金寨电站超长引水压力斜井导井一次成孔施工技术

田树申

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳110000）

1 概述

金寨抽水蓄能电站位于安徽省金寨县张冲乡境内，电站安装4 台单机容量300MW 的混流可逆式水轮发电机组，总装机容量1200MW。枢纽建筑物主要由上水库、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。

引水系统共2 条引水主洞，均采用两级斜井布置，分别包括引水压力管道上平段、压力管道上斜井、压力管道中平洞、压力管道下斜井、压力管道下平洞。压力管道上斜井全长200.86m，为直径8.4m 圆形断面；压力管道下斜井全长308.15m，为直径7.6m 马蹄形断面。1#引水压力管道斜井与2#引水压力管道斜井轴距53.99m。

引水长斜井是抽水蓄能电站引水系统的四级风险关键部位，对整条引水系统工程有重要的影响，是金寨抽水蓄能电站工程引水系统关键线路上的关键项目，引水长斜井导井能否顺利贯通直接影响后续引水系统的开挖、支护及混凝土衬砌施工，甚至制约首台机组的按期投产发电。

2 设计方案选择

早前在国内行业内斜井施工中比较常用爬罐法进行施工，经过多年的实践与实用，发现了该工法不但施工安全保障上存在一定局限，且施工方法已经落后，施工速度较低，逐渐已经被淘汰。近年来在斜井开挖施工方法中，已经发展为采用“先导后扩法”开挖法，即先钻设一定直径的导井，再反提钻头扩大导井断面，最后由人工从上而下采用钻爆方法扩挖至设计断面，作业过程中均是采用人工扒渣的方法，开挖面基本为水平面，投入人员数量多且效率较低，成本居高。

目前国内外超长引水压力斜井导井普遍采用常规LM-400/500 型常规反井钻机或上部人工开挖正导井和下部爬罐开挖反导井相结合，及上部反井钻机施工导井和下部爬罐开挖反导井，中部增加临时支洞相结合施工，超过200m 以后施工工期和导孔精度很难保证。

基于金寨抽水蓄能电站超长引水压力斜井，工期紧张，作业强度高，且在施工过程中均存在断层等现象，安全风险大，导孔精度难以保证。为降低偏斜风险及保证工程进度要求，本工程超长压力斜井采用反井钻机直接成型Φ2.4m 直径导井新技术，引进TR-3000 反井钻机，通过合理配置稳定钻杆和钻头，开孔前安装开孔稳定器，优化钻进参数，创新钻进工艺，先钻设φ311mm 导孔，然后直接反提形成φ2.4m 导井。

3 斜井反井钻机施工技术

3.1 反井钻机导孔施工技术

根据金寨抽水蓄能电站引水压力斜井施工特点、斜井段工程水文地质条件及国内类似工程调研，本工程引进了TR3000反井钻机进行施工，该钻机整机由澳大利亚特瑞特克生产，相对犀牛400/500 等钻机具有安全性好、导孔施工精度高、成井质量好、反提口径大等特点，最大扩孔直径3.1m，斜井最大钻孔深度311m。

根据本区域地质围岩构造以及施工经验，本次实践采用直径φ311mm 先导孔钻头、扩孔直径φ2.4m 反提刀盘。从开挖施工过程来看，4 条压力斜井扩挖过程未发生堵井事故。

施工过程中偏斜控制：

（1）钻孔位置、角度确定。在施工金寨抽水蓄能电站1#、2#压力上斜井时，发现两条井的钻孔偏差方向都是往主机的下方偏斜，且每百米的偏差值接近。根据压力上斜井施工经验，在下斜井超长斜井施工前，将钻机适当调整左右偏差预纠偏角，设定斜井的开孔倾角为49°40′（设计斜井角度为50°），以纠正由岩石局部破碎导致的下偏差；方位角在设计角度的基础上向左调整0.4°，以纠正导孔施工过程中的右偏差。

（2）开孔钻进。金寨电站超长压力斜井导孔开孔前再用全站仪仔细校核主机开孔角度，正确安装好开孔稳定器，并在孔口位置加工安装钻杆扶正器稳住钻杆，防止钻具在开孔阶段发生偏差，用开孔钻杆低钻压、低钻速开孔，正常钻进每隔10min左右采用手动逆时针旋转慢速钻进，开孔深度不低于3m。开孔完成后，取出开孔钻杆及开孔器，安装稳定钻杆开始正常钻进。

（3）合理配置稳定钻杆。稳定钻杆的作用主要是控制钻头在钻进过程中顺开孔方向直线钻进，所以稳定钻杆和钻头直径的合理配置是保证钻孔精度的重要条件之一，在超长压力斜井施工中第1、2、3、7 根配置稳定钻杆。将稳定钻杆配置在靠近钻头的前端，由于钻杆与钻头直径一致，利用钻孔孔壁的束缚将钻杆前端强制摆正，使钻杆轴线方向与原孔向一致，以此达到纠正孔向偏差的目的，有效的控制导孔施工精度。

（4）偏差测量。反井钻机导孔施工中，钻孔偏差测量是必不可少的辅助手段之一，钻头进入岩石后，对其偏斜的方位无法进行有效监控，本超长压力斜井导孔钻设过程中采用陀螺测斜仪进行测斜，每30m 测量一次，及时对进行偏差测量并进行偏差纠正。

（5）不良地质段的技术处理措施。针对金寨抽水蓄能电站超长压力斜井施工过程中钻杆遇到断层等不良地质段，采用泥浆护壁材料施工，作为断层带钻进时的护壁、冲渣、润滑介质，使断层带能够直接进行钻进作业，避免了常规钻进在断层带先预固结灌浆再钻进工序，提高了效率，加快了进度，节约了成本。

3.2 反井钻机导井施工技术

导孔贯穿后，在下部隧洞用液压拆杆器拆掉导孔钻头，连接好扩孔刀盘，开始自下而上的提拉扩孔，扩孔钻进时破碎下来的岩屑靠自重落到中平洞，由铲运机和其它装载设备运出。

3.2.1 扩孔参数控制

扩孔钻进时的扭矩、推力和转速控制见下表：

扩孔钻进时的扭矩、推力和转速控制

3.2.2 扩孔注意事项

（1）扩孔钻进之前，应在上下之间建立良好的通讯，以利于导孔钻头的拆卸和扩孔钻头的安装。在安装刀盘之前，上下水平的操作人员必须确认信号，形成一致，在安装过程中，上下水平人员必须认真听信号，待准确无误后方可操作。（2）反井钻机操作手要注意力集中，精心操作，听到异常声音或有异常振动等情况时，及时停机处理，随时观察设备运行情况和机架固定情况。（3）要求操作手每班都要对活动套进行仔细的检查，发有现松动或者丝扣磨损严重的，必须及时紧固或者进行更换；当扩完一根钻杆时，拆出钻杆，在丝扣上抹上丝扣油之后再扭紧丝扣到规定的扭矩（1800psi），然后取去卡瓦，调低推进压力开始旋转推进，等钻头和岩石完全接触之后，再慢慢调整推进力到合适大小，然后开始正常扩孔施工。（4）扩孔施工中，需要用水每小时5 方左右，必须设有沉淀过滤池以及良好的排水系统。（5）施工中要及时查看下井口的出渣情况，并及时用铲运机或其他铲运设备清理扩孔破碎下来的岩屑，防止下口被堵塞。（6）在扩孔施工到5 米左右时，把扩孔刀盘下放至下井口，彻底检查刀盘、中心杆、刀座，并检查所有连接螺栓的扭矩是否达到要求。（7）下井口应做好安全警示，防止落石伤人，并派专人注意落渣情况，及时出渣，防止发生堵井事故。

3.2.3 收尾阶段

扩孔完成，经过钻头吊装、拆机、清理工作面、井口防护、工作面移交等工作后结束施工。

3.3 超长压力斜井导孔、导井贯通测量成果偏差分析

金寨抽水蓄能电站4 条超长压力斜井，导孔均精准贯通，1#引水上斜井导孔偏斜率0.92%；2# 引水上斜井导孔偏斜率0.9%；1#引水下斜井导孔偏斜率0.45%；2#引水下斜井导孔偏斜率0.34%，保证了导孔精度。

4 结论

金寨抽水蓄能电站引水压力斜井在国内水电行业成功引进TR3000 反井钻机一次性高精度成型φ2.4 米导井，是水电行业导井施工工艺的一次提升，达到了安全、快速、高效的施工目的，取得了大口径反井钻井反井法在超长引水压力斜井导井施工的经验。