周 興

(北京中煤礦山工程有限公司，北京市 100013)

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反井鉆機(jī)在索普拉多拉水電站超深電纜豎井開挖中的應(yīng)用

周 興

(北京中煤礦山工程有限公司，北京市 100013)

大直徑BMC400反井鉆機(jī)在索普拉多拉水電站372 m超深電纜豎井全段高一次性鉆井(φ1.4 m)成功，改變了超深豎井開挖需增加水平支洞的技術(shù)方案，從而極大地降低了經(jīng)濟(jì)和工期成本，綜合效益明顯。表2個(gè)。

水電站；超深豎井；反井鉆機(jī)；應(yīng)用

0 引 言

目前，水電站建設(shè)大多為地下廠房式發(fā)電，各類豎井工程眾多，豎井工程是水電站建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)工程，尤其是300 m以上的超深豎井開挖，事關(guān)整個(gè)工期建設(shè)。大量的實(shí)踐證明，反井鉆井施工法是保證豎井工期建設(shè)的重要技術(shù)措施，但在超過300 m的深豎井施工中，用反井鉆機(jī)一次鉆孔成井并無先例。BMC400反井鉆機(jī)在厄瓜多爾索普拉多拉水電站372 m超深豎井一次性鉆孔成功，大大降低了工期和成本費(fèi)用，無論是鉆機(jī)性能還是施工技術(shù)水平都達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，具有很強(qiáng)的示范作用。

1 工程概況

索普拉多拉水電站位于南美洲厄瓜多爾共和國(guó)境內(nèi)，是保特河流域上的重要梯級(jí)水電站，為地下廠房式。電站由3臺(tái)混流式發(fā)電機(jī)組成，發(fā)電水頭為375.6 m，單機(jī)容量162.6 MW，總裝機(jī)容量487.8 MW。

電纜豎井起點(diǎn)位于GIS開關(guān)站內(nèi)，末端為電纜廊道起點(diǎn)，電纜井成型斷面直徑7 m，斷面面積38.48 m2，開挖深度372 m。地質(zhì)情況為Jsu_1b小石英片巖和小石英云母片巖互層、云母片巖和石英云母片巖互層、小石英片巖和石英云母片巖互層，存在2組微弱裂隙N26°E/SE∠32°和N70°E/NW∠64°，無大斷層通過。整體圍巖較為穩(wěn)定，巖石強(qiáng)度40～60 MPa，具備較好的成洞條件。

2 開挖施工總體方案

電纜豎井開挖采用“反井鉆機(jī)導(dǎo)井法”和“人工溜渣井+自上而下擴(kuò)挖”的施工方案。施工程序?yàn)椋悍淳@機(jī)導(dǎo)孔φ270 mm→反井鉆機(jī)擴(kuò)孔φ1.4 m→人工自下而上擴(kuò)挖φ3.4 m溜渣井→人工自上而下全斷面擴(kuò)挖及支護(hù)。

水電站電纜豎井達(dá)372 m，屬于超深豎井。因巖層條件、地質(zhì)缺陷等潛在因素影響，開挖是否能準(zhǔn)確連接下水平電纜廊道非常重要。因此開挖前設(shè)計(jì)了2種方案：第一，用反井鉆機(jī)對(duì)豎井全高段一次鉆孔開挖；第二，增加水平支洞，分段進(jìn)行豎井開挖。

方案一，用反井鉆機(jī)全高段一次性完成豎井鉆孔。此方案優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械化程度高，安全速度快，豎井開挖提升系統(tǒng)及輔助設(shè)備只需安裝和拆卸一次，可減少工期和節(jié)約因增加水平支洞造成的費(fèi)用。缺點(diǎn)是反井鉆井的偏斜率精度要求非常高，要求控制在1%，一旦偏斜過大就有可能成廢孔，造成工期和成本的加大。

方案二，增加水平支洞，分段開挖。該方案需增加1條340 m水平支洞(5 m×5 m,城門洞型)，將豎井分兩段施工。該方案優(yōu)點(diǎn)是能夠控制豎井與下水平段的準(zhǔn)確連接，降低了因豎井偏斜過大重新鉆孔的工期風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)是增加了水平支洞的費(fèi)用，以及反井鉆機(jī)、豎井開挖提升系統(tǒng)及輔助設(shè)備的安裝和拆卸帶來的重復(fù)工期。

綜合比較2種方案及施工經(jīng)驗(yàn)，決定采用方案一，確定鉆機(jī)型號(hào)為BMC400反井鉆機(jī)。

3 方案的實(shí)施

反井鉆井法主要分導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)2個(gè)階段，其施工工藝是將反井鉆機(jī)安裝在上部澆筑好的混凝土基礎(chǔ)上或巷道上水平，從上向下進(jìn)行導(dǎo)孔施工，采用清水或泥漿正循環(huán)洗井排渣。導(dǎo)孔透孔后，在下水平接換擴(kuò)孔鉆頭，再由下向上進(jìn)行擴(kuò)孔施工，巖渣由鉆孔落入下水平，在下水平運(yùn)走。

反井鉆機(jī)最大的缺點(diǎn)是無自動(dòng)糾偏能力，對(duì)于精度要求高的深井來講，對(duì)鉆機(jī)性能和施工技術(shù)水平都提出了非常高的要求。通過對(duì)電纜豎井的地質(zhì)條件研究，決定采用BMC400反井鉆機(jī)(見表1)。該鉆機(jī)是北京中煤礦山工程有限公司自主生產(chǎn)研制的新型全液壓驅(qū)動(dòng)大直徑反井鉆機(jī)，已廣泛應(yīng)用于煤炭、水電、有色冶金和交通等地下工程建設(shè)領(lǐng)域鉆鑿豎井或斜井工程。

表1 BMC400反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 施工過程

(1)供電。厄瓜多爾當(dāng)?shù)仉妷旱燃?jí)為440 V，電源頻率為60 Hz，而反井鉆機(jī)是380 V和50 Hz。為適應(yīng)當(dāng)?shù)厥┕きh(huán)境的要求，在出國(guó)前對(duì)鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行了改造，采用了國(guó)際先進(jìn)的變頻技術(shù)，專門研發(fā)變頻啟動(dòng)配電柜，并加3個(gè)ABB變頻器來適應(yīng)這種供電制式，可對(duì)各用電設(shè)備進(jìn)行配電、啟動(dòng)、調(diào)速和保護(hù)等。

(2)供水。保證供水的連續(xù)性，每小時(shí)不小于10～15 m3。

(3)表土處理。電纜豎井有近60 m的表土層，巖石風(fēng)化、破碎，還有少量的枯石。國(guó)外條件有限，沒有進(jìn)行傳統(tǒng)的表土開挖打基樁，于是采用固結(jié)灌漿處理，首先用地質(zhì)鉆造灌漿孔，然后進(jìn)行水泥漿灌漿施工。先在反井鉆機(jī)導(dǎo)孔中心(電纜井的中心點(diǎn))及周圍半徑為75 cm的圓上鉆設(shè)灌漿孔(孔徑φ130 mm，孔深約50 m)，然后在灌漿孔內(nèi)灌注水泥漿，灌漿壓力為2.0 MPa。

(4)鉆機(jī)基礎(chǔ)施工。反井鉆機(jī)是連續(xù)的機(jī)械化施工，表土需要承受鉆機(jī)自重和鉆頭鉆進(jìn)工作面的拉力作用。鑒于電纜豎井井深，表土不穩(wěn)定，開挖基礎(chǔ)時(shí)盡量挖深，面積挖大，實(shí)際開挖尺寸6 m×4 m×1.2 m。

(5)定向?qū)Э足@進(jìn)。導(dǎo)孔的偏斜率決定了整個(gè)深反井施工的偏斜率。由于反井鉆機(jī)沒有專業(yè)糾偏能力，在施工時(shí)雖然可以通過優(yōu)化穩(wěn)定鉆桿布置、提高開工精度、合理控制鉆進(jìn)參數(shù)等措施提高導(dǎo)孔施工的偏斜率， 但對(duì)于較深井筒，尤其是遇到傾角較大的巖層，導(dǎo)孔的偏斜率隨深度呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，甚至超過5%，會(huì)造成導(dǎo)孔施工失敗，成廢孔。隨著國(guó)內(nèi)外測(cè)斜與糾偏技術(shù)的發(fā)展，偏斜率要求較高的導(dǎo)孔可以采用定向鉆具施工。針對(duì)該井巖層情況(傾角達(dá)70°)，選擇用北京中煤自主研制的TD2000/600頂驅(qū)定向鉆機(jī)進(jìn)行先導(dǎo)孔(φ190 mm)施工，再用反井鉆機(jī)掃孔(φ270 mm)。

定向鉆機(jī)具有隨鉆測(cè)斜、自動(dòng)糾偏、精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。電纜豎井導(dǎo)孔僅用時(shí)16 d完成，偏斜1.2 m,偏斜率0.3%。

(6)掃孔鉆進(jìn)。由于反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆頭是φ270 mm，比定向先導(dǎo)孔大，為防止掃孔時(shí)出現(xiàn)新孔，專門加工變徑擴(kuò)刷鉆頭由φ190 mm→φ270 mm。掃孔時(shí)按照正常導(dǎo)孔程序鉆進(jìn)，泥漿泵工作時(shí)及時(shí)沖洗渣。地面設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、巖屑、鉆壓、扭矩、鉆速等都能直接反映井下情況，應(yīng)密切注意。扭矩變化取決于井底情況和轉(zhuǎn)速變化，可能存在鉆頭保徑磨損變小、巖石出現(xiàn)夾層或變層、井底有大塊落物、巖渣不能及時(shí)排出、井身出現(xiàn)新的軌跡、鉆壓過大等，應(yīng)勤觀察，在下水平巷道看透孔點(diǎn)是否漏水、掉渣，防止堵孔。

(7)擴(kuò)孔鉆進(jìn)。由于地層巖石傾角大，兩層的巖石軟硬疊加，擴(kuò)孔時(shí)鉆機(jī)變化參數(shù)大，很容易卡鉆，鉆機(jī)進(jìn)尺非常緩慢，憋鉆易晃動(dòng)，刀具很容易損壞，嚴(yán)重的會(huì)使邊刀掉落。這就要求操作人員有經(jīng)驗(yàn)、有技術(shù)、有責(zé)任心，需密切關(guān)注鉆機(jī)參數(shù)的變化。在擴(kuò)孔期間，操作人員需經(jīng)常在下水平巷道觀察掉渣情況，碰到大的枯石或渣塊掉到鉆頭體上，不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，也不進(jìn)尺時(shí)，不要蠻干，應(yīng)及時(shí)放鉆，排除鉆頭上的石塊，再提鉆正常擴(kuò)孔(見表2)。

表2 電纜豎井施工統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

(1)采用定向鉆機(jī)先導(dǎo)孔能有效解決反井鉆機(jī)在超深豎井施工偏斜的問題。

(2)反井鉆機(jī)能夠在硬巖條件下全段高一次性鉆孔300 m以上的超深豎井。

(3)反井鉆機(jī)在水電領(lǐng)域復(fù)雜條件下施工各類豎井，優(yōu)勢(shì)明顯，而且安全、高效、快速，大大節(jié)約了工期和成本。

[1] 劉志強(qiáng).水電工程應(yīng)用反井鉆井技術(shù)的新進(jìn)展[J].水力發(fā)電，2004(11)：23_24.

[2] 閆 平,黃傳庚.厄瓜多爾索普拉多拉水電站343m超深高壓豎井開挖支護(hù)施工技術(shù)研究[J].四川水力發(fā)電，2013(2)：37_40.

[3] 荊國(guó)業(yè).大直徑深反井施工新技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2014(8)：66_68.

[4] 周向軍.三牙輪鉆頭井下工況的判斷與處理[J].化工管理，2013，12(24)：253.

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責(zé)任編輯 吳 昊

2014-12-26

周 興(1984-)男，助理工程師，主要從事反井鉆井工程技術(shù)與研究工作。 E_mail：24751798@qq.com