 新購 | ||||
| 液壓馬達 | XQM16 | 1臺 | ||||
| 2QJM42 | 1臺 | |||||
| 材料名稱 | 規格型號 | 單 位 | 數 量 | 備 注 |
| 漿砌石 | M7.5 | m3 | 1.5 | 工人砌筑沉渣池 |
| 水 | m3 | 30 | 循環使用 | |
| 電 | kw·h | 41000 | ||
| 液壓油 | 68# | L | 800 |
施工約500m更換一次， 滲漏率約為5% |
| kg | 24.8 | |||
| 齒輪油 | L | 200 | ||
| 柴機油 | L | 16 | ||
| 黃油 | 鋰基 | kg | 5 | 用于鉆桿 |
| 工字鋼 | 18# | m | 9 | 主機軌道 |
| 鉆頭 | Ø216mm | 個 | 1 | 以前已鉆進130m， |
| 油管接頭 | 個 | 8 | 共80元 | |
| 電纜線 | 4×4mm | m | 100 | 施工區照明線 |
| 水管 | 塑料管Ø50mm | kg | 122 | 供水管 |
| 電機修理 | 7.5kw | 元 | 480 | 反井鉆機小油泵電機 |
| 水泵修理 | 2.2kw | 循環水用的潛水泵 |
反井鉆機Ø1.4m導孔從2006年6月18日13:00開始施工，2006年7月31日12：30結束。歷時44天，其中，受1#通風平洞爆破、出渣、通風散煙影響停機時間69.5小時，反井鉆機、水泵等設備檢修及漏油處理時間90.5小時，停水影響時間70小時，停電影響時間為6小時，外界影響230小時（10天）。實際擴孔施工時間為819小時（35天），平均鉆進速度為6.15 m /天。
導井施工材料消耗情況見表3。
表3 材料耗費表
| 材料名稱 | 規格型號 | 單 位 | 數 量 | 備 注 |
| 水 | m3 | 1230 | ||
| 電 | kw·h | 60315 | ||
| 液壓油 | 68# | L | 200 | 施工約500m更換一次，滲漏率約為5% |
| 鉆頭 | 個 | 5 | 滾刀 | |
| 密齒中心刀 | 個 | 1 | 未用 | |
| 電機修理 | 7.5kw | 元 | 480 | 反井鉆機小油泵電機 |
| 水泵修理 | 2.2kw | 循環水用的潛水泵 | ||
| 切割機片 | 張 | 10 | ||
| 盤跟 | kg | 3.7 | ||
| 軸承 | 6210/6211 | 各2個 | 4 | |
| 油管 | R2AT6/R2AT4/R2AT1.2 | 各1條 | 3 |
水力發電站為滿足不同條件下對水工結構物功能上的要求，設立地下豎井式閘門井、調壓井、通排風豎、斜井和垂直與斜井壓力管道。根據對我國68座不同壩型和不同開發型式的大型水電站的統計，其中有地下豎井、斜井的電站就有28座，占41%，而且每座電站都有數個豎井、斜井，井深達90m以上，垂直壓力管道深度已達300m以上。2004年開工的廣州惠蓄水電站地下廠房A廠房引水斜井隧洞長303m，傾角為60°；2005年開工的云南省溪洛渡水電站左、右岸地下廠，總計設置2條斜井，深度為215 m，傾角為75.6°；深度90m 豎井有24條，最深的豎井為215.6 m。
隨著水電行業的發展，安全文明施工、環境保護的意識的隨著加強，特別是安全防范、法律、法規意識的增強。在水電工程施工中對安全要求也在隨著提高，安全在第一位置。另外水電工程在市場經濟的沖出下，工期也在大幅度縮短，一條200 m深的豎井工期要求約為4～5個月，傳統人工導井法施工在如此短的時間內完成200 m深的豎井的施工，其難度非常高，且豎井、斜井施工素有“咽喉工程、死亡之谷”之稱。反井鉆機導井法施工不需要施工人員至開挖面施工，提高了豎井、斜井施工的安全性，保證了施工人員的生命安全，具有良好的社會安全效益。且施工作業人員配置較少，減少豎、斜井的施工難度，從而有效的提高施工效益。因此，反井鉆機導井法施工在水電工程施工中有廣泛前景。
作者簡介：
譚金龍，云南人，高級工程師
馬紹龍，云南人，工程師
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