反井鉆機(jī)和定向鉆機(jī)在中高硬巖石地區(qū)的應(yīng)用

王薛鋼，趙有崔

（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310027）

1 工程概況

山東沂蒙抽水蓄能電站位于山東省費(fèi)縣薛莊鎮(zhèn)境內(nèi)，電站總裝機(jī)容量1 200 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī) — 發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)組。電站為山東省重要的調(diào)峰電源，建成后以兩回500 kV出線接入沂蒙變電站。電站內(nèi)各類(lèi)豎井工程眾多，有1#、2#引水、尾水事故閘門(mén)、1#、2#引水高壓豎井、出線豎井、排風(fēng)豎井、泄洪洞閘門(mén)井等，其中1#、2#引水高壓豎井井高380.00 m。

沂蒙抽水蓄能電站工程區(qū)位于華北準(zhǔn)地臺(tái)魯西斷隆的北緣，主要發(fā)育北東向郯廬斷裂帶及北西向魯西斷裂帶，近場(chǎng)區(qū)發(fā)育2條活動(dòng)斷裂，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。沿線分布的片麻狀閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖均具有片麻狀構(gòu)造，片麻理產(chǎn)狀為 NW280° ～ 330°SW(NE) ∠ 50° ～85°；斜長(zhǎng)角閃巖呈條帶狀分布，具有變余層狀構(gòu)造，層理產(chǎn)狀為 NW320° ～ 330°SW ∠ 75° ～ 80°。多為微風(fēng)化 ～ 新鮮巖石，巖石強(qiáng)度高，飽和極限抗壓強(qiáng)度為 100 ～ 170 MPa。

電站內(nèi)豎井段圍巖主要以微新的花崗閃長(zhǎng)巖、片麻狀閃長(zhǎng)巖為主，穿插石英巖脈。沿線巖體以塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖以Ⅱ ～ Ⅲ類(lèi)為主，局部斷層、擠壓破碎帶部位巖體完整性差，圍巖為Ⅳ ～ Ⅴ類(lèi)。

2 方案選擇

目前水電行業(yè)內(nèi)豎井導(dǎo)井開(kāi)挖方式多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)，如:正井法、爬罐法、吊罐法和反井鉆機(jī)法等，但憑借安全性好、成井質(zhì)量高和速度快等優(yōu)點(diǎn)，反井鉆機(jī)法在水電行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在中高強(qiáng)度圍巖地區(qū)和高豎井工程，反井鉆機(jī)法已近乎唯一選擇[1-3]。我國(guó)在20世紀(jì)80年代將反井鉆機(jī)運(yùn)用于煤礦地下工程中，90年代初引進(jìn)水電行業(yè)，隨著反井鉆機(jī)法應(yīng)用越來(lái)越廣，國(guó)產(chǎn)反井鉆機(jī)制造行業(yè)也在發(fā)展進(jìn)步，其性能逐步提升。沂蒙電站參建各方根據(jù)本工程特點(diǎn)進(jìn)行充分的市場(chǎng)調(diào)研，最終選定BMC系列反井鉆機(jī)用于本工程。BMC反井鉆機(jī)主要性能見(jiàn)表1。

表1 BMC反井鉆機(jī)主要特性表

2.1 引水事故閘門(mén)井、出線豎井

引水事故閘門(mén)井上部直徑20.00 m，下部直徑10.00 m，高105.00 m；出線豎井尺寸為11.60 m×11.10 m，高154.00 m，由于高度并不大，綜合考慮出渣效果和成本，選定BMC 400反井鉆機(jī)，導(dǎo)孔直徑270 mm，擴(kuò)孔直徑2.00 m，自上而下一次性全斷面開(kāi)挖到位。擴(kuò)孔斷面積3.14 m2，且在全斷面開(kāi)挖過(guò)程中采取爆破孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化、灑水等措施，有效解決溜渣堵孔問(wèn)題，既保證質(zhì)量和進(jìn)度又節(jié)省成本。

2.2 引水高壓豎井、排風(fēng)豎井

1#、2#引水高壓豎井開(kāi)挖斷面為圓形，D為7.60 m，高380.00 m，井筒為鋼襯結(jié)構(gòu)，鋼襯外圍回填混凝土厚度0.60 m，原計(jì)劃在中部設(shè)置中支洞，將豎井分為上、下2部分進(jìn)行施工，上豎井深143.00 m，下豎井深237.00 m。施工單位進(jìn)場(chǎng)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和對(duì)類(lèi)似工程的考察分析，取消中支洞，采用380.00 m高豎井一次開(kāi)挖到底的施工方案，參建各方從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析以及進(jìn)度、質(zhì)量和安全多個(gè)方面進(jìn)行專(zhuān)題分析論證，理論證明一次開(kāi)挖成型的可行性，并決定選取BMC 600反井鉆機(jī)先在217.00 m高的排風(fēng)豎井進(jìn)行試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證BMC 600反井鉆機(jī)在高強(qiáng)度圍巖地質(zhì)條件下的技術(shù)優(yōu)越性。

排風(fēng)豎井開(kāi)挖斷面為圓形，D為7.20 m，高217.00 m，根據(jù)計(jì)劃采用BMC 600反井鉆機(jī)一次開(kāi)挖導(dǎo)井成型，導(dǎo)孔直徑350 mm，擴(kuò)孔直徑2.00 m，自上而下一次性全斷面開(kāi)挖到位。實(shí)際BMC 600反井鉆機(jī)導(dǎo)孔和反拉有效用時(shí)共40 d，導(dǎo)井偏斜率達(dá)到1.0‰，遠(yuǎn)小于DL/T 5407 — 2009《水利水電工程斜井施工規(guī)范》[4]要求的1.0%，出色完成任務(wù)。

380.00 m高的豎井在目前抽水蓄能電站中不算突出，但導(dǎo)井一次性鉆孔成型，且圍巖以花崗閃長(zhǎng)巖、片麻狀閃長(zhǎng)巖為主，巖石強(qiáng)度偏硬，其可借鑒成功經(jīng)驗(yàn)少，施工存在一定難度。為確保380.00 m高壓豎井導(dǎo)井一次成型，在結(jié)合本工程排風(fēng)豎井施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)TDX - 50型定向鉆機(jī)進(jìn)行2次導(dǎo)孔定向施工（第1次160 mm，第2次擴(kuò)孔至220 mm），BMC 600反井鉆機(jī)導(dǎo)孔擴(kuò)孔至350 mm，最后再進(jìn)行反拉擴(kuò)孔施工，最終形成2.50 m直徑導(dǎo)井。

導(dǎo)孔施工過(guò)程中，定向鉆機(jī)鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆頭更換頻繁，特別是在1#高壓豎井第2次擴(kuò)孔過(guò)程中，因定向鉆鉆頭購(gòu)置費(fèi)用較高以及頻繁更換鉆頭降低了工效。根據(jù)定向鉆機(jī)實(shí)際施工情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)研究決定第2次擴(kuò)孔調(diào)整為新進(jìn)場(chǎng)BMC200反井鉆機(jī)進(jìn)行施工，第2次擴(kuò)孔孔徑調(diào)整為270 mm，最終順利完成擴(kuò)孔施工。

2.3 TDX-50型定向鉆機(jī)

TDX - 50型定向鉆機(jī)是為反井定向施工而研制的1臺(tái)鉆機(jī)，可以在井巷內(nèi)施工0° ～ 90°定向孔，設(shè)有無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀及螺桿鉆具。利用自帶的無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀，通過(guò)傳感器測(cè)得三軸重力和三軸磁力線數(shù)值，由連接計(jì)算機(jī)的進(jìn)行編碼，經(jīng)脈沖發(fā)生器通過(guò)泥漿脈動(dòng)傳遞至地面，地面計(jì)算機(jī)解碼數(shù)據(jù)后，再綜合鉆井深度參數(shù)，可測(cè)試出整條井的鉆井軌跡。在無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀測(cè)量參數(shù)指導(dǎo)下，通過(guò)定向螺桿鉆具對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行定向控制。每鉆進(jìn)1根鉆具測(cè)斜1次，5.00 ～ 10.00 m設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)。孔斜超偏時(shí)，加密測(cè)點(diǎn)，并制定定向糾偏設(shè)計(jì)。根據(jù)制定的糾偏設(shè)計(jì)利用彎螺桿造斜角度進(jìn)行反向鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)糾偏，以及隨鉆測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量，保證整個(gè)長(zhǎng)斜鉆孔的實(shí)現(xiàn)。如偏斜角大于設(shè)計(jì)數(shù)值，可減少定向長(zhǎng)度，進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)。

由于TDX - 50型定向鉆機(jī)優(yōu)越性能，1#、2#高壓豎井實(shí)際導(dǎo)孔偏斜率僅為2.9‰和1.2‰。

3 工效分析

3.1 工序時(shí)間分析

反井鉆機(jī)施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各工序時(shí)間點(diǎn)均進(jìn)行記錄，經(jīng)統(tǒng)計(jì)各鉆機(jī)實(shí)際鉆進(jìn)速度，BMC 400反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度達(dá)到8.80 ～ 11.80 m/d，導(dǎo)井反拉鉆進(jìn)速度2.20 ～ 2.70 m/d；而B(niǎo)MC 600反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度達(dá)到16.30 m/d，導(dǎo)井反拉鉆進(jìn)速度8.30 m/d，其工效均遠(yuǎn)大于BMC 400反井鉆機(jī)；而定向鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度則達(dá)到12.50 ～ 14.60 m/d，工效稍低于BMC 600反井鉆機(jī)，具體時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 豎井各工序時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

3.2 工效影響因素

通過(guò)對(duì)表2分析可知，1#、2#高壓豎井導(dǎo)孔采用同一設(shè)備施工，實(shí)際鉆進(jìn)速度也基本相同，但總歷時(shí)卻相差很大，1#、2#引水閘門(mén)井導(dǎo)孔施工存在同樣問(wèn)題。

對(duì)此，對(duì)豎井各工序施工過(guò)程中各種影響工效的因素進(jìn)一步細(xì)化統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況本工程豎井施工工效影響因素大致分為:鉆頭更換、特殊情況處理、設(shè)備維護(hù)、水電等輔助設(shè)施及其他影響等5大類(lèi)，具體見(jiàn)表3 ～ 4。

表3 導(dǎo)孔工序工效影響因素統(tǒng)計(jì)表

表4 導(dǎo)井反拉工序工效影響因素統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表3的統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，1#、2#高壓豎井導(dǎo)孔以及1#、2#引水閘門(mén)井導(dǎo)孔，雖然施工設(shè)備相同，但無(wú)效施工時(shí)間卻相差較大，2#高壓豎井導(dǎo)孔無(wú)效施工時(shí)間占總歷時(shí)的50.8%，是1#高壓豎井導(dǎo)孔的2倍多；1#引水閘門(mén)井導(dǎo)孔無(wú)效施工時(shí)間占總歷時(shí)的65.7%，是2#引水閘門(mén)井導(dǎo)孔的4倍多。

3.3 提高工效措施分析

（1）綜合表3 ～ 4分析，導(dǎo)孔和導(dǎo)井反拉工序中無(wú)效時(shí)間占比分別為41.5%和22.0%；在導(dǎo)孔工序中排前2位的影響因素為設(shè)備維護(hù)和其他因素，在導(dǎo)井反拉工序中排前2位的為設(shè)備維護(hù)和鉆頭更換。由此可知，無(wú)論是導(dǎo)孔還是導(dǎo)井反拉工序，整個(gè)豎井施工設(shè)備的好壞很關(guān)鍵，建議重視和加強(qiáng)設(shè)備的維修保養(yǎng)提高設(shè)備完好率，提前做好設(shè)備主要零部件的儲(chǔ)備以便損壞后能及時(shí)維修，減少無(wú)效施工時(shí)間。

（2）導(dǎo)孔工序中的其他因素主要為前期準(zhǔn)備工作，如平臺(tái)準(zhǔn)備、交通和出渣條件等，反井鉆機(jī)臨建準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，因此在確定使用反井鉆機(jī)施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)組織規(guī)劃、調(diào)度和生產(chǎn)安排，提前進(jìn)行反井鉆機(jī)平臺(tái)、交通條件特別是豎井下部出渣通道等輔助施工。

（3）反井鉆機(jī)和定向鉆機(jī)相比較普通施工設(shè)備而言是相當(dāng)貴重的，成本高租金高，施工過(guò)程中過(guò)多的無(wú)效施工不但影響工程進(jìn)度，而且增加施工單位的成本，因此必須對(duì)5大類(lèi)工效影響因素進(jìn)行分析并加以控制。

（4）1#、2#引水事故閘門(mén)位置偏遠(yuǎn)，地形條件較復(fù)雜，且受其他標(biāo)段爆破施工影響交通不便，供水、供電困難，這些外在因素在很大程度上影響現(xiàn)場(chǎng)有效施工時(shí)間，且在一定程度上降低反井鉆機(jī)工效。

（5）本工程地下工程地質(zhì)條件較好，特別是豎井段多為微風(fēng)化 — 新鮮巖石，巖石強(qiáng)度高，飽和極限抗壓強(qiáng)度為100 ～ 170 MPa，對(duì)鉆頭磨損較為嚴(yán)重。理想的反井導(dǎo)孔鉆頭應(yīng)具備最硬巖石鉆頭設(shè)計(jì)的大多數(shù)特性，以便在降低鉆壓的情況下獲得最大的鉆進(jìn)效率和最小側(cè)向力。對(duì)此可從鉆機(jī)參數(shù)、巖層特性、鉆孔鉆頭的材質(zhì)及鉆頭型式，確定最合適的鉆頭，如:軟巖鉆頭宜采用較小夾角的長(zhǎng)楔齒或碳化鎢一字形鑲齒，硬巖鉆頭則宜采用較大夾角的短楔齒或碳化鎢半球形鑲齒。

4 BMC反井鉆孔斜控制

本工程中主要使用TDX - 50定向鉆和BMC400（600）反井鉆進(jìn)行導(dǎo)孔施工。TDX - 50定向鉆主要通過(guò)無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀和定向螺桿鉆具在過(guò)程中測(cè)定孔斜并及時(shí)糾偏從而保證孔斜，而B(niǎo)MC反井鉆在孔斜控制方面需重點(diǎn)做好鉆機(jī)安裝平整穩(wěn)定、穩(wěn)定鉆桿合理使用、過(guò)程加強(qiáng)測(cè)斜校核、破碎圍巖預(yù)灌漿處理和鉆進(jìn)參數(shù)靈活調(diào)整等關(guān)鍵措施。

4.1 鉆機(jī)安裝平整穩(wěn)定

精確預(yù)埋鉆機(jī)地腳錨桿，并在反井鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)上，精確放出豎井軸線中心點(diǎn)，準(zhǔn)確安裝鉆機(jī)并保持其穩(wěn)定。過(guò)程中監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜程度和方向非常有規(guī)律時(shí)，可以采取偏置鉆機(jī)的方法來(lái)糾正預(yù)計(jì)的偏斜，移動(dòng)鉆機(jī)的距離和方向根據(jù)偏斜程度和巖石硬度等具體判斷。

4.2 安裝開(kāi)孔穩(wěn)定器穩(wěn)定鉆桿

安裝開(kāi)孔穩(wěn)定器，用開(kāi)孔鉆桿低鉆壓、鉆速開(kāi)孔，開(kāi)孔深度約為3.00 m，開(kāi)孔完成后，取出開(kāi)孔鉆桿及開(kāi)孔穩(wěn)定器，更換穩(wěn)定鉆桿正常鉆進(jìn)。穩(wěn)定鉆桿的配置采取導(dǎo)孔鉆頭后連續(xù)配置5根穩(wěn)定鉆桿，然后分別隔3.00，5.00，11.00 m各配置1根穩(wěn)定鉆桿，以后每隔50.00 m配置1根穩(wěn)定鉆桿。要求導(dǎo)孔鉆頭直徑和穩(wěn)定鉆桿外徑相同，以保證鉆頭與鉆桿同心；穩(wěn)定鉆桿的磨損如超過(guò)3 mm，其穩(wěn)定作用減小，需及時(shí)更換。

4.3 加強(qiáng)孔斜測(cè)量

過(guò)程中要加強(qiáng)孔斜測(cè)量。本工程實(shí)際施工過(guò)程中在分別在鉆進(jìn)50.00，100.00，150 .00 m時(shí)采用KXP - 2E數(shù)字測(cè)斜儀進(jìn)行孔斜檢測(cè)，檢查結(jié)果均很理想。

4.4 破碎圍巖預(yù)灌漿處理

鉆孔偏斜較大不宜糾正時(shí)，采用水泥漿堵塞偏孔重新鉆孔糾正偏斜。密切關(guān)注返出巖渣和返水情況，當(dāng)巖石較為破碎或漏水嚴(yán)重時(shí)，提前進(jìn)行灌漿處理，預(yù)防出現(xiàn)大的偏斜。1#引水事故閘門(mén)井鉆進(jìn)25.00 m左右遇一處擠壓破碎帶，圍巖條件較差，導(dǎo)孔施工過(guò)程中透水嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)制備水灰比為0.40 ～ 0.55的水泥漿人工自流輸送漿液的方法進(jìn)行灌注，等強(qiáng)度達(dá)到一定時(shí)間后繼續(xù)鉆進(jìn)，最終成功穿過(guò)該段。1#引水事故閘門(mén)井導(dǎo)孔最終實(shí)測(cè)孔斜僅為3.8‰。

4.5 合理選擇調(diào)整鉆進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)

結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，合理選擇鉆機(jī)鉆進(jìn)速度與鉆進(jìn)壓力等參數(shù)，過(guò)程中嚴(yán)格控制，不得過(guò)度追求速度，從而導(dǎo)致孔偏斜過(guò)大，鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)采用值見(jiàn)表5。

表5 鉆機(jī)鉆機(jī)參數(shù)參考表

出線豎井導(dǎo)孔采用BMC 400鉆機(jī)與1#、2#引水閘門(mén)井設(shè)備相同，實(shí)際過(guò)程中鉆進(jìn)速度較快，達(dá)11.80 m/ d，較1#、2#引水閘門(mén)井速度明顯偏大2.30 ～ 3.00 m/ d，但最終孔斜7.8‰同樣遠(yuǎn)大于1#、2#引水閘門(mén)井的2.9‰ ～3.8‰。

本工程各豎井導(dǎo)孔施工過(guò)程中，嚴(yán)格孔斜控制，最終各豎井孔斜明顯低于DL/T 5407 — 2009《水利水電工程斜井施工規(guī)范》[4]要求，具體見(jiàn)表6。

表6 導(dǎo)孔孔斜匯總表

5 結(jié) 論

本工程多條豎井導(dǎo)井開(kāi)挖的成功，充分證明在方案選擇、設(shè)備選型、進(jìn)度控制和質(zhì)量控制上的正確和效果，特別是380.00 m深高壓豎井導(dǎo)孔一次開(kāi)挖成型，孔斜控制在2.9‰和1.2‰，且過(guò)程中未發(fā)生安全事故，在安全、質(zhì)量和工期上均取得良好效果。

（1）1#、2#高壓豎井380.00 m深導(dǎo)孔的施工，是定向鉆機(jī)在水電行業(yè)中高硬巖石地區(qū)的第一次成功應(yīng)用，事實(shí)證明其優(yōu)良的孔斜控制能力。但也暴露出部分問(wèn)題，如在導(dǎo)孔工序中設(shè)備維護(hù)影響時(shí)間累計(jì)達(dá)1 103.0 h，其中定向鉆機(jī)804.0 h，占比73.0%；在本工程中高硬巖石條件下，定向鉆機(jī)鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆頭更換頻繁，影響時(shí)間累計(jì)達(dá)96.0 h，而其他反井鉆機(jī)在導(dǎo)孔工序中未更換過(guò)鉆頭；定向鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度為12.50 m/d和14.60 m/d，高于BMC 400反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度，但低于BMC 600反井鉆機(jī)速度，在工效上沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。因此定向鉆機(jī)在超深豎井鉆孔偏斜率控制方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，但其在水電工程中高硬巖石地區(qū)在進(jìn)度、成本控制方面缺少優(yōu)勢(shì)，其對(duì)中高硬巖石地區(qū)的適應(yīng)性是下一步的研究方向。

（2）通過(guò)取消高壓豎井中支洞，380.00 m豎井一次開(kāi)挖到底的施工方案選擇，到過(guò)程中新增BMC 200反井鉆機(jī)為T(mén)DX - 50型定向鉆導(dǎo)孔擴(kuò)孔，體現(xiàn)在施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際狀況對(duì)施工工藝設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，尋找適宜施工方法的施工理念，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)化管理，取得較好的效果。