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緩坡斜井精準(zhǔn)反導(dǎo)井正挖法施工技術(shù)研究

2024-01-02 11:07
四川水力發(fā)電 2023年6期
關(guān)鍵詞:導(dǎo)井導(dǎo)孔反井

鄭 堯

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

陽江抽水蓄能電站(以下簡稱“陽蓄電站”)為國內(nèi)已建一等[大(1)型] 工程中凈水頭最高、埋深最大、灌漿壓力最大的電站,在國際上亦處于前列。該電站高壓電纜洞斜井傾角為36°,長度為262.93 m(包括彎段),呈城門洞型,斷面尺寸為6 m×5.4 m(寬×高)。目前國內(nèi)、外緩傾角斜井的施工常采用正井法或反井法,但其均存在安全風(fēng)險(xiǎn)高、投入成本大、工期長等問題。該工程若采用反井鉆機(jī)法施工是最高效、安全的開挖方法,但因該工程斜井角度明顯偏小,導(dǎo)致反井鉆機(jī)施工導(dǎo)孔貫通困難,導(dǎo)井溜渣安全風(fēng)險(xiǎn)高,且傾角為36°的斜井采用反井鉆機(jī)法施工尚無先例可尋。因此,項(xiàng)目部依托該工程開展了緩坡斜井施工工藝的分析研究,提出了一種安全、優(yōu)質(zhì)、高效的“精準(zhǔn)反導(dǎo)井正挖法”,并予以應(yīng)用,取得了較好的效果。闡述了對緩坡斜井精準(zhǔn)反導(dǎo)井正挖法施工技術(shù)進(jìn)行的研究。

2 施工工藝的比較與分析

結(jié)合陽蓄電站傾角為36°的高壓電纜洞斜井,此次研究主要針對30°~45°緩坡斜井施工工藝進(jìn)行。根據(jù)《水電水利工程斜井豎井施工規(guī)范》(DL/T5407-2019)條文說明4.1.1條中的建議:“30°~45°的緩斜井采用自上而下全斷面開挖(正井法),若采用自下而上的開挖(反井法),須有扒渣和溜渣措施”[1]。由此可見該類斜井的施工工藝局限性強(qiáng)。由于該類斜井傾角較緩、整體高差較大、空間受限、施工條件差且與常用施工設(shè)備、施工技術(shù)水平不相匹配,導(dǎo)致該工程施工難度較大。研究分析后了解到的各工藝存在的問題見表1。

表1 傾角為30°~45°緩坡斜井各施工工藝存在的問題分析統(tǒng)計(jì)表

為克服傳統(tǒng)施工工藝存在的各種問題,提高施工的安全性和效率,項(xiàng)目部技術(shù)人員探究出一種“精準(zhǔn)反導(dǎo)井正挖法[2]”。該方法通過MWD、RMRS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆頭定位,采用定向鉆機(jī)糾偏鉆進(jìn)完成了導(dǎo)孔精準(zhǔn)施工,改進(jìn)型反井鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了反擴(kuò)溜渣導(dǎo)井,模型試驗(yàn)論證了溜渣的可行性,控制爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)了正向開挖。

3 精準(zhǔn)反導(dǎo)井正挖法施工工藝

緩坡斜井精準(zhǔn)反導(dǎo)井正挖法施工的核心在于導(dǎo)孔的精準(zhǔn)貫通及導(dǎo)井溜渣,但其存在的主要風(fēng)險(xiǎn)是溜渣堵井和導(dǎo)井偏斜。其工程目的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵為:在模型理論的支撐下綜合應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù),結(jié)合有效的控制爆破方法進(jìn)行施工。

該工藝的主要施工流程:方案研究→模型試驗(yàn)→施工準(zhǔn)備→定向鉆機(jī)安裝→導(dǎo)孔施工(定位及糾偏)→定向鉆機(jī)拆除→反擴(kuò)基礎(chǔ)施工→反井鉆機(jī)安裝→導(dǎo)井反擴(kuò)施工→反井鉆機(jī)拆除→現(xiàn)場爆破試驗(yàn)→正向全斷面開挖支護(hù)。

3.1 定向鉆機(jī)導(dǎo)孔施工工藝要點(diǎn)

該工藝為確保緩坡斜井的精準(zhǔn)貫通,通過MWD、RMRS定位技術(shù)提出了采用定向鉆機(jī)施工導(dǎo)孔、輔以專用定向鉆具并結(jié)合鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行分析后實(shí)施鉆進(jìn)校正以提高導(dǎo)孔的貫通精度。

(1)鉆機(jī)選型。定向鉆機(jī)的選型應(yīng)充分結(jié)合鉆井長度、鉆孔直徑、巖石堅(jiān)硬程度、斷層情況、偏斜率控制標(biāo)準(zhǔn)、場地空間尺寸等條件復(fù)核定向鉆機(jī)的最大回托力、最大回轉(zhuǎn)扭矩、回轉(zhuǎn)速度、給進(jìn)壓力、泥漿泵最大排量、最大壓力等參數(shù),從而選擇合適的設(shè)備進(jìn)行施工。

(2)定向鉆機(jī)的糾偏鉆具組合。為解決定向鉆機(jī)及MWD、RMRS測斜系統(tǒng)在堅(jiān)硬巖層中直線鉆進(jìn)的應(yīng)用,需要采用依托該工程研制的“一種用于斜、豎井鉆進(jìn)的定向鉆具”以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)孔的定位與校正。該鉆具的組合形式:牙輪鉆頭+磁短節(jié)+單彎螺桿+浮閥+扶正器+無磁鉆鋌3根(內(nèi)置測斜儀)+扶正器+加重鉆桿+普通鉆桿。

(3)鉆井泥漿。泥漿是定向工程導(dǎo)孔定位糾偏成敗的關(guān)鍵因素之一,其主要作用是穩(wěn)定導(dǎo)孔壁、裹攜鉆渣并將其排至地表、潤滑鉆具、提供糾偏的動(dòng)力、冷卻孔底鉆具等[3]?,F(xiàn)場作業(yè)時(shí)泥漿控制的主要指標(biāo)是相對密度、濾失量、粘度、靜切力等。泥漿性能的優(yōu)劣直接影響導(dǎo)孔的定位及糾偏效果,其可以通過優(yōu)化膨潤土、水和化學(xué)處理劑等的比例調(diào)節(jié)性能,從而保證定向鉆成孔的效果以及在擴(kuò)孔、糾偏過程中的穩(wěn)定性和安全性。為了適應(yīng)不同地層對泥漿性能的要求,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)用于調(diào)整泥漿的摻量指標(biāo)。該工程采用的泥漿性能技術(shù)指標(biāo)[4]見表2。

表2 泥漿性能技術(shù)指標(biāo)表

(4)測斜糾偏。在定向鉆具無磁鉆鋌中安裝MWD測斜儀,通過脈沖發(fā)生器將探測到的數(shù)值發(fā)送至井口。通過數(shù)值計(jì)算鉆頭的實(shí)際角度、方位等數(shù)據(jù),再操作定向鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)單彎螺桿鉆具至理論角度,通過高壓泥漿壓力驅(qū)動(dòng)前段彎螺桿的鉆頭鉆進(jìn)糾偏,從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)孔“轉(zhuǎn)彎”;糾偏后重新測量鉆頭的方位數(shù)據(jù),直至調(diào)整到設(shè)計(jì)井斜。斜井導(dǎo)孔從入鉆點(diǎn)至出鉆點(diǎn)50 m之前采用MWD測斜儀對鉆頭進(jìn)行定位,導(dǎo)孔距出鉆點(diǎn)小于50 m時(shí)在透孔點(diǎn)下部設(shè)置RMRS測距系統(tǒng)對鉆頭(旋轉(zhuǎn)的短磁節(jié))進(jìn)行閉合定位,綜合MWD、RMRS兩項(xiàng)數(shù)據(jù)運(yùn)用所研究的“一種緩傾角斜井導(dǎo)孔軌跡控制方法”計(jì)算并校正導(dǎo)孔。單彎螺桿結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 單彎螺桿結(jié)構(gòu)形式圖

3.2 反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工工藝要點(diǎn)

該工藝系為確保緩坡斜井的導(dǎo)井反擴(kuò)開挖制定,從而對反井鉆機(jī)的主要受力構(gòu)件及基座進(jìn)行改造以確保其結(jié)構(gòu)受力、操作空間、設(shè)備布置等滿足相關(guān)要求,同時(shí)分階段采用合理的鉆速、鉆壓等參數(shù)完成導(dǎo)井反拉施工[5]。

(1)反井鉆機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。對于該工程傾角范圍內(nèi)的緩坡斜井,反井鉆機(jī)施工時(shí)鉆機(jī)受力復(fù)雜,重力方向上的分力大,鉆機(jī)在大扭矩力作用下容易發(fā)生機(jī)械故障,需要盡量讓鉆機(jī)的作用力垂直于基礎(chǔ)面以改善其受力情況。對此,項(xiàng)目部技術(shù)人員研究并設(shè)計(jì)出“一種緩坡斜井反井鉆機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)”。該基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于增加了基礎(chǔ)的抗滑能力,采用實(shí)心混凝土“凹”型基礎(chǔ);混凝土基礎(chǔ)與反井鉆機(jī)調(diào)腳靴板平行以確保鉆桿軸線與混凝土基礎(chǔ)斜面垂直;在基礎(chǔ)斜面上還應(yīng)預(yù)埋H型鋼用于安裝、固定反井鉆機(jī);在混凝土基礎(chǔ)內(nèi)沿斜井鉆進(jìn)中心線預(yù)埋鋼管以減少起鉆時(shí)對基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)破壞;在基礎(chǔ)的一側(cè)鋪設(shè)混凝土墊層以利于鉆桿的存放及吊運(yùn)。反井鉆機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剖面見圖2。

圖2 反井鉆機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剖面圖

(2)對反井鉆機(jī)適應(yīng)性進(jìn)行的改造。常規(guī)的反井鉆機(jī)適用于傾角為60°~90°的斜井施工,但其在傾角為30°~45°斜井中使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)性改造。該工程主要對反井鉆機(jī)液壓支撐底座、調(diào)腳靴板、抓手、馬達(dá)等部位進(jìn)行了以下改進(jìn)。

①液壓支撐底座的改造:為便于反井鉆機(jī)調(diào)整入鉆角度,在反井鉆機(jī)支撐底座與主機(jī)框架處增加了2組長液壓千斤頂,并在千斤頂與主機(jī)框架連接部位設(shè)置了三角支撐,在千斤頂與底座連接部位設(shè)置了矩形支撐。

②為進(jìn)一步提升入鉆點(diǎn)的準(zhǔn)確度,在調(diào)腳靴板處增加了2組角度調(diào)節(jié)液壓千斤頂,腳板預(yù)留錨固孔,將基礎(chǔ)板與腳板通過螺栓進(jìn)行連接。

③改進(jìn)了液壓抓手,采用兩組液壓系統(tǒng)分別控制大臂、小臂,使其猶如人的手臂一樣能夠滿足反井鉆機(jī)液壓抓手橫縱移動(dòng),從而更加便捷地安裝斜井鉆桿。

④對液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)采用雙組設(shè)計(jì),選用了兩組改進(jìn)型液壓馬達(dá),將液壓馬達(dá)做到輕量化。

通過對施工工藝及鉆機(jī)受力情況進(jìn)行研究,在改進(jìn)了上述基礎(chǔ)及設(shè)備后,實(shí)現(xiàn)了緩坡斜井反井鉆機(jī)的穩(wěn)定反擴(kuò),順利完成了導(dǎo)井施工。

3.3 正向開挖施工工藝要點(diǎn)

針對該傾角范圍的斜井,應(yīng)在數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上開展緩坡斜井溜渣可行性的分析研究,充分利用爆破試驗(yàn)開展現(xiàn)場溜渣驗(yàn)證,優(yōu)化掌子面傾角、溜渣井位置、爆破設(shè)計(jì)方案,輔以適當(dāng)?shù)牧镌胧┮越档驼蜷_挖面臨的溜渣堵井及安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題出現(xiàn)的概率。

3.3.1 導(dǎo)井溜渣運(yùn)動(dòng)特征和角度適應(yīng)性分析

緩坡斜井溜渣是否堵井決定了“精準(zhǔn)反導(dǎo)井正挖法” 的成敗,項(xiàng)目部針對緩斜井溜渣的角度,通過數(shù)值模擬、建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、開展模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)等方式探究了溜渣運(yùn)動(dòng)特征與角度的適應(yīng)性。

在進(jìn)行數(shù)值模擬前,首先進(jìn)行了單顆粒巖塊運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論研究,分析了巖塊在溜渣井內(nèi)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和特征;然后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),研究不同坡度、形狀、大小、條件下巖塊的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、距離等參數(shù)的變化情況,進(jìn)行多變量方差分析;最后進(jìn)行顆粒群巖塊運(yùn)動(dòng)特征分析,通過采用高速攝像記錄及現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)等方法定量分析了巖塊運(yùn)動(dòng)的相關(guān)特性,獲取了數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)所需的基礎(chǔ)參數(shù)。

顆粒流溜渣運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬運(yùn)用EDEM軟件進(jìn)行了離散元理論分析,通過網(wǎng)格劃分將渣料離散為單個(gè)相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的單元,通過各單元顆粒在溜渣井中相互接觸、相互作用模擬出真實(shí)的溜渣狀態(tài),運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律等創(chuàng)建每個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)方程,采用顯示時(shí)間差分法求解動(dòng)力平衡方程,通過動(dòng)態(tài)松弛法、靜態(tài)松弛法等迭代方法進(jìn)行循環(huán)迭代并計(jì)算出每個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)特性,從而得到整個(gè)研究對象的運(yùn)動(dòng)特征,模擬出溜渣過程的運(yùn)動(dòng)情況。

通過數(shù)值模擬獲取參數(shù)后進(jìn)行相關(guān)的模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)以滑渣坡度、顆粒級配為兩個(gè)變量研究石渣在導(dǎo)井中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,進(jìn)而論證緩坡斜井反井溜渣的安全角度范圍和最優(yōu)顆粒級配。模型試驗(yàn)裝置由支撐構(gòu)造、存料裝置、滑槽導(dǎo)管、渣料收集器、記錄裝置五部分組成,該裝置可實(shí)現(xiàn)0°~45°坡度范圍內(nèi)的任意改變。溜渣模型主要從渣料級配、石渣容重、滑槽尺寸、滑槽摩擦系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)考慮其相似性,模型與溜渣井的幾何相似比為1∶5。將模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)取得的結(jié)果進(jìn)行對比,從圖3中可以看出兩種試驗(yàn)渣料的沖出距離和顆粒集散區(qū)間基本一致,進(jìn)而可以相互印證試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性。某顆粒級配試驗(yàn)結(jié)果對比情況見圖3。

(左:模型試驗(yàn)結(jié)果;右:數(shù)值模擬結(jié)果)

通過對上述研究數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié),論證了30°~45°斜井在適合的條件下能夠滿足溜渣需求,并得出小顆粒是阻礙溜渣效果的因素之一。小顆粒的增多會(huì)加大溜渣過程中下墊面的摩擦力,阻礙大顆粒的滾動(dòng),因此,在工程現(xiàn)場,需要嚴(yán)格控制小顆粒的含量。模型試驗(yàn)得出粒徑小于30 mm的顆粒不能超過總質(zhì)量的20%;工程中的最大粒徑不能超過700 mm,且粒徑為200~700 mm顆粒的質(zhì)量不能超過全部顆??傎|(zhì)量的50%,否則可能有堵井風(fēng)險(xiǎn)。該工程的最優(yōu)爆渣級配區(qū)間指標(biāo)為:小顆粒含量為10%~20%,中顆粒含量為40%~50%,大顆粒含量為40%~50%。

3.3.2 緩坡斜井?dāng)U挖爆破巖塊粒徑的控制與所采用的溜渣技術(shù)

項(xiàng)目部根據(jù)數(shù)值模擬合模型試驗(yàn)推薦的最優(yōu)爆渣級配,在斜井正式開挖前開展了現(xiàn)場爆破試驗(yàn),獲得了符合溜渣粒徑控制要求的鉆爆參數(shù),項(xiàng)目部據(jù)此實(shí)施開挖并輔以擴(kuò)挖溜渣技術(shù)完成了斜井開挖。

(1)全斷面爆破試驗(yàn)。全斷面一次性爆破設(shè)計(jì)主要進(jìn)行的是爆破進(jìn)尺及爆渣級配控制試驗(yàn)等。該工程的試驗(yàn)進(jìn)尺分別為1 m→2 m→2.5 m。各種進(jìn)尺均未出現(xiàn)堵井現(xiàn)象,其中1 m進(jìn)尺成本較高,2.5 m進(jìn)尺扒渣量較大且大顆粒渣料相對較多,堵井風(fēng)險(xiǎn)高;最終選取了即經(jīng)濟(jì)又保險(xiǎn)的2 m進(jìn)尺。

根據(jù)該工程巖性特點(diǎn),在進(jìn)尺2 m時(shí)進(jìn)行了兩組鉆爆孔距試驗(yàn),第一組試驗(yàn)的孔距為40~60 cm,爆出的渣料粒徑較細(xì),細(xì)顆粒含量(18%)接近模型試驗(yàn)上限,故應(yīng)適當(dāng)加大孔距;第二組試驗(yàn)的孔距為60~70 cm,爆出的渣粒粒徑中顆粒含量較大(52%),超出了模型建議值,故應(yīng)減小孔距。最終將主爆孔間距控制在50~60 cm,綜合試驗(yàn)結(jié)果得出的最優(yōu)級配粒徑區(qū)間及含量見表3。

表3 最優(yōu)級配粒徑區(qū)間及含量表

其他工程若需參照本研究成果實(shí)施,應(yīng)首先根據(jù)工程實(shí)際遇到的巖性進(jìn)行爆破試驗(yàn),然后選擇爆破進(jìn)尺、孔距、爆破方式等。

(2)全斷面擴(kuò)挖溜渣技術(shù)。為降低堵井風(fēng)險(xiǎn),提高施工效率,項(xiàng)目部結(jié)合現(xiàn)場及模型試驗(yàn)成果對工程進(jìn)度及安全進(jìn)行綜合分析后作出了以下三點(diǎn)優(yōu)化:

①掌子面傾角優(yōu)化:為提升渣料下溜率且便于爆破造孔,將開挖掌子面傾角與水平線的夾角控制在20°~30°,如此實(shí)施能夠?qū)⒈剖行Ъ杏诘撞?提升石渣導(dǎo)入溜渣井的數(shù)量,進(jìn)一步降低扒渣人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。緩傾斜井正向開挖剖面見圖4。

圖4 緩傾斜井正向開挖剖面示意圖

②溜渣井的位置優(yōu)化:基于導(dǎo)井的高精度貫通,為有效減少下半洞的存渣量,將溜渣導(dǎo)井布置于底板,以便更好地引導(dǎo)爆破渣料下溜,減少扒渣工程量;溜渣過程采用5 L/min的助溜劑進(jìn)行助溜,助溜劑的組成為0.1%的植物油,99.9%的水。

③爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化:以導(dǎo)井為中心,炮孔布置形式采用“菱形+中心空孔”方式布置,孔距控制指標(biāo)為50~60 cm,全斷面分上下半洞兩序延時(shí)(880 ms)爆破,這樣實(shí)施既可以提高爆渣落入導(dǎo)井的量,提升施工效率;又可有效降低瞬間同時(shí)進(jìn)入導(dǎo)井的渣量,進(jìn)而降低了堵井風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 語

“精準(zhǔn)反導(dǎo)井正挖法” 在陽江抽水蓄能電站中的成功應(yīng)用,形成了緩坡斜井施工新工藝。該工藝通過實(shí)時(shí)定位、鉆進(jìn)糾偏、反井鉆機(jī)適應(yīng)性改造、模型試驗(yàn)、爆破控制等各項(xiàng)施工技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,能夠有效規(guī)避傳統(tǒng)施工工藝存在的問題,突破了緩坡斜井施工的局限性,形成了一種高效、精準(zhǔn)、安全、優(yōu)質(zhì)的施工技術(shù)。希望此次研究取得的成果及文中闡述的施工技術(shù)分析能為傾角為30°~45°斜井工程的施工提供幫助。

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