李世斌

（中電建建筑集團有限公司，北京 100120）

隨著測繪技術(shù)成熟和測量儀器革新，地下洞室開挖精準度越來越高，對于平洞和豎井，貫通誤差明顯縮小。但是對于斜井，尤其是陡傾角長斜井，仍然出現(xiàn)超出限差的現(xiàn)象，在設(shè)計洞徑較小時，開挖邊界超差，處理難度大，經(jīng)濟損失大。斜井精準開挖分為兩個層面，一是導井精準貫通，二是大井精準擴挖，只有兩個方面全部實現(xiàn)，整個斜井開挖才可達到精準要求。

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站引水系統(tǒng)工程設(shè)計有兩級斜井，分為上斜井和下斜井。上斜井單長419.06 m，開挖斷面為Ф7.0 m，傾角55°。斜井井口距上支洞洞口約為545 m，井底距中支洞洞口約為2 036 m，無施工支洞直接通往斜井段，是典型的暗藏式地下斜井。斜井開挖采用先導井后擴挖的方式，導井開挖首選反井鉆法，大井擴挖采用鉆爆法。

反井鉆可滿足200 m以內(nèi)陡傾角斜井開挖，但自身不具備孔內(nèi)糾偏能力[1-2]，在地質(zhì)條件復雜地段，高鉆速、高鉆壓作用下，鉆頭順著斷層、裂隙、節(jié)理和硬度偏低巖層鉆進，導致鉆頭方向失控，導孔偏斜超過預計偏差和規(guī)范限差。2#上斜井導井長度372 m，傾角為55°。采用反井鉆機開挖導井，導孔偏斜率比較難控制[3]，特別是對斜井沿線復雜的地質(zhì)條件，更難控制。精準貫通先導孔，成為反井鉆實施導井開挖的關(guān)鍵。

2 斜井開挖關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 定向鉆高精度開挖先導孔

引入石油、煤炭行業(yè)鉆井技術(shù)，通過合作模式，優(yōu)化設(shè)備，更適合隧洞內(nèi)開挖斜井導井。選擇高精度的定向鉆機，施工反井鉆機先導孔。根據(jù)洞室結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工條件，對鉆機進行改進，為反井鉆開挖高精度先導孔。

2.1.1 無線隨鉆測斜技術(shù)

隨鉆測斜技術(shù)起始于國外的石油鉆井技術(shù)，按傳輸通道分為泥漿脈沖、電磁波、聲波和光纖4種方式，以泥漿脈沖式使用最為廣泛。MWD-76型測斜儀是一種正脈沖無線隨鉆測斜儀，該儀器是將井下參數(shù)進行編碼后，產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動脈沖發(fā)生器內(nèi)的電磁閥動作，限制部分泥漿流入鉆柱，從而產(chǎn)生泥漿正脈沖。地面上采用泥漿壓力傳感器檢測來自井下儀器的泥漿脈沖信息，并傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理，井下儀器所測量的井斜角、方位角和工具面數(shù)據(jù)直觀的顯示在計算機和司鉆顯示器上。

2.1.2 定向鉆糾偏技術(shù)核心

定向鉆能夠在孔內(nèi)糾偏，主要依靠井下鉆具組合，關(guān)鍵部位就是螺桿鉆具。螺桿鉆具是一種將循環(huán)沖洗液的壓力能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動的機械能的容積式井下動力鉆具。螺桿鉆具前端連接鉆頭，高壓泥漿流經(jīng)螺桿鉆具時，螺桿馬達在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)，帶動下面的鉆頭工作。螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子有單頭和多頭兩種，多頭螺桿鉆具有扭矩大，轉(zhuǎn)速低，壓降小，容易啟動等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用在鉆孔定向鉆進中。螺桿鉆具由旁通閥、馬達、萬向軸和傳動軸組成，如圖1所示其各自功能作用如下：

圖1 螺桿鉆具組成

旁通閥總成位于螺桿鉆具組始端，由閥芯、閥套、彈簧、閥口等零件組成。在鉆進時有2種工作狀態(tài)，即開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，由鉆井液流量控制。當鉆頭正常鉆進時，旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，被壓縮的彈簧上舉閥芯，泥漿流經(jīng)馬達把壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，推動鉆頭向前鉆進。當鉆頭糾偏鉆進時，旁通閥處于打開狀態(tài)，一定流量的鉆井液壓入總成，迫使閥芯向下動作，迫使彈簧壓縮并關(guān)閉閥體上的通道。鉆井液在螺桿鉆具內(nèi)循環(huán)，流經(jīng)偏心孔改變鉆頭萬向軸的方向，按照指令進行糾偏的鉆進動作。

馬達總成由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，轉(zhuǎn)子為螺桿形狀，下段連接萬向軸，上段為自由端，上邊鍍有抗磨耐腐蝕材料鎘，定子為腔狀結(jié)構(gòu)，由硫化橡膠襯套和鋼筒組成的。從傳動角度看，它們是一組特殊的嚙合結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)一種螺旋曲面的線條，嚙合點緊密，形成一組空腔。螺桿馬達的基本工作原理為：當具有一定能量的鉆井液進入轉(zhuǎn)子、定子形成的密封腔，從一端向另一端通過時，形成壓力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部轉(zhuǎn)動，將液壓勢能轉(zhuǎn)化為機械動能。所以說馬達是螺桿鉆具的動力部件。

萬向軸總成連接馬達和傳動軸，它的主要作用是改變鉆進方向和傳遞扭矩。把馬達轉(zhuǎn)子的行星運動轉(zhuǎn)化為傳動軸的定軸轉(zhuǎn)動，在調(diào)整轉(zhuǎn)進姿態(tài)的同時把扭矩向鉆頭方向傳遞。

傳動軸總成由殼體、軸、推力軸承、徑向軸承等組成，內(nèi)部有一組角接觸推力球軸承，具有較高的承載能力，作用是將萬向軸傳來的扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞給鉆頭，同時要承受鉆進時地層作用于鉆頭的軸向力和徑向力。

2.1.3 低固相泥漿

鉆井泥漿是鉆井過程中使用的一種特殊漿液，通過膨潤土、氧化鈣和化學處理劑按一定比例混合，高速離心機離散后采用循環(huán)泵和攪拌機調(diào)為均質(zhì)乳狀液體。鉆井泥漿在鉆井施工中作用非常重要，其主要功能為沖洗井底、攜帶巖屑、平衡地層壓力、冷卻與潤滑鉆頭、穩(wěn)定井壁、懸浮巖屑和密度調(diào)整材料、獲取地層信息、傳遞功率（傳給螺桿鉆具等）。控制泥漿中的含沙量，嚴格四級凈化，控制泥漿性能的穩(wěn)定，保持適當粘度，增強泥漿攜砂能力。

2.1.4 井下隨鉆測斜[4]與孔內(nèi)螺桿糾偏技術(shù)

小直徑鉆孔用無加重鉆桿、低鉆壓、孔底馬達鉆進的多種鉆具組合方式，適合于大角度斜孔鉆進。選用的潤滑減摩鉆孔泥漿配方、三級泥漿凈化工藝以及造斜段輔助注漿穩(wěn)定孔壁措施，能有效的保證鉆孔孔壁的穩(wěn)定，減少大角度斜孔鉆孔摩阻，保證了鉆孔的安全。

（1）孔斜監(jiān)測

在無線隨鉆測斜儀測量參數(shù)指導下，通過定向螺桿鉆具對鉆孔軌跡進行定向控制。每鉆進30 m測斜一次，5～10 m一個測點?？仔背珪r，加密測點，并制定定向糾偏設(shè)計。

（2）鉆孔糾偏

螺桿鉆具有2種工作姿態(tài)，如圖2所示，分別為滑動鉆進和復合鉆進，如偏斜角大于設(shè)計數(shù)值，根據(jù)制定的糾偏設(shè)計，利用彎螺桿以斜角度進行反向鉆進實現(xiàn)糾偏，稱為滑動鉆進；同時隨鉆測斜儀進行加密測量，如偏斜角小于設(shè)計數(shù)值，可減少定向長度，進行復合鉆進，保證整個長斜鉆孔的實現(xiàn)。

圖2 螺桿鉆具2種工作姿態(tài)

2.1.5 定向鉆機設(shè)備優(yōu)化改進

定向鉆為石油煤炭行業(yè)鉆探設(shè)備，主要在野外作業(yè)，機型高大，鉆桿細長，我方斜井位于地下洞室，空間受限。需要對鉆機的適應(yīng)性進行系列改進，優(yōu)化后定向鉆機具有如下特點。

一是人員安全，經(jīng)過技術(shù)改造和優(yōu)化，鉆桿安裝和拆除實現(xiàn)了機械手自動化操作，減少了作業(yè)者工作強度和危險程度，降低了事故的發(fā)生率；二是設(shè)備安全，鉆井的鉆桿連接是采用螺扣結(jié)構(gòu)，上扣過贏對設(shè)備產(chǎn)生超負荷運轉(zhuǎn)，上扣不足對鉆桿螺扣產(chǎn)生過度磨損導致鉆桿提前報廢，改進后上扣裝置采用馬達旋轉(zhuǎn)上扣，并可以預設(shè)上扣扭矩，扭矩超過設(shè)定范圍時，馬達就會自動停止旋轉(zhuǎn)，操作動作平穩(wěn)，增加了使用壽命；三是效率提高，改進后的定鉆機適用于豎井、斜井和水平井，根據(jù)不同的造孔參數(shù)進行鉆具組合，鉆頭芽孢剛度可根據(jù)巖體硬度檢測數(shù)據(jù)、造孔深度等在廠家進行定制，適合于所建造工程，減少頻繁更換鉆頭的浪費，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，同時也相應(yīng)地減少了井下馬達定向的時間。

2.1.6 2#下斜井進行生產(chǎn)性試驗

經(jīng)過前期準備，2017年5月15日，定向鉆開孔，孔徑216 mm。考慮斜井擴挖時溜渣設(shè)計，爬罐法反導井開挖距底板1.0 m，沿斜井軸線方向平行實施，確定開 孔 點 點 位 坐 標：X=Y2 2+394.22；Y=±0.000；H=942.63；目標鉆進方向為55°14'36.31"。6月6日鉆頭出露于反導井掌子面中心，鉆孔深度194 m，達到點對點精準貫通，生產(chǎn)性試驗成功。

2.1.7 定向鉆技術(shù)全井全程實施

2#上斜井起始樁號為Y2 1+054.854，終點樁號為Y2 1+317.774，導孔開挖長度372 m。為確保定向鉆機精確貫通，引入強磁導向技術(shù)，在鉆頭出露點位置安裝強磁導向儀一套，電磁信號由反饋天線傳送至電腦終端，根據(jù)鉆頭與接收器之間產(chǎn)生的電磁信號，經(jīng)過解碼、調(diào)制和還原等過程，最終編譯出兩點間高差、斜距、傾角及方位等參數(shù)成果，指導定向鉆機的前端鉆鋌和浮閥裝置進行微調(diào)整，糾正鉆進方向不斷地接近于目標點。7月18日，上斜井定向鉆實施直徑216 mm導孔，經(jīng)過29 d晝夜連續(xù)鉆進，順利貫通。平面貫通誤差32 cm，縱斷面貫通誤差12 cm，綜合計算偏斜率為0.96‰，滿足導孔施工技術(shù)5‰的要求和斜井豎井施工規(guī)范要求。

2.2 控制大井擴挖超欠挖程度

斜井導井貫通后，需要將導井擴挖至開挖設(shè)計邊線，大井擴挖一般采用鉆爆法實施，相對于平洞和豎井，人員在斜井下方向感較差。平洞開挖技術(shù)比較成熟，有經(jīng)驗的鉆爆工人能夠很好掌握；豎井在阻尼鉛垂球輔助作用下，也能保證精確的掘進方向。斜井導井一般位于斷面中下部，開挖過程導孔周邊精度較低，在斷面呈現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。而以水平掌子面開挖法，斷面投影（圓形投影為橢圓型）更加重了作業(yè)人員對體型的感性認知，鉆孔角度難以控制，尤其是馬蹄形斷面底板和底角，超欠挖程度極易失控。按照規(guī)范要求，地下洞室不允許有欠挖，斜井豎井非地質(zhì)原因超挖應(yīng)小于25 cm，意味著非地質(zhì)原因造成的超挖和洞室襯砌時回填此部分混凝土不予計量，所以大井擴挖邊線精度至關(guān)重要。出現(xiàn)欠挖要全部處理，根據(jù)多年施工經(jīng)驗看，欠挖越少（10 cm以內(nèi)）處理難度越大，而且處理不當很容易造成不必要的超挖；非地質(zhì)原因引起的超挖超填要自己埋單，不只是增加出渣量，影響開挖工序時間節(jié)奏，在回填混凝土時大量的超填可能超出投標時的預估量，人材機成本折算后面臨虧損幾率較大，所以控制大井超欠挖程度成為斜井擴挖最為關(guān)注要點。只能采取必要手段嚴格控制擴挖的超欠挖程度。

2.2.1 精準放線

斜井導井貫通后，第一時間將上下井口導線控制點進行復核導井貫通誤差，聯(lián)系支洞主洞控制網(wǎng)予以平差和調(diào)差，建立斜井獨立坐標系，供大井擴挖和后期鋼管安裝時采用。斜井上彎段擴挖采用全站儀逐層放線，確定鉆孔開孔點和方向，設(shè)立定向孔，穿插反光標桿，鉆工在鉆孔過程中始終可以瞄準定向桿，當斜井逐步進入斜直段，全站儀須安裝彎管目鏡，控制點兩側(cè)設(shè)置兩個校核點，兩套獨立坐標系相互校核。引入啟飛軟件和藍牙無線傳輸手機終端技術(shù)，實施數(shù)據(jù)自動采集、圖形立體化、點位可視化和計算自動化快速測量，檢測任意可疑點是否超限。

2.2.2 輔助導向

斜井開挖進入斜直段，除全站儀現(xiàn)場放線外，激光導向?qū)l(fā)揮主導作用。沿用爬罐法斜井反導井開挖改進的激光導向技術(shù)，在井壁按照特征點位置安裝激光導向組，將開挖輪廓線關(guān)鍵點投射在井下掌子面，井下鉆爆工人根據(jù)激光點位和指向，確定、校正鉆孔方向，糾正最初下井時錯誤的第一感知，嚴格按照指引方向鉆孔開挖。激光導向組隨著擴挖進度逐步下移，定期校正，始終保持導向儀的激光投射精準度。

2.2.3 樣架控制

馬蹄形斷面最容易出現(xiàn)超欠挖的部位是底板和兩個底角，人員向反方向操作鉆機，自身施工難度較大。為此，定做控制樣架，在鉆孔前一米鉆進在樣架上進行，保證開孔位置和鉆孔方向，更換長鉆桿后順著已確定好的孔向繼續(xù)鉆到爆破設(shè)計中要求孔深。

2.2.4 裝藥控制

周邊孔裝藥爆破對斜井擴挖體型控制至關(guān)重要，斜井全斷面擴挖采用光面爆破工藝，在周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)上采用間隔空氣柱裝藥方法，即采用導爆索或細竹片將藥卷按照殉爆間距綁成藥卷串，在主爆孔層層爆破后，周邊孔炸藥均衡施力，按照鉆孔連線剝離巖體，達到設(shè)計邊線。充分發(fā)揮專職爆破員和現(xiàn)場質(zhì)檢人員作用，針對周邊孔鉆孔間距和裝藥結(jié)構(gòu)認真檢查復核，杜絕個別工人或隊伍只顧進度而放松質(zhì)量，故意采取加大周邊孔孔距和孔底集中裝藥方式，形成管理因素造成的超欠挖現(xiàn)象。

2.2.5 加強通風

工程對地出口少，井巷霧氣濃厚，導向儀激光穿透力減弱，光斑暈大，光束暗淡，對測量放線和激光導向帶來極大影響。針對此采取了強化通風除濕措施。

（1）采取井底投放暖風機熱源，加熱輸入的新鮮空氣，利用煙囪效應(yīng)將干燥空氣通過導井帶上擴挖掌子面，進而驅(qū)散滯留在井巷中部的水汽。

（2）井口投放射流風機引風，可逆式風機還能隨氣流變化調(diào)整方向，加速氣流流動，改善工作環(huán)境，給斜井擴挖帶來積極影響。

3 實施效果

定向鉆開挖先導孔，點對點精準貫通，如圖3所示；反井鉆擴孔直徑大，導井井壁光滑，避免堵井風險，施工質(zhì)量可靠；對比爬罐法開挖同樣特征的另一條導井，工期可節(jié)約1/3以上，效率較高。斜井擴挖采取系列控制措施，斜井擴挖到設(shè)計邊線，全線無欠挖，除局部不良地質(zhì)段的拱肩和底角位置出現(xiàn)一定程度超限超挖，其余洞段超挖值均低于施工規(guī)范的限差，體型優(yōu)美流暢，有效地控制了后期混凝土回填量，如圖4所示。

圖3 定向鉆先導孔點對點貫通

圖4 斜井大井擴挖體型標準

4 結(jié)束語

特長斜井精準開挖技術(shù)分別講述了導井導孔的貫通精度控制和大井擴挖超欠挖控制，首先從技術(shù)上入手，解決反井鉆自身不具備糾偏的缺點，引入石油煤炭行業(yè)鉆井設(shè)備——定向鉆，隨鉆隨測斜、隨鉆孔內(nèi)糾偏，確保了導孔鉆進精度，為反井鉆打下良好基礎(chǔ)；反井鉆根據(jù)斜井長度、巖石硬度、擴孔直徑等選擇合適的型號，一舉反拉成井壁光滑的反導井，降低了大井擴挖堵井風險。再從設(shè)備改進出發(fā)，通過優(yōu)化改進，將野外使用的高大設(shè)備改良為適應(yīng)地下洞室斜井開挖的設(shè)備，解決了設(shè)備適應(yīng)范圍小的難題。最后從工程測量、輔助措施、管理措施等多處著手，實現(xiàn)了大井超欠挖的精準控制，達到了預期效果，具有很高的借鑒和推廣價值。