金寨電站超長引水壓力斜井導(dǎo)井一次成孔施工技術(shù)

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(xiāng)境內(nèi)，電站安裝4 臺單機(jī)容量300MW 的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1200MW。樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及下水庫等建筑物組成。

引水系統(tǒng)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(tǒng)的四級風(fēng)險關(guān)鍵部位，對整條引水系統(tǒng)工程有重要的影響，是金寨抽水蓄能電站工程引水系統(tǒng)關(guān)鍵線路上的關(guān)鍵項目，引水長斜井導(dǎo)井能否順利貫通直接影響后續(xù)引水系統(tǒng)的開挖、支護(hù)及混凝土襯砌施工，甚至制約首臺機(jī)組的按期投產(chǎn)發(fā)電。

2 設(shè)計方案選擇

早前在國內(nèi)行業(yè)內(nèi)斜井施工中比較常用爬罐法進(jìn)行施工，經(jīng)過多年的實踐與實用，發(fā)現(xiàn)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(jīng)落后，施工速度較低，逐漸已經(jīng)被淘汰。近年來在斜井開挖施工方法中，已經(jīng)發(fā)展為采用“先導(dǎo)后擴(kuò)法”開挖法，即先鉆設(shè)一定直徑的導(dǎo)井，再反提鉆頭擴(kuò)大導(dǎo)井?dāng)嗝妫詈笥扇斯纳隙虏捎勉@爆方法擴(kuò)挖至設(shè)計斷面，作業(yè)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(shù)量多且效率較低，成本居高。

目前國內(nèi)外超長引水壓力斜井導(dǎo)井普遍采用常規(guī)LM-400/500 型常規(guī)反井鉆機(jī)或上部人工開挖正導(dǎo)井和下部爬罐開挖反導(dǎo)井相結(jié)合，及上部反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井和下部爬罐開挖反導(dǎo)井，中部增加臨時支洞相結(jié)合施工，超過200m 以后施工工期和導(dǎo)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(yè)強(qiáng)度高，且在施工過程中均存在斷層等現(xiàn)象，安全風(fēng)險大，導(dǎo)孔精度難以保證。為降低偏斜風(fēng)險及保證工程進(jìn)度要求，本工程超長壓力斜井采用反井鉆機(jī)直接成型Φ2.4m 直徑導(dǎo)井新技術(shù)，引進(jìn)TR-3000 反井鉆機(jī)，通過合理配置穩(wěn)定鉆桿和鉆頭，開孔前安裝開孔穩(wěn)定器，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，創(chuàng)新鉆進(jìn)工藝，先鉆設(shè)φ311mm 導(dǎo)孔，然后直接反提形成φ2.4m 導(dǎo)井。

3 斜井反井鉆機(jī)施工技術(shù)

3.1 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工技術(shù)

根據(jù)金寨抽水蓄能電站引水壓力斜井施工特點(diǎn)、斜井段工程水文地質(zhì)條件及國內(nèi)類似工程調(diào)研，本工程引進(jìn)了TR3000反井鉆機(jī)進(jìn)行施工，該鉆機(jī)整機(jī)由澳大利亞特瑞特克生產(chǎn)，相對犀牛400/500 等鉆機(jī)具有安全性好、導(dǎo)孔施工精度高、成井質(zhì)量好、反提口徑大等特點(diǎn)，最大擴(kuò)孔直徑3.1m，斜井最大鉆孔深度311m。

根據(jù)本區(qū)域地質(zhì)圍巖構(gòu)造以及施工經(jīng)驗，本次實踐采用直徑φ311mm 先導(dǎo)孔鉆頭、擴(kuò)孔直徑φ2.4m 反提刀盤。從開挖施工過程來看，4 條壓力斜井?dāng)U挖過程未發(fā)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(fā)現(xiàn)兩條井的鉆孔偏差方向都是往主機(jī)的下方偏斜，且每百米的偏差值接近。根據(jù)壓力上斜井施工經(jīng)驗，在下斜井超長斜井施工前，將鉆機(jī)適當(dāng)調(diào)整左右偏差預(yù)糾偏角，設(shè)定斜井的開孔傾角為49°40′（設(shè)計斜井角度為50°），以糾正由巖石局部破碎導(dǎo)致的下偏差；方位角在設(shè)計角度的基礎(chǔ)上向左調(diào)整0.4°，以糾正導(dǎo)孔施工過程中的右偏差。

（2）開孔鉆進(jìn)。金寨電站超長壓力斜井導(dǎo)孔開孔前再用全站儀仔細(xì)校核主機(jī)開孔角度，正確安裝好開孔穩(wěn)定器，并在孔口位置加工安裝鉆桿扶正器穩(wěn)住鉆桿，防止鉆具在開孔階段發(fā)生偏差，用開孔鉆桿低鉆壓、低鉆速開孔，正常鉆進(jìn)每隔10min左右采用手動逆時針旋轉(zhuǎn)慢速鉆進(jìn)，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(wěn)定鉆桿開始正常鉆進(jìn)。

（3）合理配置穩(wěn)定鉆桿。穩(wěn)定鉆桿的作用主要是控制鉆頭在鉆進(jìn)過程中順開孔方向直線鉆進(jìn)，所以穩(wěn)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(wěn)定鉆桿。將穩(wěn)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(qiáng)制擺正，使鉆桿軸線方向與原孔向一致，以此達(dá)到糾正孔向偏差的目的，有效的控制導(dǎo)孔施工精度。

（4）偏差測量。反井鉆機(jī)導(dǎo)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(jìn)入巖石后，對其偏斜的方位無法進(jìn)行有效監(jiān)控，本超長壓力斜井導(dǎo)孔鉆設(shè)過程中采用陀螺測斜儀進(jìn)行測斜，每30m 測量一次，及時對進(jìn)行偏差測量并進(jìn)行偏差糾正。

（5）不良地質(zhì)段的技術(shù)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(zhì)段，采用泥漿護(hù)壁材料施工，作為斷層帶鉆進(jìn)時的護(hù)壁、沖渣、潤滑介質(zhì)，使斷層帶能夠直接進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，避免了常規(guī)鉆進(jìn)在斷層帶先預(yù)固結(jié)灌漿再鉆進(jìn)工序，提高了效率，加快了進(jìn)度，節(jié)約了成本。

3.2 反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工技術(shù)

導(dǎo)孔貫穿后，在下部隧洞用液壓拆桿器拆掉導(dǎo)孔鉆頭，連接好擴(kuò)孔刀盤，開始自下而上的提拉擴(kuò)孔，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時破碎下來的巖屑靠自重落到中平洞，由鏟運(yùn)機(jī)和其它裝載設(shè)備運(yùn)出。

3.2.1 擴(kuò)孔參數(shù)控制

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時的扭矩、推力和轉(zhuǎn)速控制見下表：

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時的扭矩、推力和轉(zhuǎn)速控制

3.2.2 擴(kuò)孔注意事項

（1）擴(kuò)孔鉆進(jìn)之前，應(yīng)在上下之間建立良好的通訊，以利于導(dǎo)孔鉆頭的拆卸和擴(kuò)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(rèn)信號，形成一致，在安裝過程中，上下水平人員必須認(rèn)真聽信號，待準(zhǔn)確無誤后方可操作。（2）反井鉆機(jī)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(jī)處理，隨時觀察設(shè)備運(yùn)行情況和機(jī)架固定情況。（3）要求操作手每班都要對活動套進(jìn)行仔細(xì)的檢查，發(fā)有現(xiàn)松動或者絲扣磨損嚴(yán)重的，必須及時緊固或者進(jìn)行更換；當(dāng)擴(kuò)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(guī)定的扭矩（1800psi），然后取去卡瓦，調(diào)低推進(jìn)壓力開始旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，等鉆頭和巖石完全接觸之后，再慢慢調(diào)整推進(jìn)力到合適大小，然后開始正常擴(kuò)孔施工。（4）擴(kuò)孔施工中，需要用水每小時5 方左右，必須設(shè)有沉淀過濾池以及良好的排水系統(tǒng)。（5）施工中要及時查看下井口的出渣情況，并及時用鏟運(yùn)機(jī)或其他鏟運(yùn)設(shè)備清理擴(kuò)孔破碎下來的巖屑，防止下口被堵塞。（6）在擴(kuò)孔施工到5 米左右時，把擴(kuò)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(dá)到要求。（7）下井口應(yīng)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(fā)生堵井事故。

3.2.3 收尾階段

擴(kuò)孔完成，經(jīng)過鉆頭吊裝、拆機(jī)、清理工作面、井口防護(hù)、工作面移交等工作后結(jié)束施工。

3.3 超長壓力斜井導(dǎo)孔、導(dǎo)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(dǎo)孔均精準(zhǔn)貫通，1#引水上斜井導(dǎo)孔偏斜率0.92%；2# 引水上斜井導(dǎo)孔偏斜率0.9%；1#引水下斜井導(dǎo)孔偏斜率0.45%；2#引水下斜井導(dǎo)孔偏斜率0.34%，保證了導(dǎo)孔精度。

4 結(jié)論

金寨抽水蓄能電站引水壓力斜井在國內(nèi)水電行業(yè)成功引進(jìn)TR3000 反井鉆機(jī)一次性高精度成型φ2.4 米導(dǎo)井，是水電行業(yè)導(dǎo)井施工工藝的一次提升，達(dá)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(dǎo)井施工的經(jīng)驗。