躍洲水電站豎井開挖定向鉆進應用探討

任克和

(宜春市靖安縣水利局，江西 宜春 330600)

0 引 言

豎井結構一般常用于水利水電工程引水系統的調壓井、閘門井、通風井、出線井等水工建筑物中，施工難度大。常見的豎井開挖方法包括先導井后擴大開挖、全斷面開挖等，導井開挖技術又分為吊罐法、反井鉆機法等。反井鉆機法作業條件好，施工設備簡單，安全性高，勞動強度小，施工快速，近年來在水利水電豎井工程中的應用日益廣泛。反井鉆機施工要點主要在于穩定桿增設、鉆速控制、鉆進水平度控制及糾偏等方面，尤其對于鉆深大、地質條件復雜的地層，施工難度及導孔偏斜率控制難度均較大，鉆進過程中一旦遇到偏斜過大等問題，必須回填高強混凝土，待達到等強程度后重新控制鉆進[1]。為此，必須加強導井施工方案合理性以及施工過程精確度控制，為鉆機擴孔及導井全斷面擴挖奠定基礎。

1 工程概況

躍洲水電站為江西貢江于都河段由上至下第2個梯級水電站，電站裝機容量36MW，年發電量均值1.306×104kW·h，水電站主要承擔區域供水、航運及城市景觀等功能。開關站接于電纜豎井之上，下與電纜廊道相連。該水電站電纜豎井所在區域石英巖、云母片巖、綠泥石巖等巖層強度在40-60MPa之間，上部主要分布著厚度60m的風化巖層和表土層，下部則為硬質的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類巖石，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖分別占比90%、4%和6%。井筒多組節理裂隙發育，在陡傾巖層鉆孔施工期間發生偏斜的可能性較大。

2 施工方案確定

考慮到該水電站豎井開挖深度較大，結合巖層走向、地質條件等，是否能保證豎井豎直開挖以及開挖到底后能否準確連接水平電纜廊道是施工質量控制的關鍵所在，具體制定出2種開挖方案。方案1，超深電纜豎井方案：即豎井全高開挖，該方案施工工期短，無需支付支洞施工等費用，但是反井鉆機施工過程中導孔偏斜率≤1%，控制難度大，且一旦超出便會形成廢孔，需2次施工導孔；方案2，增設水平支洞后分段開挖豎井方案，該方案施工過程中孔斜可控性好，但施工進度緩慢。

該水電站豎井開挖定向鉆進施工采用方案1，并同時采用定向鉆機以確保導孔施工精度。就具體施工流程而言，應通過定向鉆機施作導孔，再由反井鉆機從上向下、從下向上擴孔，通過人工方式從下至上擴挖導井形成溜碴孔井，再通過人工方式從上向下全斷面擴挖豎井并支護。該水電站導孔直徑190mm、鉆深367m，鉆進偏斜率≤1%。由于導孔底部為已完工的電纜廊道，故導孔鉆進時必須穿透電纜廊道[2]。為保證超深電纜豎井方案順利實施，直接采用φ190mm鉆頭一次鉆至孔底，不同階段所采用的鉆具組合形式具體見表1和圖1。

表1 超深電纜豎井鉆進開挖鉆具組合

(a)正常鉆進 (b)定向鉆進

3 施工過程控制

3.1 鉆進設備選型

1)鉆機。結合工程實際及施工方案，躍洲水電站豎井開挖定向鉆進施工主要配備1臺功率2×75kW的TD2000/600型頂驅鉆機用于鉆孔動力提供，1臺功率250kW的QZ3NB-350型泥漿泵用于提供泥漿循環動力，1套SMWD-2C型隨鉆測斜儀提供測斜和定向鉆進數據，1臺JSN-2C型泥漿凈化機，1臺功率22kW的3PNL型立式泥漿泵，2臺功率3kW的污水泵。鉆機是水電站豎井開挖施工過程中主要的動力源，鉆機性能質量直接與鉆孔施工效率有關，該工程導孔施工所使用的TD2000/600型頂驅鉆機性能參數具體見表2，該型號的鉆機可接立根鉆進，避免出現轉盤鉆孔過程中單根鉆進的麻煩，同時也省去了方鉆桿接卸等操作過程，鉆進效率明顯提升。與此同時，在鉆機下鉆和起鉆等過程中，頂部驅動裝置主軸和鉆具能夠在任何位置相連，確保鉆具旋轉和泥漿循環；此外，鉆機轉速、扭矩、鉆頭下放速度等參數均能進行無級調節，施工效率有保證。

2)測斜定向儀。鉆進施工期間，必須加強鉆孔軌跡監測，并實時定向糾偏，以確保鉆孔精度和質量。該水電站豎井開挖定向鉆進施工主要采用SMWD-2C型無線隨鉆測斜儀，其井下部分及井上部分構造情況具體見圖2。在不停鉆的情況下，借助隨鉆測斜儀測量鉆孔軌跡，井下探管所取得的數據直接通過泥漿脈沖發生器發送至地面接收設備，由地面傳感器接收后提交計算機系統處理，進而得到相應的井身參數。在水電站豎井開挖定向鉆進施工過程中應用無線隨鉆測斜儀既能顯著提升測斜定向精確度，又能展開定向參數的實時監測，并據此實時調整定向，為實際鉆進軌跡和設計軸線的吻合提供了保證。

3.2 軌跡控制

該水電站豎井開挖定向鉆進施工主要以彎曲螺桿鉆具為糾偏工具，在使用時，先基于導孔實際鉆進軌跡的偏斜程度，進行定向糾偏工具面角的設計，并在隨鉆測斜儀檢測結果的基礎上，促使螺桿鉆具朝向準確的方向，再固定螺桿外殼和上部鉆具；與此同時，鉆桿內腔中流過從泥漿泵中輸出的高壓泥漿，并隨后持續流入螺桿鉆具，螺桿馬達轉子隨即因受到馬達進出口位置壓力差的推動而出現旋轉，從而通過傳動軸將轉速與扭矩等順利傳遞至下部鉆頭；鉆頭在上述壓力的作用下朝向規定的方向滑動并鉆進，最終達到定向糾偏[3]的目的。

孔斜監測過程中，每鉆進1單根應測斜一次，并結合工程實際單獨下測斜鉆具測斜或加密設置監測點。根據測斜結果，必要時定向糾偏。該工程定向糾偏主要通過單彎1.25°的5LZ165×7.0L-3.5型螺桿鉆具，配合SMWD-2C型隨鉆測斜儀進行。該水電站鉆孔井斜角均不超出5°，且工具面均為磁性特征。在定向鉆進過程中，主要根據定向糾偏設計進行工具面角度的調整，具體調整措施見圖3。

(a)井下部分

(b)井上部分

圖3 工具面向角的調整

3.3 泥漿控制

在水電站豎井開挖定向鉆進施工過程中，泥漿主要起到清潔井底、攜渣、鉆頭與鉆柱潤滑及冷卻、平衡孔壁巖石側壓力以及在孔壁形成泥餅等重要作用。考慮到該工程地質條件：除了存在厚度數十米的表土和風化巖段外，以下全部屬于穩定性良好的基巖段，為此，鉆進泥漿比重應在1.05-1.13以內，黏度應在30-38s內，含砂量不超出1%，并結合垮塌掉塊及鉆孔漏失等情況，按照設計比摻加添加劑以優化泥漿比重和黏度。

施工過程中必須加強泥漿性能監測，如遇泥漿性能驟變，必須加密測量；通過旋流除砂器和人工撈取沉淀巖粉相結合的措施進行泥漿凈化處理，以嚴格控制泥漿含砂量。

4 結 論

在躍洲水電站電纜豎井導孔施工的全過程中，包括定向鉆機安裝調試以及鉆進施工在內，總共花費18天，有效鉆進時間14天，豎井施工結束后測量結果顯示，導孔鉆進實際穿透電纜廊道位置與設計位置之間的差距僅為1.1m，鉆孔偏斜率0.3%，并未超出1%的設計值。該水電站豎井深度和巖層傾角均較大，應用定向鉆進技術能有確保施工安全及質量。該工程實踐結果也顯示，在豎井定向鉆進施工過程中應用頂驅鉆機與無線隨鉆測斜儀，能夠有效提高施工精度，所配備的無磁鉆頭也能避免對無線隨鉆測斜儀施加磁力干擾，而影響孔底監測數據的準確性。