反井鉆機法導井施工中的風險分析及應對措施研究

魏 斌, 婁國川, 郭衛新, 楊繼華

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

反井鉆機法導井施工中的風險分析及應對措施研究

魏 斌, 婁國川, 郭衛新, 楊繼華

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

反井鉆機法在豎井開挖中具有效率高、安全性好的優點,其導井開挖是關鍵也是難點。以CCS水電站豎井導井施工為背景,研究導井施工可能面臨的風險、容易遇到的問題和應對措施,并結合自身實踐總結一些豎井導井開挖中的若干經驗,以期為今后的豎井導井開挖提供一些借鑒。

反井鉆機;導井施工;風險分析;應對措施

在水電領域,豎井是一種重要的水工建筑物,由于具有相對特殊的體型,因此其開挖方法與其他地下工程相比有著很多不同。目前,國內、外水電站豎井開挖主要有以下兩種方法:第一種是自上而下的單向作業法,該方法一般為全斷面開挖,人工或機械打眼放炮,然后通過吊桶出渣。該方法技術成熟、適應性好,但是在出渣過程中存在不安全因素、出渣效率較低,在越來越強調工期效益的今天,其優勢越來越不明顯。第二種是以反井鉆機導井開挖為關鍵步驟的反井法,該方法一般先使用反井鉆機開挖溜渣導井,然后人工或機械打眼放炮,通過先期開挖的溜渣導井進行出渣。該方法于20世紀80年代從國外引進,主要應用于煤礦行業,90年代國產反井鉆機引進到水電行業,在一些巖石強度較低、斜井較短的工程中也得到了很好的應用[1-2]。此種方法大幅度提高了施工效率,改善了作業環境,在當前的水電建設中得到了越來越多的應用。

本文以已建成的厄瓜多爾共和國Coca-Codo Sinclair水電站(以下簡稱CCS水電站)500 m級超深引水豎井導井施工為研究對象,研究了導井施工可能面臨的風險、容易遇到的問題和應對措施,以期為相關工程的豎井開挖施工提供一些借鑒和參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

CCS水電站工程位于南美洲厄瓜多爾共和國境內的COCA河下游,為引水式電站,設計總裝機容量約1 500 MW。工程主要由首部樞紐、引水隧洞、調蓄水庫、豎井、地下廠房等組成。其中,引水豎井設計為兩條,其布置圖如圖1所示,開挖洞徑7.1 m,襯砌后直徑5.8 m,井身段長度為537.9 m,其深度在世界水電工程中也位居前列,施工風險較大,直接決定著電站能否如期投產。

圖1 CCS水電站引水發電洞布置示意圖Fig.1 The schematic diagram of hydroelectric power tunnels at CCS Hydropower Station

1.2 工程地質條件

工程區屬于中山地貌,河谷深切,構造運動活躍,火山活動頻繁,年降雨量極大(6 000～7 000 mm)。根據已掌握的地質資料,在豎井開挖的過程中,其可能會穿過多條小規模陡傾角斷層及節理密集帶。豎井區EL1128 m 高程以上主要巖性為白堊系下統Hollin地層(Kh)的頁巖、砂巖,呈互層狀分布,為中硬巖,以下為侏羅系—白堊系Misahualli地層(J-Km)雜色火山凝灰巖、火山角礫巖及流紋巖等,為堅硬巖,巖體結構以整體塊狀、塊狀、次塊狀為主。上平段Hollin地層與下平段Misahuallí地層大多為弱透水層,斷層和裂隙密集帶為中等透水層,無統一的地下水排泄基準面,區內附近不存在穩定地下水位,局部存在脈狀、帶狀地下水,受巖性和構造的控制。

2 導井的施工方法

CCS水電站在豎井施工之前,上下平洞已開挖完成,具備了使用反井鉆機開挖導井的施工條件。導井施工采用芬蘭SANDVIK(山特維克)公司的RHINO 1088DC反井鉆機,如圖2所示,其總重16 500 kg,最大提升能力為400 t,最大扭矩達300 kN,理論設計鉆孔深度最大可達1 088 m,性能穩定,操作性好,在國外豎井工程中被廣泛使用。

本次開挖首先在上平段選定機位,使用直徑為280 mm的導孔芽輪鉆頭自上而下由上平段至下平段進行鉆進,當鉆進至下平段時,卸掉導孔芽輪鉆頭,改換直徑為2 134 mm的反拉擴挖鉆頭自下而上由下平段至上平段進行反拉,最終形成溜渣井。

圖2 RHNO 1088DC型反井鉆機Fig.2 The back well drill machine of RHNO 1088DC

3 導井施工可能面臨的風險

3.1 地質風險

3.1.1 地下水的影響

CCS水電站位于亞馬遜雨林的上游,年降雨量達6 000～7 000 mm,區內植被茂密,構造運動活躍,巖體富水度高。豎井所在區域的西南側為高山區,有利于地下水向豎井區域方向補給,相對于豎井部位形成高水頭的地下水,對井壁形成外水擠壓,不利于井壁的穩定。

3.1.2 巖性條件

根據已掌握的地質資料,豎井所在區域內巖性及及接觸關系較為復雜,特別是Misahualli地層(J-Km),其組成巖性有火山凝灰巖、火山角礫巖、安山巖及流紋巖等,都為硬質巖。各種巖性相間分布,在構造應力的影響下易形成沿接觸面發育的節理密集帶,削弱了井壁巖體的自穩能力。

3.1.3 構造運動及陡傾角結構面

如前所述,區內構造運動活躍、火山活動頻繁、陡傾結構面發育、降雨量極大、西南側為高山區,這些都為地下水的賦存和運動提供了條件。在豎井開挖的過程中,可能會穿過多條陡傾角斷層及節理密集帶,其傾角大多都在75°以上,其與井壁夾角非常小,如遇高水頭外水的擠壓,井壁及其附近破碎巖體極易坍塌,造成塌孔并伴有大量涌水,威脅導井施工。

3.2 設備故障

與其他地下工程施工不同,反井鉆機在導井施工過程中需要連續施工,不能進行無計劃的停機,特別是自上而下的先導孔施工過程中,更是對設備可靠性提出了很高的要求。例如,如果反井鉆機水泵發生損壞而停水,那么,孔壁的巖渣來不及排出就會沉淀至鉆頭部位,可能將鉆頭抱死,造成鉆桿、鉆頭等無法從孔內拔出而導致廢孔。因此,在導井施工之前和階段性工作之間應對設備進行認真的檢修,確保完好率和可靠性。

3.3 人員操作

由于反井鉆導井施工一般深度較大,工程地質條件復雜,在鉆進過程中不會一帆風順,會遇到很多異常情況,如鉆進異響、回水變渾、推力降低等,這些異常反應了孔內圍巖的變化。這就需要鉆機操作手具有豐富的處置經驗和過硬的操作技術,如果操作手沒有這些素質而一味地蠻干,那么導井成功貫通的幾率將會大大下降。

3.4 偏差控制

由于CCS水電站豎井井身段長度高達537.9 m,因此對鉆孔的偏差要求非常高。根據計算,要想達到設計要求,鉆孔的偏斜角度必須控制在0.1°左右,結合其復雜的地質條件,要想達到這個要求不是件容易的事[3]。而在以往的反井鉆施工中,由于精度失控造成的廢孔并不罕見。因此,需要認真設計導井鉆孔偏差控制方案,以確保達到設計要求的偏斜度。

4 開挖過程中容易遇到的問題

4.1 塌孔

塌孔是導井施工中最容易遇到的問題。當鉆頭經過不良地質段,如斷層破碎帶、節理密集帶、軟弱接觸帶等地段時,巖壁受到擾動,形成臨空面,巖壁容易坍塌,特別是在陡傾角發育部位更是如此。在施工過程中的表現一般為反井鉆機推力、扭矩等參數忽高忽低不能保持,鉆機震動較大,返水變渾濁,返渣夾泥、返渣顆粒不均等。這時候就應該視情況減慢鉆進速度,調整鉆機推力、扭矩等主要參數。如果情況較嚴重,則應該暫停鉆進,加大水泵壓力,同時上下竄動鉆具,將鉆具周圍的巖渣沖洗干凈帶至孔外,直至恢復正常。如果長時間不能恢復,那么就應對破碎巖體進行固結灌漿處理[4]。

由于較為特殊的地質條件,CCS水電站2號豎井導孔在鉆進過程中就發生了多次塌孔。表現為其在深度44.2～47.2 m段和84.0～85 m段返水出現夾泥、參數變化大、返水變渾濁并伴有震動等現象,最終通過灌漿處理得以順利通過。

4.2 堵鉆

堵鉆是指當鉆進至地質條件不良地段時,由于節理裂隙、斷層等不良結構面的存在,使鉆孔內的循環水外滲,造成循環水壓力、水量減小,鉆進過程中產生的巖渣不能全部排出孔外,滯留在孔內的巖渣被鉆頭重復破碎,越磨越細,最終堵滿鉆桿與孔壁之間的排渣通道,嚴重時與鉆桿粘連,使鉆桿難以轉動。其在施工中的表現往往是返水返渣困難,鉆機扭矩、推力等參數不穩定,鉆機負荷變大。遇到此種情況時,應暫停鉆進,加大水量進行沖洗,同時上下竄動鉆具,將孔內巖渣慢慢帶出,然后進行孔內灌漿,封堵漏水結構面,加固孔壁,恢復返水返渣效率,然后繼續鉆進。

CCS水電站2號豎井導孔在施工過程中,在鉆進至深度84.0～110.0 m 時出現返渣困難,沖渣時間長,最長一次沖渣長達6 h,嚴重影響了鉆進效率。根據地質資料判斷,該段位于斷層影響帶內,為保證導孔及反拉施工的順利進行,對此段以上進行了全孔純壓式灌漿,最終順利通過。

5 CCS導井開挖工作中的一些經驗

5.1 重視現場地質工作

CCS水電站豎井由于深度大、地質條件復雜,在導井的開挖過程中遇到了一些困難和挫折。特別是其2號豎井導孔施工,曾經數易井位。在前幾次不成功的探索中,對孔內的地質條件認識不足是造成失敗的一條重要原因。在最后的一次嘗試中,為保證成功,現場地質工程師根據已掌握的地質資料,預測了鉆孔可能會遇到的不良構造帶,同時利用反井鉆機鉆進速度快的特點,和普通鉆機相配合,有針對性地驗證預測的準確性,并與其他相關專業的技術人員一道,制定了合理的施工方案和應急預案,盡量避開已知的構造帶。在導井鉆進過程中,地質工程師24 h駐守工作面,與鉆機操作手交流配合,最終使導井順利貫通。

5.2 充分利用施工過程中的情況進行預判

在導孔的鉆進過程中,返渣、返水情況,鉆機參數的變化,鉆進速度的快慢等情況,都能一定程度上反映孔內的圍巖情況,幾種情況相互印證,更能增加判斷的準確性。在CCS導孔鉆進的過程中,現場技術人員根據巖渣、返水返渣情況編制了鉆孔柱狀圖,根據鉆機參數的變化形成了推力扭矩隨深度變化的曲線,兩相印證指導反拉施工,取得了很好的效果。

5.3 重視灌漿工作

在導孔掘進過程中,無論是塌孔還是堵鉆,灌漿都是解決問題的有效手段。雖然其深度超過300 m以后,灌漿工作的難度很大,效果也有限,但是CCS導井施工的實踐證明,采用合適的灌漿方法,不但能封堵大部分的漏水裂隙,而且能最大限度地加固孔內圍巖,為隨后進行的導井反拉提供最大限度的安全保障。

6 結語

反井鉆機法在豎井開挖中具有效率高、安全性好的優點,其導井開挖是其關鍵也是難點。本文以CCS水電站豎井導井施工為背景,研究了導井施工可能面臨的風險、容易遇到的問題,得出如下結論:

(1) 在導井施工過程中,應重視地下水、巖性條件、構造運動等地質風險,同時應針對設備故障及偏差控制做好前期工作,并派有經驗的鉆機操作手操作,才能大大提高導孔施工的成功幾率。

(2) 在導井的施工過程中,塌孔和堵鉆是最容易遇到的問題,針對這兩個問題,可以采取暫停掘進、調整鉆機工作參數、加大水量沖洗鉆具、灌漿等手段進行解決。

(3) 鑒于500 m級導井開挖的重要性和困難度,為最大限度地提高成功率,應重視現場地質工作,充分利用施工過程中的情況對孔內地質條件進行預判,并重視灌漿工作。

[1] 錢永平,王仕虎.反井鉆機在惠州抽水蓄能電站長斜井導井施工中的應用[C]//抽水蓄能電站工程建設文集.北京:中國水力發電工程學會,2011:331-333.

[2] 康云彪.錦屏二級水電站豎井開挖技術研究[J].水利水電施工,2007(2):19-21.

[3] 段汝健,張德高.周寧水電站高壓引水豎井施工技術[J].水力發電,2006,32(12):70-72.

[4] 董波.反井鉆機在洞松水電站壓力管道斜井特殊地質洞段的成功運用[J].四川水力發電,2013,32(12):58-61.

[5] 王新.反井鉆機鉆進孔內事故預防及處理[J].煤炭工程,2008(5):33-34.

[6] 李紅.溪洛渡水電站泄洪洞補氣豎井開挖施工[J].人民長江,2010,41(3):7-9.

(責任編輯：費雯麗)

Study on the Risk Analyses and Countermeasures of Back Well Drillin Excavation of Pilot Shaft

WEI Bin, LOU Guochuan, GUO Weixin, YANG Jihua

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Among the shaft excavation methods,back well drill is regarded as an important type due to some advantages of high efficiency and good safety. It is worth noting that the excavation of pilot shaft is one of the key difficulties during construction. Taking the construction of shaft well in CCS Hydropower Station as application background,possible risks,easily encountered problems and countermeasures are researched in this paper. Moreover,based on working practices,some experiences in the excavation of pilot shaft are summed up so as to provide guidance for the well excavation in the future.

back well drill; excavation of pilot shaft; risk analyses; countermeasures

2017-06-09;改回日期:2017-06-22

魏斌(1983-),男,工程師,碩士,地質工程專業,從事水利水電工程地質勘察設計施工及研究工作。E-mail:540867436@qq.com

TV52

A

1671-1211(2017)04-0489-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.029

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1344.026.html 數字出版日期:2017-06-20 13:44