超深豎井開挖導(dǎo)井一次成井技術(shù)

超深豎井開挖導(dǎo)井一次成井技術(shù)摘要：抽水蓄能電站引水豎井采用反井鉆機(jī)施工過程中，導(dǎo)井的形成是豎井得以擴(kuò)挖成井的關(guān)鍵，制約著豎井施工的質(zhì)量和進(jìn)度，本文對(duì)超深豎井的導(dǎo)井采用定向鉆機(jī)和反井鉆機(jī)組合一次成井的關(guān)鍵技術(shù)和專用設(shè)備進(jìn)行了闡述，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。關(guān)鍵詞：超深豎井；開挖導(dǎo)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(dá)約380m,豎井開挖斷面為圓形，直徑為7.6m。原設(shè)計(jì)方案為設(shè)置施工中支洞，將導(dǎo)井分為兩段進(jìn)行施工,后經(jīng)方案優(yōu)化,取消中支洞,采用反井鉆機(jī)一次成井。高壓管道豎井段巖性為微風(fēng)化片麻狀閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，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(kuò)挖出渣要求，豎井導(dǎo)井采用反井鉆機(jī)施工，結(jié)合最終成井直徑、總井深及鉆機(jī)能力等因素，高壓管道豎井導(dǎo)井直徑確定為2.5m。2成井工藝及設(shè)備選擇成井工藝基于原設(shè)計(jì)方案的調(diào)整、豎井地質(zhì)條件以及進(jìn)度要求，若要保證380m導(dǎo)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(jī)單一設(shè)備成井的方法，無(wú)論從成井精度，還是鉆孔過種各種風(fēng)險(xiǎn)管控，都無(wú)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(jī)TDX50+反井鉆機(jī)BMC600”的大型成孔設(shè)備組合，由定向鉆機(jī)先打?152mm導(dǎo)孔，反井鉆機(jī)刷擴(kuò)成?311mm導(dǎo)孔，再反拉形成直徑2.5m的導(dǎo)井。主要施工順序?yàn)椋憾ㄏ蜚@機(jī)施工高精度先導(dǎo)孔一反井鉆機(jī)施工導(dǎo)孔一導(dǎo)井反拉成導(dǎo)井一豎井爆破擴(kuò)挖達(dá)到設(shè)計(jì)斷面。定向鉆孔設(shè)備及機(jī)具選型定向鉆機(jī)選用TDX50型鉆機(jī)，是一種為定向孔施工而研制的新型鉆機(jī)，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(dòng)力頭及側(cè)擺機(jī)構(gòu)、機(jī)體滑架及補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、舉升油缸、履帶底盤、動(dòng)力和液壓系統(tǒng)、小絞車、泥漿泵等；給進(jìn)提升為馬達(dá)-鏈條增力機(jī)構(gòu)，具有很強(qiáng)的提升能力，可處置復(fù)雜工況；動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)為三馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，匹配四種轉(zhuǎn)速，滿足定向施工不同工況要求；全液壓控制系統(tǒng)，維護(hù)操作便捷，履帶式底盤具備自行走功能。定向鉆機(jī)見圖1。反井鉆機(jī)主機(jī)選型高壓引水豎井開挖深度范圍內(nèi)的圍巖堅(jiān)硬，巖石抗壓強(qiáng)度較高。綜合考慮圍巖地質(zhì)特性、導(dǎo)井直徑和井深、施工工期等綜合因素對(duì)鉆機(jī)性能的要求，比選采用BMC600型反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)井施工，鉆機(jī)如圖2所示。圖2BMC600型反井鉆機(jī)圖圖2BMC600型反井鉆機(jī)3施工準(zhǔn)備根據(jù)兩種鉆機(jī)最大工作高度刷擴(kuò)洞室，施工鉆機(jī)基礎(chǔ)、泥漿沉淀池和提吊天錨等設(shè)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(jī)基礎(chǔ)面。鉆進(jìn)排渣及鉆機(jī)循環(huán)供水采用DN50鋼管從已建高位水池接引。設(shè)備供電從引水洞內(nèi)630kVA變壓器接引。在反拉面附近設(shè)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(jìn)行處理。反井鉆基礎(chǔ)施工及基座安裝加固：清理反井鉆機(jī)基礎(chǔ)面，測(cè)量放出豎井中心點(diǎn)，在清理好的基礎(chǔ)面上采用C30混凝土澆筑鉆機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)，澆筑時(shí)預(yù)留機(jī)架固定錨桿及固定螺栓。主機(jī)基座正確安裝后，打設(shè)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(chǔ)之間的縫隙澆筑細(xì)石混凝土。復(fù)測(cè)和校正基座，確保安裝位置正確。定向先導(dǎo)孔鉆孔及糾偏技術(shù)定向鉆機(jī)安裝調(diào)試完畢后，即可進(jìn)行先導(dǎo)孔施工，導(dǎo)孔直徑①152mm，鉆機(jī)在施工過程中隨時(shí)測(cè)斜糾偏，定向鉆進(jìn)長(zhǎng)度在正常糾偏時(shí)為2?3m，正常降斜時(shí)為1?2m，當(dāng)定向沒有達(dá)到預(yù)定效果時(shí)，需要重新定向。定向工具面角在定向鉆進(jìn)過程中，以穩(wěn)定工具面角為主；糾偏時(shí)以閉合方位為基準(zhǔn)，反扭；降斜時(shí)，以鉆孔方位角為基準(zhǔn)，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(jī)在鉆進(jìn)過程中，鉆頭受到地層的影響會(huì)產(chǎn)生偏斜，偏離預(yù)定的孔線軌跡，最典型的是地層軟硬交疊造成的偏斜，這對(duì)深井導(dǎo)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(shè)計(jì)精度要求。導(dǎo)井先導(dǎo)孔施工采用定向鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)過程中隨鉆測(cè)斜儀可對(duì)鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)偏斜及時(shí)動(dòng)態(tài)糾偏，使整個(gè)鉆進(jìn)過程受控，孔線軌跡偏差滿足設(shè)計(jì)要求。在無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀中，安裝有傳感器對(duì)三軸重力和三軸磁力線進(jìn)行探測(cè)，通過這些傳感器測(cè)得的數(shù)值，由內(nèi)置計(jì)算機(jī)進(jìn)行編碼，經(jīng)脈沖發(fā)生器通過泥漿脈動(dòng)傳遞至地面，地面計(jì)算機(jī)解碼數(shù)據(jù)后，再綜合鉆井深度參數(shù)，可測(cè)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(dòng)力鉆具，可在鉆桿不旋轉(zhuǎn)的情況下，由高壓泥漿驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。通常選擇具有一定彎曲角度的螺桿，從而可以進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)，即使孔“轉(zhuǎn)彎”。定向鉆具組合包括定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)組合。在正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)和螺桿鉆具同時(shí)旋轉(zhuǎn)，提供較高的轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)；在無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀測(cè)出偏斜超標(biāo)的情況下，調(diào)整至滑動(dòng)鉆進(jìn)，從而對(duì)鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行控制，降低孔斜偏差。在無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀測(cè)量參數(shù)指導(dǎo)下，通過定向螺桿鉆具對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)方向控制，每推進(jìn)一根鉆桿測(cè)斜一次，當(dāng)鉆孔偏距大于0.5m或鉆孔斜角偏差大于0.8°時(shí)，或?qū)︺@孔的軌跡判斷存在疑問時(shí)，要加密測(cè)點(diǎn)，必要時(shí)單獨(dú)下無(wú)磁鉆鋌加鉆頭全程測(cè)斜。制定糾偏措施，利用彎螺桿造斜角度進(jìn)行反向鉆進(jìn)實(shí)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(zhǎng)度，進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)。在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，遇到裂隙、斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造，會(huì)出現(xiàn)返渣量小，返渣顆粒較細(xì)，甚至出現(xiàn)不返漿、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)不良地層進(jìn)行必要的處理。根據(jù)鉆進(jìn)過程觀察，先導(dǎo)孔鉆進(jìn)到這些地層時(shí)，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(jìn)行灌漿處理，待孔內(nèi)漿液達(dá)到強(qiáng)度后重新鉆進(jìn)直至貫通。具體方法：在現(xiàn)場(chǎng)制備水灰比為0.4?0.55的水泥漿或水泥砂漿通過灌漿設(shè)備或自流輸送的方法進(jìn)行灌孔，利用漿液填充斷層、裂隙，并利用灌漿壓力對(duì)影響帶巖體進(jìn)行固結(jié)，待漿液凝固后即可進(jìn)行掃孔施工。先導(dǎo)孔鉆進(jìn)是本工程一次成井施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，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(zhǔn)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確掌握地質(zhì)情況，合理控制鉆進(jìn)速度，使得先導(dǎo)孔順利貫通。導(dǎo)孔施工反井鉆機(jī)安裝、調(diào)試及主機(jī)校準(zhǔn)待基座混凝土和錨桿強(qiáng)度達(dá)到要求之后，安裝主機(jī)的兩塊腳板，并扭緊螺栓，利用自行式履帶底盤運(yùn)輸主機(jī)至工作面正確安裝在腳板上，根據(jù)豎井設(shè)計(jì)角度初步調(diào)整好主機(jī)鉆孔角度，固定好主機(jī)，退出自行走底盤。主機(jī)就位之后，將液壓站安裝至工作面預(yù)設(shè)位置，校準(zhǔn)水平。運(yùn)輸操作臺(tái)至工作面，擺放在合適的位置，之后連接油管，敷設(shè)電纜線路。確認(rèn)電纜、油管等正確連接無(wú)誤后，送電檢查電壓、相序和各儀表顯示狀況，通電1小時(shí)以上，再次全面檢查設(shè)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(jī)試運(yùn)行。調(diào)試內(nèi)容主要包括各電機(jī)狀態(tài)、管路進(jìn)回油、機(jī)械手和轉(zhuǎn)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(shí)停機(jī)處理。用數(shù)顯角度儀、全站儀等多次反復(fù)校準(zhǔn)主機(jī)，保證主機(jī)的導(dǎo)孔開孔角度為90°，確定主機(jī)動(dòng)力頭行走直線與豎井軸線重合或者平行。待主機(jī)校準(zhǔn)、調(diào)平、調(diào)正處理后，緊固主機(jī)與腳板、基座的連接螺栓，對(duì)鉆機(jī)機(jī)架進(jìn)行固定。導(dǎo)孔鉆進(jìn)通過先導(dǎo)孔導(dǎo)向，反井鉆刷孔至①311mm導(dǎo)孔，導(dǎo)孔刷擴(kuò)的過程也是鉆桿下放的過程。鉆機(jī)調(diào)平，開孔鉆進(jìn)后，調(diào)整動(dòng)力水龍頭的轉(zhuǎn)速為預(yù)定值，并升到最高位置，將導(dǎo)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(jī)輔助設(shè)備連接鉆桿。接好鉆桿后，開啟冷卻用水開始開孔鉆進(jìn)。導(dǎo)孔鉆進(jìn)排渣用泥漿泵抽取沉渣池內(nèi)的水，從動(dòng)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)導(dǎo)孔鉆進(jìn)的過程，也是對(duì)地層的勘探過程，反井鉆機(jī)雖然不是取芯鉆進(jìn)，但根據(jù)對(duì)鉆進(jìn)過程觀測(cè)以及返出巖屑的情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以對(duì)地層有初步的定性分析和判斷，為導(dǎo)孔鉆進(jìn)和反拉擴(kuò)孔、井壁維護(hù)等提供參考。導(dǎo)孔鉆進(jìn)的參數(shù)控制序號(hào)項(xiàng)目推扭矩力(KN.m)(t)轉(zhuǎn)速(r/min)備注61開孔 6~8~95~10鉆進(jìn)速度控制在160min/m完整圍巖地層斷層、破碎帶9~100~24序號(hào)項(xiàng)目推扭矩力(KN.m)(t)轉(zhuǎn)速(r/min)備注61開孔 6~8~95~10鉆進(jìn)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(jìn)速度控制在50min/m鉆進(jìn)速度控制在80min/m在開孔及正常鉆進(jìn)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(dǎo)孔鉆頭一致的鉆桿）強(qiáng)制控制導(dǎo)孔鉆進(jìn)方向，利用導(dǎo)孔孔壁對(duì)穩(wěn)定鉆桿的約束作用將前端一定范圍內(nèi)的鉆桿強(qiáng)制擺正，保證鉆桿鉆進(jìn)方向與設(shè)計(jì)鉆孔軸線一致從而控制導(dǎo)孔鉆進(jìn)方向。配置穩(wěn)定鉆桿時(shí)應(yīng)注意：開孔前測(cè)量導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)過程中，要結(jié)合不同巖性與鉆孔深度，合理控制導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度，在保證鉆進(jìn)速度的同時(shí)保證鉆孔方向。為及時(shí)掌握導(dǎo)孔偏斜程度,對(duì)導(dǎo)孔鉆進(jìn)方向進(jìn)行有效控制,利用KXP-2E數(shù)字測(cè)斜儀對(duì)鉆進(jìn)方向進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)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(dāng)鉆孔深度達(dá)到50m時(shí)測(cè)定一次，根據(jù)導(dǎo)孔偏移情況適當(dāng)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(dāng)位置設(shè)置穩(wěn)定鉆桿，逐步對(duì)導(dǎo)孔方向進(jìn)行調(diào)整和控制。鉆進(jìn)過程中及時(shí)清理返出的巖渣，防止巖渣堆積或落入導(dǎo)孔內(nèi)，每鉆進(jìn)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(dǎo)孔透孔后，停止泥漿（水）循環(huán)，但鉆機(jī)不能停轉(zhuǎn)，開始向孔內(nèi)加清水將導(dǎo)孔內(nèi)巖渣沖洗干凈,直到鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn),扭矩變化不大時(shí)停鉆。導(dǎo)孔鉆進(jìn)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(shí)停止鉆進(jìn),向上提取鉆桿,進(jìn)行灌漿等相關(guān)技術(shù)處理后方能繼續(xù)鉆進(jìn)。擴(kuò)孔施工擴(kuò)孔鉆頭安裝導(dǎo)孔貫通后,先拆卸導(dǎo)孔鉆頭,之后將擴(kuò)孔滾刀鉆頭運(yùn)至引水下平洞段導(dǎo)孔下方工作面,將上、下提吊塊分別與導(dǎo)孔鉆桿、擴(kuò)孔鉆頭固定,上、下提吊塊用鋼絲繩連接。提升導(dǎo)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(kuò)孔鉆頭安裝過程中鉆機(jī)操作人員與鉆頭安裝人員上下聯(lián)系、緊密配合。反拉擴(kuò)孔成導(dǎo)井?dāng)U孔施工時(shí)，鉆機(jī)低轉(zhuǎn)速、低鉆壓緩慢將擴(kuò)孔鉆頭提升至與巖面接觸，然后從導(dǎo)孔內(nèi)通入冷卻水，以冷卻擴(kuò)孔鉆頭并消塵。待擴(kuò)孔鉆頭全部鉆進(jìn)巖體后開始對(duì)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(shí)采用低壓，遇到硬巖時(shí)采用高壓。隨著擴(kuò)孔鉆頭的逐步提升，鉆桿隨之跟進(jìn)拆卸，拆卸鉆桿時(shí)，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(dòng)力水龍頭，使下卡進(jìn)入卡座內(nèi)，反轉(zhuǎn)動(dòng)力水龍頭一圈，升起翻轉(zhuǎn)架用機(jī)械手抱住鉆桿，動(dòng)力水龍頭反轉(zhuǎn)并提升約10cm，取出上卡瓦，再將動(dòng)力水龍頭升至最高位置，下降翻轉(zhuǎn)架并松開機(jī)械手，同時(shí)下降動(dòng)力水龍頭連接鉆桿，取出下卡瓦，繼續(xù)擴(kuò)孔鉆進(jìn)。反井鉆擴(kuò)挖石渣采用引水隧洞作為通道，利用反鏟和側(cè)卸裝載機(jī)配自卸汽車出渣并運(yùn)至指定渣場(chǎng)。擴(kuò)孔滾刀的壽命有限，一般在擴(kuò)孔長(zhǎng)度達(dá)到120m左右時(shí)將擴(kuò)孔刀盤下放到下平洞進(jìn)行檢查,更換滾刀，然后再繼續(xù)擴(kuò)孔。反井鉆機(jī)拆除及井口防護(hù)擴(kuò)孔施工完成后，將擴(kuò)孔鉆頭擔(dān)放在鉆機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)上，然后利用起重設(shè)備將鉆架、機(jī)身拆除，最后拆除擴(kuò)孔鉆頭。導(dǎo)井形成后，清除井口所有石塊，防止碎石落入井中，并設(shè)置安全井蓋及安全防護(hù)欄，懸掛安全警示牌。8導(dǎo)井施工實(shí)際效果評(píng)價(jià)1#高壓引水管道豎井導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)井施工總深度367m，導(dǎo)井直徑2.5m，偏斜值0.46m，綜合偏斜率為1.2%。。從實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，終孔偏差較小，達(dá)到了預(yù)期的效果，證明所采用的鉆進(jìn)方法是卓有成效的，導(dǎo)井施工完全滿足合同工期和質(zhì)量要求。9結(jié)束語(yǔ)沂蒙抽水