大型抽水蓄能電站長斜井導(dǎo)井施工監(jiān)理實(shí)踐

黎 山，付燕燕，鄭慧明（.中國水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙 4004；. 廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 50635）

1 工程概況

1.1 工程布置

華東某大型抽水蓄能電站位于華東電網(wǎng)負(fù)荷中心——浙江省北部，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建筑物組成。裝機(jī)規(guī)模 2 100 MW（6×350 MW），額定水頭 710 m，位居國內(nèi)第一。引水系統(tǒng)采用“三洞六機(jī)”斜井式布置，斜井上下高差約 790 m，傾角為 58°，以中平洞為界，將引水斜井分成上下兩段，上、下斜井開挖長度分別為 435 m 和 392 m，上斜井開挖洞徑為 7 m。

本工程主體工程于 2017 年 2 月開工，上斜井于 2018年 5 月開始施工。

1.2 地質(zhì)條件

上斜井圍巖巖性為流紋質(zhì)角礫熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶肩熔結(jié)凝灰?guī)r及流質(zhì)含礫熔結(jié)凝灰?guī)r等。巖石微風(fēng)化～新鮮，弱～微透水性，較完整～完整，局部完整性差；節(jié)理較發(fā)育、中傾角順坡節(jié)理與斜井交角較大，圍巖為 II-III 類，斷層附近為 IV 類。斜井位于地下水位線以下，巖體為弱～微透水性，以滴水、滲水為主，巖石飽和抗壓強(qiáng)度 188 MPa～282 MPa，軟化系數(shù) 0.71～0.84。斷層 F101 及層間錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)輸水系統(tǒng)的工程地質(zhì)條件影響較大。

1.3 長斜井施工的難點(diǎn)

引水斜井通常是抽水蓄能電站的重要組成部分，其傾角陡、空間狹小、施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，一直是抽水蓄能電站建設(shè)管理的難點(diǎn)和關(guān)注重點(diǎn)，也是重大安全風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)，超過 400 m 的長斜井更加突出，具體如下。

（1）地質(zhì)條件較復(fù)雜，巖石強(qiáng)度高、存在斷層、層間錯(cuò)動(dòng)帶，節(jié)理較發(fā)育、地下滲水多，影響斜井施工安全和質(zhì)量。

（2）上斜井未布置通向斜井中部的施工支洞，斜井直線段最長為 435 m，孔斜與方位角控制難度大、鉆孔偏斜精度要求高（≤5‰），施工難度較大。

（3）斜井開挖作業(yè)面到施工支洞洞口最小距離超過1 000 m，開挖貫通前通風(fēng)排煙難度大，爆破后通風(fēng)排煙時(shí)間長，洞內(nèi)溫度高，施工環(huán)境差。

（4）引水斜井高差大、施工作業(yè)面狹小、交通條件不便、人員及物資材料運(yùn)輸量大且安全風(fēng)險(xiǎn)高，安全隱患多。

2 長斜井導(dǎo)井施工技術(shù)研究

目前，國內(nèi)抽水蓄能電站工程引水長斜井開挖方法一般為先施工導(dǎo)井，然后利用導(dǎo)井溜渣、從上而下擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面。導(dǎo)井通常采用爬罐法、反井鉆機(jī)法、反井鉆機(jī)＋爬罐法三種方法開挖。因此導(dǎo)井是控制斜井施工的重要臨時(shí)工程，其能否安全順利實(shí)施直接影響，引水系統(tǒng)乃至工程發(fā)電目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

近年來，隨著國內(nèi)大型抽水蓄能電站的建設(shè)，超過300 m 的長斜井開始被大范圍采用。受爬罐和反井鉆機(jī)施工機(jī)械作業(yè)能力、職業(yè)健康安全條件、施工進(jìn)度及導(dǎo)井貫通精度要求等影響，反井鉆機(jī)法、爬罐法、反井鉆機(jī)＋爬罐法均難以順利保證目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，國內(nèi)水電界借鑒定向鉆＋反井鉆技術(shù)，開始在大型抽水蓄能電站 300 m 級(jí)斜井導(dǎo)井施工重嘗試試驗(yàn)和應(yīng)用，以有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率，改善作業(yè)環(huán)境，保證施工質(zhì)量。

2.1 導(dǎo)井施工方案比選

本工程斜井位于工程建設(shè)次關(guān)鍵線路上，工期緊張，其角度陡、鉆孔深度大、巖石強(qiáng)度高、孔斜與方位角控制難、鉆孔偏斜控制的要求精度高。本工程上斜井長達(dá) 435 m，國內(nèi)可以借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)甚少，因而選擇合適的施工工藝及施工機(jī)械至關(guān)重要。為此，建設(shè)單位多次組織調(diào)研比選，比較了常用的反井鉆機(jī)法、爬罐法、反井鉆機(jī)＋爬罐法等導(dǎo)井施工方案，綜合施工機(jī)械適用能力、職業(yè)健康安全風(fēng)險(xiǎn)大小、導(dǎo)井貫通精度、施工進(jìn)度等條件和要求，參考近年來國內(nèi)抽水蓄能電站 300 m 級(jí)引水斜井應(yīng)用定向鉆＋反井鉆機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)，決定長斜井導(dǎo)井采用定向鉆機(jī)＋反井鉆機(jī)施工法。具體的施工方案如下：采用定向鉆機(jī)自上而下施工 Φ 216 mm 定向孔；更換定向鉆機(jī)鉆頭，自下而上擴(kuò)成直徑 Φ295 mm 的先導(dǎo)孔；采用反井鉆機(jī)自下而上將先導(dǎo)孔反拉成直徑為 Φ2 000 mm 的導(dǎo)井。

2.2 定向鉆機(jī)＋反井鉆機(jī)法控制重點(diǎn)

定向鉆機(jī)＋反井鉆機(jī)法適用于長斜井作業(yè)，具有機(jī)械化程度高、施工速度快、安全風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)。定向鉆機(jī)采用定向鉆具組合鉆井，配以無線隨鉆測斜儀、多點(diǎn)連續(xù)測斜儀、磁導(dǎo)向儀等器具控制鉆孔角度，實(shí)現(xiàn)及時(shí)調(diào)整鉆孔角度、提高斜率保證率的目標(biāo)。

由此可見，定向孔及先導(dǎo)孔施工直接決定導(dǎo)井乃至整個(gè)斜井工程的成敗。如何保證超 400 m 的長斜井（無施工支洞）定向孔的施工質(zhì)量和進(jìn)度是監(jiān)理工作的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

2.3 主要施工設(shè)備選型

2.3.1 定向鉆機(jī)

綜合考慮定向孔直徑、斜井長度、傾角及圍巖巖體抗壓強(qiáng)度和巖石硬度指標(biāo)，選擇相應(yīng)的定向鉆機(jī)，然后對(duì)鉆機(jī)及電機(jī)、液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行受力、安全、穩(wěn)定等復(fù)核驗(yàn)算（見表 1），選定定向鉆機(jī)型號(hào)為 DFZ-68。

2.3.2 反井鉆機(jī)

根據(jù)導(dǎo)井直徑、斜井長度、傾角及圍巖巖體抗壓強(qiáng)度和巖石硬度指標(biāo)，選擇相應(yīng)的反井鉆機(jī)，然后對(duì)鉆機(jī)及電機(jī)、液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。選定反井鉆機(jī)型號(hào)為 ZFY3.5/150/500，主要技術(shù)參數(shù)，見表 2。

表1 DFZ-68 定向鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 ZFY3.5/150/500 反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 長斜井導(dǎo)井施工監(jiān)理

3.1 成立四方聯(lián)合攻關(guān)小組

成立由業(yè)主、監(jiān)理、施工等單位參加的聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)小組，提前研究落實(shí)施工過程的重大技術(shù)方案，研究解決定向孔、先導(dǎo)孔、導(dǎo)井等施工中可能出現(xiàn)的問題，并制定了施工保障措施和應(yīng)急預(yù)案。

3.2 參與組織開展長斜井導(dǎo)井施工方案的比選

鑒于巖體強(qiáng)度高，及時(shí)督促施工單位現(xiàn)場取巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，檢測巖體強(qiáng)度，復(fù)核鉆機(jī)、鉆桿、刀盤及鉆頭等設(shè)計(jì)及能力。通過復(fù)核計(jì)算，重新選定了定向鉆機(jī)、反井鉆機(jī)，增大其能力，調(diào)整了導(dǎo)井等直徑，具體如下。

（1）將導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)改為框架結(jié)構(gòu)，使其能夠承受更大的扭矩。

（2）對(duì)鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、滾刀等進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，確保設(shè)備性能及破巖能力。

（3）增加扶正軸承，以利于大角度工況下施工斜井。

（4）將導(dǎo)井直徑 Φ2 500 mm 縮小為 Φ2 000 mm。

（5）將先導(dǎo)孔直徑由 Φ195 mm 增大到 Φ216 mm。

3.3 組織審查導(dǎo)井施工方案

督促完善施工措施和流程，進(jìn)一步明確技術(shù)要求、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及糾偏措施。尤其是孔斜控制措施，嚴(yán)格控制先導(dǎo)孔狗腿度，避免急糾偏，以防卡鉆、蹩鉆；落實(shí)對(duì)卡鉆、斷桿、蹩鉆、掉鉆等異常情況的處置預(yù)案。

要求承包單位優(yōu)選技術(shù)實(shí)力雄厚、具有 300 m 長斜井導(dǎo)井施工經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)公司實(shí)施。

3.4 及時(shí)編制發(fā)布監(jiān)理方案

明確監(jiān)理工作的流程、要點(diǎn)、方法及措施，組建斜井監(jiān)理小組，配備有關(guān)監(jiān)理設(shè)備，組織監(jiān)理內(nèi)部培訓(xùn)和技術(shù)等交底。

3.5 檢查開工條件

對(duì)照開工條件清單逐一檢查落實(shí)情況。及時(shí)組織定向鉆機(jī)、反井鉆機(jī)及鉆桿等設(shè)備設(shè)施進(jìn)場檢測，驗(yàn)收、督促開展施工作業(yè)人員培訓(xùn)和技術(shù)交底；及時(shí)做好上平和中平洞技術(shù)超挖、鉆機(jī)安裝平臺(tái)施工、水電風(fēng)管布置及檢查、備用電源配備、泥漿制備；組織定向孔孔位、開孔傾角、方位角的聯(lián)合測量復(fù)核，組織開鉆聯(lián)合驗(yàn)收，督促儲(chǔ)備一定的易耗件備件，尤其是鉆桿、滾刀、水泵、電機(jī)的備件。

3.6 加強(qiáng)過程控制

（1）確保鉆機(jī)準(zhǔn)確就位。保證鉆機(jī)安裝基礎(chǔ)穩(wěn)定牢靠，按照設(shè)計(jì)要求安裝鉆機(jī)，確保鉆機(jī)方位角、傾角滿足要求。為保證開孔精準(zhǔn)，基礎(chǔ)混凝土中應(yīng)準(zhǔn)確預(yù)留約 20 cm深的預(yù)留孔位，開鉆前應(yīng)再次進(jìn)行鉆機(jī)定位測量復(fù)核。

（2）妥善組織試鉆。全面檢查定向鉆安裝就位、液壓、電路、制漿、控制、水電等系統(tǒng)安裝、連接、容量、穩(wěn)定等性能，確認(rèn)完好，施工技術(shù)、質(zhì)量、安全管理人員就位后，監(jiān)理方可同意試鉆，并要求施工密切檢查鉆機(jī)系統(tǒng)試鉆情況。

（3）嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度。開鉆一般控制在 60 rpm，前30 m 斷層及不均勻地層的鉆進(jìn)控制也宜低速鉆進(jìn)，督促密切關(guān)注泥漿質(zhì)量及返漿量、返回巖屑顏色數(shù)量，及時(shí)掌握鉆孔情況，及時(shí)掌握施工過程鉆機(jī)拉力、轉(zhuǎn)速、水溫等參數(shù)。

（4）按照鉆機(jī)運(yùn)行要求，在無線隨鉆隨測的基礎(chǔ)上，增加提鉆測量等方法測量孔斜，孔斜監(jiān)測每鉆進(jìn) 30 m 測斜一次，間隔 5 m～10 m 設(shè)一個(gè)測點(diǎn)。孔斜超偏時(shí)，加密測點(diǎn)，落實(shí)定向糾偏措施。

（5）出現(xiàn)偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)分析影響，再?zèng)Q定是緩糾偏還是不糾偏。當(dāng)鉆孔偏距＞0.5 m 時(shí)，需要進(jìn)行緩糾偏；當(dāng)鉆孔井斜角＞0.8° 時(shí)，需要進(jìn)行緩降斜；狗腿度一般控制在＜4°/30 m。

（6）實(shí)行工點(diǎn)管理。過程中堅(jiān)持“日檢查、周總結(jié)、月分析”，安排測量、土建、安全等監(jiān)理工程師實(shí)施專人跟蹤監(jiān)理，及時(shí)編制日?qǐng)?bào)。

（7）督促做好分包管理。要求專業(yè)分包單位技術(shù)負(fù)責(zé)人到場組織施工和技術(shù)交底，選派有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)長負(fù)責(zé)現(xiàn)場工作，落實(shí)施工值班制度。

3.7 及時(shí)組織召開施工總結(jié)分析會(huì)

及時(shí)召開開鉆前會(huì)及鉆進(jìn) 30 m、130 m、230 m、330 m、435 m 施工總結(jié)分析會(huì)，查找并解決問題，優(yōu)化工藝和參數(shù)，固化措施，以提升監(jiān)理管理和施工成效。

建立快速反應(yīng)機(jī)制，遇到異常情況及時(shí)召開現(xiàn)場會(huì)議，分析原因，及時(shí)解決過程問題。

3.8 成效及異常情況處理

從整體上看，本工程三條超 400 m 上斜井的定向孔、先導(dǎo)孔和導(dǎo)井施工順利，未出現(xiàn)斷桿、埋鉆等嚴(yán)重情況，也未出現(xiàn)安全事故；定向孔孔斜均＜1%，導(dǎo)井均一次順利拉通。

1 號(hào)上斜井定向孔施工過程中出現(xiàn)了掉鉆頭、打撈鉆頭耗時(shí)較多的現(xiàn)象。

由于地質(zhì)原因，2 號(hào)上斜井和 3 號(hào)上斜井先導(dǎo)孔分別在鉆進(jìn)約 30 m 和 40 m 時(shí)出現(xiàn)較大的孔斜偏差，后經(jīng)四方現(xiàn)場協(xié)商，決定及時(shí)移位重新開孔，實(shí)現(xiàn)一次順利貫通。

在 2 號(hào)上斜井和 3 號(hào)上斜井導(dǎo)井的施工過程中，由于巖體強(qiáng)度高，鉆頭磨損嚴(yán)重，分別更換滾刀一次。

3.9 成 效

通過精細(xì)管理、科學(xué)施工和跟蹤監(jiān)理，三條上斜井導(dǎo)井定向孔均安全順利一次貫通，孔斜均＜5‰，最大斜率為1‰，未出現(xiàn)安全事故，有效保證了先導(dǎo)孔和導(dǎo)井一次順利完成。三條上斜井導(dǎo)井實(shí)際有效工期均比計(jì)劃工期提前，第二條上斜井導(dǎo)井比第一條上斜井節(jié)省 48 d（包括受春節(jié)休假、冬季冰凍停水等的影響），第三條上斜井導(dǎo)井比第三條上斜井快 7 d 完工（包括受春節(jié)休假的影響）。上述施工成效充分說明了定向鉆機(jī)＋反井鉆機(jī)法在長斜井導(dǎo)井施工中具有明顯的優(yōu)勢，且有潛力可挖。

3.10 討 論

（1）根據(jù)導(dǎo)井圍巖強(qiáng)度、硬度及抗磨性，導(dǎo)井長度、傾角、鉆機(jī)、刀盤重量等對(duì)定向鉆機(jī)機(jī)具進(jìn)行結(jié)構(gòu)等個(gè)性化設(shè)計(jì)和復(fù)核；采用高強(qiáng)合金鋼材以加強(qiáng)鉆桿接頭的硬度；考慮到鉆桿更換較難且耗時(shí)長，適度加大鉆機(jī)及附件的安全系數(shù)，適當(dāng)增加鉆桿直徑，以提高鉆桿的安全系數(shù)。

（2）根據(jù)定向孔斜率可能發(fā)生的偏差、巖石強(qiáng)度、先導(dǎo)孔直徑、鉆桿力學(xué)性能等，復(fù)核鉆桿的應(yīng)力及穩(wěn)定性，明確糾偏標(biāo)準(zhǔn)限差，指導(dǎo)糾偏。為防止蹩鉆、卡鉆等現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)從嚴(yán)控制狗腿度。

（3）提高定向鉆系統(tǒng)的智能化。增強(qiáng)定向鉆智能功能及三維智能成像系統(tǒng)，配備成像設(shè)備，及時(shí)收集識(shí)別巖體變化和圍巖成像；適時(shí)在線顯示鉆井軌跡和斜率，保持過程在線，及時(shí)計(jì)算井斜和發(fā)布預(yù)警信息，建立智能糾偏模式。

（4）鉆機(jī)開孔位置應(yīng)綜合考慮斜井地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)直徑及傾角、導(dǎo)井?dāng)U挖及扒渣、工作安全平臺(tái)布置等因素，合理確定。一般向斜井軸線下移 1 m 左右，同時(shí)保證在導(dǎo)井壁不良地質(zhì)部位出現(xiàn)塌滑后，安全工作平臺(tái)寬度≥80 cm。

（5）定向鉆機(jī)高度一般比水工引水隧洞洞徑大，且需要配套布設(shè)泥漿池等輔助設(shè)施，因而要提前做好隧洞技術(shù)超挖工作，以方便系統(tǒng)布置。

（6）與斜井下彎段相接的平洞頂拱部位應(yīng)提前開挖成與斜井軸線垂直的平面，以便定向鉆/反井鉆機(jī)刀盤的安裝，保證其合理受力和正常運(yùn)行。

4 結(jié) 語

本工程長斜井導(dǎo)井項(xiàng)目，采用定向鉆機(jī)＋反井鉆機(jī)法施工，由于研究充分、方案合適、技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備適宜、措施到位、控制有效，因而能夠克服復(fù)雜的地質(zhì)條件，以及冬季冰凍停水、春節(jié)休假等不利因素，使得三條上斜井導(dǎo)井定向孔均安全順利貫通；在未出現(xiàn)安全事故，未出現(xiàn)斷桿、卡鉆等異常情況下，取得孔斜均 ＜5‰、最大斜率 1‰ 的施工目標(biāo)。定向鉆機(jī)＋反井鉆機(jī)施工法，有效保證了先導(dǎo)孔和導(dǎo)井一次順利施工，有效降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率，為本工程斜井按時(shí)完工提供了有力保障。本工程長斜井導(dǎo)井項(xiàng)目，首創(chuàng)國內(nèi)高強(qiáng)度硬巖、超 400 m 長斜井施工記錄，為我國大型抽水蓄能電站建設(shè)提供了成功范例。