1 工程概况
清远抽水蓄能电站位于清远市清新县太平镇境内，与广州直线距离约75km，电站装机4×320MW，总容量1280MW，最高净水头502.7m。枢纽建筑物由上下水库、输水系统、地下厂房洞室群、开关站及永久公路等组成。输水系统引水竖井与上平洞、中平洞通过竖井上下弯段相连，竖井深270m，开挖及支护后直径10.4m，开挖高程为595～325m，属深竖井工程。
引水竖井围岩为寒武系石英砂岩、燕山三期花岗岩，岩体风化程度不一。根据开挖揭露情况，引水竖井主要有F13断层通过，f13断层产状：N20°E/SE∠75°，b=1.1～2m，井内不均匀的分布着较多规模的断层和裂隙，且存在大量裂隙地下水，局部地质条件较差。围岩分类：高程595～572m为Ⅳ类；高程572～523m为Ⅲ类；高程523～495m为Ⅱ类；高程495～325m为Ⅰ类围岩，引水竖井地质纵剖面如图1所示。
图1 引水竖井地质纵剖面图
2 卡钻事故简述及原因分析
清远抽水蓄能电站引水竖井导井开挖采用RHIN0-400H型反井钻机施工，导孔贯通后于2011年5月9日开始进行φ1.4m导井反扩挖施工，2011年5月27日扩挖距竖井底部113m时反井钻机钻具（刀盘与钻杆）出现了无法旋转的状况，经检查主机运行状况良好，后经多次尝试运行钻机，但钻具仍无法转动，最终确认出现了卡钻事故。
卡钻事故发生后，多次组织专家和技术人员对卡钻原因进行详细分析，主要对引水竖井地质情况、卡钻前钻机的运行情况加以了解，并根据类似工程施工经验等，分析造成卡钻的原因可能如下：
（1）1#导井在施工距竖井底部113m的位置时，导孔内地质复杂，导孔经钻机施工扰动后发生不可预见的变化，造成反井钻机钻具被卡的概率加大。
（2）1#导井卡钻位置上部约18m范围内为破碎岩层，反井钻机开钻后，由于钻机的施工扰动，造成破碎岩石挤压钻杆，加大了反井钻机上部钻杆被抱死的概率。
（3）1#导井卡钻部位以上有多处断层，钻机施工过程中产生的扰动造成断层滑移，加大了反井钻机钻具被卡的概率。
（4）1#导井施工时处于南方的雨季，降水量较大，经现场查看，导井内部渗水量较大，局部出现涌水情况，且反井钻施工用冷却水经孔壁流至钻头处，析出的岩石颗粒较多，造成钻杆被塞紧，加大了反井钻机钻具被卡的概率。
综上分析，气候、地质、施工扰动等是造成1#导井反井钻机钻具被卡的原因。
3 卡钻处理方案的确定
3.1 自救法
根据以往的施工经验，类似卡钻事故在竖井、斜井导井施工过程中也常有出现，通常的处理方法是根据反井钻机本身性能采取“下压+正转，上提+正转”的方式加大钻机向上的提升力和向下的压力，使其工作力超过正常并接近于极限。目的是尽可能通过钻机强有力运转来挤碎卡钻的岩块，从而解决卡钻问题，这也是最理想的解决方案。
3.2 润滑法
润滑法主要是采用润滑剂润滑钻杆与围岩接触部位，减小钻杆与围岩之间摩擦力而达到反井钻机正常运转的目的。通过了解，采用羧甲基纤维素钠进行润滑处理，该润滑剂可溶于水，溶水后呈浆糊状，无色、无味、无毒。该方法在国内外的类似卡钻事故处理中已有成功的案例。实施方法是沿钻杆壁与导孔壁之间的空隙均匀倾倒润滑剂（羧甲基纤维素钠溶水后）向下渗透，确保有效润滑，减小钻杆被卡部位与周围围岩的摩擦力，再启动钻机，通过主机带动钻具运转的方法。
3.3 爆破振动法
根据对引水竖井结构和反井钻机参数的分析，选取在竖井与中平洞轴线上距竖井中心3m的位置作为2#导井中心点，在2#导井中心点上布置一台反井钻机进行2#导井施工。当2#导井（φ1400mm）施工完成后，拆除2#反井钻机并在井口搭建井架；利用卷杨机提升吊笼方法将施工人员运至1#反井钻机卡钻高程，向1#导井方向采用手风钻钻短斜孔、弱爆破的方法进行扩挖（爆破振动扩挖高度为6m，卡钻钻头下部1m，上部5m，扩挖宽度为2m）；通过扩挖区爆破振动的方法振松或振落被卡岩块使卡钻钻机实现正常运转，从而达到解救卡钻钻机的目的。
方案一、方案二具有易实施、费用低、工期短等优点，因此在卡钻事故发生后，第一时间采用了方案一与方案二，但经过多次反复操作与尝试，均未获成功。最终通过分析研究决定采用方案三，重新造井人工爆破振动的方案来解救1#卡钻钻机，形成两条导井后可加快后续竖井全断面扩挖出渣速度，缩短竖井扩挖施工工期。
4 卡钻处理施工
卡钻处理施工主要包括2#导井、提升系统及振动区爆破等施工内容，其施工程序为：施工准备→2#导井施工→提升系统施工→振动区爆破施工→运转钻机→卡钻处理结束。
4.1 2#导井施工
2#导井中心布置在竖井与中平洞轴线上距1#导井中心为3m，选用LM-280型反井钻机进行施工。首先，利用反井钻机自上而下钻φ216mm导孔至竖井下弯段；然后，通过中平洞更换为φ1.4m刀盘，再自下而上反扩挖成1.4m导井。导井开挖渣料采用装载机装自卸汽车出碴，扩挖碴料要及时清除，以防堵井。
4.2 提升系统施工
2#导井施工完成后，立即拆除2#反井钻机进行提升系统施工。2#导井提升系统采取卷扬机提升吊笼的方式用于施工人员、钻具及火工产品等运输，其主要由卷杨机、井架、钢丝绳、吊笼等组成。
（1）井架。井架制作采用I20工字钢、［14槽钢人工焊制而成。
（2）卷扬机。卷扬机主要用于承载吊笼、钢丝绳、施工人员及施工机具等，选用JM5t卷扬机作为提升设备。
（3）钢丝绳。选用φ20mm 6×37FC钢丝绳作为提升绳，同时设置1根φ20mm辅助安全绳作为提升系统保险绳。
（4）吊笼。吊笼骨架采用75mm×6mm角钢、Φ25钢筋、φ8钢筋和滑轮制作（设置在吊笼外侧，上下各均匀的设置2个滑轮，在吊笼进入导井后起导向作用），吊笼底部采用75mm×6mm角钢和5mm厚钢板制，吊笼底部向上40cm高范围内用钢板围挡。提升系统施工完成后，经过相关试验验收合格后投入使用。
4.3 振动区爆破施工
4.3.1 施工方向判别
由于施工人员井入导井内无法准备的判别爆破振动区，所以当施工人员通过吊笼到达2#导井卡钻部位时，采用地质罗盘定位1#导井方向并用红油漆标出爆破区轮廓线，然后施工人员根据轮廓线布孔进行钻爆施工。
4.3.2 爆破施工
布孔结束后，施工人员通过卷扬机提升吊笼上下的方式自下而上进行钻孔，然后由专业炮工自下而上进行装药联网爆破。根据方案爆破振动区高度为6m，宽度为2m，每排设计4个爆破孔，孔间距为63cm，排间距为70cm，共设计9排，具体施工方法如下：
（1）钻孔。由2名施工人员利用吊笼作为施工平台采用1台YT-28手风钻约为60°斜孔，钻孔深度为90cm，钻孔直径φ42mm。
（2）装药。人工利用吊笼作为施工平台进行装药。药卷采用φ32乳化炸药，药卷长度为20cm；孔装药长度为40cm（400g/孔），孔堵塞长度为50cm。
（3）联网。为保证爆破振动不损坏钻具，采用MS1（下部三排）、MS3（中部三排）、MS5（上部三排）3个段位的非电毫秒雷管联网，最大单响药量控制为4.8kg。
（4）爆破。联网结束后，提升吊笼撤离施工人员，然后在导井井口施工平台附近的安全区域引爆。
（5）出渣。爆破渣料通过2#导井掉落至竖井下部的下洞，再采用装载机装自卸汽车运输至渣场。
4.4 运转钻机
爆破结束并确认安全后，首先，对卡钻钻机进行全面检查，并确认钻机状况良好；然后，由操作经验丰富的钻机操作手启动钻机，当反井钻机钻具可以旋转后缓慢施加推力、增加钻机扭矩和转速，直至正常运转。
5 处理效果
爆破振动后检查发现1#导井底部有多块掉落的岩块，被卡钻机实现了正常运转，成功解救了卡钻钻机。1#钻机继续向上进行扩孔施工，最终1#导井贯通。
6 结语
综上所述，爆破振动法在清远抽水蓄能电站270m引水竖井反井钻机卡钻处理中的成功应用，不仅说明爆破振动法处理卡钻事故是可行的，也为今后类似事故提供了一种新的解决思路，同时为推动反井钻机施工技术发展提供参考。
参考文献
[1]刘光辉，王海亮，吴钦鑫．竖井爆破振动及CO2致裂振动信号的小波包分析[J]．煤矿安全，2018（9）：233-237.
[2]田浩，张义平，杨淞月．基于回归分析在爆破振动速度预测中的应用与研究[J]．爆破，2018（3）：159-165.
收稿日期：2018-08-11
作者简介：代强（1982-），男，河南信阳人，中国水利水电第五工程局有限公司工程师，研究方向：水利水电工程施工技术管理。
