躍洲水電站豎井開(kāi)挖定向鉆進(jìn)應(yīng)用探討

任克和

(宜春市靖安縣水利局，江西 宜春 330600)

0 引 言

豎井結(jié)構(gòu)一般常用于水利水電工程引水系統(tǒng)的調(diào)壓井、閘門井、通風(fēng)井、出線井等水工建筑物中，施工難度大。常見(jiàn)的豎井開(kāi)挖方法包括先導(dǎo)井后擴(kuò)大開(kāi)挖、全斷面開(kāi)挖等，導(dǎo)井開(kāi)挖技術(shù)又分為吊罐法、反井鉆機(jī)法等。反井鉆機(jī)法作業(yè)條件好，施工設(shè)備簡(jiǎn)單，安全性高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，施工快速，近年來(lái)在水利水電豎井工程中的應(yīng)用日益廣泛。反井鉆機(jī)施工要點(diǎn)主要在于穩(wěn)定桿增設(shè)、鉆速控制、鉆進(jìn)水平度控制及糾偏等方面，尤其對(duì)于鉆深大、地質(zhì)條件復(fù)雜的地層，施工難度及導(dǎo)孔偏斜率控制難度均較大，鉆進(jìn)過(guò)程中一旦遇到偏斜過(guò)大等問(wèn)題，必須回填高強(qiáng)混凝土，待達(dá)到等強(qiáng)程度后重新控制鉆進(jìn)[1]。為此，必須加強(qiáng)導(dǎo)井施工方案合理性以及施工過(guò)程精確度控制，為鉆機(jī)擴(kuò)孔及導(dǎo)井全斷面擴(kuò)挖奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

躍洲水電站為江西貢江于都河段由上至下第2個(gè)梯級(jí)水電站，電站裝機(jī)容量36MW，年發(fā)電量均值1.306×104kW·h，水電站主要承擔(dān)區(qū)域供水、航運(yùn)及城市景觀等功能。開(kāi)關(guān)站接于電纜豎井之上，下與電纜廊道相連。該水電站電纜豎井所在區(qū)域石英巖、云母片巖、綠泥石巖等巖層強(qiáng)度在40-60MPa之間，上部主要分布著厚度60m的風(fēng)化巖層和表土層，下部則為硬質(zhì)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類巖石，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖分別占比90%、4%和6%。井筒多組節(jié)理裂隙發(fā)育，在陡傾巖層鉆孔施工期間發(fā)生偏斜的可能性較大。

2 施工方案確定

考慮到該水電站豎井開(kāi)挖深度較大，結(jié)合巖層走向、地質(zhì)條件等，是否能保證豎井豎直開(kāi)挖以及開(kāi)挖到底后能否準(zhǔn)確連接水平電纜廊道是施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵所在，具體制定出2種開(kāi)挖方案。方案1，超深電纜豎井方案：即豎井全高開(kāi)挖，該方案施工工期短，無(wú)需支付支洞施工等費(fèi)用，但是反井鉆機(jī)施工過(guò)程中導(dǎo)孔偏斜率≤1%，控制難度大，且一旦超出便會(huì)形成廢孔，需2次施工導(dǎo)孔；方案2，增設(shè)水平支洞后分段開(kāi)挖豎井方案，該方案施工過(guò)程中孔斜可控性好，但施工進(jìn)度緩慢。

該水電站豎井開(kāi)挖定向鉆進(jìn)施工采用方案1，并同時(shí)采用定向鉆機(jī)以確保導(dǎo)孔施工精度。就具體施工流程而言，應(yīng)通過(guò)定向鉆機(jī)施作導(dǎo)孔，再由反井鉆機(jī)從上向下、從下向上擴(kuò)孔，通過(guò)人工方式從下至上擴(kuò)挖導(dǎo)井形成溜碴孔井，再通過(guò)人工方式從上向下全斷面擴(kuò)挖豎井并支護(hù)。該水電站導(dǎo)孔直徑190mm、鉆深367m，鉆進(jìn)偏斜率≤1%。由于導(dǎo)孔底部為已完工的電纜廊道，故導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)必須穿透電纜廊道[2]。為保證超深電纜豎井方案順利實(shí)施，直接采用φ190mm鉆頭一次鉆至孔底，不同階段所采用的鉆具組合形式具體見(jiàn)表1和圖1。

表1 超深電纜豎井鉆進(jìn)開(kāi)挖鉆具組合

(a)正常鉆進(jìn) (b)定向鉆進(jìn)

3 施工過(guò)程控制

3.1 鉆進(jìn)設(shè)備選型

1)鉆機(jī)。結(jié)合工程實(shí)際及施工方案，躍洲水電站豎井開(kāi)挖定向鉆進(jìn)施工主要配備1臺(tái)功率2×75kW的TD2000/600型頂驅(qū)鉆機(jī)用于鉆孔動(dòng)力提供，1臺(tái)功率250kW的QZ3NB-350型泥漿泵用于提供泥漿循環(huán)動(dòng)力，1套SMWD-2C型隨鉆測(cè)斜儀提供測(cè)斜和定向鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，1臺(tái)JSN-2C型泥漿凈化機(jī)，1臺(tái)功率22kW的3PNL型立式泥漿泵，2臺(tái)功率3kW的污水泵。鉆機(jī)是水電站豎井開(kāi)挖施工過(guò)程中主要的動(dòng)力源，鉆機(jī)性能質(zhì)量直接與鉆孔施工效率有關(guān)，該工程導(dǎo)孔施工所使用的TD2000/600型頂驅(qū)鉆機(jī)性能參數(shù)具體見(jiàn)表2，該型號(hào)的鉆機(jī)可接立根鉆進(jìn)，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)盤鉆孔過(guò)程中單根鉆進(jìn)的麻煩，同時(shí)也省去了方鉆桿接卸等操作過(guò)程，鉆進(jìn)效率明顯提升。與此同時(shí)，在鉆機(jī)下鉆和起鉆等過(guò)程中，頂部驅(qū)動(dòng)裝置主軸和鉆具能夠在任何位置相連，確保鉆具旋轉(zhuǎn)和泥漿循環(huán)；此外，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆頭下放速度等參數(shù)均能進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，施工效率有保證。

2)測(cè)斜定向儀。鉆進(jìn)施工期間，必須加強(qiáng)鉆孔軌跡監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)定向糾偏，以確保鉆孔精度和質(zhì)量。該水電站豎井開(kāi)挖定向鉆進(jìn)施工主要采用SMWD-2C型無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀，其井下部分及井上部分構(gòu)造情況具體見(jiàn)圖2。在不停鉆的情況下，借助隨鉆測(cè)斜儀測(cè)量鉆孔軌跡，井下探管所取得的數(shù)據(jù)直接通過(guò)泥漿脈沖發(fā)生器發(fā)送至地面接收設(shè)備，由地面?zhèn)鞲衅鹘邮蘸筇峤挥?jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，進(jìn)而得到相應(yīng)的井身參數(shù)。在水電站豎井開(kāi)挖定向鉆進(jìn)施工過(guò)程中應(yīng)用無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀既能顯著提升測(cè)斜定向精確度，又能展開(kāi)定向參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并據(jù)此實(shí)時(shí)調(diào)整定向，為實(shí)際鉆進(jìn)軌跡和設(shè)計(jì)軸線的吻合提供了保證。

3.2 軌跡控制

該水電站豎井開(kāi)挖定向鉆進(jìn)施工主要以彎曲螺桿鉆具為糾偏工具，在使用時(shí)，先基于導(dǎo)孔實(shí)際鉆進(jìn)軌跡的偏斜程度，進(jìn)行定向糾偏工具面角的設(shè)計(jì)，并在隨鉆測(cè)斜儀檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，促使螺桿鉆具朝向準(zhǔn)確的方向，再固定螺桿外殼和上部鉆具；與此同時(shí)，鉆桿內(nèi)腔中流過(guò)從泥漿泵中輸出的高壓泥漿，并隨后持續(xù)流入螺桿鉆具，螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子隨即因受到馬達(dá)進(jìn)出口位置壓力差的推動(dòng)而出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，從而通過(guò)傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)速與扭矩等順利傳遞至下部鉆頭；鉆頭在上述壓力的作用下朝向規(guī)定的方向滑動(dòng)并鉆進(jìn)，最終達(dá)到定向糾偏[3]的目的。

孔斜監(jiān)測(cè)過(guò)程中，每鉆進(jìn)1單根應(yīng)測(cè)斜一次，并結(jié)合工程實(shí)際單獨(dú)下測(cè)斜鉆具測(cè)斜或加密設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)斜結(jié)果，必要時(shí)定向糾偏。該工程定向糾偏主要通過(guò)單彎1.25°的5LZ165×7.0L-3.5型螺桿鉆具，配合SMWD-2C型隨鉆測(cè)斜儀進(jìn)行。該水電站鉆孔井斜角均不超出5°，且工具面均為磁性特征。在定向鉆進(jìn)過(guò)程中，主要根據(jù)定向糾偏設(shè)計(jì)進(jìn)行工具面角度的調(diào)整，具體調(diào)整措施見(jiàn)圖3。

(a)井下部分

(b)井上部分

圖3 工具面向角的調(diào)整

3.3 泥漿控制

在水電站豎井開(kāi)挖定向鉆進(jìn)施工過(guò)程中，泥漿主要起到清潔井底、攜渣、鉆頭與鉆柱潤(rùn)滑及冷卻、平衡孔壁巖石側(cè)壓力以及在孔壁形成泥餅等重要作用?？紤]到該工程地質(zhì)條件：除了存在厚度數(shù)十米的表土和風(fēng)化巖段外，以下全部屬于穩(wěn)定性良好的基巖段，為此，鉆進(jìn)泥漿比重應(yīng)在1.05-1.13以內(nèi)，黏度應(yīng)在30-38s內(nèi)，含砂量不超出1%，并結(jié)合垮塌掉塊及鉆孔漏失等情況，按照設(shè)計(jì)比摻加添加劑以優(yōu)化泥漿比重和黏度。

施工過(guò)程中必須加強(qiáng)泥漿性能監(jiān)測(cè)，如遇泥漿性能驟變，必須加密測(cè)量；通過(guò)旋流除砂器和人工撈取沉淀巖粉相結(jié)合的措施進(jìn)行泥漿凈化處理，以嚴(yán)格控制泥漿含砂量。

4 結(jié) 論

在躍洲水電站電纜豎井導(dǎo)孔施工的全過(guò)程中，包括定向鉆機(jī)安裝調(diào)試以及鉆進(jìn)施工在內(nèi)，總共花費(fèi)18天，有效鉆進(jìn)時(shí)間14天，豎井施工結(jié)束后測(cè)量結(jié)果顯示，導(dǎo)孔鉆進(jìn)實(shí)際穿透電纜廊道位置與設(shè)計(jì)位置之間的差距僅為1.1m，鉆孔偏斜率0.3%，并未超出1%的設(shè)計(jì)值。該水電站豎井深度和巖層傾角均較大，應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)能有確保施工安全及質(zhì)量。該工程實(shí)踐結(jié)果也顯示，在豎井定向鉆進(jìn)施工過(guò)程中應(yīng)用頂驅(qū)鉆機(jī)與無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀，能夠有效提高施工精度，所配備的無(wú)磁鉆頭也能避免對(duì)無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀施加磁力干擾，而影響孔底監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。