特長斜井精準開挖技術在敦化電站的應用

李世斌

（中電建建筑集團有限公司，北京 100120）

隨著測繪技術成熟和測量儀器革新，地下洞室開挖精準度越來越高，對于平洞和豎井，貫通誤差明顯縮小。但是對于斜井，尤其是陡傾角長斜井，仍然出現超出限差的現象，在設計洞徑較小時，開挖邊界超差，處理難度大，經濟損失大。斜井精準開挖分為兩個層面，一是導井精準貫通，二是大井精準擴挖，只有兩個方面全部實現，整個斜井開挖才可達到精準要求。

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站引水系統工程設計有兩級斜井，分為上斜井和下斜井。上斜井單長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。斜井開挖采用先導井后擴挖的方式，導井開挖首選反井鉆法，大井擴挖采用鉆爆法。

反井鉆可滿足200 m以內陡傾角斜井開挖，但自身不具備孔內糾偏能力[1-2]，在地質條件復雜地段，高鉆速、高鉆壓作用下，鉆頭順著斷層、裂隙、節理和硬度偏低巖層鉆進，導致鉆頭方向失控，導孔偏斜超過預計偏差和規范限差。2#上斜井導井長度372 m，傾角為55°。采用反井鉆機開挖導井，導孔偏斜率比較難控制[3]，特別是對斜井沿線復雜的地質條件，更難控制。精準貫通先導孔，成為反井鉆實施導井開挖的關鍵。

2 斜井開挖關鍵技術應用

2.1 定向鉆高精度開挖先導孔

引入石油、煤炭行業鉆井技術，通過合作模式，優化設備，更適合隧洞內開挖斜井導井。選擇高精度的定向鉆機，施工反井鉆機先導孔。根據洞室結構參數和施工條件，對鉆機進行改進，為反井鉆開挖高精度先導孔。

2.1.1 無線隨鉆測斜技術

隨鉆測斜技術起始于國外的石油鉆井技術，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型測斜儀是一種正脈沖無線隨鉆測斜儀，該儀器是將井下參數進行編碼后，產生脈沖信號驅動脈沖發生器內的電磁閥動作，限制部分泥漿流入鉆柱，從而產生泥漿正脈沖。地面上采用泥漿壓力傳感器檢測來自井下儀器的泥漿脈沖信息，并傳輸到地面數據處理系統進行處理，井下儀器所測量的井斜角、方位角和工具面數據直觀的顯示在計算機和司鉆顯示器上。

2.1.2 定向鉆糾偏技術核心

定向鉆能夠在孔內糾偏，主要依靠井下鉆具組合，關鍵部位就是螺桿鉆具。螺桿鉆具是一種將循環沖洗液的壓力能轉化為轉動的機械能的容積式井下動力鉆具。螺桿鉆具前端連接鉆頭，高壓泥漿流經螺桿鉆具時，螺桿馬達在扭矩作用下旋轉，帶動下面的鉆頭工作。螺桿鉆具的轉子有單頭和多頭兩種，多頭螺桿鉆具有扭矩大，轉速低，壓降小，容易啟動等優點，目前被廣泛應用在鉆孔定向鉆進中。螺桿鉆具由旁通閥、馬達、萬向軸和傳動軸組成，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。在鉆進時有2種工作狀態，即開啟狀態和關閉狀態，由鉆井液流量控制。當鉆頭正常鉆進時，旁通閥處于關閉狀態，被壓縮的彈簧上舉閥芯，泥漿流經馬達把壓力能轉換為機械能，推動鉆頭向前鉆進。當鉆頭糾偏鉆進時，旁通閥處于打開狀態，一定流量的鉆井液壓入總成，迫使閥芯向下動作，迫使彈簧壓縮并關閉閥體上的通道。鉆井液在螺桿鉆具內循環，流經偏心孔改變鉆頭萬向軸的方向，按照指令進行糾偏的鉆進動作。

馬達總成由轉子和定子兩部分組成，轉子為螺桿形狀，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，定子為腔狀結構，由硫化橡膠襯套和鋼筒組成的。從傳動角度看，它們是一組特殊的嚙合結構，呈現一種螺旋曲面的線條，嚙合點緊密，形成一組空腔。螺桿馬達的基本工作原理為：當具有一定能量的鉆井液進入轉子、定子形成的密封腔，從一端向另一端通過時，形成壓力，驅動轉子在定子內部轉動，將液壓勢能轉化為機械動能。所以說馬達是螺桿鉆具的動力部件。

萬向軸總成連接馬達和傳動軸，它的主要作用是改變鉆進方向和傳遞扭矩。把馬達轉子的行星運動轉化為傳動軸的定軸轉動，在調整轉進姿態的同時把扭矩向鉆頭方向傳遞。

傳動軸總成由殼體、軸、推力軸承、徑向軸承等組成，內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速傳遞給鉆頭，同時要承受鉆進時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，通過膨潤土、氧化鈣和化學處理劑按一定比例混合，高速離心機離散后采用循環泵和攪拌機調為均質乳狀液體。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、冷卻與潤滑鉆頭、穩定井壁、懸浮巖屑和密度調整材料、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，嚴格四級凈化，控制泥漿性能的穩定，保持適當粘度，增強泥漿攜砂能力。

2.1.4 井下隨鉆測斜[4]與孔內螺桿糾偏技術

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

（1）孔斜監測

在無線隨鉆測斜儀測量參數指導下，通過定向螺桿鉆具對鉆孔軌跡進行定向控制。每鉆進30 m測斜一次，5～10 m一個測點。孔斜超偏時，加密測點，并制定定向糾偏設計。

（2）鉆孔糾偏

螺桿鉆具有2種工作姿態，如圖2所示，分別為滑動鉆進和復合鉆進，如偏斜角大于設計數值，根據制定的糾偏設計，利用彎螺桿以斜角度進行反向鉆進實現糾偏，稱為滑動鉆進；同時隨鉆測斜儀進行加密測量，如偏斜角小于設計數值，可減少定向長度，進行復合鉆進，保證整個長斜鉆孔的實現。

圖2 螺桿鉆具2種工作姿態

2.1.5 定向鉆機設備優化改進

定向鉆為石油煤炭行業鉆探設備，主要在野外作業，機型高大，鉆桿細長，我方斜井位于地下洞室，空間受限。需要對鉆機的適應性進行系列改進，優化后定向鉆機具有如下特點。

一是人員安全，經過技術改造和優化，鉆桿安裝和拆除實現了機械手自動化操作，減少了作業者工作強度和危險程度，降低了事故的發生率；二是設備安全，鉆井的鉆桿連接是采用螺扣結構，上扣過贏對設備產生超負荷運轉，上扣不足對鉆桿螺扣產生過度磨損導致鉆桿提前報廢，改進后上扣裝置采用馬達旋轉上扣，并可以預設上扣扭矩，扭矩超過設定范圍時，馬達就會自動停止旋轉，操作動作平穩，增加了使用壽命；三是效率提高，改進后的定鉆機適用于豎井、斜井和水平井，根據不同的造孔參數進行鉆具組合，鉆頭芽孢剛度可根據巖體硬度檢測數據、造孔深度等在廠家進行定制，適合于所建造工程，減少頻繁更換鉆頭的浪費，實現連續作業，提高了生產效率，同時也相應地減少了井下馬達定向的時間。

2.1.6 2#下斜井進行生產性試驗

經過前期準備，2017年5月15日，定向鉆開孔，孔徑216 mm。考慮斜井擴挖時溜渣設計，爬罐法反導井開挖距底板1.0 m，沿斜井軸線方向平行實施，確定開 孔 點 點 位 坐 標：X=Y2 2+394.22；Y=±0.000；H=942.63；目標鉆進方向為55°14'36.31"。6月6日鉆頭出露于反導井掌子面中心，鉆孔深度194 m，達到點對點精準貫通，生產性試驗成功。

2.1.7 定向鉆技術全井全程實施

2#上斜井起始樁號為Y2 1+054.854，終點樁號為Y2 1+317.774，導孔開挖長度372 m。為確保定向鉆機精確貫通，引入強磁導向技術，在鉆頭出露點位置安裝強磁導向儀一套，電磁信號由反饋天線傳送至電腦終端，根據鉆頭與接收器之間產生的電磁信號，經過解碼、調制和還原等過程，最終編譯出兩點間高差、斜距、傾角及方位等參數成果，指導定向鉆機的前端鉆鋌和浮閥裝置進行微調整，糾正鉆進方向不斷地接近于目標點。7月18日，上斜井定向鉆實施直徑216 mm導孔，經過29 d晝夜連續鉆進，順利貫通。平面貫通誤差32 cm，縱斷面貫通誤差12 cm，綜合計算偏斜率為0.96‰，滿足導孔施工技術5‰的要求和斜井豎井施工規范要求。

2.2 控制大井擴挖超欠挖程度

斜井導井貫通后，需要將導井擴挖至開挖設計邊線，大井擴挖一般采用鉆爆法實施，相對于平洞和豎井，人員在斜井下方向感較差。平洞開挖技術比較成熟，有經驗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方向。斜井導井一般位于斷面中下部，開挖過程導孔周邊精度較低，在斷面呈現不對稱現象。而以水平掌子面開挖法，斷面投影（圓形投影為橢圓型）更加重了作業人員對體型的感性認知，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。按照規范要求，地下洞室不允許有欠挖，斜井豎井非地質原因超挖應小于25 cm，意味著非地質原因造成的超挖和洞室襯砌時回填此部分混凝土不予計量，所以大井擴挖邊線精度至關重要。出現欠挖要全部處理，根據多年施工經驗看，欠挖越少（10 cm以內）處理難度越大，而且處理不當很容易造成不必要的超挖；非地質原因引起的超挖超填要自己埋單，不只是增加出渣量，影響開挖工序時間節奏，在回填混凝土時大量的超填可能超出投標時的預估量，人材機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擴挖最為關注要點。只能采取必要手段嚴格控制擴挖的超欠挖程度。

2.2.1 精準放線

斜井導井貫通后，第一時間將上下井口導線控制點進行復核導井貫通誤差，聯系支洞主洞控制網予以平差和調差，建立斜井獨立坐標系，供大井擴挖和后期鋼管安裝時采用。斜井上彎段擴挖采用全站儀逐層放線，確定鉆孔開孔點和方向，設立定向孔，穿插反光標桿，鉆工在鉆孔過程中始終可以瞄準定向桿，當斜井逐步進入斜直段，全站儀須安裝彎管目鏡，控制點兩側設置兩個校核點，兩套獨立坐標系相互校核。引入啟飛軟件和藍牙無線傳輸手機終端技術，實施數據自動采集、圖形立體化、點位可視化和計算自動化快速測量，檢測任意可疑點是否超限。

2.2.2 輔助導向

斜井開挖進入斜直段，除全站儀現場放線外，激光導向將發揮主導作用。沿用爬罐法斜井反導井開挖改進的激光導向技術，在井壁按照特征點位置安裝激光導向組，將開挖輪廓線關鍵點投射在井下掌子面，井下鉆爆工人根據激光點位和指向，確定、校正鉆孔方向，糾正最初下井時錯誤的第一感知，嚴格按照指引方向鉆孔開挖。激光導向組隨著擴挖進度逐步下移，定期校正，始終保持導向儀的激光投射精準度。

2.2.3 樣架控制

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

2.2.4 裝藥控制

周邊孔裝藥爆破對斜井擴挖體型控制至關重要，斜井全斷面擴挖采用光面爆破工藝，在周邊孔裝藥結構上采用間隔空氣柱裝藥方法，即采用導爆索或細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，達到設計邊線。充分發揮專職爆破員和現場質檢人員作用，針對周邊孔鉆孔間距和裝藥結構認真檢查復核，杜絕個別工人或隊伍只顧進度而放松質量，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象。

2.2.5 加強通風

工程對地出口少，井巷霧氣濃厚，導向儀激光穿透力減弱，光斑暈大，光束暗淡，對測量放線和激光導向帶來極大影響。針對此采取了強化通風除濕措施。

（1）采取井底投放暖風機熱源，加熱輸入的新鮮空氣，利用煙囪效應將干燥空氣通過導井帶上擴挖掌子面，進而驅散滯留在井巷中部的水汽。

（2）井口投放射流風機引風，可逆式風機還能隨氣流變化調整方向，加速氣流流動，改善工作環境，給斜井擴挖帶來積極影響。

3 實施效果

定向鉆開挖先導孔，點對點精準貫通，如圖3所示；反井鉆擴孔直徑大，導井井壁光滑，避免堵井風險，施工質量可靠；對比爬罐法開挖同樣特征的另一條導井，工期可節約1/3以上，效率較高。斜井擴挖采取系列控制措施，斜井擴挖到設計邊線，全線無欠挖，除局部不良地質段的拱肩和底角位置出現一定程度超限超挖，其余洞段超挖值均低于施工規范的限差，體型優美流暢，有效地控制了后期混凝土回填量，如圖4所示。

圖3 定向鉆先導孔點對點貫通

圖4 斜井大井擴挖體型標準

4 結束語

特長斜井精準開挖技術分別講述了導井導孔的貫通精度控制和大井擴挖超欠挖控制，首先從技術上入手，解決反井鉆自身不具備糾偏的缺點，引入石油煤炭行業鉆井設備——定向鉆，隨鉆隨測斜、隨鉆孔內糾偏，確保了導孔鉆進精度，為反井鉆打下良好基礎；反井鉆根據斜井長度、巖石硬度、擴孔直徑等選擇合適的型號，一舉反拉成井壁光滑的反導井，降低了大井擴挖堵井風險。再從設備改進出發，通過優化改進，將野外使用的高大設備改良為適應地下洞室斜井開挖的設備，解決了設備適應范圍小的難題。最后從工程測量、輔助措施、管理措施等多處著手，實現了大井超欠挖的精準控制，達到了預期效果，具有很高的借鑒和推廣價值。