引水斜井导井开挖技术在周宁抽水蓄能电站中的应用

引水斜井导井开挖技术在周宁抽水蓄能电站中的应用摘要：引水斜井利用定向钻机和反井钻机开挖，具有安全性能好、施工效率高、精度控制准等优点，是一种安全实用的斜井施工技术。

关键词：斜井导井开挖技术应用抽水蓄能电站周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市下辖周宁县七步镇境内，电站装机容量1200MW（4×300MW），主要由上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库等建筑物组成。

输水系统总长约1772m，1#引水上斜井长约280m，斜井角度为55°；1#引水下斜井长约283m，斜井角度55°。

2#引水上斜井长约283m，斜井角度为55°；2#引水下斜井长约283m。

1、导井开挖技术概述导井开挖技术为近几年在反井钻机法基础上针对深斜井（尤其超过300m）而研发的新方法。

首先采用定向钻机自上而下施工导孔，并二次扩大为较大直径导孔，然后采用反井钻机自下而上反拉形成导井。

单独使用反井钻机施工导孔、导井的方法在国内惠州抽水蓄能电站、蒲石河抽水蓄能电站和烟岗水电站等电站均成功使用，使用定向钻机施工导孔、反井钻机施工导井的方法在河北丰宁抽蓄电站、吉林敦化抽蓄电站斜井施工中已得到成功应用。

结合总结以往工程经验，为确保周宁抽水蓄能电站引水隧洞的关键线路工期，引水斜井采用定向钻机与反井钻机的方法施工导井。

（1）优点：1）采用反井钻机开挖导井为机械化作业，自动化程度高，工序较为简单，开挖进度优于采用爬罐开挖导井，月平均进尺为100～120m。

2）人工导井开挖洞径小，通风排烟条件差，工作面环境恶劣，容易出现安全事故，采用反井钻机作业可避免人工开挖。

作业人员只需在上部进行反井钻机操作，从而大大改善了作业人员的工作条件，简化了作业程序，降低了劳动强度。

（2）缺点：需投入定向钻机和反井钻机两种设备，成本投入相对较大。

导孔偏斜较大时与下部不能贯通，则需重新钻孔，对工期影响大。

2、施工准备（1）技术准备根据本工程斜井的特点编制导井施工技术方案，选择定向钻机和反井钻机的型号。

1）定向钻机设备选型反井钻机所需要的导孔直径为295mm，与地面夹角为55°，钻孔偏斜率不大于0.5%。

而且受到洞室内运输及施工场地限制，所选取定向钻机工作高度不能超过7m。

根据实际需要要求导井专业公司新设计型号为ZD450R型钻机，具体参数如下：钻孔倾斜角度（与水平方向夹角）-10°～90°；偏斜控制：5‰；钻孔斜长：500m；动力头转速：0～180r/min，钻机最大扭矩：60kN·m；最大进给、提升力：4500kN；ZD450R定向钻机外形图如图2-1所示；ZD450R定向钻机施工示意图如图2-2所示。

图2-1ZD450R定向钻机外形图图2-2ZD450R定向钻机施工示意图2）钻具组合① 开孔钻具组合Ф216mm牙轮钻头+Ф172mm钻铤+Ф127mm短钻杆（2m）钻压：0.3～0.5t钻速：30～40r/min泵量：1200L/min② 定向钻进钻具组合216mm牙轮钻头+172螺杆+411×410浮阀+212mm扶正器+165mm定位短节+411×4A10变扣+165mm无磁钻铤1根+165mm钻铤3根+127mm加重钻杆9柱+127mm钻压：1.5～3.5t钻速：50～60r/min（硬岩段）泵量：1200L/min2）反井钻机设备选型根据导井扩孔直径、井深长度、倾角及围岩岩体抗压强度、岩石硬度指标，初步选择相应的反井钻机，然后对钻机的主要参数进行验算。

在斜井工况下，提升力=动力头重量sinα+扩孔钻头重量sinα+钻杆重量sinα+最大钻压+摩擦阻力。

本工程岩石抗压强度取120MPa左右，最大钻进深度283m、钻孔直径2.0m，初步选择ZFY3.5/150/500反井钻机，进行钻机拉力和扭矩验算，钻机最大拉力3018.63kN，扭矩96 KN.m即可满足条件。

本工程斜井选用的钻机在原基础上做了如下改进：①导向柱结构改为框架结构，能够承受更大的扭矩，更利于发挥钻机的扭矩。

②密封元件抗压强度达到40MPa（原密封元件抗压强度为30MPa），在40MPa压力条件下，钻机最大压力达到500t。

③选用法国波克兰液压有限公司的进口马达。

④增加扶正轴承，更利于大角度工况下施工斜井。

原BMC500、600型反井钻机齿轮结构均为施工竖井所设计，BMC500型反井钻机在施工丰宁抽蓄3#上斜井（220m）时，仅仅扩孔120m齿轮箱轴承及传动轴就被损坏，而BMC600至今没有施工斜井的先例。

根据计算数据及理论依据，选择ZFY3.5/150/500反井钻机进行反扩施工，该钻机最大拉力为4300kN，该反井钻机能满足工程要求。

图2-3反井钻机合金钻头与BMC普通钻头对比图（2）现场准备1）现场施工通道、通风系统、供排水系统、施工用电和照明系统、施工通讯系统的准备。

2）开钻前准备①开孔前，组织有关人员对钻机、泥浆泵、备件材料、钻机安装、电气设备安装、泥浆池、钻场安全设施与防护以及钻具、相应工具的质量、数量进行检验，检验完毕后方可开工。

②开孔前要将钻机进行认真找正，使钻孔中心和动力头主轴中心重合，确保开孔角度及方位角满足设计导井轴线角度及方位角要求。

③开孔前钻井泥浆应制备完成，并使泥浆充分循环。

3、斜井导井施工斜井施工在1#引水中平洞开挖支护施工（含技术性超挖）完成后首先开始定向钻机导孔施工，总体按照1#引水下斜井→2#引水下斜井→1#引水上斜井→2#引水上斜井顺序依次进行施工（扩挖错距进行）。

单条引水斜井导井施工程序如下：在引水下斜井上弯段安装定向钻机，自上而下钻Φ216mm导孔约180m（仅1#上斜井），待下平洞上游侧开挖支护完成后，在下部巷道安装磁导向仪，再继续完成剩余Φ216mm导孔钻孔，然后换Φ295mm刀盘，自下而上扩大为Φ295mm导孔，最后拆除定向钻机，安装反井钻机自下而上完成Φ2000mm导井施工。

（1）施工工艺流程首先在引水斜井上弯段技术性超挖形成的作业面布置定向钻机，自上而下钻Φ216mm导孔，然后自下而上反扩形成Φ295mm导孔，最后安装反井钻机，自下而上反拉形成Φ2000mm导井。

（2）定向导孔施工1）开孔开孔是保证钻孔直线及角度的关键，为确保开孔的角度，开钻前在孔位基础上预留环形孔槽，开孔钻进过程中采用轻压、慢转、大泵量的方法，转数控制在60r/min，钻压500kg，泵量600～1200L/min左右。

2）钻进成孔定向钻成孔过程中，针对不同岩石相应调整转速钻压控制，保证钻孔正常进行。

钻孔使用钻机和井下动力钻具（螺杆）产生旋转动力，主要采取复合钻进和定向钻进两种方法施工。

①复合钻进。

即钻机和螺杆同时旋转的工作方式，钻头旋转速度为二者之和。

这种钻进方式为主要的钻进方式，在不需要进行纠偏时使用。

②定向钻进。

螺杆钻具由泥浆推动旋转，钻机旋转至一定角度后锁定旋转。

由于螺杆有弯角，导孔将沿弯角指向，进行定向钻进。

这种工作方式在需要纠偏时使用，以使导孔沿着需要的方向进行钻进。

在定向钻的工作全过程中，无线随钻测斜仪均安装于螺杆钻具后的无磁钻铤内，结合磁导向装置（定向钻机先导孔施工剩余100m左右，需在下部巷道安装磁导向仪）进行监测，主要依靠角度及方位进行位置判定。

定向钻进的全过程中，每钻进3米左右时，对无线随钻测斜仪发送开始测斜信号进行测斜，测试时间不到2分钟，在钻进过程中无需起、下钻等费时的操作。

发现偏斜时，利用Ф172mm弯螺杆造斜角度进行反向钻进实现纠偏，以及随钻测斜仪进行测量，保证整个长斜钻孔的实现。

③钻进过程的泥浆控制（泥浆性能要求）钻进硬岩段时，泥浆比重控制在1.03～1.15，粘度控制在20～35＂，并根据钻孔情况及时加入泥浆添加剂调整泥浆，及时添加泥浆材料处置漏失情况。

（3）Ф295mm孔扩孔施工1) 扩孔方案选择根据以往施工经验，定向钻机施工完成直径216mm后，通常采用两种方式进行刷大：①定向钻机由下往上刷大。

②反井钻机由上往下直接刷大。

以下几种情况优先选用由上往下反井钻机直接刷大：①定向孔直径与刷大导孔直径相差小于75mm；②沉积岩地层条件下的竖井；③岩石抗压强度小于120MPa，斜长小于200m的斜井。

以下几种情况优先选择定向钻机由下往上刷大：①定向孔直径与刷大导孔直径相差超过75mm；②坚硬岩层条件下的长竖井；③岩石抗压强度大于120MPa，斜长大于200m的斜井。

福建周宁引水斜井属于坚硬岩层下的长斜井，优先选用定向钻由下往上刷大的方法，选择理由如下：①若采用由上往下刷大的方法，由于刷大岩石体积比较大，三牙轮钻头掌片易被损坏脱落，造成堵孔、埋钻、蹩钻。

②通过定向钻由下往上刷大以及反井钻机由上往下扫孔下方钻杆，有效的修正导孔轨迹。

2）扩孔施工定向钻机完成Ф216mm高精度导孔施工后，需拆除Ф216mm三牙轮钻头及配套测斜纠偏设备，更换使用Ф295mm钻头从下至上进行导孔的扩孔施工。

（4）2m孔扩孔施工导孔钻进与下平洞贯通后，拆除定向钻机，安装反井钻机，沿直径295mm导孔下放钻杆至下平洞，在下平洞安装2. 0m扩孔钻头。

安装前首先将吊帽等专用工具运至下平洞，扩孔钻头运到下平洞中心点位置。

确保上下平洞通讯通畅，连接时上下呼应，上平洞钻机操作手根据下平洞指令操作。

扩孔出渣的扩孔直径为2. 0m，每米石渣量为3.14m³，反井钻机每天可扩孔钻进10m，则每天的出渣量为31.4m³。

在中平洞安排专人值班，与下平洞通过专线电话联系。

值班人员观察存渣量，当存渣高度到达斜井顶板，应立即电话通知钻机司机停钻，下平洞出渣工作人员及时出渣。

完成出渣工作后通知钻机司机继续钻进。

如此循环，直至完成扩孔工作。

扩孔期间，下平洞做好警戒防护，除值班人员外所有人员严禁进入该洞段，值班人员在观察存渣时，离透孔中心点距离不小于10m。

扩孔期间设备布置图如图4-1所示。

图4-1扩孔期间设备布置图（3）完孔及钻机拆除钻头扩孔至距基础2.5m时，降低钻压慢速钻进，认真观察，如果基础周围出现异常现象，要及时采取措施处理，继续缓慢进行扩孔，直至钻头露出地面。

完孔后，将扩孔钻头固定悬挂，将钻架主机和一些辅助设备拆下。

然后将钻头提出孔外；再将泵车、油箱等拆装整理、运输。

清理现场后，全部钻孔工作结束。

4结语周宁抽水蓄能电站1#引下水斜井通过导井开挖技术，成功开挖2m导井，从施工准备到完成导井用时155天，定向Ф216mm高精度孔成孔轴线与斜井洞轴线偏差54cm，钻孔偏斜率仅为1.9‰，远小于规范规定的钻孔偏斜率不大于1%的要求，为后续斜井的开挖提供了可靠参数。

利用定向钻机和反井钻机开挖斜井导井，具有安全性能好、施工效率高、精度控制准等优点，是一种安全实用的斜井施工技术，可供类似工程施工进行参考。