抽水蓄能電站超長(zhǎng)斜井導(dǎo)井施工技術(shù)研究

楊國(guó)良，李傳波

（中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢(xún)中南有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

1 工程概況

長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站位于浙江省湖州市安吉縣，地處華東電網(wǎng)負(fù)荷中心，緊鄰已建并投產(chǎn)運(yùn)行的天荒坪抽水蓄能電站，工程總裝機(jī)2100MW。電站樞紐主要由上、下水庫(kù)，導(dǎo)流泄放洞，輸水系統(tǒng)，地下廠房等建筑物組成。

引水系統(tǒng)采用三洞六機(jī)斜井式布置，其中引水上半段包括引水上平洞、上斜井及中平洞前半段。上斜井開(kāi)挖斷面為拱半徑3.5m、底寬5.8m的馬蹄形，斜井角度為58°，3條斜井導(dǎo)井的實(shí)際施工長(zhǎng)度分別為428.1m、425.6m和423.8m，中間不設(shè)施工支洞。其斜井長(zhǎng)度是目前國(guó)內(nèi)在建抽水蓄能電站最長(zhǎng)的斜井之一，角度較陡，而且?guī)r石強(qiáng)度極高，施工難度特別大。

2 斜井導(dǎo)井施工方法

2.1 施工方法初選

為確保引水斜井導(dǎo)孔施工精度，監(jiān)理和施工單位深入研究，邀請(qǐng)專(zhuān)家論證斜井導(dǎo)井工法的可行性，根據(jù)近年來(lái)已建抽水蓄能電站長(zhǎng)斜井工程實(shí)例的情況來(lái)分析判斷，并認(rèn)真貫徹“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”安全生產(chǎn)理念，最終選擇定向鉆機(jī)施工導(dǎo)孔+反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井的方法。該方法為反井鉆機(jī)法基礎(chǔ)上針對(duì)超長(zhǎng)斜井而研發(fā)的新方法，根據(jù)巖石特性確定設(shè)備選型，并根據(jù)目前現(xiàn)有的測(cè)斜技術(shù)確定糾偏方法。通過(guò)定向鉆機(jī)自上而下先施工定向?qū)Э祝缓蠖螖U(kuò)孔至適應(yīng)反井鉆鉆桿的導(dǎo)孔，最后采用反井鉆機(jī)反擴(kuò)形成導(dǎo)井。

2.2 定向鉆機(jī)+反井鉆法優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)。該工程以安全發(fā)展為目標(biāo)，采用反井鉆機(jī)開(kāi)挖導(dǎo)井進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)，施工過(guò)程自動(dòng)化程度高、開(kāi)挖速度快，導(dǎo)井施工月平均進(jìn)尺可達(dá)200m以上，極大地提高了效率。另外，人工導(dǎo)井開(kāi)挖洞徑小、通風(fēng)排煙條件差、工作環(huán)境惡劣，采用反井鉆機(jī)作業(yè)可極大地改善作業(yè)人員的工作條件，同時(shí)施工效率也有了很大的提高。（2）缺點(diǎn)。需投入定向鉆機(jī)和反井鉆機(jī)2種設(shè)備，成本投入較大。

2.3 施工設(shè)備選型

（1）定向鉆機(jī)選型。在定向鉆機(jī)選型時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)條件和施工特點(diǎn)，選用的定向鉆機(jī)及其配套設(shè)備具有無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀和磁導(dǎo)向控制鉆孔角度的功能，同時(shí)結(jié)合有線測(cè)斜設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，這樣可準(zhǔn)確了解鉆進(jìn)孔斜情況，并及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆孔角度進(jìn)行糾偏。該方法在很多工程中均已成功應(yīng)用。長(zhǎng)龍山上斜井反井鉆機(jī)所需要的導(dǎo)孔直徑為295mm，斜井角度為58°，設(shè)計(jì)及規(guī)范要求孔偏斜率不大于0.5%。

根據(jù)長(zhǎng)龍山超硬巖這一地質(zhì)特性要求導(dǎo)井施工專(zhuān)業(yè)公司新設(shè)計(jì)FDP-68型鉆機(jī)，而不使用原計(jì)劃的在豐寧和敦化服役的ZD450R型或是設(shè)計(jì)階段的TDX-50型。定向鉆機(jī)性能參數(shù)如表1所示。第三代定向鉆機(jī)FDP-68針對(duì)長(zhǎng)龍山上斜井堅(jiān)硬巖作出改進(jìn)設(shè)計(jì)，其整機(jī)質(zhì)量、成孔精度、動(dòng)力頭性能和穩(wěn)定性都有所提高。

表1 定向鉆機(jī)性能參數(shù)

（2）反井鉆機(jī)選型。要根據(jù)工程條件、地質(zhì)條件、施工條件等因素綜合選擇反井鉆機(jī)及其配套設(shè)備。工程條件主要包括工程性質(zhì)、用途和技術(shù)參數(shù)（如終孔直徑、井深、傾角等）及相似工程經(jīng)驗(yàn)。要根據(jù)施工導(dǎo)井的深度和傾角等參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備及市場(chǎng)情況確定鉆機(jī)型號(hào)。地質(zhì)條件包括巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體產(chǎn)狀、主要地質(zhì)構(gòu)造及參數(shù)、水文地質(zhì)條件、勘探資料等。要根據(jù)施工的地質(zhì)構(gòu)造及巖性，確定沖洗液類(lèi)型，從而確定清水泵或泥漿泵。施工條件包括運(yùn)輸條件、吊裝條件、供水供電條件等。應(yīng)根據(jù)井位供水、供電、運(yùn)輸及下引水中平洞道開(kāi)通情況確定鉆機(jī)型號(hào)，初步選擇ZFY3.5/180/600反井鉆機(jī)。鉆機(jī)及鉆桿參數(shù)如表2所示。

表2 反井鉆機(jī)相關(guān)性能參數(shù)

施工單位要選取針對(duì)長(zhǎng)龍山上斜井極硬巖設(shè)計(jì)的滾刀，適應(yīng)于陡傾角造孔、強(qiáng)研磨性凝灰?guī)r地層等施工要求。

3 斜井導(dǎo)井施工

3.1 施工工藝流程及步驟

布置定位定向鉆機(jī)，自上而下鉆Ф216mm先導(dǎo)孔；Ф216mm先導(dǎo)孔完成后，取下鉆頭更換Ф295mm鉆頭，自下而上進(jìn)行反擴(kuò)刷孔；完成后拆除定向鉆機(jī)，然后安裝反井鉆機(jī)，下放鉆桿安裝刀盤(pán)；最后自下而上反拉形成Ф2m導(dǎo)井。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 斜井導(dǎo)井施工工藝流程

3.2 先導(dǎo)孔施工

（1）測(cè)量放樣。斜井導(dǎo)孔開(kāi)孔前使用全站儀放出開(kāi)孔點(diǎn)位置坐標(biāo)，經(jīng)監(jiān)理工程師復(fù)核無(wú)誤后鉆機(jī)就位，再通過(guò)全站儀測(cè)量配合調(diào)整鉆機(jī)方位和角度，使得鉆孔軌跡中心和動(dòng)力頭主軸中心重合，從而確保井斜角和方位角滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）先導(dǎo)孔開(kāi)孔。為確保開(kāi)孔的角度，在開(kāi)孔鉆進(jìn)過(guò)程中電控參數(shù)一般控制在轉(zhuǎn)數(shù)為60r/min、鉆壓為500kg、泵量為600～1200L/min。開(kāi)孔鉆具組合為Ф216mm牙輪鉆頭+Ф172mm鉆鋌+Ф127mm短鉆桿（2m）。

（3）鉆進(jìn)方式。定向鉆鉆進(jìn)過(guò)程中，針對(duì)不同地質(zhì)條件對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)鉆壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)整，工作方式主要有兩種，共同鉆進(jìn)和糾偏鉆進(jìn)。①共同鉆進(jìn)。共同鉆進(jìn)是在不需要進(jìn)行糾偏時(shí)鉆孔的施工方式，利用鉆機(jī)和螺桿同時(shí)同向旋轉(zhuǎn)的工作原理。②糾偏鉆進(jìn)。這種工作方式在孔斜偏差超出了允許范圍后需要糾偏時(shí)使用。螺桿鉆具由泥漿推動(dòng)旋轉(zhuǎn)，鉆機(jī)鎖定旋轉(zhuǎn)。工作原理是通過(guò)螺桿自帶的可變向彎角鉆頭旋轉(zhuǎn)，指定導(dǎo)孔沿需要的指向進(jìn)行定向鉆進(jìn)。施工單位每次下放1根鉆桿都進(jìn)行記錄，包括造斜角度、造斜長(zhǎng)度、返水返渣情況等，監(jiān)理工程師根據(jù)電子記錄及記錄本實(shí)時(shí)掌控軌跡情況，并對(duì)定向設(shè)計(jì)提出建議或意見(jiàn)。每約100m提鉆都更換鉆頭（根據(jù)鉆頭磨損程度確定），以提高鉆進(jìn)效率。

（4）測(cè)斜、糾偏。采用無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀MWD對(duì)鉆孔孔斜進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀指導(dǎo)下進(jìn)行定向糾偏，主要依靠角度及方位進(jìn)行判定，通過(guò)定向螺桿鉆具對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行定向控制。同時(shí)每鉆進(jìn)20m采用有線測(cè)斜儀進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證無(wú)誤后繼續(xù)鉆進(jìn)施工。在定向鉆機(jī)先導(dǎo)孔施工剩余100m左右時(shí)，需在中平洞斜井導(dǎo)孔出鉆點(diǎn)標(biāo)記安裝磁導(dǎo)向儀進(jìn)行引導(dǎo)定向。當(dāng)孔斜出現(xiàn)偏斜時(shí)，不應(yīng)大角度急促糾偏，應(yīng)通過(guò)“長(zhǎng)距離平滑過(guò)渡糾偏法”，以減少后期擴(kuò)孔和反拉鉆桿的磨損。

3.3 反井鉆機(jī)反擴(kuò)施工

完成Ф295mm導(dǎo)孔掃孔后，拆除撤出定向鉆機(jī)，隨后安裝反井鉆機(jī)，下放鉆桿，并在斜井導(dǎo)孔下部安裝2m刀盤(pán)和鉆具，為了保證鉆桿和刀盤(pán)的順利接合，可搭設(shè)吊裝工作平臺(tái)。過(guò)程中通過(guò)鉆機(jī)扭力、反拉速度、累計(jì)進(jìn)尺判斷刀盤(pán)的磨損情況，以便及時(shí)更換鉆頭。通過(guò)實(shí)踐，建議超長(zhǎng)斜井反擴(kuò)200m更換一次刀盤(pán)，避免刀盤(pán)上的多齒鉆頭因磨損嚴(yán)重造成扭力增大而引起的斷桿和鉆機(jī)停機(jī)故障。

4 施工成果

長(zhǎng)龍山1#引水上斜井先導(dǎo)孔施工共計(jì)55d，終孔透孔偏差25.9cm，偏斜率0.6‰；導(dǎo)孔擴(kuò)孔施工12d，擴(kuò)孔最快1d可達(dá)63m；反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工共計(jì)56d，反井鉆機(jī)反擴(kuò)施工單日最大可達(dá)21m。

5 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站1#引水上斜井先導(dǎo)孔施工長(zhǎng)度達(dá)到428.3m，試驗(yàn)巖體抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到269MPa，屬于大傾角、超硬巖、超長(zhǎng)斜井，工程技術(shù)人員在施工前做了充足的分析、研究及準(zhǔn)備，多次使用井下有線測(cè)斜儀對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核確保數(shù)據(jù)可靠。最終，斜井先導(dǎo)孔通過(guò)無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀、井下有線測(cè)斜儀、后期2m導(dǎo)井測(cè)量的多手段驗(yàn)證，控制導(dǎo)孔軌跡最大狗腿度不超過(guò)4°/30m，為導(dǎo)井施工的順利進(jìn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并通過(guò)先導(dǎo)孔施工時(shí)收集的返渣判斷各施工部位的巖層情況，為反井施工提供了鉆機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)置的指導(dǎo)依據(jù)。