引水斜井导井开挖技术在周宁抽水蓄能电站中的应用

引水斜井导井开挖技术在周宁抽水蓄能电站中的应用

彭洋

中国水利水电建设工程咨询中南有限公司 湖南 长沙 410000

摘要：引水斜井利用定向钻机和反井钻机开挖，具有安全性能好、施工效率高、精度控制准等优点，是一种安全实用的斜井施工技术。

关键词：斜井导井 开挖技术应用 抽水蓄能电站

周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市下辖周宁县七步镇境内，电站装机容量1200MW（4×300MW），主要由上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库等建筑物组成。输水系统总长约1772m，1#引水上斜井长约280m，斜井角度为55°；1#引水下斜井长约283m，斜井角度55°。2#引水上斜井长约283m，斜井角度为55°；2#引水下斜井长约283m。

1、导井开挖技术概述

导井开挖技术为近几年在反井钻机法基础上针对深斜井（尤其超过300m）而研发的新方法。首先采用定向钻机自上而下施工导孔，并二次扩大为较大直径导孔，然后采用反井钻机自下而上反拉形成导井。

单独使用反井钻机施工导孔、导井的方法在国内惠州抽水蓄能电站、蒲石河抽水蓄能电站和烟岗水电站等电站均成功使用，使用定向钻机施工导孔、反井钻机施工导井的方法在河北丰宁抽蓄电站、吉林敦化抽蓄电站斜井施工中已得到成功应用。

结合总结以往工程经验，为确保周宁抽水蓄能电站引水隧洞的关键线路工期，引水斜井采用定向钻机与反井钻机的方法施工导井。

（1） 优点：

1）采用反井钻机开挖导井为机械化作业，自动化程度高，工序较为简单，开挖进度优于采用爬罐开挖导井，月平均进尺为100～120m。

2）人工导井开挖洞径小，通风排烟条件差，工作面环境恶劣，容易出现安全事故，采用反井钻机作业可避免人工开挖。作业人员只需在上部进行反井钻机操作，从而大大改善了作业人员的工作条件，简化了作业程序，降低了劳动强度。

（2） 缺点：

需投入定向钻机和反井钻机两种设备，成本投入相对较大。导孔偏斜较大时与下部不能贯通，则需重新钻孔，对工期影响大。

2、施工准备

（1）技术准备

根据本工程斜井的特点编制导井施工技术方案，选择定向钻机和反井钻机的型号。

1）定向钻机设备选型

反井钻机所需要的导孔直径为295mm，与地面夹角为55°，钻孔偏斜率不大于0.5%。而且受到洞室内运输及施工场地限制，所选取定向钻机工作高度不能超过7m。根据实际需要要求导井专业公司新设计型号为ZD450R型钻机，具体参数如下：

钻孔倾斜角度（与水平方向夹角）-10°～90°；

偏斜控制：5‰；

钻孔斜长：500m；

动力头转速：0～180r/min，钻机最大扭矩：60kN·m；

最大进给、提升力：4500kN；

ZD450R定向钻机外形图如图2-1所示；ZD450R定向钻机施工示意图如图2-2所示。

图2-1 ZD450R定向钻机外形图

图2-2 ZD450R定向钻机施工示意图

2）钻具组合

① 开孔钻具组合

Ф216mm牙轮钻头+Ф172mm钻铤+Ф127mm短钻杆（2m）

钻压：0.3～0.5t

钻速：30～40r/min

泵量：1200L/min

② 定向钻进钻具组合

216mm牙轮钻头+172螺杆+411×410浮阀+212mm扶正器+165mm定位短节+411×4A10变扣+165mm无磁钻铤1根+165mm钻铤3根+127mm加重钻杆9柱+127mm

钻压：1.5～3.5t

钻速：50～60r/min（硬岩段）

泵量：1200L/min

2）反井钻机设备选型

根据导井扩孔直径、井深长度、倾角及围岩岩体抗压强度、岩石硬度指标，初步选择相应的反井钻机，然后对钻机的主要参数进行验算。

在斜井工况下，提升力=动力头重量sinα+扩孔钻头重量sinα+钻杆重量sinα+最大钻压+摩擦阻力。

本工程岩石抗压强度取120MPa左右，最大钻进深度283m、钻孔直径2.0m，初步选择ZFY3.5/150/500反井钻机，进行钻机拉力和扭矩验算，钻机最大拉力3018.63kN，扭矩96 KN.m即可满足条件。

本工程斜井选用的钻机在原基础上做了如下改进：

①导向柱结构改为框架结构，能够承受更大的扭矩，更利于发挥钻机的扭矩。

②密封元件抗压强度达到40MPa（原密封元件抗压强度为30MPa），在40MPa压力条件下，钻机最大压力达到500t。

③选用法国波克兰液压有限公司的进口马达。

④增加扶正轴承，更利于大角度工况下施工斜井。

原BMC500、600型反井钻机齿轮结构均为施工竖井所设计，BMC500型反井钻机在施工丰宁抽蓄3#上斜井（220m）时，仅仅扩孔120m齿轮箱轴承及传动轴就被损坏，而BMC600至今没有施工斜井的先例。

根据计算数据及理论依据，选择ZFY3.5/150/500反井钻机进行反扩施工，该钻机最大拉力为4300kN，该反井钻机能满足工程要求。

图2-3 反井钻机合金钻头与BMC普通钻头对比图

（2）现场准备

1）现场施工通道、通风系统、供排水系统、施工用电和照明系统、施工通讯系统的准备。

2）开钻前准备

①开孔前，组织有关人员对钻机、泥浆泵、备件材料、钻机安装、电气设备安装、泥浆池、钻场安全设施与防护以及钻具、相应工具的质量、数量进行检验，检验完毕后方可开工。

②开孔前要将钻机进行认真找正，使钻孔中心和动力头主轴中心重合，确保开孔角度及方位角满足设计导井轴线角度及方位角要求。

③开孔前钻井泥浆应制备完成，并使泥浆充分循环。

3、斜井导井施工

斜井施工在1#引水中平洞开挖支护施工（含技术性超挖）完成后首先开始定向钻机导孔施工，总体按照1#引水下斜井→2#引水下斜井→1#引水上斜井→2#引水上斜井顺序依次进行施工（扩挖错距进行）。

单条引水斜井导井施工程序如下：在引水下斜井上弯段安装定向钻机，自上而下钻Φ216mm导孔约180m（仅1#上斜井），待下平洞上游侧开挖支护完成后，在下部巷道安装磁导向仪，再继续完成剩余Φ216mm导孔钻孔，然后换Φ295mm刀盘，自下而上扩大为Φ295mm导孔，最后拆除定向钻机，安装反井钻机自下而上完成Φ2000mm导井施工。

（1）施工工艺流程

首先在引水斜井上弯段技术性超挖形成的作业面布置定向钻机，自上而下钻Φ216mm导孔，然后自下而上反扩形成Φ295mm导孔，最后安装反井钻机，自下而上反拉形成Φ2000mm导井。

（2）定向导孔施工

1）开孔

开孔是保证钻孔直线及角度的关键，为确保开孔的角度，开钻前在孔位基础上预留环形孔槽，开孔钻进过程中采用轻压、慢转、大泵量的方法，转数控制在60r/min，钻压500kg，泵量600～1200L/min左右。

2）钻进成孔

定向钻成孔过程中，针对不同岩石相应调整转速钻压控制，保证钻孔正常进行。钻孔使用钻机和井下动力钻具（螺杆）产生旋转动力，主要采取复合钻进和定向钻进两种方法施工。

①复合钻进。即钻机和螺杆同时旋转的工作方式，钻头旋转速度为二者之和。这种钻进方式为主要的钻进方式，在不需要进行纠偏时使用。

②定向钻进。螺杆钻具由泥浆推动旋转，钻机旋转至一定角度后锁定旋转。由于螺杆有弯角，导孔将沿弯角指向，进行定向钻进。这种工作方式在需要纠偏时使用，以使导孔沿着需要的方向进行钻进。

在定向钻的工作全过程中，无线随钻测斜仪均安装于螺杆钻具后的无磁钻铤内，结合磁导向装置（定向钻机先导孔施工剩余100m左右，需在下部巷道安装磁导向仪）进行监测，主要依靠角度及方位进行位置判定。定向钻进的全过程中，每钻进3米左右时，对无线随钻测斜仪发送开始测斜信号进行测斜，测试时间不到2分钟，在钻进过程中无需起、下钻等费时的操作。发现偏斜时，利用Ф172mm弯螺杆造斜角度进行反向钻进实现纠偏，以及随钻测斜仪进行测量，保证整个长斜钻孔的实现。

③钻进过程的泥浆控制（泥浆性能要求）

钻进硬岩段时，泥浆比重控制在1.03～1.15，粘度控制在20～35＂，并根据钻孔情况及时加入泥浆添加剂调整泥浆，及时添加泥浆材料处置漏失情况。

（3）Ф295mm孔扩孔施工

1) 扩孔方案选择

根据以往施工经验，定向钻机施工完成直径216mm后，通常采用两种方式进行刷大：①定向钻机由下往上刷大。②反井钻机由上往下直接刷大。

以下几种情况优先选用由上往下反井钻机直接刷大：

①定向孔直径与刷大导孔直径相差小于75mm；②沉积岩地层条件下的竖井；③岩石抗压强度小于120MPa，斜长小于200m的斜井。

以下几种情况优先选择定向钻机由下往上刷大：

①定向孔直径与刷大导孔直径相差超过75mm；②坚硬岩层条件下的长竖井；③岩石抗压强度大于120MPa，斜长大于200m的斜井。

福建周宁引水斜井属于坚硬岩层下的长斜井，优先选用定向钻由下往上刷大的方法，选择理由如下：①若采用由上往下刷大的方法，由于刷大岩石体积比较大，三牙轮钻头掌片易被损坏脱落，造成堵孔、埋钻、蹩钻。②通过定向钻由下往上刷大以及反井钻机由上往下扫孔下方钻杆，有效的修正导孔轨迹。

2）扩孔施工

定向钻机完成Ф216mm高精度导孔施工后，需拆除Ф216mm三牙轮钻头及配套测斜纠偏设备，更换使用Ф295mm钻头从下至上进行导孔的扩孔施工。

（4）2m孔扩孔施工

导孔钻进与下平洞贯通后，拆除定向钻机，安装反井钻机，沿直径295mm导孔下放钻杆至下平洞，在下平洞安装2. 0m扩孔钻头。安装前首先将吊帽等专用工具运至下平洞，扩孔钻头运到下平洞中心点位置。确保上下平洞通讯通畅，连接时上下呼应，上平洞钻机操作手根据下平洞指令操作。

扩孔出渣的扩孔直径为2. 0m，每米石渣量为3.14m³，反井钻机每天可扩孔钻进10m，则每天的出渣量为31.4m³。

在中平洞安排专人值班，与下平洞通过专线电话联系。值班人员观察存渣量，当存渣高度到达斜井顶板，应立即电话通知钻机司机停钻，下平洞出渣工作人员及时出渣。完成出渣工作后通知钻机司机继续钻进。如此循环，直至完成扩孔工作。

扩孔期间，下平洞做好警戒防护，除值班人员外所有人员严禁进入该洞段，值班人员在观察存渣时，离透孔中心点距离不小于10m。

扩孔期间设备布置图如图4-1所示。

图4-1 扩孔期间设备布置图

（3）完孔及钻机拆除

钻头扩孔至距基础2.5m时，降低钻压慢速钻进，认真观察，如果基础周围出现异常现象，要及时采取措施处理，继续缓慢进行扩孔，直至钻头露出地面。完孔后，将扩孔钻头固定悬挂，将钻架主机和一些辅助设备拆下。然后将钻头提出孔外；再将泵车、油箱等拆装整理、运输。清理现场后，全部钻孔工作结束。

4结语

周宁抽水蓄能电站1#引下水斜井通过导井开挖技术，成功开挖2m导井，从施工准备到完成导井用时155天，定向Ф216mm高精度孔成孔轴线与斜井洞轴线偏差54cm，钻孔偏斜率仅为1.9‰，远小于规范规定的钻孔偏斜率不大于1%的要求，为后续斜井的开挖提供了可靠参数。利用定向钻机和反井钻机开挖斜井导井，具有安全性能好、施工效率高、精度控制准等优点，是一种安全实用的斜井施工技术，可供类似工程施工进行参考。

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