超深豎井開挖導井一次成井技術

超深豎井開挖導井一次成井技術摘要：抽水蓄能電站引水豎井采用反井鉆機施工過程中，導井的形成是豎井得以擴挖成井的關鍵，制約著豎井施工的質(zhì)量和進度，本文對超深豎井的導井采用定向鉆機和反井鉆機組合一次成井的關鍵技術和專用設備進行了闡述，為類似工程提供經(jīng)驗參考。關鍵詞：超深豎井；開挖導井；一次成井1工程概況山東沂蒙抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)1#、2#高壓引水管道豎井深度均高達約380m,豎井開挖斷面為圓形，直徑為7.6m。原設計方案為設置施工中支洞，將導井分為兩段進行施工,后經(jīng)方案優(yōu)化,取消中支洞,采用反井鉆機一次成井。高壓管道豎井段巖性為微風化片麻狀閃長巖、花崗閃長巖，斷層裂隙較發(fā)育，圍巖受裂隙切割，巖體多為塊?次塊狀結構，以II?III類圍巖為主，斷層及裂隙密集帶地段為W類圍巖。為滿足豎井后期擴挖出渣要求，豎井導井采用反井鉆機施工，結合最終成井直徑、總井深及鉆機能力等因素，高壓管道豎井導井直徑確定為2.5m。2成井工藝及設備選擇成井工藝基于原設計方案的調(diào)整、豎井地質(zhì)條件以及進度要求，若要保證380m導井一次成井，并滿足透孔精度要求，采用傳統(tǒng)的僅依靠反井鉆機單一設備成井的方法，無論從成井精度，還是鉆孔過種各種風險管控，都無法得到保證，所以經(jīng)過多方案比選，本工程采用了“定向鉆機TDX50+反井鉆機BMC600”的大型成孔設備組合，由定向鉆機先打?152mm導孔，反井鉆機刷擴成?311mm導孔，再反拉形成直徑2.5m的導井。主要施工順序為：定向鉆機施工高精度先導孔一反井鉆機施工導孔一導井反拉成導井一豎井爆破擴挖達到設計斷面。定向鉆孔設備及機具選型定向鉆機選用TDX50型鉆機，是一種為定向孔施工而研制的新型鉆機，可以在井巷內(nèi)施工0?90°定向孔，主要由孔口裝置、夾持器及卸扣器、動力頭及側擺機構、機體滑架及補償機構、舉升油缸、履帶底盤、動力和液壓系統(tǒng)、小絞車、泥漿泵等；給進提升為馬達-鏈條增力機構，具有很強的提升能力，可處置復雜工況；動力頭回轉為三馬達驅動，匹配四種轉速，滿足定向施工不同工況要求；全液壓控制系統(tǒng)，維護操作便捷，履帶式底盤具備自行走功能。定向鉆機見圖1。反井鉆機主機選型高壓引水豎井開挖深度范圍內(nèi)的圍巖堅硬，巖石抗壓強度較高。綜合考慮圍巖地質(zhì)特性、導井直徑和井深、施工工期等綜合因素對鉆機性能的要求，比選采用BMC600型反井鉆機進行導井施工，鉆機如圖2所示。圖2BMC600型反井鉆機圖圖2BMC600型反井鉆機3施工準備根據(jù)兩種鉆機最大工作高度刷擴洞室，施工鉆機基礎、泥漿沉淀池和提吊天錨等設施。工作面周邊開挖循環(huán)水槽連接至沉淀池，池頂高低于鉆機基礎面。鉆進排渣及鉆機循環(huán)供水采用DN50鋼管從已建高位水池接引。設備供電從引水洞內(nèi)630kVA變壓器接引。在反拉面附近設置集水坑，將排水溝廢水引至集水坑內(nèi)集水坑廢水再集中引排至隧洞排水系統(tǒng)進行處理。反井鉆基礎施工及基座安裝加固：清理反井鉆機基礎面，測量放出豎井中心點，在清理好的基礎面上采用C30混凝土澆筑鉆機基礎平臺，澆筑時預留機架固定錨桿及固定螺栓。主機基座正確安裝后，打設2m深、?42mm的錨桿孔，清孔后用錨固劑錨固地腳錨桿，清理基座下方的雜物并用水清洗，在基座和基礎之間的縫隙澆筑細石混凝土。復測和校正基座，確保安裝位置正確。定向先導孔鉆孔及糾偏技術定向鉆機安裝調(diào)試完畢后，即可進行先導孔施工，導孔直徑①152mm，鉆機在施工過程中隨時測斜糾偏，定向鉆進長度在正常糾偏時為2?3m，正常降斜時為1?2m，當定向沒有達到預定效果時，需要重新定向。定向工具面角在定向鉆進過程中，以穩(wěn)定工具面角為主；糾偏時以閉合方位為基準，反扭；降斜時，以鉆孔方位角為基準，反扭。井深小于200m，反扭矩角10?20°；井深大于200m，反扭角20?30°。一般鉆機在鉆進過程中，鉆頭受到地層的影響會產(chǎn)生偏斜，偏離預定的孔線軌跡，最典型的是地層軟硬交疊造成的偏斜，這對深井導井施工的影響尤其顯著定向鉆優(yōu)秀的糾偏功能可大大減小這種偏差，滿足設計精度要求。導井先導孔施工采用定向鉆具組合進行鉆進，在鉆進過程中隨鉆測斜儀可對鉆進軌跡進行連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)偏斜及時動態(tài)糾偏，使整個鉆進過程受控，孔線軌跡偏差滿足設計要求。在無線隨鉆測斜儀中，安裝有傳感器對三軸重力和三軸磁力線進行探測，通過這些傳感器測得的數(shù)值，由內(nèi)置計算機進行編碼，經(jīng)脈沖發(fā)生器通過泥漿脈動傳遞至地面，地面計算機解碼數(shù)據(jù)后，再綜合鉆井深度參數(shù)，可測出已成孔的孔線軌跡。定向鉆的螺桿鉆具是一種特殊的井下動力鉆具，可在鉆桿不旋轉的情況下，由高壓泥漿驅動鉆頭旋轉。通常選擇具有一定彎曲角度的螺桿，從而可以進行滑動鉆進，即使孔“轉彎”。定向鉆具組合包括定向鉆進和復合鉆進組合。在正常鉆進時，鉆機和螺桿鉆具同時旋轉，提供較高的轉速進行鉆進；在無線隨鉆測斜儀測出偏斜超標的情況下，調(diào)整至滑動鉆進，從而對鉆進軌跡進行控制，降低孔斜偏差。在無線隨鉆測斜儀測量參數(shù)指導下，通過定向螺桿鉆具對鉆孔軌跡進行動態(tài)方向控制，每推進一根鉆桿測斜一次，當鉆孔偏距大于0.5m或鉆孔斜角偏差大于0.8°時，或對鉆孔的軌跡判斷存在疑問時，要加密測點，必要時單獨下無磁鉆鋌加鉆頭全程測斜。制定糾偏措施，利用彎螺桿造斜角度進行反向鉆進實現(xiàn)糾偏，一般情況采用彎角1.25。的①165mm螺桿鉆具，定向效果不理想的情況下，可以用彎角1.5°螺桿鉆具。如偏斜角大于控制值，可減少定向長度，進行復合鉆進。在先導孔鉆進過程中，遇到裂隙、斷層等不良地質(zhì)構造，會出現(xiàn)返渣量小，返渣顆粒較細，甚至出現(xiàn)不返漿、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，應對不良地層進行必要的處理。根據(jù)鉆進過程觀察，先導孔鉆進到這些地層時，加大泥漿或者清水循環(huán)量將斷層中泥質(zhì)部分沖洗干凈后，提鉆進行灌漿處理，待孔內(nèi)漿液達到強度后重新鉆進直至貫通。具體方法：在現(xiàn)場制備水灰比為0.4?0.55的水泥漿或水泥砂漿通過灌漿設備或自流輸送的方法進行灌孔，利用漿液填充斷層、裂隙，并利用灌漿壓力對影響帶巖體進行固結，待漿液凝固后即可進行掃孔施工。先導孔鉆進是本工程一次成井施工中的重點和難點，是反井法施工中的重要環(huán)節(jié),決定反井工程的成敗。在本豎井工程中,我們采取了行之有效的偏差控制措施，并在施工中不斷地摸索研究，精準監(jiān)測，準確掌握地質(zhì)情況，合理控制鉆進速度，使得先導孔順利貫通。導孔施工反井鉆機安裝、調(diào)試及主機校準待基座混凝土和錨桿強度達到要求之后，安裝主機的兩塊腳板，并扭緊螺栓，利用自行式履帶底盤運輸主機至工作面正確安裝在腳板上，根據(jù)豎井設計角度初步調(diào)整好主機鉆孔角度，固定好主機，退出自行走底盤。主機就位之后，將液壓站安裝至工作面預設位置，校準水平。運輸操作臺至工作面，擺放在合適的位置，之后連接油管，敷設電纜線路。確認電纜、油管等正確連接無誤后，送電檢查電壓、相序和各儀表顯示狀況，通電1小時以上，再次全面檢查設備各部位的狀態(tài)，包括液壓油、齒輪油等，確保安裝正確和人員處于安全狀態(tài)后開機試運行。調(diào)試內(nèi)容主要包括各電機狀態(tài)、管路進回油、機械手和轉盤吊、冷卻水系統(tǒng)、泥漿泵及水（泥漿）循環(huán)系統(tǒng)等。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)異常及時停機處理。用數(shù)顯角度儀、全站儀等多次反復校準主機，保證主機的導孔開孔角度為90°，確定主機動力頭行走直線與豎井軸線重合或者平行。待主機校準、調(diào)平、調(diào)正處理后，緊固主機與腳板、基座的連接螺栓，對鉆機機架進行固定。導孔鉆進通過先導孔導向，反井鉆刷孔至①311mm導孔，導孔刷擴的過程也是鉆桿下放的過程。鉆機調(diào)平，開孔鉆進后，調(diào)整動力水龍頭的轉速為預定值，并升到最高位置，將導孔鉆頭移入鉆架底孔并用卡瓦卡住鉆桿，然后將卡瓦放入卡座，用鉆機輔助設備連接鉆桿。接好鉆桿后，開啟冷卻用水開始開孔鉆進。導孔鉆進排渣用泥漿泵抽取沉渣池內(nèi)的水，從動力水龍頭的洗井液接頭沿鉆桿內(nèi)壁壓入鉆頭底部，經(jīng)鉆頭底部的出水孔將孔底的石渣沿孔壁排至孔口的排渣槽內(nèi)，自流進沉渣池內(nèi)。石渣沉淀后撈至專用堆放位置，石渣水經(jīng)沉淀處理后，再用泥漿泵抽入導孔內(nèi)循環(huán)利用。開孔前正確安裝好開孔穩(wěn)定器，用開孔鉆桿低鉆壓、低鉆速開孔，開孔深度為3米，開孔完成后，取出開孔鉆桿及開孔穩(wěn)定器，更換穩(wěn)定鉆桿開始正常鉆進導孔鉆進的過程，也是對地層的勘探過程，反井鉆機雖然不是取芯鉆進，但根據(jù)對鉆進過程觀測以及返出巖屑的情況，根據(jù)經(jīng)驗可以對地層有初步的定性分析和判斷，為導孔鉆進和反拉擴孔、井壁維護等提供參考。導孔鉆進的參數(shù)控制序號項目推扭矩力(KN.m)(t)轉速(r/min)備注61開孔 6~8~95~10鉆進速度控制在160min/m完整圍巖地層斷層、破碎帶9~100~24序號項目推扭矩力(KN.m)(t)轉速(r/min)備注61開孔 6~8~95~10鉆進速度控制在160min/m完整圍巖地層斷層、破碎帶9~100~247~9~1020~210~1鉆進速度控制在50min/m鉆進速度控制在80min/m在開孔及正常鉆進過程中合理配置穩(wěn)定鉆桿（裝有4根穩(wěn)定耐磨條，直徑與導孔鉆頭一致的鉆桿）強制控制導孔鉆進方向，利用導孔孔壁對穩(wěn)定鉆桿的約束作用將前端一定范圍內(nèi)的鉆桿強制擺正，保證鉆桿鉆進方向與設計鉆孔軸線一致從而控制導孔鉆進方向。配置穩(wěn)定鉆桿時應注意：開孔前測量導孔鉆頭和穩(wěn)定鉆桿直徑，要求兩者外徑相同，以保證鉆頭與鉆桿同心，確保鉆孔的精度；穩(wěn)定鉆桿的配置采取導孔鉆頭后連續(xù)配置5根穩(wěn)定鉆桿，然后分別隔3米、5米、11米各配置一根穩(wěn)定鉆桿，以后每隔50米配置一根穩(wěn)定鉆桿。鉆進過程中，要結合不同巖性與鉆孔深度，合理控制導孔鉆進速度，在保證鉆進速度的同時保證鉆孔方向。為及時掌握導孔偏斜程度,對導孔鉆進方向進行有效控制,利用KXP-2E數(shù)字測斜儀對鉆進方向進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析鉆孔偏移情況，采取糾編措施，以保證鉆孔偏差控制在允許范圍之內(nèi)。當鉆孔深度達到50m時測定一次，根據(jù)導孔偏移情況適當合理調(diào)整前端穩(wěn)定鉆桿的數(shù)量和位置并在鉆桿中部適當位置設置穩(wěn)定鉆桿，逐步對導孔方向進行調(diào)整和控制。鉆進過程中及時清理返出的巖渣，防止巖渣堆積或落入導孔內(nèi)，每鉆進一根鉆桿后沖水或泥漿5?lOmin,等孔內(nèi)的巖屑全部排出后，停泵接卸鉆桿。導孔透孔后，停止泥漿（水）循環(huán)，但鉆機不能停轉，開始向孔內(nèi)加清水將導孔內(nèi)巖渣沖洗干凈,直到鉆機轉動平穩(wěn),扭矩變化不大時停鉆。導孔鉆進過程中,如出現(xiàn)漏水現(xiàn)象、返水減小、返渣異常等情況,要及時停止鉆進,向上提取鉆桿,進行灌漿等相關技術處理后方能繼續(xù)鉆進。擴孔施工擴孔鉆頭安裝導孔貫通后,先拆卸導孔鉆頭,之后將擴孔滾刀鉆頭運至引水下平洞段導孔下方工作面,將上、下提吊塊分別與導孔鉆桿、擴孔鉆頭固定,上、下提吊塊用鋼絲繩連接。提升導孔鉆桿，使鉆頭離開地面約20cm，然后固定鉆頭，下落鉆桿,拆去上、下提吊塊。在擴孔鉆頭安裝過程中鉆機操作人員與鉆頭安裝人員上下聯(lián)系、緊密配合。反拉擴孔成導井擴孔施工時，鉆機低轉速、低鉆壓緩慢將擴孔鉆頭提升至與巖面接觸，然后從導孔內(nèi)通入冷卻水，以冷卻擴孔鉆頭并消塵。待擴孔鉆頭全部鉆進巖體后開始對鉆頭加壓，壓力根據(jù)巖性具體確定，遇到軟巖或巖石較為破碎時采用低壓，遇到硬巖時采用高壓。隨著擴孔鉆頭的逐步提升，鉆桿隨之跟進拆卸，拆卸鉆桿時，第二根鉆桿上方卡位升至卡座上方約20cm，將下卡瓦卡住第二根鉆桿的上卡位，下降動力水龍頭，使下卡進入卡座內(nèi)，反轉動力水龍頭一圈，升起翻轉架用機械手抱住鉆桿，動力水龍頭反轉并提升約10cm，取出上卡瓦，再將動力水龍頭升至最高位置，下降翻轉架并松開機械手，同時下降動力水龍頭連接鉆桿，取出下卡瓦，繼續(xù)擴孔鉆進。反井鉆擴挖石渣采用引水隧洞作為通道，利用反鏟和側卸裝載機配自卸汽車出渣并運至指定渣場。擴孔滾刀的壽命有限，一般在擴孔長度達到120m左右時將擴孔刀盤下放到下平洞進行檢查,更換滾刀，然后再繼續(xù)擴孔。反井鉆機拆除及井口防護擴孔施工完成后，將擴孔鉆頭擔放在鉆機基礎平臺上，然后利用起重設備將鉆架、機身拆除，最后拆除擴孔鉆頭。導井形成后，清除井口所有石塊，防止碎石落入井中，并設置安全井蓋及安全防護欄，懸掛安全警示牌。8導井施工實際效果評價1#高壓引水管道豎井導井施工總深度367.9m(上部部分井段提前采用爆破開挖完成)，導井直徑2.5m，偏斜值1.01m，綜合偏斜率為2.7%。；2#高壓管道豎井導井施工總深度367m，導井直徑2.5m，偏斜值0.46m，綜合偏斜率為1.2%。。從實際測量數(shù)據(jù)可以看出，終孔偏差較小，達到了預期的效果，證明所采用的鉆進方法是卓有成效的，導井施工完全滿足合同工期和質(zhì)量要求。9結束語沂蒙抽水