楊國良，李傳波

（中國水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙 410014）

1 工程概況

長龍山抽水蓄能電站位于浙江省湖州市安吉縣，地處華東電網(wǎng)負(fù)荷中心，緊鄰已建并投產(chǎn)運行的天荒坪抽水蓄能電站，工程總裝機2100MW。電站樞紐主要由上、下水庫，導(dǎo)流泄放洞，輸水系統(tǒng)，地下廠房等建筑物組成。

引水系統(tǒng)采用三洞六機斜井式布置，其中引水上半段包括引水上平洞、上斜井及中平洞前半段。上斜井開挖斷面為拱半徑3.5m、底寬5.8m的馬蹄形，斜井角度為58°，3條斜井導(dǎo)井的實際施工長度分別為428.1m、425.6m和423.8m，中間不設(shè)施工支洞。其斜井長度是目前國內(nèi)在建抽水蓄能電站最長的斜井之一，角度較陡，而且?guī)r石強度極高，施工難度特別大。

2 斜井導(dǎo)井施工方法

2.1 施工方法初選

為確保引水斜井導(dǎo)孔施工精度，監(jiān)理和施工單位深入研究，邀請專家論證斜井導(dǎo)井工法的可行性，根據(jù)近年來已建抽水蓄能電站長斜井工程實例的情況來分析判斷，并認(rèn)真貫徹“機械化換人、自動化減人”安全生產(chǎn)理念，最終選擇定向鉆機施工導(dǎo)孔+反井鉆機施工導(dǎo)井的方法。該方法為反井鉆機法基礎(chǔ)上針對超長斜井而研發(fā)的新方法，根據(jù)巖石特性確定設(shè)備選型，并根據(jù)目前現(xiàn)有的測斜技術(shù)確定糾偏方法。通過定向鉆機自上而下先施工定向?qū)Э?，然后二次擴孔至適應(yīng)反井鉆鉆桿的導(dǎo)孔，最后采用反井鉆機反擴形成導(dǎo)井。

2.2 定向鉆機+反井鉆法優(yōu)缺點

（1）優(yōu)點。該工程以安全發(fā)展為目標(biāo)，采用反井鉆機開挖導(dǎo)井進行機械化作業(yè)，施工過程自動化程度高、開挖速度快，導(dǎo)井施工月平均進尺可達200m以上，極大地提高了效率。另外，人工導(dǎo)井開挖洞徑小、通風(fēng)排煙條件差、工作環(huán)境惡劣，采用反井鉆機作業(yè)可極大地改善作業(yè)人員的工作條件，同時施工效率也有了很大的提高。（2）缺點。需投入定向鉆機和反井鉆機2種設(shè)備，成本投入較大。

2.3 施工設(shè)備選型

（1）定向鉆機選型。在定向鉆機選型時，根據(jù)項目地質(zhì)條件和施工特點，選用的定向鉆機及其配套設(shè)備具有無線隨鉆測斜儀和磁導(dǎo)向控制鉆孔角度的功能，同時結(jié)合有線測斜設(shè)備進行驗證，這樣可準(zhǔn)確了解鉆進孔斜情況，并及時動態(tài)調(diào)整鉆孔角度進行糾偏。該方法在很多工程中均已成功應(yīng)用。長龍山上斜井反井鉆機所需要的導(dǎo)孔直徑為295mm，斜井角度為58°，設(shè)計及規(guī)范要求孔偏斜率不大于0.5%。

根據(jù)長龍山超硬巖這一地質(zhì)特性要求導(dǎo)井施工專業(yè)公司新設(shè)計FDP-68型鉆機，而不使用原計劃的在豐寧和敦化服役的ZD450R型或是設(shè)計階段的TDX-50型。定向鉆機性能參數(shù)如表1所示。第三代定向鉆機FDP-68針對長龍山上斜井堅硬巖作出改進設(shè)計，其整機質(zhì)量、成孔精度、動力頭性能和穩(wěn)定性都有所提高。

表1 定向鉆機性能參數(shù)

（2）反井鉆機選型。要根據(jù)工程條件、地質(zhì)條件、施工條件等因素綜合選擇反井鉆機及其配套設(shè)備。工程條件主要包括工程性質(zhì)、用途和技術(shù)參數(shù)（如終孔直徑、井深、傾角等）及相似工程經(jīng)驗。要根據(jù)施工導(dǎo)井的深度和傾角等參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備及市場情況確定鉆機型號。地質(zhì)條件包括巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體產(chǎn)狀、主要地質(zhì)構(gòu)造及參數(shù)、水文地質(zhì)條件、勘探資料等。要根據(jù)施工的地質(zhì)構(gòu)造及巖性，確定沖洗液類型，從而確定清水泵或泥漿泵。施工條件包括運輸條件、吊裝條件、供水供電條件等。應(yīng)根據(jù)井位供水、供電、運輸及下引水中平洞道開通情況確定鉆機型號，初步選擇ZFY3.5/180/600反井鉆機。鉆機及鉆桿參數(shù)如表2所示。

表2 反井鉆機相關(guān)性能參數(shù)

施工單位要選取針對長龍山上斜井極硬巖設(shè)計的滾刀，適應(yīng)于陡傾角造孔、強研磨性凝灰?guī)r地層等施工要求。

3 斜井導(dǎo)井施工

3.1 施工工藝流程及步驟

布置定位定向鉆機，自上而下鉆Ф216mm先導(dǎo)孔；Ф216mm先導(dǎo)孔完成后，取下鉆頭更換Ф295mm鉆頭，自下而上進行反擴刷孔；完成后拆除定向鉆機，然后安裝反井鉆機，下放鉆桿安裝刀盤；最后自下而上反拉形成Ф2m導(dǎo)井。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 斜井導(dǎo)井施工工藝流程

3.2 先導(dǎo)孔施工

（1）測量放樣。斜井導(dǎo)孔開孔前使用全站儀放出開孔點位置坐標(biāo)，經(jīng)監(jiān)理工程師復(fù)核無誤后鉆機就位，再通過全站儀測量配合調(diào)整鉆機方位和角度，使得鉆孔軌跡中心和動力頭主軸中心重合，從而確保井斜角和方位角滿足設(shè)計要求。

（2）先導(dǎo)孔開孔。為確保開孔的角度，在開孔鉆進過程中電控參數(shù)一般控制在轉(zhuǎn)數(shù)為60r/min、鉆壓為500kg、泵量為600～1200L/min。開孔鉆具組合為Ф216mm牙輪鉆頭+Ф172mm鉆鋌+Ф127mm短鉆桿（2m）。

（3）鉆進方式。定向鉆鉆進過程中，針對不同地質(zhì)條件對轉(zhuǎn)速進鉆壓進行實時控制調(diào)整，工作方式主要有兩種，共同鉆進和糾偏鉆進。①共同鉆進。共同鉆進是在不需要進行糾偏時鉆孔的施工方式，利用鉆機和螺桿同時同向旋轉(zhuǎn)的工作原理。②糾偏鉆進。這種工作方式在孔斜偏差超出了允許范圍后需要糾偏時使用。螺桿鉆具由泥漿推動旋轉(zhuǎn)，鉆機鎖定旋轉(zhuǎn)。工作原理是通過螺桿自帶的可變向彎角鉆頭旋轉(zhuǎn)，指定導(dǎo)孔沿需要的指向進行定向鉆進。施工單位每次下放1根鉆桿都進行記錄，包括造斜角度、造斜長度、返水返渣情況等，監(jiān)理工程師根據(jù)電子記錄及記錄本實時掌控軌跡情況，并對定向設(shè)計提出建議或意見。每約100m提鉆都更換鉆頭（根據(jù)鉆頭磨損程度確定），以提高鉆進效率。

（4）測斜、糾偏。采用無線隨鉆測斜儀MWD對鉆孔孔斜進行動態(tài)監(jiān)測，在無線隨鉆測斜儀指導(dǎo)下進行定向糾偏，主要依靠角度及方位進行判定，通過定向螺桿鉆具對鉆孔軌跡進行定向控制。同時每鉆進20m采用有線測斜儀進行驗證，驗證無誤后繼續(xù)鉆進施工。在定向鉆機先導(dǎo)孔施工剩余100m左右時，需在中平洞斜井導(dǎo)孔出鉆點標(biāo)記安裝磁導(dǎo)向儀進行引導(dǎo)定向。當(dāng)孔斜出現(xiàn)偏斜時，不應(yīng)大角度急促糾偏，應(yīng)通過“長距離平滑過渡糾偏法”，以減少后期擴孔和反拉鉆桿的磨損。

3.3 反井鉆機反擴施工

完成Ф295mm導(dǎo)孔掃孔后，拆除撤出定向鉆機，隨后安裝反井鉆機，下放鉆桿，并在斜井導(dǎo)孔下部安裝2m刀盤和鉆具，為了保證鉆桿和刀盤的順利接合，可搭設(shè)吊裝工作平臺。過程中通過鉆機扭力、反拉速度、累計進尺判斷刀盤的磨損情況，以便及時更換鉆頭。通過實踐，建議超長斜井反擴200m更換一次刀盤，避免刀盤上的多齒鉆頭因磨損嚴(yán)重造成扭力增大而引起的斷桿和鉆機停機故障。

4 施工成果

長龍山1#引水上斜井先導(dǎo)孔施工共計55d，終孔透孔偏差25.9cm，偏斜率0.6‰；導(dǎo)孔擴孔施工12d，擴孔最快1d可達63m；反井鉆機導(dǎo)井施工共計56d，反井鉆機反擴施工單日最大可達21m。

5 結(jié)束語

長龍山抽水蓄能電站1#引水上斜井先導(dǎo)孔施工長度達到428.3m，試驗巖體抗壓強度最高達到269MPa，屬于大傾角、超硬巖、超長斜井，工程技術(shù)人員在施工前做了充足的分析、研究及準(zhǔn)備，多次使用井下有線測斜儀對測量數(shù)據(jù)進行復(fù)核確保數(shù)據(jù)可靠。最終，斜井先導(dǎo)孔通過無線隨鉆測斜儀、井下有線測斜儀、后期2m導(dǎo)井測量的多手段驗證，控制導(dǎo)孔軌跡最大狗腿度不超過4°/30m，為導(dǎo)井施工的順利進行奠定了堅實的基礎(chǔ)，并通過先導(dǎo)孔施工時收集的返渣判斷各施工部位的巖層情況，為反井施工提供了鉆機參數(shù)設(shè)計設(shè)置的指導(dǎo)依據(jù)。