李 霞

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213)

1 工程概況

廣東陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區(qū)，上水庫地處陽春市八甲鎮(zhèn)南西約8 km的河尾山林場，下水庫位于陽春市八甲鎮(zhèn)南西5 km的高屋村石祥、更口、豐田一帶，上、下水庫落差約670 m，陽江抽水蓄能電站開發(fā)任務(wù)以輸水發(fā)電為主。電站上水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位773.7 m，總庫容2 836.5萬m3，上水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高101 m；下水庫總庫容3 105萬m3，正常蓄水位103.7 m。陽江抽水蓄能電站高壓電纜洞斜井傾角36°，由下平段、斜井段和上平段組成，斜井段長度249.98 m，斷面為城門洞型，斷面尺寸6.0 m×5.4 m(寬×高)，巖石主要以花崗巖為主，局部為混合巖，總體以Ⅱ類為主，局部Ⅲ類。高壓電纜洞斜井施工空間有限，斜井傾角緩、深度大，導(dǎo)孔偏斜率要求高，從施工方案可操作性、安全風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量控制、施工成本、工期等方面綜合分析，最終提出針對36°緩傾斜井采用反導(dǎo)井正挖法的施工方案[1]。

采用反導(dǎo)井正挖法施工的關(guān)鍵在于是否能正常順利溜渣，這與最終形成的反井鉆機(jī)導(dǎo)井質(zhì)量有很大的關(guān)系，而導(dǎo)井的形成質(zhì)量，最關(guān)鍵的要看導(dǎo)孔貫通的質(zhì)量。導(dǎo)孔精確貫通是斜井開挖施工實(shí)現(xiàn)的第一步，也是關(guān)鍵一步。針對導(dǎo)孔準(zhǔn)確貫通問題，需要從導(dǎo)孔的軌跡分析、設(shè)備改造、操作控制等方面出發(fā)開展一系列的探索與總結(jié)，形成一套緩傾斜井導(dǎo)孔高精度施工關(guān)鍵技術(shù)和施工方法。

2 緩傾斜井導(dǎo)孔軌跡分析與控制

2.1 軌跡分析

運(yùn)用大地磁場定位原理、大地坐標(biāo)系進(jìn)行導(dǎo)孔軌跡分析，根據(jù)導(dǎo)孔軌跡進(jìn)而構(gòu)建導(dǎo)孔測斜、磁偏角、導(dǎo)井三維模型，為導(dǎo)孔軌跡精度控制提供依據(jù)。依據(jù)現(xiàn)場不同地質(zhì)、斷面、長度、井斜等條件建立大地坐標(biāo)系得出鉆孔軌跡方程。斜井鉆孔體現(xiàn)為從鉆進(jìn)起始端開始向下呈螺旋形狀，隨著時(shí)間推移，逐漸會加速向下及左右偏移，但隨著斜井長度增加，其極限軌跡可近似為螺旋狀。

斜井導(dǎo)孔縱向軌跡示意詳見圖1，其中C為導(dǎo)孔縱向入鉆點(diǎn)，D為導(dǎo)孔縱向軌跡，E為斜井設(shè)計(jì)縱向軌跡，F(xiàn)為導(dǎo)孔縱向出鉆點(diǎn)。

圖1 導(dǎo)孔豎直方向軌跡示意

斜井導(dǎo)孔平面軌跡示意詳見圖2，其中H為導(dǎo)孔平面入鉆點(diǎn)，I為導(dǎo)孔平面軌跡，J為斜井設(shè)計(jì)平面軌跡，K為導(dǎo)孔平面出鉆點(diǎn)。

圖2 導(dǎo)孔平面軌跡控制示意

2.2 導(dǎo)孔軌跡控制

為了在緩傾角斜井導(dǎo)孔施工過程中能保證導(dǎo)孔實(shí)時(shí)軌跡監(jiān)測及糾偏，確保導(dǎo)孔精度滿足規(guī)范要求及避免因?qū)Э浊瘦^大而發(fā)生卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，通過獲得緩傾斜井井深、井斜、磁偏角等參數(shù)，制定導(dǎo)孔糾偏方案，在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下，調(diào)整至滑動鉆進(jìn)，從而對導(dǎo)孔軌跡進(jìn)行控制，以使導(dǎo)孔偏斜降低[2]。同時(shí)通過定向鉆機(jī)+測斜儀(MWD 隨鉆測斜定位)+RMRS旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)+定向組合鉆具+彎螺桿(0.5°)進(jìn)行導(dǎo)孔軌跡控制,使孔偏斜降低。實(shí)現(xiàn)導(dǎo)孔無線測斜定位，滿足施工精度要求，大大提升施工效率和施工安全。

3 緩傾斜井導(dǎo)孔施工技術(shù)

3.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備—定向鉆機(jī)基礎(chǔ)施工—測量放樣—定向鉆機(jī)安裝調(diào)試—泥漿洗井液配制—導(dǎo)孔施工—定向鉆機(jī)拆除。

3.2 施工方法

3.2.1 施工準(zhǔn)備

3.2.1.1 鉆機(jī)選型

陽江抽水蓄能電站高壓電纜洞斜井工程，鉆孔直徑為216 mm，鉆進(jìn)長度最長為263 m，與地面夾角為36°，鉆孔偏斜率不大于0.5%，巖石為堅(jiān)硬花崗巖，單軸抗壓強(qiáng)度100～130 MPa。而且受到施工場地限制，所選取定向鉆機(jī)入鉆點(diǎn)外延長度不能超過8 m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，選擇型號為FDP-68型定向鉆機(jī)。

3.2.1.2 定向鉆機(jī)鉆具組合

為解決定向鉆機(jī)及無線測斜系統(tǒng)在堅(jiān)硬巖層中直線型開挖，需根據(jù)設(shè)備特性及施工巖層堅(jiān)硬等特點(diǎn)進(jìn)行鉆具組合調(diào)整設(shè)計(jì)，以提高導(dǎo)孔施工的精度。具體鉆具組合型式有：

(1)開孔鉆具組合。φ216 mm牙輪鉆頭+φ172 mm鉆鋌+φ127 mm短鉆桿(2 m)，鉆壓：0.3～0.5 t,鉆速：30～40 r/min,泵量：600 L/min。開孔是保證鉆孔直線及角度的關(guān)鍵，為確保開孔的角度，在開鉆前要預(yù)留孔槽。

(2)定向鉆進(jìn)鉆具組合。φ216 mm牙輪鉆頭+φ172螺桿+φ411×410浮閥+φ212 mm扶正器+165 mm定位短節(jié)+411×4A10變扣+φ165 mm無磁鉆鋌1根+165 mm鉆鋌3根+φ127 mm加重鉆桿9柱+φ127 mm標(biāo)準(zhǔn)鉆桿。鉆桿結(jié)構(gòu)詳見圖3。

斜、豎井堅(jiān)硬巖石定向鉆具，由各獨(dú)立鉆具依次通過絲扣軸向鋼性順序連接構(gòu)成。磁短節(jié)為旋轉(zhuǎn)磁場定向技術(shù)發(fā)射裝置，無磁鉆鋌中內(nèi)置MWD測斜儀。正常鉆進(jìn)鉆壓：1.5～3.5 t；鉆速：50～60 r/min(硬巖段)；泵量：1 200 L/min。定向組合鉆具的測斜儀定位測斜系統(tǒng)，將測斜儀測量數(shù)據(jù)通過調(diào)制器控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿壓力，地面泥漿壓力傳感器將獲得數(shù)據(jù)發(fā)送給地面計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)+軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行導(dǎo)孔軌跡計(jì)算及顯示偏斜方向及大小。組合鉆具的鉆頭、磁短節(jié)、變扣、單彎螺桿和浮閥鉆具連接均為剛性連接，能保證在堅(jiān)硬巖石條件下鉆進(jìn)，且單彎螺桿的小彎度實(shí)現(xiàn)糾偏鉆進(jìn)。鉆鋌與加重鉆桿連接結(jié)構(gòu)，鉆鋌與鉆頭直徑差距較小，能更好保持鉆進(jìn)的直線程度；在糾偏過程中鉆鋌與加重鉆桿能更好的壓低鉆具的重心，保證糾偏更穩(wěn)定；在利用鉆具自重沖擊鉆孔時(shí)，能提供更大的力度。

3.2.2 定向鉆機(jī)基礎(chǔ)施工

定向鉆機(jī)基礎(chǔ)采用組合鋼模板立模澆筑，φ50 mm振搗棒振搗密實(shí)?；A(chǔ)采用C30混凝土，基礎(chǔ)長8.5 m、寬3.0 m、厚0.3 m，入鉆點(diǎn)直徑2.0 m范圍需將基礎(chǔ)清理干凈。

3.2.3 測量放樣

定向鉆機(jī)導(dǎo)孔入鉆點(diǎn)使用全站儀放樣，現(xiàn)場標(biāo)識出“十字”線、斜井軸線及斜井傾角控制線。

3.2.4 定向鉆機(jī)安裝調(diào)試

(1)待基礎(chǔ)混凝土澆筑完成7天后，方可安裝定向鉆機(jī)。

(2)定向鉆機(jī)為履帶式，直接行走至已澆筑基礎(chǔ)混凝土上。

(3)根據(jù)測量定位點(diǎn)，確定鉆機(jī)位置，并采用插筋固定牢靠。

(4)采用水平尺對鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)平，測量放樣控制鉆孔角度及方向。

3.2.5 泥漿洗井液配制

(1)定向鉆機(jī)進(jìn)泥漿洗井液采用水基泥漿，其主要組成部分是黏土、水和化學(xué)處理劑，泥漿常用膨潤土配制。

(2)定向鉆機(jī)進(jìn)泥漿洗井液性能主要包括密度、黏度、失水量、含砂量、膠體率和pH值等。性能的優(yōu)劣直接影響護(hù)壁堵漏、排除巖粉、潤滑鉆具、冷卻鉆頭、鉆進(jìn)效率、成本及安全鉆進(jìn)。在導(dǎo)孔鉆孔過程中，為了適應(yīng)不同地層對泥漿洗井液性能的要求，必須向泥漿內(nèi)加入一定量的化學(xué)處理劑，來改善泥漿洗井液的性能。定向鉆機(jī)泥漿性能技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

表1 定向鉆機(jī)泥漿性能技術(shù)指標(biāo)

3.2.6 導(dǎo)孔施工

3.2.6.1 開孔

導(dǎo)孔開孔前測量復(fù)核開孔孔位及開孔角度，進(jìn)一步檢查鉆機(jī)及鉆架固定，液壓油管密封情況[3]，泥漿泵及泥漿洗井液準(zhǔn)備情況。開孔鉆進(jìn)過程中應(yīng)以輕壓、慢轉(zhuǎn)、大泵量為宜。一般控制在轉(zhuǎn)數(shù)60 r/min，鉆壓500 kg，泵量600～1 200 L/min左右。

3.2.6.2 測斜

采用MWD隨鉆測斜儀的脈沖發(fā)生器將探測的數(shù)值發(fā)送至地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行編碼。由內(nèi)置計(jì)算機(jī)進(jìn)行解碼，實(shí)時(shí)監(jiān)控導(dǎo)孔偏斜情況。距孔底50 m范圍時(shí)采用RMRS隨鉆測斜技術(shù)，三軸重力和三軸磁力線進(jìn)行探測的傳感器，通過這些傳感器測得的數(shù)值及捕捉孔底磁場發(fā)射器位置，經(jīng)脈沖發(fā)生器通過泥漿脈動傳遞至地面，地面計(jì)算機(jī)解碼數(shù)據(jù)，從而控制糾偏螺桿鉆機(jī)糾偏。

3.2.6.3 糾偏

根據(jù)測斜儀測量的偏斜率及偏斜方向，采用螺桿鉆具一種井下動力鉆具，它可在鉆桿不旋轉(zhuǎn)的情況下，由高壓泥漿驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)。選擇具有一定彎曲角度的螺桿，從而可以進(jìn)行滑動鉆進(jìn)，使孔“轉(zhuǎn)彎”。螺桿鉆具結(jié)構(gòu)詳見圖4。

圖4 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)

采用MWD、RMRS隨鉆測斜不斷測量定向鉆機(jī)導(dǎo)孔軌跡及導(dǎo)孔偏斜率控制，提高緩傾角斜井導(dǎo)孔精度，避免出現(xiàn)導(dǎo)孔無法貫穿或貫穿偏差大帶來的不利后果，為后續(xù)反導(dǎo)井正挖法施工提供質(zhì)量保證。測斜、糾偏參數(shù)詳見表2。

表2 測斜、糾偏參數(shù)

3.2.7 定向鉆機(jī)拆除

氧氣、乙炔切割插筋，定向鉆機(jī)自行行走至鉆機(jī)平臺外側(cè)，及時(shí)保養(yǎng)維護(hù)鉆機(jī)、鉆具。

3.3 質(zhì)量要求及控制要點(diǎn)

3.3.1 質(zhì)量要求

(1)緩坡斜井導(dǎo)井開孔定位偏差不得大于5 cm。

(2)導(dǎo)孔偏斜率不大于1%。

3.3.2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)定向鉆機(jī)施工過程中需及時(shí)糾偏并確保導(dǎo)孔軌跡接近直線并嚴(yán)禁出現(xiàn)較大彎折曲線。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)資料提前確定軟弱夾層、斷層及特殊地質(zhì)部位，從而進(jìn)一步確定特殊地質(zhì)的鉆進(jìn)方式、鉆具組合、鉆壓、鉆速等。

(3)緩傾角斜井鉆桿受重力及鉆頭摩擦力影響，鉆桿絲扣連接質(zhì)量及鉆桿剛度將決定導(dǎo)孔施工精度及卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

(4)泥漿洗井液循環(huán)使用過程中需將石粉、鐵屑過濾掉，避免影響導(dǎo)孔泥漿脈沖傳輸質(zhì)量。

3.3.3 檢查方法

緩坡斜井導(dǎo)井開孔定位及導(dǎo)孔貫通偏差采用全站儀進(jìn)行檢查；通過導(dǎo)孔貫通偏差及斜井長度計(jì)算導(dǎo)孔偏斜率。

4 結(jié)束語

緩坡斜井導(dǎo)孔高精度施工技術(shù)已在廣東陽江抽水蓄能電站高壓電纜洞工程中成功應(yīng)用，導(dǎo)孔鉆孔(擴(kuò)挖)歷時(shí)30天，平均速度8 m/d，斜井貫通偏差25 cm，貫通偏差小于1‰，高于規(guī)范允許偏差1%的要求，應(yīng)用效果良好。緩坡斜井導(dǎo)孔高精度施工技術(shù)確保了導(dǎo)井施工精度及施工質(zhì)量，縮短了施工工期，節(jié)約了施工成本，使工程施工得以優(yōu)質(zhì)、安全、高效地完成，經(jīng)濟(jì)社會效益顯著。該項(xiàng)技術(shù)在水電、水利工程、交通、礦山等領(lǐng)域具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。