超深豎井開挖導(dǎo)井一次成井技術(shù)

超深豎井開挖導(dǎo)井一次成井技術(shù)

Summary：抽水蓄能電站引水豎井采用反井鉆機施工過程中，導(dǎo)井的形成是豎井得以擴挖成井的關(guān)鍵，制約著豎井施工的質(zhì)量和進度，本文對超深豎井的導(dǎo)井采用定向鉆機和反井鉆機組合一次成井的關(guān)鍵技術(shù)和專用設(shè)備進行了闡述，為類似工程提供經(jīng)驗參考。Keys：超深豎井；開挖導(dǎo)井；一次成井1工程概況山東沂蒙抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)1#、2#高壓引水管道豎井深度均高達約380m,豎井開挖斷面為圓形，直徑為7.6m。原設(shè)計方案為設(shè)置施工中支洞,將導(dǎo)井分為兩段進行施工,后經(jīng)方案優(yōu)化,取消中支洞,采用反井鉆機一次成井。高壓管道豎井段巖性為微風(fēng)化片麻狀閃長巖、花崗閃長巖，斷層裂隙較發(fā)育，圍巖受裂隙切割，巖體多為塊～次塊狀結(jié)構(gòu)，以Ⅱ～Ⅲ類圍巖為主，斷層及裂隙密集帶地段為Ⅳ類圍巖。為滿足豎井后期擴挖出渣要求，豎井導(dǎo)井采用反井鉆機施工，結(jié)合最終成井直徑、總井深及鉆機能力等因素，高壓管道豎井導(dǎo)井直徑確定為2.5m。2成井工藝及設(shè)備選擇2.1成井工藝基于原設(shè)計方案的調(diào)整、豎井地質(zhì)條件以及進度要求，若要保證380m導(dǎo)井一次成井，并滿足透孔精度要求，采用傳統(tǒng)的僅依靠反井鉆機單一設(shè)備成井的方法，無論從成井精度，還是鉆孔過種各種風(fēng)險管控，都無法得到保證，所以經(jīng)過多方案比選，本工程采用了“定向鉆機TDX50+反井鉆機BMC600”的大型成孔設(shè)備組合，由定向鉆機先打φ152mm導(dǎo)孔，反井鉆機刷擴成φ311mm導(dǎo)孔，再反拉形成直徑2.5m的導(dǎo)井。主要施工順序為：定向鉆機施工高精度先導(dǎo)孔→反井鉆機施工導(dǎo)孔→導(dǎo)井反拉成導(dǎo)井→豎井爆破擴挖達到設(shè)計斷面。2.2定向鉆孔設(shè)備及機具選型定向鉆機選用TDX50型鉆機，是一種為定向孔施工而研制的新型鉆機，可以在井巷內(nèi)施工0～90°定向孔，主要由孔口裝置、夾持器及卸扣器、動力頭及側(cè)擺機構(gòu)、機體滑架及補償機構(gòu)、舉升油缸、履帶底盤、動力和液壓系統(tǒng)、小絞車、泥漿泵等；給進提升為馬達-鏈條增力機構(gòu)，具有很強的提升能力，可處置復(fù)雜工況；動力頭回轉(zhuǎn)為三馬達驅(qū)動，匹配四種轉(zhuǎn)速，滿足定向施工不同工況要求；全液壓控制系統(tǒng)，維護操作便捷，履帶式底盤具備自行走功能。定向鉆機見圖1。2.3反井鉆機主機選型高壓引水豎井開挖深度范圍內(nèi)的圍巖堅硬，巖石抗壓強度較高。綜合考慮圍巖地質(zhì)特性、導(dǎo)井直徑和井深、施工工期等綜合因素對鉆機性能的要求，比選采用BMC600型反井鉆機進行導(dǎo)井施工，鉆機如圖2所示。

圖1TDX-50型定向鉆機

圖2BMC600型反井鉆機3施工準(zhǔn)備根據(jù)兩種鉆機最大工作高度刷擴洞室，施工鉆機基礎(chǔ)、泥漿沉淀池和提吊天錨等設(shè)施。工作面周邊開挖循環(huán)水槽連接至沉淀池，池頂高低于鉆機基礎(chǔ)面。鉆進排渣及鉆機循環(huán)供水采用DN50鋼管從已建高位水池接引。設(shè)備供電從引水洞內(nèi)630kVA變壓器接引。在反拉面附近設(shè)置集水坑，將排水溝廢水引至集水坑內(nèi)，集水坑廢水再集中引排至隧洞排水系統(tǒng)進行處理。反井鉆基礎(chǔ)施工及基座安裝加固：清理反井鉆機基礎(chǔ)面，測量放出豎井中心點，在清理好的基礎(chǔ)面上采用C30混凝土澆筑鉆機基礎(chǔ)平臺，澆筑時預(yù)留機架固定錨桿及固定螺栓。主機基座正確安裝后，打設(shè)2m深、φ42mm的錨桿孔，清孔后用錨固劑錨固地腳錨桿，清理基座下方的雜物并用水清洗，在基座和基礎(chǔ)之間的縫隙澆筑細石混凝土。復(fù)測和校正基座，確保安裝位置正確。4定向先導(dǎo)孔鉆孔及糾偏技術(shù)定向鉆機安裝調(diào)試完畢后，即可進行先導(dǎo)孔施工，導(dǎo)孔直徑Φ152mm，鉆機在施工過程中隨時測斜糾偏，定向鉆進長度在正常糾偏時為2～3m，正常降斜時為1～2m，當(dāng)定向沒有達到預(yù)定效果時，需要重新定向。定向工具面角在定向鉆進過程中，以穩(wěn)定工具面角為主；糾偏時以閉合方位為基準(zhǔn)，反扭；降斜時，以鉆孔方位角為基準(zhǔn)，反扭。井深小于200m，反扭矩角10～20°；井深大于200m，反扭角20～30°。一般鉆機在鉆進過程中，鉆頭受到地層的影響會產(chǎn)生偏斜，偏離預(yù)定的孔線軌跡，最典型的是地層軟硬交疊造成的偏斜，這對深井導(dǎo)井施工的影響尤其顯著。定向鉆優(yōu)秀的糾偏功能可大大減小這種偏差，滿足設(shè)計精度要求。導(dǎo)井先導(dǎo)孔施工采用定向鉆具組合進行鉆進，在鉆進過程中隨鉆測斜儀可對鉆進軌跡進行連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)偏斜及時動態(tài)糾偏，使整個鉆進過程受控，孔線軌跡偏差滿足設(shè)計要求。在無線隨鉆測斜儀中，安裝有傳感器對三軸重力和三軸磁力線進行探測，通過這些傳感器測得的數(shù)值，由內(nèi)置計算機進行編碼，經(jīng)脈沖發(fā)生器通過泥漿脈動傳遞至地面，地面計算機解碼數(shù)據(jù)后，再綜合鉆井深度參數(shù)，可測出已成孔的孔線軌跡。定向鉆的螺桿鉆具是一種特殊的井下動力鉆具，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)。通常選擇具有一定彎曲角度的螺桿，從而可以進行滑動鉆進，即使孔“轉(zhuǎn)彎”。定向鉆具組合包括定向鉆進和復(fù)合鉆進組合。在正常鉆進時，鉆機和螺桿鉆具同時旋轉(zhuǎn)，提供較高的轉(zhuǎn)速進行鉆進；在無線隨鉆測斜儀測出偏斜超標(biāo)的情況下，調(diào)整至滑動鉆進，從而對鉆進軌跡進行控制，降低孔斜偏差。在無線隨鉆測斜儀測量參數(shù)指導(dǎo)下，通過定向螺桿鉆具對鉆孔軌跡進行動態(tài)方向控制，每推進一根鉆桿測斜一次，當(dāng)鉆孔偏距大于0.5m或鉆孔斜角偏差大于0.8°時，或?qū)︺@孔的軌跡判斷存在疑問時，要加密測點，必要時單獨下無磁鉆鋌加鉆頭全程測斜。制定糾偏措施，利用彎螺桿造斜角度進行反向鉆進實現(xiàn)糾偏，一般情況采用彎角1.25°的Φ165mm螺桿鉆具，定向效果不理想的情況下，可以用彎角1.5°螺桿鉆具。如偏斜角大于控制值，可減少定向長度，進行復(fù)合鉆進。在先導(dǎo)孔鉆進過程中，遇到裂隙、斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造，會出現(xiàn)返渣量小，返渣顆粒較細，甚至出現(xiàn)不返漿、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，應(yīng)對不良地層進行必要的處理。根據(jù)鉆進過程觀察，先導(dǎo)孔鉆進到這些地層時，加大泥漿或者清水循環(huán)量，將斷層中泥質(zhì)部分沖洗干凈后，提鉆進行灌漿處理，待孔內(nèi)漿液達到強度后重新鉆進直至貫通。具體方法：在現(xiàn)場制備水灰比為0.4～0.55的水泥漿或水泥砂漿通過灌漿設(shè)備或自流輸送的方法進行灌孔，利用漿液填充斷層、裂隙，并利用灌漿壓力對影響帶巖體進行固結(jié)，待漿液凝固后即可進行掃孔施工。先導(dǎo)孔鉆進是本工程一次成井施工中的重點和難點，是反井法施工中的重要環(huán)節(jié),決定反井工程的成敗。在本豎井工程中,我們采取了行之有效的偏差控制措施，并在施工中不斷地摸索研究，精準(zhǔn)監(jiān)測，準(zhǔn)確掌握地質(zhì)情況，合理控制鉆進速度，使得先導(dǎo)孔順利貫通。5導(dǎo)孔施工5.1反井鉆機安裝、調(diào)試及主機校準(zhǔn)待基座混凝土和錨桿強度達到要求之后，安裝主機的兩塊腳板，并扭緊螺栓，利用自行式履帶底盤運輸主機至工作面正確安裝在腳板上，根據(jù)豎井設(shè)計角度初步調(diào)整好主機鉆孔角度，固定好主機，退出自行走底盤。主機就位之后，將液壓站安裝至工作面預(yù)設(shè)位置，校準(zhǔn)水平。運輸操作臺至工作面，擺放在合適的位置，之后連接油管，敷設(shè)電纜線路。確認電纜、油管等正確連接無誤后，送電檢查電壓、相序和各儀表顯示狀況，通電1小時以上，再次全面檢查設(shè)備各部位的狀態(tài)，包括液壓油、齒輪油等，確保安裝正確和人員處于安全狀態(tài)后開機試運行。調(diào)試內(nèi)容主要包括各電機狀態(tài)、管路進回油、機械手和轉(zhuǎn)盤吊、冷卻水系統(tǒng)、泥漿泵及水（泥漿）循環(huán)系統(tǒng)等。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)異常及時停機處理。用數(shù)顯角度儀、全站儀等多次反復(fù)校準(zhǔn)主機，保證主機的導(dǎo)孔開孔角度為90°，確定主機動力頭行走直線與豎井軸線重合或者平行。待主機校準(zhǔn)、調(diào)平、調(diào)正處理后，緊固主機與腳板、基座的連接螺栓，對鉆機機架進行固定。5.2導(dǎo)孔鉆進通過先導(dǎo)孔導(dǎo)向，反井鉆刷孔至Φ311mm導(dǎo)孔，導(dǎo)孔刷擴的過程也是鉆桿下放的過程。鉆機調(diào)平，開孔鉆進后，調(diào)整動力水龍頭的轉(zhuǎn)速為預(yù)定值，并升到最高位置，將導(dǎo)孔鉆頭移入鉆架底孔并用卡瓦卡住鉆桿，然后將卡瓦放入卡座，用鉆機輔助設(shè)備連接鉆桿。接好鉆桿后，開啟冷卻用水開始開孔鉆進。導(dǎo)孔鉆進排渣用泥漿泵抽取沉渣池內(nèi)的水，從動力水龍頭的洗井液接頭沿鉆桿內(nèi)壁壓入鉆頭底部，經(jīng)鉆頭底部的出水孔將孔底的石渣沿孔壁排至孔口的排渣槽內(nèi)，自流進沉渣池內(nèi)。石渣沉淀后撈至專用堆放位置，石渣水經(jīng)沉淀處理后，再用泥漿泵抽入導(dǎo)孔內(nèi)循環(huán)利用。開孔前正確安裝好開孔穩(wěn)定器，用開孔鉆桿低鉆壓、低鉆速開孔，開孔深度為3米，開孔完成后，取出開孔鉆桿及開孔穩(wěn)定器，更換穩(wěn)定鉆桿開始正常鉆進。導(dǎo)孔鉆進的過程，也是對地層的勘探過程，反井鉆機雖然不是取芯鉆進，但根據(jù)對鉆進過程觀測以及返出巖屑的情況，根據(jù)經(jīng)驗可以對地層有初步的定性分析和判斷，為導(dǎo)孔鉆進和反拉擴孔、井壁維護等提供參考。導(dǎo)孔鉆進的參數(shù)控制

序號項目扭矩（KN.m）推力（t）轉(zhuǎn)速(r/min)備注1開孔6~86~95~10鉆進速度控制在160min/m2完整圍巖地層9~1020~2420~25鉆進速度控制在50min/m3斷層、破碎帶7~97~1010~15鉆進速度控制在80min/m在開孔及正常鉆進過程中合理配置穩(wěn)定鉆桿（裝有4根穩(wěn)定耐磨條，直徑與導(dǎo)孔鉆頭一致的鉆桿）強制控制導(dǎo)孔鉆進方向，利用導(dǎo)孔孔壁對穩(wěn)定鉆桿的約束作用將前端一定范圍內(nèi)的鉆桿強制擺正，保證鉆桿鉆進方向與設(shè)計鉆孔軸線一致，從而控制導(dǎo)孔鉆進方向。配置穩(wěn)定鉆桿時應(yīng)注意：開孔前測量導(dǎo)孔鉆頭和穩(wěn)定鉆桿直徑，要求兩者外徑相同，以保證鉆頭與鉆桿同心，確保鉆孔的精度；穩(wěn)定鉆桿的配置采取導(dǎo)孔鉆頭后連續(xù)配置5根穩(wěn)定鉆桿，然后分別隔3米、5米、11米各配置一根穩(wěn)定鉆桿，以后每隔50米配置一根穩(wěn)定鉆桿。鉆進過程中，要結(jié)合不同巖性與鉆孔深度，合理控制導(dǎo)孔鉆進速度，在保證鉆進速度的同時保證鉆孔方向。為及時掌握導(dǎo)孔偏斜程度,對導(dǎo)孔鉆進方向進行有效控制,利用KXP-2E數(shù)字測斜儀對鉆進方向進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析鉆孔偏移情況，采取糾編措施，以保證鉆孔偏差控制在允許范圍之內(nèi)。當(dāng)鉆孔深度達到50m時測定一次，根據(jù)導(dǎo)孔偏移情況適當(dāng)合理調(diào)整前端穩(wěn)定鉆桿的數(shù)量和位置，并在鉆桿中部適當(dāng)位置設(shè)置穩(wěn)定鉆桿，逐步對導(dǎo)孔方向進行調(diào)整和控制。鉆進過程中及時清理返出的巖渣，防止巖渣堆積或落入導(dǎo)孔內(nèi)，每鉆進一根鉆桿后沖水或泥漿5～10min，等孔內(nèi)的巖屑全部排出后，停泵接卸鉆桿。導(dǎo)孔透孔后，停止泥漿（水）循環(huán)，但鉆機不能停轉(zhuǎn)，開始向孔內(nèi)加清水將導(dǎo)孔內(nèi)巖渣沖洗干凈，直到鉆機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，扭矩變化不大時停鉆。導(dǎo)孔鉆進過程中，如出現(xiàn)漏水現(xiàn)象、返水減小、返渣異常等情況，要及時停止鉆進，向上提取鉆桿，進行灌漿等相關(guān)技術(shù)處理后方能繼續(xù)鉆進。6擴孔施工6.1擴孔鉆頭安裝導(dǎo)孔貫通后，先拆卸導(dǎo)孔鉆頭，之后將擴孔滾刀鉆頭運至引水下平洞段導(dǎo)孔下方工作面，將上、下提吊塊分別與導(dǎo)孔鉆桿、擴孔鉆頭固定，上、下提吊塊用鋼絲繩連接。提升導(dǎo)孔鉆桿，使鉆頭離開地面約20cm，然后固定鉆頭，下落鉆桿，拆去上、下提吊塊。在擴孔鉆頭安裝過程中鉆機操作人員與鉆頭安裝人員上下聯(lián)系、緊密配合。6.2反拉擴孔成導(dǎo)井?dāng)U孔施工時，鉆機低轉(zhuǎn)速、低鉆壓緩慢將擴孔鉆頭提升至與巖面接觸，然后從導(dǎo)孔內(nèi)通入冷卻水，以冷卻擴孔鉆頭并消塵。待擴孔鉆頭全部鉆進巖體后開始對鉆頭加壓，壓力根據(jù)巖性具體確定，遇到軟巖或巖石較為破碎時采用低壓，遇到硬巖時采用高壓。隨著擴孔鉆頭的逐步提升，鉆桿隨之跟進拆卸，拆卸鉆桿時，第二根鉆桿上方卡位升至卡座上方約20cm，將下卡瓦卡住第二根鉆桿的上卡位，下降動力水龍頭，使下卡進入卡座內(nèi)，反轉(zhuǎn)動力水龍頭一圈，升起翻轉(zhuǎn)架用機械手抱住鉆桿，動力水龍頭反轉(zhuǎn)并提升約10cm，取出上卡瓦，再將動力水龍頭升至最高位置，下降翻轉(zhuǎn)架并松開機械手，同時下降動力水龍頭連接鉆桿，取出下卡瓦，繼續(xù)擴孔鉆進。反井鉆擴挖石渣采用引水隧洞作為通道，利用反鏟和側(cè)卸裝載機配自卸汽車出渣并運至指定渣場。擴孔滾刀的壽命有限，一般在擴孔長度達到120m左右時將擴孔刀盤下放到下平洞進行檢查,更換滾刀，然后再繼續(xù)擴孔。7反井鉆機拆除及井口防護擴孔施工完成后，將擴孔鉆頭擔(dān)放在鉆機基礎(chǔ)平臺上，然后利用起重設(shè)備將鉆架、機身拆除，最后拆除擴孔鉆頭。導(dǎo)井形成后，清除井口所有石塊，防止碎石落入井中，并設(shè)置安全井蓋及安全防護欄，懸掛安全警示牌。8導(dǎo)井施工實際效果評價1#高壓引水管道豎井導(dǎo)井施工總深度367.9m（上部部分井段提前采用爆破開挖完成），導(dǎo)井直徑2.5m，偏斜值1.01m，綜合偏斜率為2.7‰；2#高壓管道豎井導(dǎo)井施工總深度367m，導(dǎo)井直徑2.5m，偏斜值0.46m，綜合偏斜率為1.2‰。從實際測量數(shù)據(jù)可以看出，終孔偏差較小，達到了預(yù)期的效果，證明所采用的鉆進方法是卓有成效的，導(dǎo)井施工完全滿足合同工期和質(zhì)量要求。9結(jié)束語沂蒙抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)豎井導(dǎo)井采用“定向鉆