金寨電站超長(zhǎng)引水壓力斜井導(dǎo)井一次成孔施工技術(shù)

田樹申

（中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽110000）

1 概述

金寨抽水蓄能電站位于安徽省金寨縣張沖鄉(xiāng)境內(nèi)，電站安裝4 臺(tái)單機(jī)容量300MW 的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1200MW。樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及下水庫(kù)等建筑物組成。

引水系統(tǒng)共2 條引水主洞，均采用兩級(jí)斜井布置，分別包括引水壓力管道上平段、壓力管道上斜井、壓力管道中平洞、壓力管道下斜井、壓力管道下平洞。壓力管道上斜井全長(zhǎng)200.86m，為直徑8.4m 圓形斷面；壓力管道下斜井全長(zhǎng)308.15m，為直徑7.6m 馬蹄形斷面。1#引水壓力管道斜井與2#引水壓力管道斜井軸距53.99m。

引水長(zhǎng)斜井是抽水蓄能電站引水系統(tǒng)的四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵部位，對(duì)整條引水系統(tǒng)工程有重要的影響，是金寨抽水蓄能電站工程引水系統(tǒng)關(guān)鍵線路上的關(guān)鍵項(xiàng)目，引水長(zhǎng)斜井導(dǎo)井能否順利貫通直接影響后續(xù)引水系統(tǒng)的開挖、支護(hù)及混凝土襯砌施工，甚至制約首臺(tái)機(jī)組的按期投產(chǎn)發(fā)電。

2 設(shè)計(jì)方案選擇

早前在國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)斜井施工中比較常用爬罐法進(jìn)行施工，經(jīng)過多年的實(shí)踐與實(shí)用，發(fā)現(xiàn)了該工法不但施工安全保障上存在一定局限，且施工方法已經(jīng)落后，施工速度較低，逐漸已經(jīng)被淘汰。近年來在斜井開挖施工方法中，已經(jīng)發(fā)展為采用“先導(dǎo)后擴(kuò)法”開挖法，即先鉆設(shè)一定直徑的導(dǎo)井，再反提鉆頭擴(kuò)大導(dǎo)井?dāng)嗝?，最后由人工從上而下采用鉆爆方法擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面，作業(yè)過程中均是采用人工扒渣的方法，開挖面基本為水平面，投入人員數(shù)量多且效率較低，成本居高。

目前國(guó)內(nèi)外超長(zhǎng)引水壓力斜井導(dǎo)井普遍采用常規(guī)LM-400/500 型常規(guī)反井鉆機(jī)或上部人工開挖正導(dǎo)井和下部爬罐開挖反導(dǎo)井相結(jié)合，及上部反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井和下部爬罐開挖反導(dǎo)井，中部增加臨時(shí)支洞相結(jié)合施工，超過200m 以后施工工期和導(dǎo)孔精度很難保證。

基于金寨抽水蓄能電站超長(zhǎng)引水壓力斜井，工期緊張，作業(yè)強(qiáng)度高，且在施工過程中均存在斷層等現(xiàn)象，安全風(fēng)險(xiǎn)大，導(dǎo)孔精度難以保證。為降低偏斜風(fēng)險(xiǎn)及保證工程進(jìn)度要求，本工程超長(zhǎng)壓力斜井采用反井鉆機(jī)直接成型Φ2.4m 直徑導(dǎo)井新技術(shù)，引進(jìn)TR-3000 反井鉆機(jī)，通過合理配置穩(wěn)定鉆桿和鉆頭，開孔前安裝開孔穩(wěn)定器，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，創(chuàng)新鉆進(jìn)工藝，先鉆設(shè)φ311mm 導(dǎo)孔，然后直接反提形成φ2.4m 導(dǎo)井。

3 斜井反井鉆機(jī)施工技術(shù)

3.1 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工技術(shù)

根據(jù)金寨抽水蓄能電站引水壓力斜井施工特點(diǎn)、斜井段工程水文地質(zhì)條件及國(guó)內(nèi)類似工程調(diào)研，本工程引進(jìn)了TR3000反井鉆機(jī)進(jìn)行施工，該鉆機(jī)整機(jī)由澳大利亞特瑞特克生產(chǎn)，相對(duì)犀牛400/500 等鉆機(jī)具有安全性好、導(dǎo)孔施工精度高、成井質(zhì)量好、反提口徑大等特點(diǎn)，最大擴(kuò)孔直徑3.1m，斜井最大鉆孔深度311m。

根據(jù)本區(qū)域地質(zhì)圍巖構(gòu)造以及施工經(jīng)驗(yàn)，本次實(shí)踐采用直徑φ311mm 先導(dǎo)孔鉆頭、擴(kuò)孔直徑φ2.4m 反提刀盤。從開挖施工過程來看，4 條壓力斜井?dāng)U挖過程未發(fā)生堵井事故。

施工過程中偏斜控制：

（1）鉆孔位置、角度確定。在施工金寨抽水蓄能電站1#、2#壓力上斜井時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩條井的鉆孔偏差方向都是往主機(jī)的下方偏斜，且每百米的偏差值接近。根據(jù)壓力上斜井施工經(jīng)驗(yàn)，在下斜井超長(zhǎng)斜井施工前，將鉆機(jī)適當(dāng)調(diào)整左右偏差預(yù)糾偏角，設(shè)定斜井的開孔傾角為49°40′（設(shè)計(jì)斜井角度為50°），以糾正由巖石局部破碎導(dǎo)致的下偏差；方位角在設(shè)計(jì)角度的基礎(chǔ)上向左調(diào)整0.4°，以糾正導(dǎo)孔施工過程中的右偏差。

（2）開孔鉆進(jìn)。金寨電站超長(zhǎng)壓力斜井導(dǎo)孔開孔前再用全站儀仔細(xì)校核主機(jī)開孔角度，正確安裝好開孔穩(wěn)定器，并在孔口位置加工安裝鉆桿扶正器穩(wěn)住鉆桿，防止鉆具在開孔階段發(fā)生偏差，用開孔鉆桿低鉆壓、低鉆速開孔，正常鉆進(jìn)每隔10min左右采用手動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)慢速鉆進(jìn)，開孔深度不低于3m。開孔完成后，取出開孔鉆桿及開孔器，安裝穩(wěn)定鉆桿開始正常鉆進(jìn)。

（3）合理配置穩(wěn)定鉆桿。穩(wěn)定鉆桿的作用主要是控制鉆頭在鉆進(jìn)過程中順開孔方向直線鉆進(jìn)，所以穩(wěn)定鉆桿和鉆頭直徑的合理配置是保證鉆孔精度的重要條件之一，在超長(zhǎng)壓力斜井施工中第1、2、3、7 根配置穩(wěn)定鉆桿。將穩(wěn)定鉆桿配置在靠近鉆頭的前端，由于鉆桿與鉆頭直徑一致，利用鉆孔孔壁的束縛將鉆桿前端強(qiáng)制擺正，使鉆桿軸線方向與原孔向一致，以此達(dá)到糾正孔向偏差的目的，有效的控制導(dǎo)孔施工精度。

（4）偏差測(cè)量。反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工中，鉆孔偏差測(cè)量是必不可少的輔助手段之一，鉆頭進(jìn)入巖石后，對(duì)其偏斜的方位無法進(jìn)行有效監(jiān)控，本超長(zhǎng)壓力斜井導(dǎo)孔鉆設(shè)過程中采用陀螺測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜，每30m 測(cè)量一次，及時(shí)對(duì)進(jìn)行偏差測(cè)量并進(jìn)行偏差糾正。

（5）不良地質(zhì)段的技術(shù)處理措施。針對(duì)金寨抽水蓄能電站超長(zhǎng)壓力斜井施工過程中鉆桿遇到斷層等不良地質(zhì)段，采用泥漿護(hù)壁材料施工，作為斷層帶鉆進(jìn)時(shí)的護(hù)壁、沖渣、潤(rùn)滑介質(zhì)，使斷層帶能夠直接進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，避免了常規(guī)鉆進(jìn)在斷層帶先預(yù)固結(jié)灌漿再鉆進(jìn)工序，提高了效率，加快了進(jìn)度，節(jié)約了成本。

3.2 反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工技術(shù)

導(dǎo)孔貫穿后，在下部隧洞用液壓拆桿器拆掉導(dǎo)孔鉆頭，連接好擴(kuò)孔刀盤，開始自下而上的提拉擴(kuò)孔，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)破碎下來的巖屑靠自重落到中平洞，由鏟運(yùn)機(jī)和其它裝載設(shè)備運(yùn)出。

3.2.1 擴(kuò)孔參數(shù)控制

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)的扭矩、推力和轉(zhuǎn)速控制見下表：

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)的扭矩、推力和轉(zhuǎn)速控制

3.2.2 擴(kuò)孔注意事項(xiàng)

（1）擴(kuò)孔鉆進(jìn)之前，應(yīng)在上下之間建立良好的通訊，以利于導(dǎo)孔鉆頭的拆卸和擴(kuò)孔鉆頭的安裝。在安裝刀盤之前，上下水平的操作人員必須確認(rèn)信號(hào)，形成一致，在安裝過程中，上下水平人員必須認(rèn)真聽信號(hào)，待準(zhǔn)確無誤后方可操作。（2）反井鉆機(jī)操作手要注意力集中，精心操作，聽到異常聲音或有異常振動(dòng)等情況時(shí)，及時(shí)停機(jī)處理，隨時(shí)觀察設(shè)備運(yùn)行情況和機(jī)架固定情況。（3）要求操作手每班都要對(duì)活動(dòng)套進(jìn)行仔細(xì)的檢查，發(fā)有現(xiàn)松動(dòng)或者絲扣磨損嚴(yán)重的，必須及時(shí)緊固或者進(jìn)行更換；當(dāng)擴(kuò)完一根鉆桿時(shí)，拆出鉆桿，在絲扣上抹上絲扣油之后再扭緊絲扣到規(guī)定的扭矩（1800psi），然后取去卡瓦，調(diào)低推進(jìn)壓力開始旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，等鉆頭和巖石完全接觸之后，再慢慢調(diào)整推進(jìn)力到合適大小，然后開始正常擴(kuò)孔施工。（4）擴(kuò)孔施工中，需要用水每小時(shí)5 方左右，必須設(shè)有沉淀過濾池以及良好的排水系統(tǒng)。（5）施工中要及時(shí)查看下井口的出渣情況，并及時(shí)用鏟運(yùn)機(jī)或其他鏟運(yùn)設(shè)備清理擴(kuò)孔破碎下來的巖屑，防止下口被堵塞。（6）在擴(kuò)孔施工到5 米左右時(shí)，把擴(kuò)孔刀盤下放至下井口，徹底檢查刀盤、中心桿、刀座，并檢查所有連接螺栓的扭矩是否達(dá)到要求。（7）下井口應(yīng)做好安全警示，防止落石傷人，并派專人注意落渣情況，及時(shí)出渣，防止發(fā)生堵井事故。

3.2.3 收尾階段

擴(kuò)孔完成，經(jīng)過鉆頭吊裝、拆機(jī)、清理工作面、井口防護(hù)、工作面移交等工作后結(jié)束施工。

3.3 超長(zhǎng)壓力斜井導(dǎo)孔、導(dǎo)井貫通測(cè)量成果偏差分析

金寨抽水蓄能電站4 條超長(zhǎng)壓力斜井，導(dǎo)孔均精準(zhǔn)貫通，1#引水上斜井導(dǎo)孔偏斜率0.92%；2# 引水上斜井導(dǎo)孔偏斜率0.9%；1#引水下斜井導(dǎo)孔偏斜率0.45%；2#引水下斜井導(dǎo)孔偏斜率0.34%，保證了導(dǎo)孔精度。

4 結(jié)論

金寨抽水蓄能電站引水壓力斜井在國(guó)內(nèi)水電行業(yè)成功引進(jìn)TR3000 反井鉆機(jī)一次性高精度成型φ2.4 米導(dǎo)井，是水電行業(yè)導(dǎo)井施工工藝的一次提升，達(dá)到了安全、快速、高效的施工目的，取得了大口徑反井鉆井反井法在超長(zhǎng)引水壓力斜井導(dǎo)井施工的經(jīng)驗(yàn)。