特長(zhǎng)斜井精準(zhǔn)開挖技術(shù)在敦化電站的應(yīng)用

李世斌

（中電建建筑集團(tuán)有限公司，北京 100120）

隨著測(cè)繪技術(shù)成熟和測(cè)量?jī)x器革新，地下洞室開挖精準(zhǔn)度越來越高，對(duì)于平洞和豎井，貫通誤差明顯縮小。但是對(duì)于斜井，尤其是陡傾角長(zhǎng)斜井，仍然出現(xiàn)超出限差的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)洞徑較小時(shí)，開挖邊界超差，處理難度大，經(jīng)濟(jì)損失大。斜井精準(zhǔn)開挖分為兩個(gè)層面，一是導(dǎo)井精準(zhǔn)貫通，二是大井精準(zhǔn)擴(kuò)挖，只有兩個(gè)方面全部實(shí)現(xiàn)，整個(gè)斜井開挖才可達(dá)到精準(zhǔn)要求。

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站引水系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)有兩級(jí)斜井，分為上斜井和下斜井。上斜井單長(zhǎng)419.06 m，開挖斷面為Ф7.0 m，傾角55°。斜井井口距上支洞洞口約為545 m，井底距中支洞洞口約為2 036 m，無施工支洞直接通往斜井段，是典型的暗藏式地下斜井。斜井開挖采用先導(dǎo)井后擴(kuò)挖的方式，導(dǎo)井開挖首選反井鉆法，大井?dāng)U挖采用鉆爆法。

反井鉆可滿足200 m以內(nèi)陡傾角斜井開挖，但自身不具備孔內(nèi)糾偏能力[1-2]，在地質(zhì)條件復(fù)雜地段，高鉆速、高鉆壓作用下，鉆頭順著斷層、裂隙、節(jié)理和硬度偏低巖層鉆進(jìn)，導(dǎo)致鉆頭方向失控，導(dǎo)孔偏斜超過預(yù)計(jì)偏差和規(guī)范限差。2#上斜井導(dǎo)井長(zhǎng)度372 m，傾角為55°。采用反井鉆機(jī)開挖導(dǎo)井，導(dǎo)孔偏斜率比較難控制[3]，特別是對(duì)斜井沿線復(fù)雜的地質(zhì)條件，更難控制。精準(zhǔn)貫通先導(dǎo)孔，成為反井鉆實(shí)施導(dǎo)井開挖的關(guān)鍵。

2 斜井開挖關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 定向鉆高精度開挖先導(dǎo)孔

引入石油、煤炭行業(yè)鉆井技術(shù)，通過合作模式，優(yōu)化設(shè)備，更適合隧洞內(nèi)開挖斜井導(dǎo)井。選擇高精度的定向鉆機(jī)，施工反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔。根據(jù)洞室結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工條件，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，為反井鉆開挖高精度先導(dǎo)孔。

2.1.1 無線隨鉆測(cè)斜技術(shù)

隨鉆測(cè)斜技術(shù)起始于國(guó)外的石油鉆井技術(shù)，按傳輸通道分為泥漿脈沖、電磁波、聲波和光纖4種方式，以泥漿脈沖式使用最為廣泛。MWD-76型測(cè)斜儀是一種正脈沖無線隨鉆測(cè)斜儀，該儀器是將井下參數(shù)進(jìn)行編碼后，產(chǎn)生脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器內(nèi)的電磁閥動(dòng)作，限制部分泥漿流入鉆柱，從而產(chǎn)生泥漿正脈沖。地面上采用泥漿壓力傳感器檢測(cè)來自井下儀器的泥漿脈沖信息，并傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，井下儀器所測(cè)量的井斜角、方位角和工具面數(shù)據(jù)直觀的顯示在計(jì)算機(jī)和司鉆顯示器上。

2.1.2 定向鉆糾偏技術(shù)核心

定向鉆能夠在孔內(nèi)糾偏，主要依靠井下鉆具組合，關(guān)鍵部位就是螺桿鉆具。螺桿鉆具是一種將循環(huán)沖洗液的壓力能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。螺桿鉆具前端連接鉆頭，高壓泥漿流經(jīng)螺桿鉆具時(shí)，螺桿馬達(dá)在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)下面的鉆頭工作。螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子有單頭和多頭兩種，多頭螺桿鉆具有扭矩大，轉(zhuǎn)速低，壓降小，容易啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用在鉆孔定向鉆進(jìn)中。螺桿鉆具由旁通閥、馬達(dá)、萬向軸和傳動(dòng)軸組成，如圖1所示其各自功能作用如下：

圖1 螺桿鉆具組成

旁通閥總成位于螺桿鉆具組始端，由閥芯、閥套、彈簧、閥口等零件組成。在鉆進(jìn)時(shí)有2種工作狀態(tài)，即開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，由鉆井液流量控制。當(dāng)鉆頭正常鉆進(jìn)時(shí)，旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，被壓縮的彈簧上舉閥芯，泥漿流經(jīng)馬達(dá)把壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，推動(dòng)鉆頭向前鉆進(jìn)。當(dāng)鉆頭糾偏鉆進(jìn)時(shí)，旁通閥處于打開狀態(tài)，一定流量的鉆井液壓入總成，迫使閥芯向下動(dòng)作，迫使彈簧壓縮并關(guān)閉閥體上的通道。鉆井液在螺桿鉆具內(nèi)循環(huán)，流經(jīng)偏心孔改變鉆頭萬向軸的方向，按照指令進(jìn)行糾偏的鉆進(jìn)動(dòng)作。

馬達(dá)總成由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，轉(zhuǎn)子為螺桿形狀，下段連接萬向軸，上段為自由端，上邊鍍有抗磨耐腐蝕材料鎘，定子為腔狀結(jié)構(gòu)，由硫化橡膠襯套和鋼筒組成的。從傳動(dòng)角度看，它們是一組特殊的嚙合結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)一種螺旋曲面的線條，嚙合點(diǎn)緊密，形成一組空腔。螺桿馬達(dá)的基本工作原理為：當(dāng)具有一定能量的鉆井液進(jìn)入轉(zhuǎn)子、定子形成的密封腔，從一端向另一端通過時(shí)，形成壓力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)，將液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能。所以說馬達(dá)是螺桿鉆具的動(dòng)力部件。

萬向軸總成連接馬達(dá)和傳動(dòng)軸，它的主要作用是改變鉆進(jìn)方向和傳遞扭矩。把馬達(dá)轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為傳動(dòng)軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在調(diào)整轉(zhuǎn)進(jìn)姿態(tài)的同時(shí)把扭矩向鉆頭方向傳遞。

傳動(dòng)軸總成由殼體、軸、推力軸承、徑向軸承等組成，內(nèi)部有一組角接觸推力球軸承，具有較高的承載能力，作用是將萬向軸傳來的扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞給鉆頭，同時(shí)要承受鉆進(jìn)時(shí)地層作用于鉆頭的軸向力和徑向力。

2.1.3 低固相泥漿

鉆井泥漿是鉆井過程中使用的一種特殊漿液，通過膨潤(rùn)土、氧化鈣和化學(xué)處理劑按一定比例混合，高速離心機(jī)離散后采用循環(huán)泵和攪拌機(jī)調(diào)為均質(zhì)乳狀液體。鉆井泥漿在鉆井施工中作用非常重要，其主要功能為沖洗井底、攜帶巖屑、平衡地層壓力、冷卻與潤(rùn)滑鉆頭、穩(wěn)定井壁、懸浮巖屑和密度調(diào)整材料、獲取地層信息、傳遞功率（傳給螺桿鉆具等）。控制泥漿中的含沙量，嚴(yán)格四級(jí)凈化，控制泥漿性能的穩(wěn)定，保持適當(dāng)粘度，增強(qiáng)泥漿攜砂能力。

2.1.4 井下隨鉆測(cè)斜[4]與孔內(nèi)螺桿糾偏技術(shù)

小直徑鉆孔用無加重鉆桿、低鉆壓、孔底馬達(dá)鉆進(jìn)的多種鉆具組合方式，適合于大角度斜孔鉆進(jìn)。選用的潤(rùn)滑減摩鉆孔泥漿配方、三級(jí)泥漿凈化工藝以及造斜段輔助注漿穩(wěn)定孔壁措施，能有效的保證鉆孔孔壁的穩(wěn)定，減少大角度斜孔鉆孔摩阻，保證了鉆孔的安全。

（1）孔斜監(jiān)測(cè)

在無線隨鉆測(cè)斜儀測(cè)量參數(shù)指導(dǎo)下，通過定向螺桿鉆具對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行定向控制。每鉆進(jìn)30 m測(cè)斜一次，5～10 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)?？仔背珪r(shí)，加密測(cè)點(diǎn)，并制定定向糾偏設(shè)計(jì)。

（2）鉆孔糾偏

螺桿鉆具有2種工作姿態(tài)，如圖2所示，分別為滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)，如偏斜角大于設(shè)計(jì)數(shù)值，根據(jù)制定的糾偏設(shè)計(jì)，利用彎螺桿以斜角度進(jìn)行反向鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)糾偏，稱為滑動(dòng)鉆進(jìn)；同時(shí)隨鉆測(cè)斜儀進(jìn)行加密測(cè)量，如偏斜角小于設(shè)計(jì)數(shù)值，可減少定向長(zhǎng)度，進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，保證整個(gè)長(zhǎng)斜鉆孔的實(shí)現(xiàn)。

圖2 螺桿鉆具2種工作姿態(tài)

2.1.5 定向鉆機(jī)設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)

定向鉆為石油煤炭行業(yè)鉆探設(shè)備，主要在野外作業(yè)，機(jī)型高大，鉆桿細(xì)長(zhǎng)，我方斜井位于地下洞室，空間受限。需要對(duì)鉆機(jī)的適應(yīng)性進(jìn)行系列改進(jìn)，優(yōu)化后定向鉆機(jī)具有如下特點(diǎn)。

一是人員安全，經(jīng)過技術(shù)改造和優(yōu)化，鉆桿安裝和拆除實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手自動(dòng)化操作，減少了作業(yè)者工作強(qiáng)度和危險(xiǎn)程度，降低了事故的發(fā)生率；二是設(shè)備安全，鉆井的鉆桿連接是采用螺扣結(jié)構(gòu)，上扣過贏對(duì)設(shè)備產(chǎn)生超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，上扣不足對(duì)鉆桿螺扣產(chǎn)生過度磨損導(dǎo)致鉆桿提前報(bào)廢，改進(jìn)后上扣裝置采用馬達(dá)旋轉(zhuǎn)上扣，并可以預(yù)設(shè)上扣扭矩，扭矩超過設(shè)定范圍時(shí)，馬達(dá)就會(huì)自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn)，操作動(dòng)作平穩(wěn)，增加了使用壽命；三是效率提高，改進(jìn)后的定鉆機(jī)適用于豎井、斜井和水平井，根據(jù)不同的造孔參數(shù)進(jìn)行鉆具組合，鉆頭芽孢剛度可根據(jù)巖體硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)、造孔深度等在廠家進(jìn)行定制，適合于所建造工程，減少頻繁更換鉆頭的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也相應(yīng)地減少了井下馬達(dá)定向的時(shí)間。

2.1.6 2#下斜井進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)

經(jīng)過前期準(zhǔn)備，2017年5月15日，定向鉆開孔，孔徑216 mm?？紤]斜井?dāng)U挖時(shí)溜渣設(shè)計(jì)，爬罐法反導(dǎo)井開挖距底板1.0 m，沿斜井軸線方向平行實(shí)施，確定開 孔 點(diǎn) 點(diǎn) 位 坐 標(biāo)：X=Y2 2+394.22；Y=±0.000；H=942.63；目標(biāo)鉆進(jìn)方向?yàn)?5°14'36.31"。6月6日鉆頭出露于反導(dǎo)井掌子面中心，鉆孔深度194 m，達(dá)到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)精準(zhǔn)貫通，生產(chǎn)性試驗(yàn)成功。

2.1.7 定向鉆技術(shù)全井全程實(shí)施

2#上斜井起始樁號(hào)為Y2 1+054.854，終點(diǎn)樁號(hào)為Y2 1+317.774，導(dǎo)孔開挖長(zhǎng)度372 m。為確保定向鉆機(jī)精確貫通，引入強(qiáng)磁導(dǎo)向技術(shù)，在鉆頭出露點(diǎn)位置安裝強(qiáng)磁導(dǎo)向儀一套，電磁信號(hào)由反饋天線傳送至電腦終端，根據(jù)鉆頭與接收器之間產(chǎn)生的電磁信號(hào)，經(jīng)過解碼、調(diào)制和還原等過程，最終編譯出兩點(diǎn)間高差、斜距、傾角及方位等參數(shù)成果，指導(dǎo)定向鉆機(jī)的前端鉆鋌和浮閥裝置進(jìn)行微調(diào)整，糾正鉆進(jìn)方向不斷地接近于目標(biāo)點(diǎn)。7月18日，上斜井定向鉆實(shí)施直徑216 mm導(dǎo)孔，經(jīng)過29 d晝夜連續(xù)鉆進(jìn)，順利貫通。平面貫通誤差32 cm，縱斷面貫通誤差12 cm，綜合計(jì)算偏斜率為0.96‰，滿足導(dǎo)孔施工技術(shù)5‰的要求和斜井豎井施工規(guī)范要求。

2.2 控制大井?dāng)U挖超欠挖程度

斜井導(dǎo)井貫通后，需要將導(dǎo)井?dāng)U挖至開挖設(shè)計(jì)邊線，大井?dāng)U挖一般采用鉆爆法實(shí)施，相對(duì)于平洞和豎井，人員在斜井下方向感較差。平洞開挖技術(shù)比較成熟，有經(jīng)驗(yàn)的鉆爆工人能夠很好掌握；豎井在阻尼鉛垂球輔助作用下，也能保證精確的掘進(jìn)方向。斜井導(dǎo)井一般位于斷面中下部，開挖過程導(dǎo)孔周邊精度較低，在斷面呈現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。而以水平掌子面開挖法，斷面投影（圓形投影為橢圓型）更加重了作業(yè)人員對(duì)體型的感性認(rèn)知，鉆孔角度難以控制，尤其是馬蹄形斷面底板和底角，超欠挖程度極易失控。按照規(guī)范要求，地下洞室不允許有欠挖，斜井豎井非地質(zhì)原因超挖應(yīng)小于25 cm，意味著非地質(zhì)原因造成的超挖和洞室襯砌時(shí)回填此部分混凝土不予計(jì)量，所以大井?dāng)U挖邊線精度至關(guān)重要。出現(xiàn)欠挖要全部處理，根據(jù)多年施工經(jīng)驗(yàn)看，欠挖越少（10 cm以內(nèi)）處理難度越大，而且處理不當(dāng)很容易造成不必要的超挖；非地質(zhì)原因引起的超挖超填要自己埋單，不只是增加出渣量，影響開挖工序時(shí)間節(jié)奏，在回填混凝土?xí)r大量的超填可能超出投標(biāo)時(shí)的預(yù)估量，人材機(jī)成本折算后面臨虧損幾率較大，所以控制大井超欠挖程度成為斜井?dāng)U挖最為關(guān)注要點(diǎn)。只能采取必要手段嚴(yán)格控制擴(kuò)挖的超欠挖程度。

2.2.1 精準(zhǔn)放線

斜井導(dǎo)井貫通后，第一時(shí)間將上下井口導(dǎo)線控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核導(dǎo)井貫通誤差，聯(lián)系支洞主洞控制網(wǎng)予以平差和調(diào)差，建立斜井獨(dú)立坐標(biāo)系，供大井?dāng)U挖和后期鋼管安裝時(shí)采用。斜井上彎段擴(kuò)挖采用全站儀逐層放線，確定鉆孔開孔點(diǎn)和方向，設(shè)立定向孔，穿插反光標(biāo)桿，鉆工在鉆孔過程中始終可以瞄準(zhǔn)定向桿，當(dāng)斜井逐步進(jìn)入斜直段，全站儀須安裝彎管目鏡，控制點(diǎn)兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)校核點(diǎn)，兩套獨(dú)立坐標(biāo)系相互校核。引入啟飛軟件和藍(lán)牙無線傳輸手機(jī)終端技術(shù)，實(shí)施數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、圖形立體化、點(diǎn)位可視化和計(jì)算自動(dòng)化快速測(cè)量，檢測(cè)任意可疑點(diǎn)是否超限。

2.2.2 輔助導(dǎo)向

斜井開挖進(jìn)入斜直段，除全站儀現(xiàn)場(chǎng)放線外，激光導(dǎo)向?qū)l(fā)揮主導(dǎo)作用。沿用爬罐法斜井反導(dǎo)井開挖改進(jìn)的激光導(dǎo)向技術(shù)，在井壁按照特征點(diǎn)位置安裝激光導(dǎo)向組，將開挖輪廓線關(guān)鍵點(diǎn)投射在井下掌子面，井下鉆爆工人根據(jù)激光點(diǎn)位和指向，確定、校正鉆孔方向，糾正最初下井時(shí)錯(cuò)誤的第一感知，嚴(yán)格按照指引方向鉆孔開挖。激光導(dǎo)向組隨著擴(kuò)挖進(jìn)度逐步下移，定期校正，始終保持導(dǎo)向儀的激光投射精準(zhǔn)度。

2.2.3 樣架控制

馬蹄形斷面最容易出現(xiàn)超欠挖的部位是底板和兩個(gè)底角，人員向反方向操作鉆機(jī)，自身施工難度較大。為此，定做控制樣架，在鉆孔前一米鉆進(jìn)在樣架上進(jìn)行，保證開孔位置和鉆孔方向，更換長(zhǎng)鉆桿后順著已確定好的孔向繼續(xù)鉆到爆破設(shè)計(jì)中要求孔深。

2.2.4 裝藥控制

周邊孔裝藥爆破對(duì)斜井?dāng)U挖體型控制至關(guān)重要，斜井全斷面擴(kuò)挖采用光面爆破工藝，在周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)上采用間隔空氣柱裝藥方法，即采用導(dǎo)爆索或細(xì)竹片將藥卷按照殉爆間距綁成藥卷串，在主爆孔層層爆破后，周邊孔炸藥均衡施力，按照鉆孔連線剝離巖體，達(dá)到設(shè)計(jì)邊線。充分發(fā)揮專職爆破員和現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢人員作用，針對(duì)周邊孔鉆孔間距和裝藥結(jié)構(gòu)認(rèn)真檢查復(fù)核，杜絕個(gè)別工人或隊(duì)伍只顧進(jìn)度而放松質(zhì)量，故意采取加大周邊孔孔距和孔底集中裝藥方式，形成管理因素造成的超欠挖現(xiàn)象。

2.2.5 加強(qiáng)通風(fēng)

工程對(duì)地出口少，井巷霧氣濃厚，導(dǎo)向儀激光穿透力減弱，光斑暈大，光束暗淡，對(duì)測(cè)量放線和激光導(dǎo)向帶來極大影響。針對(duì)此采取了強(qiáng)化通風(fēng)除濕措施。

（1）采取井底投放暖風(fēng)機(jī)熱源，加熱輸入的新鮮空氣，利用煙囪效應(yīng)將干燥空氣通過導(dǎo)井帶上擴(kuò)挖掌子面，進(jìn)而驅(qū)散滯留在井巷中部的水汽。

（2）井口投放射流風(fēng)機(jī)引風(fēng)，可逆式風(fēng)機(jī)還能隨氣流變化調(diào)整方向，加速氣流流動(dòng)，改善工作環(huán)境，給斜井?dāng)U挖帶來積極影響。

3 實(shí)施效果

定向鉆開挖先導(dǎo)孔，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)精準(zhǔn)貫通，如圖3所示；反井鉆擴(kuò)孔直徑大，導(dǎo)井井壁光滑，避免堵井風(fēng)險(xiǎn)，施工質(zhì)量可靠；對(duì)比爬罐法開挖同樣特征的另一條導(dǎo)井，工期可節(jié)約1/3以上，效率較高。斜井?dāng)U挖采取系列控制措施，斜井?dāng)U挖到設(shè)計(jì)邊線，全線無欠挖，除局部不良地質(zhì)段的拱肩和底角位置出現(xiàn)一定程度超限超挖，其余洞段超挖值均低于施工規(guī)范的限差，體型優(yōu)美流暢，有效地控制了后期混凝土回填量，如圖4所示。

圖3 定向鉆先導(dǎo)孔點(diǎn)對(duì)點(diǎn)貫通

圖4 斜井大井?dāng)U挖體型標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

特長(zhǎng)斜井精準(zhǔn)開挖技術(shù)分別講述了導(dǎo)井導(dǎo)孔的貫通精度控制和大井?dāng)U挖超欠挖控制，首先從技術(shù)上入手，解決反井鉆自身不具備糾偏的缺點(diǎn)，引入石油煤炭行業(yè)鉆井設(shè)備——定向鉆，隨鉆隨測(cè)斜、隨鉆孔內(nèi)糾偏，確保了導(dǎo)孔鉆進(jìn)精度，為反井鉆打下良好基礎(chǔ)；反井鉆根據(jù)斜井長(zhǎng)度、巖石硬度、擴(kuò)孔直徑等選擇合適的型號(hào)，一舉反拉成井壁光滑的反導(dǎo)井，降低了大井?dāng)U挖堵井風(fēng)險(xiǎn)。再?gòu)脑O(shè)備改進(jìn)出發(fā)，通過優(yōu)化改進(jìn)，將野外使用的高大設(shè)備改良為適應(yīng)地下洞室斜井開挖的設(shè)備，解決了設(shè)備適應(yīng)范圍小的難題。最后從工程測(cè)量、輔助措施、管理措施等多處著手，實(shí)現(xiàn)了大井超欠挖的精準(zhǔn)控制，達(dá)到了預(yù)期效果，具有很高的借鑒和推廣價(jià)值。