金寨電站超長引水壓力斜井導井一次成孔施工技術

田樹申

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽110000）

1 概述

金寨抽水蓄能電站位于安徽省金寨縣張沖鄉境內，電站安裝4 臺單機容量300MW 的混流可逆式水輪發電機組，總裝機容量1200MW。樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、地面開關站及下水庫等建筑物組成。

引水系統共2 條引水主洞，均采用兩級斜井布置，分別包括引水壓力管道上平段、壓力管道上斜井、壓力管道中平洞、壓力管道下斜井、壓力管道下平洞。壓力管道上斜井全長200.86m，為直徑8.4m 圓形斷面；壓力管道下斜井全長308.15m，為直徑7.6m 馬蹄形斷面。1#引水壓力管道斜井與2#引水壓力管道斜井軸距53.99m。

引水長斜井是抽水蓄能電站引水系統的四級風險關鍵部位，對整條引水系統工程有重要的影響，是金寨抽水蓄能電站工程引水系統關鍵線路上的關鍵項目，引水長斜井導井能否順利貫通直接影響后續引水系統的開挖、支護及混凝土襯砌施工，甚至制約首臺機組的按期投產發電。

2 設計方案選擇

早前在國內行業內斜井施工中比較常用爬罐法進行施工，經過多年的實踐與實用，發現了該工法不但施工安全保障上存在一定局限，且施工方法已經落后，施工速度較低，逐漸已經被淘汰。近年來在斜井開挖施工方法中，已經發展為采用“先導后擴法”開挖法，即先鉆設一定直徑的導井，再反提鉆頭擴大導井斷面，最后由人工從上而下采用鉆爆方法擴挖至設計斷面，作業過程中均是采用人工扒渣的方法，開挖面基本為水平面，投入人員數量多且效率較低，成本居高。

目前國內外超長引水壓力斜井導井普遍采用常規LM-400/500 型常規反井鉆機或上部人工開挖正導井和下部爬罐開挖反導井相結合，及上部反井鉆機施工導井和下部爬罐開挖反導井，中部增加臨時支洞相結合施工，超過200m 以后施工工期和導孔精度很難保證。

基于金寨抽水蓄能電站超長引水壓力斜井，工期緊張，作業強度高，且在施工過程中均存在斷層等現象，安全風險大，導孔精度難以保證。為降低偏斜風險及保證工程進度要求，本工程超長壓力斜井采用反井鉆機直接成型Φ2.4m 直徑導井新技術，引進TR-3000 反井鉆機，通過合理配置穩定鉆桿和鉆頭，開孔前安裝開孔穩定器，優化鉆進參數，創新鉆進工藝，先鉆設φ311mm 導孔，然后直接反提形成φ2.4m 導井。

3 斜井反井鉆機施工技術

3.1 反井鉆機導孔施工技術

根據金寨抽水蓄能電站引水壓力斜井施工特點、斜井段工程水文地質條件及國內類似工程調研，本工程引進了TR3000反井鉆機進行施工，該鉆機整機由澳大利亞特瑞特克生產，相對犀牛400/500 等鉆機具有安全性好、導孔施工精度高、成井質量好、反提口徑大等特點，最大擴孔直徑3.1m，斜井最大鉆孔深度311m。

根據本區域地質圍巖構造以及施工經驗，本次實踐采用直徑φ311mm 先導孔鉆頭、擴孔直徑φ2.4m 反提刀盤。從開挖施工過程來看，4 條壓力斜井擴挖過程未發生堵井事故。

施工過程中偏斜控制：

（1）鉆孔位置、角度確定。在施工金寨抽水蓄能電站1#、2#壓力上斜井時，發現兩條井的鉆孔偏差方向都是往主機的下方偏斜，且每百米的偏差值接近。根據壓力上斜井施工經驗，在下斜井超長斜井施工前，將鉆機適當調整左右偏差預糾偏角，設定斜井的開孔傾角為49°40′（設計斜井角度為50°），以糾正由巖石局部破碎導致的下偏差；方位角在設計角度的基礎上向左調整0.4°，以糾正導孔施工過程中的右偏差。

（2）開孔鉆進。金寨電站超長壓力斜井導孔開孔前再用全站儀仔細校核主機開孔角度，正確安裝好開孔穩定器，并在孔口位置加工安裝鉆桿扶正器穩住鉆桿，防止鉆具在開孔階段發生偏差，用開孔鉆桿低鉆壓、低鉆速開孔，正常鉆進每隔10min左右采用手動逆時針旋轉慢速鉆進，開孔深度不低于3m。開孔完成后，取出開孔鉆桿及開孔器，安裝穩定鉆桿開始正常鉆進。

（3）合理配置穩定鉆桿。穩定鉆桿的作用主要是控制鉆頭在鉆進過程中順開孔方向直線鉆進，所以穩定鉆桿和鉆頭直徑的合理配置是保證鉆孔精度的重要條件之一，在超長壓力斜井施工中第1、2、3、7 根配置穩定鉆桿。將穩定鉆桿配置在靠近鉆頭的前端，由于鉆桿與鉆頭直徑一致，利用鉆孔孔壁的束縛將鉆桿前端強制擺正，使鉆桿軸線方向與原孔向一致，以此達到糾正孔向偏差的目的，有效的控制導孔施工精度。

（4）偏差測量。反井鉆機導孔施工中，鉆孔偏差測量是必不可少的輔助手段之一，鉆頭進入巖石后，對其偏斜的方位無法進行有效監控，本超長壓力斜井導孔鉆設過程中采用陀螺測斜儀進行測斜，每30m 測量一次，及時對進行偏差測量并進行偏差糾正。

（5）不良地質段的技術處理措施。針對金寨抽水蓄能電站超長壓力斜井施工過程中鉆桿遇到斷層等不良地質段，采用泥漿護壁材料施工，作為斷層帶鉆進時的護壁、沖渣、潤滑介質，使斷層帶能夠直接進行鉆進作業，避免了常規鉆進在斷層帶先預固結灌漿再鉆進工序，提高了效率，加快了進度，節約了成本。

3.2 反井鉆機導井施工技術

導孔貫穿后，在下部隧洞用液壓拆桿器拆掉導孔鉆頭，連接好擴孔刀盤，開始自下而上的提拉擴孔，擴孔鉆進時破碎下來的巖屑靠自重落到中平洞，由鏟運機和其它裝載設備運出。

3.2.1 擴孔參數控制

擴孔鉆進時的扭矩、推力和轉速控制見下表：

擴孔鉆進時的扭矩、推力和轉速控制

3.2.2 擴孔注意事項

（1）擴孔鉆進之前，應在上下之間建立良好的通訊，以利于導孔鉆頭的拆卸和擴孔鉆頭的安裝。在安裝刀盤之前，上下水平的操作人員必須確認信號，形成一致，在安裝過程中，上下水平人員必須認真聽信號，待準確無誤后方可操作。（2）反井鉆機操作手要注意力集中，精心操作，聽到異常聲音或有異常振動等情況時，及時停機處理，隨時觀察設備運行情況和機架固定情況。（3）要求操作手每班都要對活動套進行仔細的檢查，發有現松動或者絲扣磨損嚴重的，必須及時緊固或者進行更換；當擴完一根鉆桿時，拆出鉆桿，在絲扣上抹上絲扣油之后再扭緊絲扣到規定的扭矩（1800psi），然后取去卡瓦，調低推進壓力開始旋轉推進，等鉆頭和巖石完全接觸之后，再慢慢調整推進力到合適大小，然后開始正常擴孔施工。（4）擴孔施工中，需要用水每小時5 方左右，必須設有沉淀過濾池以及良好的排水系統。（5）施工中要及時查看下井口的出渣情況，并及時用鏟運機或其他鏟運設備清理擴孔破碎下來的巖屑，防止下口被堵塞。（6）在擴孔施工到5 米左右時，把擴孔刀盤下放至下井口，徹底檢查刀盤、中心桿、刀座，并檢查所有連接螺栓的扭矩是否達到要求。（7）下井口應做好安全警示，防止落石傷人，并派專人注意落渣情況，及時出渣，防止發生堵井事故。

3.2.3 收尾階段

擴孔完成，經過鉆頭吊裝、拆機、清理工作面、井口防護、工作面移交等工作后結束施工。

3.3 超長壓力斜井導孔、導井貫通測量成果偏差分析

金寨抽水蓄能電站4 條超長壓力斜井，導孔均精準貫通，1#引水上斜井導孔偏斜率0.92%；2# 引水上斜井導孔偏斜率0.9%；1#引水下斜井導孔偏斜率0.45%；2#引水下斜井導孔偏斜率0.34%，保證了導孔精度。

4 結論

金寨抽水蓄能電站引水壓力斜井在國內水電行業成功引進TR3000 反井鉆機一次性高精度成型φ2.4 米導井，是水電行業導井施工工藝的一次提升，達到了安全、快速、高效的施工目的，取得了大口徑反井鉆井反井法在超長引水壓力斜井導井施工的經驗。