陽江抽水蓄能電站高壓電纜洞斜井反井鉆機(jī)改造及應(yīng)用

劉振庚，王 強(qiáng)，王 峻

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

引言

隨著“雙碳目標(biāo)”的逐步實(shí)施，越來越多的抽水蓄能電站將逐步開發(fā)。抽水蓄能電站作為清潔能源的配套供給措施，迎來了建設(shè)高峰。高壓電纜洞(又稱“出線洞”)作為連接主變與開關(guān)站之間的電纜通道，根據(jù)檢修維護(hù)要求，往往設(shè)置為斜井或豎井。結(jié)合消防通道等特殊的要求，一般將斜井的坡度設(shè)置在45°以下，這就給施工帶來了很大的困難。斜井開挖最理想的方法就是反井法，即采用反井鉆機(jī)先施作一條溜渣導(dǎo)井，然后自上而下擴(kuò)挖成形。這種方案避免了采用常規(guī)正向開挖所需的渣料提升系統(tǒng)布置而面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，大大提升了施工效率。目前，國內(nèi)外反井鉆機(jī)設(shè)計(jì)適用的傾角為60°～90°，國內(nèi)也有將反井鉆機(jī)的基礎(chǔ)和吊桿進(jìn)行改造后適用于45°斜井施工中的案例。但陽江抽水蓄能電站的高壓電纜洞斜井傾角低至36°，自重方向的分力更大，加之導(dǎo)孔不同程度的彎曲，導(dǎo)致鉆機(jī)反擴(kuò)扭矩進(jìn)一步增大，對鉆機(jī)受力及穩(wěn)定性提出了更高的要求。

1 工程概況

陽江抽水蓄能電站高壓電纜洞主要有上平洞、斜井及下平洞組成，其中下平段長37m，斜井段長257.07m，傾角36°，上平段長105.35m，總長399.42m。

隧洞主要以花崗巖為主，局部為混合巖，巖石強(qiáng)度較高。I類、II類圍巖約占隧洞總長的80.4%；Ⅲ類圍巖約占隧洞總長的12.4%；出口段全～強(qiáng)風(fēng)化帶為IV～V類，約占隧洞總長的7.2%，圍巖不穩(wěn)定，需及時襯砌。

2 反井鉆機(jī)選型與分析

反井鉆機(jī)的選型直接關(guān)系到斜井導(dǎo)井的貫通成敗，本工程選取一種AT型反井鉆機(jī)，鉆機(jī)主機(jī)總成，它包括主機(jī)框架、推進(jìn)組件、滑架和回轉(zhuǎn)動力總成。主機(jī)框架的頂部設(shè)有上頂油缸、底部設(shè)有調(diào)腳靴板和接卸桿系統(tǒng)；回轉(zhuǎn)動力總成設(shè)置于滑架內(nèi)；滑架裝配于主機(jī)框架內(nèi)；推進(jìn)組件的一端與主機(jī)框架的底部相連、另一端與滑架相連能夠推動滑架沿主機(jī)框架的內(nèi)壁運(yùn)動。該類鉆機(jī)將回轉(zhuǎn)動力總成通過滑架裝配于主機(jī)框架內(nèi)，推進(jìn)組件推動滑架沿主機(jī)框架的內(nèi)壁升降，主機(jī)框架除了支撐的作用還起到了導(dǎo)向的作用，提高了升降運(yùn)動的穩(wěn)定性，保證了鉆頭推進(jìn)的穩(wěn)定性，提高了鉆孔的精度。能更有效地提升斜井施工精度，降低鉆桿扭矩。

根據(jù)鉆機(jī)受力計(jì)算分析，選擇AT2500反井鉆機(jī)，該鉆機(jī)的工作原理為：電機(jī)帶動液壓馬達(dá)，利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動鉆具旋轉(zhuǎn)，并向上提升，采用楔齒盤形滾刀破巖，滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，從而對巖石產(chǎn)生沖擊、研磨、擠壓和剪切作用，使其破碎。鉆導(dǎo)孔時巖屑沿鉆桿與孔壁間的環(huán)形空間由洗井液浮升到井座面，擴(kuò)孔時巖屑靠自重落到井下通道。

3 鉆機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反井鉆機(jī)進(jìn)行斜井、豎井施工，在施工前均需要施作鉆機(jī)基礎(chǔ)，一方面是方便鉆機(jī)安裝加固，另一方面也可以改善反擴(kuò)導(dǎo)井時鉆機(jī)受力條件，且利于布置反井鉆機(jī)施工相應(yīng)的配套設(shè)施(泥漿池、清水池等)。反井鉆機(jī)基礎(chǔ)通常采用素混凝土結(jié)構(gòu)，常規(guī)的混凝土基礎(chǔ)由于傾角較大(大于45°)，可以同時在反井鉆機(jī)吊桿和基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改造，即可滿足相應(yīng)角度鉆孔需要，對鉆機(jī)受力影響不大。

對于緩于該角度的斜井，鉆機(jī)受力復(fù)雜，重力方向上的分力更大，鉆機(jī)在作用力下容易發(fā)生機(jī)械故障，需盡量讓鉆機(jī)作用力垂直于基礎(chǔ)面，以改善受力情況。經(jīng)研究改造最終高壓電纜洞斜井反井鉆機(jī)基礎(chǔ)采用混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。具體如下：混凝土基礎(chǔ)直接布置于隧洞底板，并采用技術(shù)性超挖，形成“凹”型基礎(chǔ)，增加基礎(chǔ)抗滑能力；混凝土基礎(chǔ)迎鉆機(jī)安裝方向設(shè)置為斜面，確保鉆機(jī)開孔角度；混凝土基礎(chǔ)內(nèi)沿斜井鉆進(jìn)中心線預(yù)埋鋼管，減少鉆孔對基礎(chǔ)的穩(wěn)定破壞和工作量；基礎(chǔ)斜面上設(shè)置預(yù)埋H鋼，用于安裝固定反井鉆機(jī)；基礎(chǔ)一側(cè)采用混凝土設(shè)置鉆桿存放架，用于鉆機(jī)吊運(yùn)鉆桿。

現(xiàn)場具體參數(shù)如下：

(1)混凝土強(qiáng)度C30澆筑，斜面為54°，長度方向澆筑至端墻，寬度2.4m，高度1.65m；

(2)斜面埋設(shè)300H型鋼，長度1850mm，后期根據(jù)反井鉆機(jī)基礎(chǔ)板開孔后，采用螺栓連接；

(3)混凝土基礎(chǔ)預(yù)留反井鉆機(jī)鉆孔，預(yù)留槽尺寸50cm×50cm，采用模板隔出；

(4)找平層收面后保持水平度，誤差+5mm；300H型鋼保持54°斜面，誤差小于0.03°，即型鋼上下口+1mm；

(5)混凝土澆筑前，原定向鉆機(jī)基礎(chǔ)鑿毛，并設(shè)置插筋φ25@1000mm，L=2000mm，外露500mm。

圖1 反井鉆機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置

4 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)改造

36°斜井受緩傾角影響反井鉆機(jī)反擴(kuò)導(dǎo)井時，刀盤受力極不均衡，極易發(fā)生鉆桿斷裂，刀盤破損現(xiàn)象。普通反井鉆機(jī)難以實(shí)現(xiàn)36°斜井施工，需進(jìn)行相應(yīng)改造。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)深入反井鉆機(jī)適應(yīng)性改造，將液壓支撐底座、液壓可調(diào)底板、液壓抓手、雙液壓馬達(dá)等，逐一改進(jìn)以滿足斜井施工需求。主要改造分為以下四個部分：

(1)液壓底座改造：常規(guī)反井鉆機(jī)僅能實(shí)現(xiàn)普通豎井的開挖，本工程36°斜井傾角較緩，為保證傾角，在底座增加液壓支撐，便于調(diào)節(jié)入鉆角度。反井鉆機(jī)底座與支撐梁增加2組液壓千斤頂，千斤頂支撐梁連接部位設(shè)置三角撐，千斤頂?shù)鬃B接部位設(shè)置矩形支撐。

(2)腳板改進(jìn)：反井鉆機(jī)腳板一般為固定直角板，為進(jìn)一步提升入鉆點(diǎn)準(zhǔn)確度，將腳板增加2組液壓千斤頂，腳板預(yù)留錨固孔，將基礎(chǔ)板與腳板通過螺栓連接。

(3)吊桿改造：普通反井鉆機(jī)鉆桿安裝采用小型吊機(jī)吊運(yùn)至液壓抓手，抓手旋轉(zhuǎn)90°安裝鉆桿。改進(jìn)液壓抓手采用兩組液壓系統(tǒng)，分別控制大臂、小臂，猶如人的手臂，能夠滿足反井鉆機(jī)液壓抓手橫縱移動，更加便捷地安裝斜井鉆桿。

(4)液壓馬達(dá)改造：液壓馬達(dá)選用兩組改進(jìn)型液壓馬達(dá)，將液壓馬達(dá)做到輕量化。采用雙組設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定，避免鉆桿受重力影響。

圖2 改造后的斜井施工反井鉆機(jī)

5 施工控制要點(diǎn)

(1)鉆機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑2～3天后，將輕型軌道鋪設(shè)在混凝土平臺上，軌距為64cm，軌道下墊枕木(20cm×20cm，長120cm)或20工字鋼，每隔60cm～80cm墊一根，然后將鉆機(jī)吊至軌道上，調(diào)好鉆機(jī)位置，鎖緊卡軌器，豎起鉆架，安裝后拉桿，調(diào)平鉆機(jī)。鉆機(jī)調(diào)平后，用螺栓將鋼墊板連接在鉆架上，安裝前拉桿及埋設(shè)預(yù)埋螺栓，再次調(diào)平鉆機(jī)并澆筑Ⅱ期混凝土。

(2)安裝反井鉆機(jī)時首先將吊帽等專用工具運(yùn)至井底，擴(kuò)孔鉆頭運(yùn)到井下鉆孔中心點(diǎn)位置，并采用鋼絲繩、手動葫蘆及裝載機(jī)配合進(jìn)行安裝。確保上平洞通訊通暢，連接時上下呼應(yīng)，上平洞鉆機(jī)操作手根據(jù)下平洞指令操作。

(3)調(diào)節(jié)動力水龍頭出軸轉(zhuǎn)速為慢速擋。

(4)用一個三通將冷卻水泵的水分出一部分供擴(kuò)孔鉆頭，以冷卻鉆頭、消塵。

(5)在擴(kuò)孔鉆頭未全進(jìn)入鉆孔時，為防止鉆頭劇烈晃動而損壞刀具，應(yīng)使用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速，待鉆頭全部鉆進(jìn)時，方可加壓鉆進(jìn)。擴(kuò)孔鉆壓的大小根據(jù)地層的具體情況而定，軟巖低壓、硬巖高壓，但是主泵油壓不得超過24.0MPa；副泵油壓不得超過18.5MPa。

(6)拆卸鉆桿，第二根鉆桿上方卡位升至卡座上方約20cm，將下卡瓦卡住第二根鉆桿的上卡位，下降動力水龍頭，使下卡進(jìn)入卡座內(nèi)，反轉(zhuǎn)動力水龍頭一圈，升起翻轉(zhuǎn)架并將機(jī)械手抱住鉆桿，動力水龍頭反轉(zhuǎn)提升約10cm，取出上卡瓦，再將動力水龍頭升至最高位置，下降翻轉(zhuǎn)架并松開機(jī)械手，同時下降動力水龍頭連接鉆桿，取出下卡瓦，繼續(xù)擴(kuò)孔鉆進(jìn)。在卸鉆桿過程中，鉆桿接頭無法松動時，使用輔助卸扣輔助動力水龍頭反轉(zhuǎn)，如果使用輔助卸扣裝置也不能松動接頭時，則在待松動的接頭四周用氧焊烘烤，邊烘烤邊反轉(zhuǎn)動力水龍頭直至松動為止。

(7)擴(kuò)孔直徑為1.4m，每米實(shí)渣量為1.54m3。反井鉆機(jī)每天可擴(kuò)孔鉆進(jìn)10m，則每天的出渣量為15.4m3。需在下平洞固定布置一臺裝載機(jī)，根據(jù)溜渣量進(jìn)行出渣。下平洞安排專人值班，觀察存渣量，當(dāng)存渣高度到達(dá)隧洞頂板，應(yīng)立即通知鉆機(jī)司機(jī)停鉆，下平洞出渣工作人員及時出渣，完成出渣工作后通知鉆機(jī)司機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)，如此循環(huán)，直至完成擴(kuò)孔工作。擴(kuò)孔期間，下平洞應(yīng)做好警戒防護(hù)，除值班人員外所有人員嚴(yán)禁進(jìn)入下平洞。值班人員在觀察存渣時，離透孔中心點(diǎn)距離不小于30m。

6 應(yīng)用效果

本工程采用反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)井施工，歷時75d，日平均進(jìn)尺3.5m，施工過程中未發(fā)生鉆桿斷裂、設(shè)備異常等狀況，施工過程中安全可控。

7 結(jié)論

針對緩坡長斜井大扭矩反擴(kuò)施工難題，本文通過對導(dǎo)井反擴(kuò)鉆機(jī)、鉆具受力特征等進(jìn)行分析，研發(fā)了水平抗滑機(jī)座，提出了配置雙液壓驅(qū)動馬達(dá)，輔以穩(wěn)定軸承、液壓支撐底座、支撐導(dǎo)向主機(jī)框架等適應(yīng)性改制，突破了反井鉆機(jī)緩傾角的適應(yīng)范圍，使得工程順利安全實(shí)施。然而，對設(shè)備的改造需要花費(fèi)大量的人力物力，且通用性不強(qiáng)。因此，需要進(jìn)一步和生產(chǎn)廠家聯(lián)合攻關(guān)，以期生產(chǎn)出一款通用性強(qiáng)、造價(jià)低廉、性能優(yōu)越的反井鉆機(jī)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。