反井鉆機和定向鉆機在中高硬巖石地區(qū)的應(yīng)用

王薛鋼，趙有崔

（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310027）

1 工程概況

山東沂蒙抽水蓄能電站位于山東省費縣薛莊鎮(zhèn)境內(nèi)，電站總裝機容量1 200 MW，安裝4臺單機容量300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機 — 發(fā)電電動機機組。電站為山東省重要的調(diào)峰電源，建成后以兩回500 kV出線接入沂蒙變電站。電站內(nèi)各類豎井工程眾多，有1#、2#引水、尾水事故閘門、1#、2#引水高壓豎井、出線豎井、排風(fēng)豎井、泄洪洞閘門井等，其中1#、2#引水高壓豎井井高380.00 m。

沂蒙抽水蓄能電站工程區(qū)位于華北準(zhǔn)地臺魯西斷隆的北緣，主要發(fā)育北東向郯廬斷裂帶及北西向魯西斷裂帶，近場區(qū)發(fā)育2條活動斷裂，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。沿線分布的片麻狀閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖均具有片麻狀構(gòu)造，片麻理產(chǎn)狀為 NW280° ～ 330°SW(NE) ∠ 50° ～85°；斜長角閃巖呈條帶狀分布，具有變余層狀構(gòu)造，層理產(chǎn)狀為 NW320° ～ 330°SW ∠ 75° ～ 80°。多為微風(fēng)化 ～ 新鮮巖石，巖石強度高，飽和極限抗壓強度為 100 ～ 170 MPa。

電站內(nèi)豎井段圍巖主要以微新的花崗閃長巖、片麻狀閃長巖為主，穿插石英巖脈。沿線巖體以塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖以Ⅱ ～ Ⅲ類為主，局部斷層、擠壓破碎帶部位巖體完整性差，圍巖為Ⅳ ～ Ⅴ類。

2 方案選擇

目前水電行業(yè)內(nèi)豎井導(dǎo)井開挖方式多種多樣，各有優(yōu)缺點，如:正井法、爬罐法、吊罐法和反井鉆機法等，但憑借安全性好、成井質(zhì)量高和速度快等優(yōu)點，反井鉆機法在水電行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，特別是在中高強度圍巖地區(qū)和高豎井工程，反井鉆機法已近乎唯一選擇[1-3]。我國在20世紀(jì)80年代將反井鉆機運用于煤礦地下工程中，90年代初引進水電行業(yè)，隨著反井鉆機法應(yīng)用越來越廣，國產(chǎn)反井鉆機制造行業(yè)也在發(fā)展進步，其性能逐步提升。沂蒙電站參建各方根據(jù)本工程特點進行充分的市場調(diào)研，最終選定BMC系列反井鉆機用于本工程。BMC反井鉆機主要性能見表1。

表1 BMC反井鉆機主要特性表

2.1 引水事故閘門井、出線豎井

引水事故閘門井上部直徑20.00 m，下部直徑10.00 m，高105.00 m；出線豎井尺寸為11.60 m×11.10 m，高154.00 m，由于高度并不大，綜合考慮出渣效果和成本，選定BMC 400反井鉆機，導(dǎo)孔直徑270 mm，擴孔直徑2.00 m，自上而下一次性全斷面開挖到位。擴孔斷面積3.14 m2，且在全斷面開挖過程中采取爆破孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化、灑水等措施，有效解決溜渣堵孔問題，既保證質(zhì)量和進度又節(jié)省成本。

2.2 引水高壓豎井、排風(fēng)豎井

1#、2#引水高壓豎井開挖斷面為圓形，D為7.60 m，高380.00 m，井筒為鋼襯結(jié)構(gòu)，鋼襯外圍回填混凝土厚度0.60 m，原計劃在中部設(shè)置中支洞，將豎井分為上、下2部分進行施工，上豎井深143.00 m，下豎井深237.00 m。施工單位進場后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況和對類似工程的考察分析，取消中支洞，采用380.00 m高豎井一次開挖到底的施工方案，參建各方從技術(shù)可行性、經(jīng)濟對比分析以及進度、質(zhì)量和安全多個方面進行專題分析論證，理論證明一次開挖成型的可行性，并決定選取BMC 600反井鉆機先在217.00 m高的排風(fēng)豎井進行試驗，以進一步驗證BMC 600反井鉆機在高強度圍巖地質(zhì)條件下的技術(shù)優(yōu)越性。

排風(fēng)豎井開挖斷面為圓形，D為7.20 m，高217.00 m，根據(jù)計劃采用BMC 600反井鉆機一次開挖導(dǎo)井成型，導(dǎo)孔直徑350 mm，擴孔直徑2.00 m，自上而下一次性全斷面開挖到位。實際BMC 600反井鉆機導(dǎo)孔和反拉有效用時共40 d，導(dǎo)井偏斜率達(dá)到1.0‰，遠(yuǎn)小于DL/T 5407 — 2009《水利水電工程斜井施工規(guī)范》[4]要求的1.0%，出色完成任務(wù)。

380.00 m高的豎井在目前抽水蓄能電站中不算突出，但導(dǎo)井一次性鉆孔成型，且圍巖以花崗閃長巖、片麻狀閃長巖為主，巖石強度偏硬，其可借鑒成功經(jīng)驗少，施工存在一定難度。為確保380.00 m高壓豎井導(dǎo)井一次成型，在結(jié)合本工程排風(fēng)豎井施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，引進TDX - 50型定向鉆機進行2次導(dǎo)孔定向施工（第1次160 mm，第2次擴孔至220 mm），BMC 600反井鉆機導(dǎo)孔擴孔至350 mm，最后再進行反拉擴孔施工，最終形成2.50 m直徑導(dǎo)井。

導(dǎo)孔施工過程中，定向鉆機鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆頭更換頻繁，特別是在1#高壓豎井第2次擴孔過程中，因定向鉆鉆頭購置費用較高以及頻繁更換鉆頭降低了工效。根據(jù)定向鉆機實際施工情況，經(jīng)現(xiàn)場研究決定第2次擴孔調(diào)整為新進場BMC200反井鉆機進行施工，第2次擴孔孔徑調(diào)整為270 mm，最終順利完成擴孔施工。

2.3 TDX-50型定向鉆機

TDX - 50型定向鉆機是為反井定向施工而研制的1臺鉆機，可以在井巷內(nèi)施工0° ～ 90°定向孔，設(shè)有無線隨鉆測斜儀及螺桿鉆具。利用自帶的無線隨鉆測斜儀，通過傳感器測得三軸重力和三軸磁力線數(shù)值，由連接計算機的進行編碼，經(jīng)脈沖發(fā)生器通過泥漿脈動傳遞至地面，地面計算機解碼數(shù)據(jù)后，再綜合鉆井深度參數(shù)，可測試出整條井的鉆井軌跡。在無線隨鉆測斜儀測量參數(shù)指導(dǎo)下，通過定向螺桿鉆具對鉆孔軌跡進行定向控制。每鉆進1根鉆具測斜1次，5.00 ～ 10.00 m設(shè)1個測點?？仔背珪r，加密測點，并制定定向糾偏設(shè)計。根據(jù)制定的糾偏設(shè)計利用彎螺桿造斜角度進行反向鉆進實現(xiàn)糾偏，以及隨鉆測斜儀進行測量，保證整個長斜鉆孔的實現(xiàn)。如偏斜角大于設(shè)計數(shù)值，可減少定向長度，進行復(fù)合鉆進。

由于TDX - 50型定向鉆機優(yōu)越性能，1#、2#高壓豎井實際導(dǎo)孔偏斜率僅為2.9‰和1.2‰。

3 工效分析

3.1 工序時間分析

反井鉆機施工過程中，現(xiàn)場對各工序時間點均進行記錄，經(jīng)統(tǒng)計各鉆機實際鉆進速度，BMC 400反井鉆機導(dǎo)孔鉆進速度達(dá)到8.80 ～ 11.80 m/d，導(dǎo)井反拉鉆進速度2.20 ～ 2.70 m/d；而BMC 600反井鉆機導(dǎo)孔鉆進速度達(dá)到16.30 m/d，導(dǎo)井反拉鉆進速度8.30 m/d，其工效均遠(yuǎn)大于BMC 400反井鉆機；而定向鉆機鉆導(dǎo)孔鉆進速度則達(dá)到12.50 ～ 14.60 m/d，工效稍低于BMC 600反井鉆機，具體時間見表2。

表2 豎井各工序時間統(tǒng)計表

3.2 工效影響因素

通過對表2分析可知，1#、2#高壓豎井導(dǎo)孔采用同一設(shè)備施工，實際鉆進速度也基本相同，但總歷時卻相差很大，1#、2#引水閘門井導(dǎo)孔施工存在同樣問題。

對此，對豎井各工序施工過程中各種影響工效的因素進一步細(xì)化統(tǒng)計分析，根據(jù)統(tǒng)計情況本工程豎井施工工效影響因素大致分為:鉆頭更換、特殊情況處理、設(shè)備維護、水電等輔助設(shè)施及其他影響等5大類，具體見表3 ～ 4。

表3 導(dǎo)孔工序工效影響因素統(tǒng)計表

表4 導(dǎo)井反拉工序工效影響因素統(tǒng)計表

通過表3的統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，1#、2#高壓豎井導(dǎo)孔以及1#、2#引水閘門井導(dǎo)孔，雖然施工設(shè)備相同，但無效施工時間卻相差較大，2#高壓豎井導(dǎo)孔無效施工時間占總歷時的50.8%，是1#高壓豎井導(dǎo)孔的2倍多；1#引水閘門井導(dǎo)孔無效施工時間占總歷時的65.7%，是2#引水閘門井導(dǎo)孔的4倍多。

3.3 提高工效措施分析

（1）綜合表3 ～ 4分析，導(dǎo)孔和導(dǎo)井反拉工序中無效時間占比分別為41.5%和22.0%；在導(dǎo)孔工序中排前2位的影響因素為設(shè)備維護和其他因素，在導(dǎo)井反拉工序中排前2位的為設(shè)備維護和鉆頭更換。由此可知，無論是導(dǎo)孔還是導(dǎo)井反拉工序，整個豎井施工設(shè)備的好壞很關(guān)鍵，建議重視和加強設(shè)備的維修保養(yǎng)提高設(shè)備完好率，提前做好設(shè)備主要零部件的儲備以便損壞后能及時維修，減少無效施工時間。

（2）導(dǎo)孔工序中的其他因素主要為前期準(zhǔn)備工作，如平臺準(zhǔn)備、交通和出渣條件等，反井鉆機臨建準(zhǔn)備時間長，因此在確定使用反井鉆機施工時，應(yīng)加強組織規(guī)劃、調(diào)度和生產(chǎn)安排，提前進行反井鉆機平臺、交通條件特別是豎井下部出渣通道等輔助施工。

（3）反井鉆機和定向鉆機相比較普通施工設(shè)備而言是相當(dāng)貴重的，成本高租金高，施工過程中過多的無效施工不但影響工程進度，而且增加施工單位的成本，因此必須對5大類工效影響因素進行分析并加以控制。

（4）1#、2#引水事故閘門位置偏遠(yuǎn)，地形條件較復(fù)雜，且受其他標(biāo)段爆破施工影響交通不便，供水、供電困難，這些外在因素在很大程度上影響現(xiàn)場有效施工時間，且在一定程度上降低反井鉆機工效。

（5）本工程地下工程地質(zhì)條件較好，特別是豎井段多為微風(fēng)化 — 新鮮巖石，巖石強度高，飽和極限抗壓強度為100 ～ 170 MPa，對鉆頭磨損較為嚴(yán)重。理想的反井導(dǎo)孔鉆頭應(yīng)具備最硬巖石鉆頭設(shè)計的大多數(shù)特性，以便在降低鉆壓的情況下獲得最大的鉆進效率和最小側(cè)向力。對此可從鉆機參數(shù)、巖層特性、鉆孔鉆頭的材質(zhì)及鉆頭型式，確定最合適的鉆頭，如:軟巖鉆頭宜采用較小夾角的長楔齒或碳化鎢一字形鑲齒，硬巖鉆頭則宜采用較大夾角的短楔齒或碳化鎢半球形鑲齒。

4 BMC反井鉆孔斜控制

本工程中主要使用TDX - 50定向鉆和BMC400（600）反井鉆進行導(dǎo)孔施工。TDX - 50定向鉆主要通過無線隨鉆測斜儀和定向螺桿鉆具在過程中測定孔斜并及時糾偏從而保證孔斜，而BMC反井鉆在孔斜控制方面需重點做好鉆機安裝平整穩(wěn)定、穩(wěn)定鉆桿合理使用、過程加強測斜校核、破碎圍巖預(yù)灌漿處理和鉆進參數(shù)靈活調(diào)整等關(guān)鍵措施。

4.1 鉆機安裝平整穩(wěn)定

精確預(yù)埋鉆機地腳錨桿，并在反井鉆機混凝土基礎(chǔ)平臺上，精確放出豎井軸線中心點，準(zhǔn)確安裝鉆機并保持其穩(wěn)定。過程中監(jiān)測發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜程度和方向非常有規(guī)律時，可以采取偏置鉆機的方法來糾正預(yù)計的偏斜，移動鉆機的距離和方向根據(jù)偏斜程度和巖石硬度等具體判斷。

4.2 安裝開孔穩(wěn)定器穩(wěn)定鉆桿

安裝開孔穩(wěn)定器，用開孔鉆桿低鉆壓、鉆速開孔，開孔深度約為3.00 m，開孔完成后，取出開孔鉆桿及開孔穩(wěn)定器，更換穩(wěn)定鉆桿正常鉆進。穩(wěn)定鉆桿的配置采取導(dǎo)孔鉆頭后連續(xù)配置5根穩(wěn)定鉆桿，然后分別隔3.00，5.00，11.00 m各配置1根穩(wěn)定鉆桿，以后每隔50.00 m配置1根穩(wěn)定鉆桿。要求導(dǎo)孔鉆頭直徑和穩(wěn)定鉆桿外徑相同，以保證鉆頭與鉆桿同心；穩(wěn)定鉆桿的磨損如超過3 mm，其穩(wěn)定作用減小，需及時更換。

4.3 加強孔斜測量

過程中要加強孔斜測量。本工程實際施工過程中在分別在鉆進50.00，100.00，150 .00 m時采用KXP - 2E數(shù)字測斜儀進行孔斜檢測，檢查結(jié)果均很理想。

4.4 破碎圍巖預(yù)灌漿處理

鉆孔偏斜較大不宜糾正時，采用水泥漿堵塞偏孔重新鉆孔糾正偏斜。密切關(guān)注返出巖渣和返水情況，當(dāng)巖石較為破碎或漏水嚴(yán)重時，提前進行灌漿處理，預(yù)防出現(xiàn)大的偏斜。1#引水事故閘門井鉆進25.00 m左右遇一處擠壓破碎帶，圍巖條件較差，導(dǎo)孔施工過程中透水嚴(yán)重，現(xiàn)場制備水灰比為0.40 ～ 0.55的水泥漿人工自流輸送漿液的方法進行灌注，等強度達(dá)到一定時間后繼續(xù)鉆進，最終成功穿過該段。1#引水事故閘門井導(dǎo)孔最終實測孔斜僅為3.8‰。

4.5 合理選擇調(diào)整鉆進鉆進參數(shù)

結(jié)合實際地質(zhì)條件，合理選擇鉆機鉆進速度與鉆進壓力等參數(shù)，過程中嚴(yán)格控制，不得過度追求速度，從而導(dǎo)致孔偏斜過大，鉆機鉆進參數(shù)采用值見表5。

表5 鉆機鉆機參數(shù)參考表

出線豎井導(dǎo)孔采用BMC 400鉆機與1#、2#引水閘門井設(shè)備相同，實際過程中鉆進速度較快，達(dá)11.80 m/ d，較1#、2#引水閘門井速度明顯偏大2.30 ～ 3.00 m/ d，但最終孔斜7.8‰同樣遠(yuǎn)大于1#、2#引水閘門井的2.9‰ ～3.8‰。

本工程各豎井導(dǎo)孔施工過程中，嚴(yán)格孔斜控制，最終各豎井孔斜明顯低于DL/T 5407 — 2009《水利水電工程斜井施工規(guī)范》[4]要求，具體見表6。

表6 導(dǎo)孔孔斜匯總表

5 結(jié) 論

本工程多條豎井導(dǎo)井開挖的成功，充分證明在方案選擇、設(shè)備選型、進度控制和質(zhì)量控制上的正確和效果，特別是380.00 m深高壓豎井導(dǎo)孔一次開挖成型，孔斜控制在2.9‰和1.2‰，且過程中未發(fā)生安全事故，在安全、質(zhì)量和工期上均取得良好效果。

（1）1#、2#高壓豎井380.00 m深導(dǎo)孔的施工，是定向鉆機在水電行業(yè)中高硬巖石地區(qū)的第一次成功應(yīng)用，事實證明其優(yōu)良的孔斜控制能力。但也暴露出部分問題，如在導(dǎo)孔工序中設(shè)備維護影響時間累計達(dá)1 103.0 h，其中定向鉆機804.0 h，占比73.0%；在本工程中高硬巖石條件下，定向鉆機鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆頭更換頻繁，影響時間累計達(dá)96.0 h，而其他反井鉆機在導(dǎo)孔工序中未更換過鉆頭；定向鉆機鉆導(dǎo)孔鉆進速度為12.50 m/d和14.60 m/d，高于BMC 400反井鉆機導(dǎo)孔鉆進速度，但低于BMC 600反井鉆機速度，在工效上沒有明顯優(yōu)勢。因此定向鉆機在超深豎井鉆孔偏斜率控制方面有著明顯優(yōu)勢，但其在水電工程中高硬巖石地區(qū)在進度、成本控制方面缺少優(yōu)勢，其對中高硬巖石地區(qū)的適應(yīng)性是下一步的研究方向。

（2）通過取消高壓豎井中支洞，380.00 m豎井一次開挖到底的施工方案選擇，到過程中新增BMC 200反井鉆機為TDX - 50型定向鉆導(dǎo)孔擴孔，體現(xiàn)在施工過程中根據(jù)實際狀況對施工工藝設(shè)備進行調(diào)整，尋找適宜施工方法的施工理念，實現(xiàn)現(xiàn)場的動態(tài)化管理，取得較好的效果。