黎 山，付燕燕，鄭慧明（.中國水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙 4004；. 廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 50635）

1 工程概況

1.1 工程布置

華東某大型抽水蓄能電站位于華東電網(wǎng)負荷中心——浙江省北部，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建筑物組成。裝機規(guī)模 2 100 MW（6×350 MW），額定水頭 710 m，位居國內(nèi)第一。引水系統(tǒng)采用“三洞六機”斜井式布置，斜井上下高差約 790 m，傾角為 58°，以中平洞為界，將引水斜井分成上下兩段，上、下斜井開挖長度分別為 435 m 和 392 m，上斜井開挖洞徑為 7 m。

本工程主體工程于 2017 年 2 月開工，上斜井于 2018年 5 月開始施工。

1.2 地質(zhì)條件

上斜井圍巖巖性為流紋質(zhì)角礫熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶肩熔結(jié)凝灰?guī)r及流質(zhì)含礫熔結(jié)凝灰?guī)r等。巖石微風化～新鮮，弱～微透水性，較完整～完整，局部完整性差；節(jié)理較發(fā)育、中傾角順坡節(jié)理與斜井交角較大，圍巖為 II-III 類，斷層附近為 IV 類。斜井位于地下水位線以下，巖體為弱～微透水性，以滴水、滲水為主，巖石飽和抗壓強度 188 MPa～282 MPa，軟化系數(shù) 0.71～0.84。斷層 F101 及層間錯動帶對輸水系統(tǒng)的工程地質(zhì)條件影響較大。

1.3 長斜井施工的難點

引水斜井通常是抽水蓄能電站的重要組成部分，其傾角陡、空間狹小、施工難度大、安全風險高，一直是抽水蓄能電站建設(shè)管理的難點和關(guān)注重點，也是重大安全風險控制點，超過 400 m 的長斜井更加突出，具體如下。

（1）地質(zhì)條件較復雜，巖石強度高、存在斷層、層間錯動帶，節(jié)理較發(fā)育、地下滲水多，影響斜井施工安全和質(zhì)量。

（2）上斜井未布置通向斜井中部的施工支洞，斜井直線段最長為 435 m，孔斜與方位角控制難度大、鉆孔偏斜精度要求高（≤5‰），施工難度較大。

（3）斜井開挖作業(yè)面到施工支洞洞口最小距離超過1 000 m，開挖貫通前通風排煙難度大，爆破后通風排煙時間長，洞內(nèi)溫度高，施工環(huán)境差。

（4）引水斜井高差大、施工作業(yè)面狹小、交通條件不便、人員及物資材料運輸量大且安全風險高，安全隱患多。

2 長斜井導井施工技術(shù)研究

目前，國內(nèi)抽水蓄能電站工程引水長斜井開挖方法一般為先施工導井，然后利用導井溜渣、從上而下擴挖至設(shè)計斷面。導井通常采用爬罐法、反井鉆機法、反井鉆機＋爬罐法三種方法開挖。因此導井是控制斜井施工的重要臨時工程，其能否安全順利實施直接影響，引水系統(tǒng)乃至工程發(fā)電目標的實現(xiàn)。

近年來，隨著國內(nèi)大型抽水蓄能電站的建設(shè)，超過300 m 的長斜井開始被大范圍采用。受爬罐和反井鉆機施工機械作業(yè)能力、職業(yè)健康安全條件、施工進度及導井貫通精度要求等影響，反井鉆機法、爬罐法、反井鉆機＋爬罐法均難以順利保證目標的實現(xiàn)。因此，國內(nèi)水電界借鑒定向鉆＋反井鉆技術(shù)，開始在大型抽水蓄能電站 300 m 級斜井導井施工重嘗試試驗和應用，以有效降低安全風險，提高施工效率，改善作業(yè)環(huán)境，保證施工質(zhì)量。

2.1 導井施工方案比選

本工程斜井位于工程建設(shè)次關(guān)鍵線路上，工期緊張，其角度陡、鉆孔深度大、巖石強度高、孔斜與方位角控制難、鉆孔偏斜控制的要求精度高。本工程上斜井長達 435 m，國內(nèi)可以借鑒的施工經(jīng)驗甚少，因而選擇合適的施工工藝及施工機械至關(guān)重要。為此，建設(shè)單位多次組織調(diào)研比選，比較了常用的反井鉆機法、爬罐法、反井鉆機＋爬罐法等導井施工方案，綜合施工機械適用能力、職業(yè)健康安全風險大小、導井貫通精度、施工進度等條件和要求，參考近年來國內(nèi)抽水蓄能電站 300 m 級引水斜井應用定向鉆＋反井鉆機施工經(jīng)驗，決定長斜井導井采用定向鉆機＋反井鉆機施工法。具體的施工方案如下：采用定向鉆機自上而下施工 Φ 216 mm 定向孔；更換定向鉆機鉆頭，自下而上擴成直徑 Φ295 mm 的先導孔；采用反井鉆機自下而上將先導孔反拉成直徑為 Φ2 000 mm 的導井。

2.2 定向鉆機＋反井鉆機法控制重點

定向鉆機＋反井鉆機法適用于長斜井作業(yè)，具有機械化程度高、施工速度快、安全風險低的特點。定向鉆機采用定向鉆具組合鉆井，配以無線隨鉆測斜儀、多點連續(xù)測斜儀、磁導向儀等器具控制鉆孔角度，實現(xiàn)及時調(diào)整鉆孔角度、提高斜率保證率的目標。

由此可見，定向孔及先導孔施工直接決定導井乃至整個斜井工程的成敗。如何保證超 400 m 的長斜井（無施工支洞）定向孔的施工質(zhì)量和進度是監(jiān)理工作的重點和關(guān)鍵。

2.3 主要施工設(shè)備選型

2.3.1 定向鉆機

綜合考慮定向孔直徑、斜井長度、傾角及圍巖巖體抗壓強度和巖石硬度指標，選擇相應的定向鉆機，然后對鉆機及電機、液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)進行受力、安全、穩(wěn)定等復核驗算（見表 1），選定定向鉆機型號為 DFZ-68。

2.3.2 反井鉆機

根據(jù)導井直徑、斜井長度、傾角及圍巖巖體抗壓強度和巖石硬度指標，選擇相應的反井鉆機，然后對鉆機及電機、液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)進行驗算。選定反井鉆機型號為 ZFY3.5/150/500，主要技術(shù)參數(shù)，見表 2。

表1 DFZ-68 定向鉆機主要技術(shù)參數(shù)

表2 ZFY3.5/150/500 反井鉆機主要技術(shù)參數(shù)

3 長斜井導井施工監(jiān)理

3.1 成立四方聯(lián)合攻關(guān)小組

成立由業(yè)主、監(jiān)理、施工等單位參加的聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)小組，提前研究落實施工過程的重大技術(shù)方案，研究解決定向孔、先導孔、導井等施工中可能出現(xiàn)的問題，并制定了施工保障措施和應急預案。

3.2 參與組織開展長斜井導井施工方案的比選

鑒于巖體強度高，及時督促施工單位現(xiàn)場取巖樣進行試驗，檢測巖體強度，復核鉆機、鉆桿、刀盤及鉆頭等設(shè)計及能力。通過復核計算，重新選定了定向鉆機、反井鉆機，增大其能力，調(diào)整了導井等直徑，具體如下。

（1）將導向柱結(jié)構(gòu)改為框架結(jié)構(gòu)，使其能夠承受更大的扭矩。

（2）對鉆機、鉆桿、鉆頭、滾刀等進行技術(shù)改進，確保設(shè)備性能及破巖能力。

（3）增加扶正軸承，以利于大角度工況下施工斜井。

（4）將導井直徑 Φ2 500 mm 縮小為 Φ2 000 mm。

（5）將先導孔直徑由 Φ195 mm 增大到 Φ216 mm。

3.3 組織審查導井施工方案

督促完善施工措施和流程，進一步明確技術(shù)要求、驗收標準及糾偏措施。尤其是孔斜控制措施，嚴格控制先導孔狗腿度，避免急糾偏，以防卡鉆、蹩鉆；落實對卡鉆、斷桿、蹩鉆、掉鉆等異常情況的處置預案。

要求承包單位優(yōu)選技術(shù)實力雄厚、具有 300 m 長斜井導井施工經(jīng)驗的專業(yè)公司實施。

3.4 及時編制發(fā)布監(jiān)理方案

明確監(jiān)理工作的流程、要點、方法及措施，組建斜井監(jiān)理小組，配備有關(guān)監(jiān)理設(shè)備，組織監(jiān)理內(nèi)部培訓和技術(shù)等交底。

3.5 檢查開工條件

對照開工條件清單逐一檢查落實情況。及時組織定向鉆機、反井鉆機及鉆桿等設(shè)備設(shè)施進場檢測，驗收、督促開展施工作業(yè)人員培訓和技術(shù)交底；及時做好上平和中平洞技術(shù)超挖、鉆機安裝平臺施工、水電風管布置及檢查、備用電源配備、泥漿制備；組織定向孔孔位、開孔傾角、方位角的聯(lián)合測量復核，組織開鉆聯(lián)合驗收，督促儲備一定的易耗件備件，尤其是鉆桿、滾刀、水泵、電機的備件。

3.6 加強過程控制

（1）確保鉆機準確就位。保證鉆機安裝基礎(chǔ)穩(wěn)定牢靠，按照設(shè)計要求安裝鉆機，確保鉆機方位角、傾角滿足要求。為保證開孔精準，基礎(chǔ)混凝土中應準確預留約 20 cm深的預留孔位，開鉆前應再次進行鉆機定位測量復核。

（2）妥善組織試鉆。全面檢查定向鉆安裝就位、液壓、電路、制漿、控制、水電等系統(tǒng)安裝、連接、容量、穩(wěn)定等性能，確認完好，施工技術(shù)、質(zhì)量、安全管理人員就位后，監(jiān)理方可同意試鉆，并要求施工密切檢查鉆機系統(tǒng)試鉆情況。

（3）嚴格控制鉆進速度。開鉆一般控制在 60 rpm，前30 m 斷層及不均勻地層的鉆進控制也宜低速鉆進，督促密切關(guān)注泥漿質(zhì)量及返漿量、返回巖屑顏色數(shù)量，及時掌握鉆孔情況，及時掌握施工過程鉆機拉力、轉(zhuǎn)速、水溫等參數(shù)。

（4）按照鉆機運行要求，在無線隨鉆隨測的基礎(chǔ)上，增加提鉆測量等方法測量孔斜，孔斜監(jiān)測每鉆進 30 m 測斜一次，間隔 5 m～10 m 設(shè)一個測點?？仔背珪r，加密測點，落實定向糾偏措施。

（5）出現(xiàn)偏差時應及時分析影響，再決定是緩糾偏還是不糾偏。當鉆孔偏距＞0.5 m 時，需要進行緩糾偏；當鉆孔井斜角＞0.8° 時，需要進行緩降斜；狗腿度一般控制在＜4°/30 m。

（6）實行工點管理。過程中堅持“日檢查、周總結(jié)、月分析”，安排測量、土建、安全等監(jiān)理工程師實施專人跟蹤監(jiān)理，及時編制日報。

（7）督促做好分包管理。要求專業(yè)分包單位技術(shù)負責人到場組織施工和技術(shù)交底，選派有經(jīng)驗的機長負責現(xiàn)場工作，落實施工值班制度。

3.7 及時組織召開施工總結(jié)分析會

及時召開開鉆前會及鉆進 30 m、130 m、230 m、330 m、435 m 施工總結(jié)分析會，查找并解決問題，優(yōu)化工藝和參數(shù)，固化措施，以提升監(jiān)理管理和施工成效。

建立快速反應機制，遇到異常情況及時召開現(xiàn)場會議，分析原因，及時解決過程問題。

3.8 成效及異常情況處理

從整體上看，本工程三條超 400 m 上斜井的定向孔、先導孔和導井施工順利，未出現(xiàn)斷桿、埋鉆等嚴重情況，也未出現(xiàn)安全事故；定向孔孔斜均＜1%，導井均一次順利拉通。

1 號上斜井定向孔施工過程中出現(xiàn)了掉鉆頭、打撈鉆頭耗時較多的現(xiàn)象。

由于地質(zhì)原因，2 號上斜井和 3 號上斜井先導孔分別在鉆進約 30 m 和 40 m 時出現(xiàn)較大的孔斜偏差，后經(jīng)四方現(xiàn)場協(xié)商，決定及時移位重新開孔，實現(xiàn)一次順利貫通。

在 2 號上斜井和 3 號上斜井導井的施工過程中，由于巖體強度高，鉆頭磨損嚴重，分別更換滾刀一次。

3.9 成 效

通過精細管理、科學施工和跟蹤監(jiān)理，三條上斜井導井定向孔均安全順利一次貫通，孔斜均＜5‰，最大斜率為1‰，未出現(xiàn)安全事故，有效保證了先導孔和導井一次順利完成。三條上斜井導井實際有效工期均比計劃工期提前，第二條上斜井導井比第一條上斜井節(jié)省 48 d（包括受春節(jié)休假、冬季冰凍停水等的影響），第三條上斜井導井比第三條上斜井快 7 d 完工（包括受春節(jié)休假的影響）。上述施工成效充分說明了定向鉆機＋反井鉆機法在長斜井導井施工中具有明顯的優(yōu)勢，且有潛力可挖。

3.10 討 論

（1）根據(jù)導井圍巖強度、硬度及抗磨性，導井長度、傾角、鉆機、刀盤重量等對定向鉆機機具進行結(jié)構(gòu)等個性化設(shè)計和復核；采用高強合金鋼材以加強鉆桿接頭的硬度；考慮到鉆桿更換較難且耗時長，適度加大鉆機及附件的安全系數(shù)，適當增加鉆桿直徑，以提高鉆桿的安全系數(shù)。

（2）根據(jù)定向孔斜率可能發(fā)生的偏差、巖石強度、先導孔直徑、鉆桿力學性能等，復核鉆桿的應力及穩(wěn)定性，明確糾偏標準限差，指導糾偏。為防止蹩鉆、卡鉆等現(xiàn)象發(fā)生，應從嚴控制狗腿度。

（3）提高定向鉆系統(tǒng)的智能化。增強定向鉆智能功能及三維智能成像系統(tǒng)，配備成像設(shè)備，及時收集識別巖體變化和圍巖成像；適時在線顯示鉆井軌跡和斜率，保持過程在線，及時計算井斜和發(fā)布預警信息，建立智能糾偏模式。

（4）鉆機開孔位置應綜合考慮斜井地質(zhì)條件、設(shè)計直徑及傾角、導井擴挖及扒渣、工作安全平臺布置等因素，合理確定。一般向斜井軸線下移 1 m 左右，同時保證在導井壁不良地質(zhì)部位出現(xiàn)塌滑后，安全工作平臺寬度≥80 cm。

（5）定向鉆機高度一般比水工引水隧洞洞徑大，且需要配套布設(shè)泥漿池等輔助設(shè)施，因而要提前做好隧洞技術(shù)超挖工作，以方便系統(tǒng)布置。

（6）與斜井下彎段相接的平洞頂拱部位應提前開挖成與斜井軸線垂直的平面，以便定向鉆/反井鉆機刀盤的安裝，保證其合理受力和正常運行。

4 結(jié) 語

本工程長斜井導井項目，采用定向鉆機＋反井鉆機法施工，由于研究充分、方案合適、技術(shù)先進、設(shè)備適宜、措施到位、控制有效，因而能夠克服復雜的地質(zhì)條件，以及冬季冰凍停水、春節(jié)休假等不利因素，使得三條上斜井導井定向孔均安全順利貫通；在未出現(xiàn)安全事故，未出現(xiàn)斷桿、卡鉆等異常情況下，取得孔斜均 ＜5‰、最大斜率 1‰ 的施工目標。定向鉆機＋反井鉆機施工法，有效保證了先導孔和導井一次順利施工，有效降低了安全風險，提高了施工效率，為本工程斜井按時完工提供了有力保障。本工程長斜井導井項目，首創(chuàng)國內(nèi)高強度硬巖、超 400 m 長斜井施工記錄，為我國大型抽水蓄能電站建設(shè)提供了成功范例。