特长斜井精准开挖技术在敦化电站的应用

李世斌

（中电建建筑集团有限公司，北京 100120）

随着测绘技术成熟和测量仪器革新，地下洞室开挖精准度越来越高，对于平洞和竖井，贯通误差明显缩小。但是对于斜井，尤其是陡倾角长斜井，仍然出现超出限差的现象，在设计洞径较小时，开挖边界超差，处理难度大，经济损失大。斜井精准开挖分为两个层面，一是导井精准贯通，二是大井精准扩挖，只有两个方面全部实现，整个斜井开挖才可达到精准要求。

1 工程概况

敦化抽水蓄能电站引水系统工程设计有两级斜井，分为上斜井和下斜井。上斜井单长419.06 m，开挖断面为Ф7.0 m，倾角55°。斜井井口距上支洞洞口约为545 m，井底距中支洞洞口约为2 036 m，无施工支洞直接通往斜井段，是典型的暗藏式地下斜井。斜井开挖采用先导井后扩挖的方式，导井开挖首选反井钻法，大井扩挖采用钻爆法。

反井钻可满足200 m以内陡倾角斜井开挖，但自身不具备孔内纠偏能力[1-2]，在地质条件复杂地段，高钻速、高钻压作用下，钻头顺着断层、裂隙、节理和硬度偏低岩层钻进，导致钻头方向失控，导孔偏斜超过预计偏差和规范限差。2#上斜井导井长度372 m，倾角为55°。采用反井钻机开挖导井，导孔偏斜率比较难控制[3]，特别是对斜井沿线复杂的地质条件，更难控制。精准贯通先导孔，成为反井钻实施导井开挖的关键。

2 斜井开挖关键技术应用

2.1 定向钻高精度开挖先导孔

引入石油、煤炭行业钻井技术，通过合作模式，优化设备，更适合隧洞内开挖斜井导井。选择高精度的定向钻机，施工反井钻机先导孔。根据洞室结构参数和施工条件，对钻机进行改进，为反井钻开挖高精度先导孔。

2.1.1 无线随钻测斜技术

随钻测斜技术起始于国外的石油钻井技术，按传输通道分为泥浆脉冲、电磁波、声波和光纤4种方式，以泥浆脉冲式使用最为广泛。MWD-76型测斜仪是一种正脉冲无线随钻测斜仪，该仪器是将井下参数进行编码后，产生脉冲信号驱动脉冲发生器内的电磁阀动作，限制部分泥浆流入钻柱，从而产生泥浆正脉冲。地面上采用泥浆压力传感器检测来自井下仪器的泥浆脉冲信息，并传输到地面数据处理系统进行处理，井下仪器所测量的井斜角、方位角和工具面数据直观的显示在计算机和司钻显示器上。

2.1.2 定向钻纠偏技术核心

定向钻能够在孔内纠偏，主要依靠井下钻具组合，关键部位就是螺杆钻具。螺杆钻具是一种将循环冲洗液的压力能转化为转动的机械能的容积式井下动力钻具。螺杆钻具前端连接钻头，高压泥浆流经螺杆钻具时，螺杆马达在扭矩作用下旋转，带动下面的钻头工作。螺杆钻具的转子有单头和多头两种，多头螺杆钻具有扭矩大，转速低，压降小，容易启动等优点，目前被广泛应用在钻孔定向钻进中。螺杆钻具由旁通阀、马达、万向轴和传动轴组成，如图1所示其各自功能作用如下：

图1 螺杆钻具组成

旁通阀总成位于螺杆钻具组始端，由阀芯、阀套、弹簧、阀口等零件组成。在钻进时有2种工作状态，即开启状态和关闭状态，由钻井液流量控制。当钻头正常钻进时，旁通阀处于关闭状态，被压缩的弹簧上举阀芯，泥浆流经马达把压力能转换为机械能，推动钻头向前钻进。当钻头纠偏钻进时，旁通阀处于打开状态，一定流量的钻井液压入总成，迫使阀芯向下动作，迫使弹簧压缩并关闭阀体上的通道。钻井液在螺杆钻具内循环，流经偏心孔改变钻头万向轴的方向，按照指令进行纠偏的钻进动作。

马达总成由转子和定子两部分组成，转子为螺杆形状，下段连接万向轴，上段为自由端，上边镀有抗磨耐腐蚀材料镉，定子为腔状结构，由硫化橡胶衬套和钢筒组成的。从传动角度看，它们是一组特殊的啮合结构，呈现一种螺旋曲面的线条，啮合点紧密，形成一组空腔。螺杆马达的基本工作原理为：当具有一定能量的钻井液进入转子、定子形成的密封腔，从一端向另一端通过时，形成压力，驱动转子在定子内部转动，将液压势能转化为机械动能。所以说马达是螺杆钻具的动力部件。

万向轴总成连接马达和传动轴，它的主要作用是改变钻进方向和传递扭矩。把马达转子的行星运动转化为传动轴的定轴转动，在调整转进姿态的同时把扭矩向钻头方向传递。

传动轴总成由壳体、轴、推力轴承、径向轴承等组成，内部有一组角接触推力球轴承，具有较高的承载能力，作用是将万向轴传来的扭矩和转速传递给钻头，同时要承受钻进时地层作用于钻头的轴向力和径向力。

2.1.3 低固相泥浆

钻井泥浆是钻井过程中使用的一种特殊浆液，通过膨润土、氧化钙和化学处理剂按一定比例混合，高速离心机离散后采用循环泵和搅拌机调为均质乳状液体。钻井泥浆在钻井施工中作用非常重要，其主要功能为冲洗井底、携带岩屑、平衡地层压力、冷却与润滑钻头、稳定井壁、悬浮岩屑和密度调整材料、获取地层信息、传递功率（传给螺杆钻具等）。控制泥浆中的含沙量，严格四级净化，控制泥浆性能的稳定，保持适当粘度，增强泥浆携砂能力。

2.1.4 井下随钻测斜[4]与孔内螺杆纠偏技术

小直径钻孔用无加重钻杆、低钻压、孔底马达钻进的多种钻具组合方式，适合于大角度斜孔钻进。选用的润滑减摩钻孔泥浆配方、三级泥浆净化工艺以及造斜段辅助注浆稳定孔壁措施，能有效的保证钻孔孔壁的稳定，减少大角度斜孔钻孔摩阻，保证了钻孔的安全。

（1）孔斜监测

在无线随钻测斜仪测量参数指导下，通过定向螺杆钻具对钻孔轨迹进行定向控制。每钻进30 m测斜一次，5～10 m一个测点。孔斜超偏时，加密测点，并制定定向纠偏设计。

（2）钻孔纠偏

螺杆钻具有2种工作姿态，如图2所示，分别为滑动钻进和复合钻进，如偏斜角大于设计数值，根据制定的纠偏设计，利用弯螺杆以斜角度进行反向钻进实现纠偏，称为滑动钻进；同时随钻测斜仪进行加密测量，如偏斜角小于设计数值，可减少定向长度，进行复合钻进，保证整个长斜钻孔的实现。

图2 螺杆钻具2种工作姿态

2.1.5 定向钻机设备优化改进

定向钻为石油煤炭行业钻探设备，主要在野外作业，机型高大，钻杆细长，我方斜井位于地下洞室，空间受限。需要对钻机的适应性进行系列改进，优化后定向钻机具有如下特点。

一是人员安全，经过技术改造和优化，钻杆安装和拆除实现了机械手自动化操作，减少了作业者工作强度和危险程度，降低了事故的发生率；二是设备安全，钻井的钻杆连接是采用螺扣结构，上扣过赢对设备产生超负荷运转，上扣不足对钻杆螺扣产生过度磨损导致钻杆提前报废，改进后上扣装置采用马达旋转上扣，并可以预设上扣扭矩，扭矩超过设定范围时，马达就会自动停止旋转，操作动作平稳，增加了使用寿命；三是效率提高，改进后的定钻机适用于竖井、斜井和水平井，根据不同的造孔参数进行钻具组合，钻头芽孢刚度可根据岩体硬度检测数据、造孔深度等在厂家进行定制，适合于所建造工程，减少频繁更换钻头的浪费，实现连续作业，提高了生产效率，同时也相应地减少了井下马达定向的时间。

2.1.6 2#下斜井进行生产性试验

经过前期准备，2017年5月15日，定向钻开孔，孔径216 mm。考虑斜井扩挖时溜渣设计，爬罐法反导井开挖距底板1.0 m，沿斜井轴线方向平行实施，确定开 孔 点 点 位 坐 标：X=Y2 2+394.22；Y=±0.000；H=942.63；目标钻进方向为55°14'36.31"。6月6日钻头出露于反导井掌子面中心，钻孔深度194 m，达到点对点精准贯通，生产性试验成功。

2.1.7 定向钻技术全井全程实施

2#上斜井起始桩号为Y2 1+054.854，终点桩号为Y2 1+317.774，导孔开挖长度372 m。为确保定向钻机精确贯通，引入强磁导向技术，在钻头出露点位置安装强磁导向仪一套，电磁信号由反馈天线传送至电脑终端，根据钻头与接收器之间产生的电磁信号，经过解码、调制和还原等过程，最终编译出两点间高差、斜距、倾角及方位等参数成果，指导定向钻机的前端钻铤和浮阀装置进行微调整，纠正钻进方向不断地接近于目标点。7月18日，上斜井定向钻实施直径216 mm导孔，经过29 d昼夜连续钻进，顺利贯通。平面贯通误差32 cm，纵断面贯通误差12 cm，综合计算偏斜率为0.96‰，满足导孔施工技术5‰的要求和斜井竖井施工规范要求。

2.2 控制大井扩挖超欠挖程度

斜井导井贯通后，需要将导井扩挖至开挖设计边线，大井扩挖一般采用钻爆法实施，相对于平洞和竖井，人员在斜井下方向感较差。平洞开挖技术比较成熟，有经验的钻爆工人能够很好掌握；竖井在阻尼铅垂球辅助作用下，也能保证精确的掘进方向。斜井导井一般位于断面中下部，开挖过程导孔周边精度较低，在断面呈现不对称现象。而以水平掌子面开挖法，断面投影（圆形投影为椭圆型）更加重了作业人员对体型的感性认知，钻孔角度难以控制，尤其是马蹄形断面底板和底角，超欠挖程度极易失控。按照规范要求，地下洞室不允许有欠挖，斜井竖井非地质原因超挖应小于25 cm，意味着非地质原因造成的超挖和洞室衬砌时回填此部分混凝土不予计量，所以大井扩挖边线精度至关重要。出现欠挖要全部处理，根据多年施工经验看，欠挖越少（10 cm以内）处理难度越大，而且处理不当很容易造成不必要的超挖；非地质原因引起的超挖超填要自己埋单，不只是增加出渣量，影响开挖工序时间节奏，在回填混凝土时大量的超填可能超出投标时的预估量，人材机成本折算后面临亏损几率较大，所以控制大井超欠挖程度成为斜井扩挖最为关注要点。只能采取必要手段严格控制扩挖的超欠挖程度。

2.2.1 精准放线

斜井导井贯通后，第一时间将上下井口导线控制点进行复核导井贯通误差，联系支洞主洞控制网予以平差和调差，建立斜井独立坐标系，供大井扩挖和后期钢管安装时采用。斜井上弯段扩挖采用全站仪逐层放线，确定钻孔开孔点和方向，设立定向孔，穿插反光标杆，钻工在钻孔过程中始终可以瞄准定向杆，当斜井逐步进入斜直段，全站仪须安装弯管目镜，控制点两侧设置两个校核点，两套独立坐标系相互校核。引入启飞软件和蓝牙无线传输手机终端技术，实施数据自动采集、图形立体化、点位可视化和计算自动化快速测量，检测任意可疑点是否超限。

2.2.2 辅助导向

斜井开挖进入斜直段，除全站仪现场放线外，激光导向将发挥主导作用。沿用爬罐法斜井反导井开挖改进的激光导向技术，在井壁按照特征点位置安装激光导向组，将开挖轮廓线关键点投射在井下掌子面，井下钻爆工人根据激光点位和指向，确定、校正钻孔方向，纠正最初下井时错误的第一感知，严格按照指引方向钻孔开挖。激光导向组随着扩挖进度逐步下移，定期校正，始终保持导向仪的激光投射精准度。

2.2.3 样架控制

马蹄形断面最容易出现超欠挖的部位是底板和两个底角，人员向反方向操作钻机，自身施工难度较大。为此，定做控制样架，在钻孔前一米钻进在样架上进行，保证开孔位置和钻孔方向，更换长钻杆后顺着已确定好的孔向继续钻到爆破设计中要求孔深。

2.2.4 装药控制

周边孔装药爆破对斜井扩挖体型控制至关重要，斜井全断面扩挖采用光面爆破工艺，在周边孔装药结构上采用间隔空气柱装药方法，即采用导爆索或细竹片将药卷按照殉爆间距绑成药卷串，在主爆孔层层爆破后，周边孔炸药均衡施力，按照钻孔连线剥离岩体，达到设计边线。充分发挥专职爆破员和现场质检人员作用，针对周边孔钻孔间距和装药结构认真检查复核，杜绝个别工人或队伍只顾进度而放松质量，故意采取加大周边孔孔距和孔底集中装药方式，形成管理因素造成的超欠挖现象。

2.2.5 加强通风

工程对地出口少，井巷雾气浓厚，导向仪激光穿透力减弱，光斑晕大，光束暗淡，对测量放线和激光导向带来极大影响。针对此采取了强化通风除湿措施。

（1）采取井底投放暖风机热源，加热输入的新鲜空气，利用烟囱效应将干燥空气通过导井带上扩挖掌子面，进而驱散滞留在井巷中部的水汽。

（2）井口投放射流风机引风，可逆式风机还能随气流变化调整方向，加速气流流动，改善工作环境，给斜井扩挖带来积极影响。

3 实施效果

定向钻开挖先导孔，点对点精准贯通，如图3所示；反井钻扩孔直径大，导井井壁光滑，避免堵井风险，施工质量可靠；对比爬罐法开挖同样特征的另一条导井，工期可节约1/3以上，效率较高。斜井扩挖采取系列控制措施，斜井扩挖到设计边线，全线无欠挖，除局部不良地质段的拱肩和底角位置出现一定程度超限超挖，其余洞段超挖值均低于施工规范的限差，体型优美流畅，有效地控制了后期混凝土回填量，如图4所示。

图3 定向钻先导孔点对点贯通

图4 斜井大井扩挖体型标准

4 结束语

特长斜井精准开挖技术分别讲述了导井导孔的贯通精度控制和大井扩挖超欠挖控制，首先从技术上入手，解决反井钻自身不具备纠偏的缺点，引入石油煤炭行业钻井设备——定向钻，随钻随测斜、随钻孔内纠偏，确保了导孔钻进精度，为反井钻打下良好基础；反井钻根据斜井长度、岩石硬度、扩孔直径等选择合适的型号，一举反拉成井壁光滑的反导井，降低了大井扩挖堵井风险。再从设备改进出发，通过优化改进，将野外使用的高大设备改良为适应地下洞室斜井开挖的设备，解决了设备适应范围小的难题。最后从工程测量、辅助措施、管理措施等多处着手，实现了大井超欠挖的精准控制，达到了预期效果，具有很高的借鉴和推广价值。