反井钻机法导井施工中的风险分析及应对措施研究

魏 斌, 娄国川, 郭卫新, 杨继华

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

反井钻机法导井施工中的风险分析及应对措施研究

魏 斌, 娄国川, 郭卫新, 杨继华

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

反井钻机法在竖井开挖中具有效率高、安全性好的优点,其导井开挖是关键也是难点。以CCS水电站竖井导井施工为背景,研究导井施工可能面临的风险、容易遇到的问题和应对措施,并结合自身实践总结一些竖井导井开挖中的若干经验,以期为今后的竖井导井开挖提供一些借鉴。

反井钻机;导井施工;风险分析;应对措施

在水电领域,竖井是一种重要的水工建筑物,由于具有相对特殊的体型,因此其开挖方法与其他地下工程相比有着很多不同。目前,国内、外水电站竖井开挖主要有以下两种方法:第一种是自上而下的单向作业法,该方法一般为全断面开挖,人工或机械打眼放炮,然后通过吊桶出渣。该方法技术成熟、适应性好,但是在出渣过程中存在不安全因素、出渣效率较低,在越来越强调工期效益的今天,其优势越来越不明显。第二种是以反井钻机导井开挖为关键步骤的反井法,该方法一般先使用反井钻机开挖溜渣导井,然后人工或机械打眼放炮,通过先期开挖的溜渣导井进行出渣。该方法于20世纪80年代从国外引进,主要应用于煤矿行业,90年代国产反井钻机引进到水电行业,在一些岩石强度较低、斜井较短的工程中也得到了很好的应用[1-2]。此种方法大幅度提高了施工效率,改善了作业环境,在当前的水电建设中得到了越来越多的应用。

本文以已建成的厄瓜多尔共和国Coca-Codo Sinclair水电站(以下简称CCS水电站)500 m级超深引水竖井导井施工为研究对象,研究了导井施工可能面临的风险、容易遇到的问题和应对措施,以期为相关工程的竖井开挖施工提供一些借鉴和参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

CCS水电站工程位于南美洲厄瓜多尔共和国境内的COCA河下游,为引水式电站,设计总装机容量约1 500 MW。工程主要由首部枢纽、引水隧洞、调蓄水库、竖井、地下厂房等组成。其中,引水竖井设计为两条,其布置图如图1所示,开挖洞径7.1 m,衬砌后直径5.8 m,井身段长度为537.9 m,其深度在世界水电工程中也位居前列,施工风险较大,直接决定着电站能否如期投产。

图1 CCS水电站引水发电洞布置示意图Fig.1 The schematic diagram of hydroelectric power tunnels at CCS Hydropower Station

1.2 工程地质条件

工程区属于中山地貌,河谷深切,构造运动活跃,火山活动频繁,年降雨量极大(6 000～7 000 mm)。根据已掌握的地质资料,在竖井开挖的过程中,其可能会穿过多条小规模陡倾角断层及节理密集带。竖井区EL1128 m 高程以上主要岩性为白垩系下统Hollin地层(Kh)的页岩、砂岩,呈互层状分布,为中硬岩,以下为侏罗系—白垩系Misahualli地层(J-Km)杂色火山凝灰岩、火山角砾岩及流纹岩等,为坚硬岩,岩体结构以整体块状、块状、次块状为主。上平段Hollin地层与下平段Misahuallí地层大多为弱透水层,断层和裂隙密集带为中等透水层,无统一的地下水排泄基准面,区内附近不存在稳定地下水位,局部存在脉状、带状地下水,受岩性和构造的控制。

2 导井的施工方法

CCS水电站在竖井施工之前,上下平洞已开挖完成,具备了使用反井钻机开挖导井的施工条件。导井施工采用芬兰SANDVIK(山特维克)公司的RHINO 1088DC反井钻机,如图2所示,其总重16 500 kg,最大提升能力为400 t,最大扭矩达300 kN,理论设计钻孔深度最大可达1 088 m,性能稳定,操作性好,在国外竖井工程中被广泛使用。

本次开挖首先在上平段选定机位,使用直径为280 mm的导孔芽轮钻头自上而下由上平段至下平段进行钻进,当钻进至下平段时,卸掉导孔芽轮钻头,改换直径为2 134 mm的反拉扩挖钻头自下而上由下平段至上平段进行反拉,最终形成溜渣井。

图2 RHNO 1088DC型反井钻机Fig.2 The back well drill machine of RHNO 1088DC

3 导井施工可能面临的风险

3.1 地质风险

3.1.1 地下水的影响

CCS水电站位于亚马逊雨林的上游,年降雨量达6 000～7 000 mm,区内植被茂密,构造运动活跃,岩体富水度高。竖井所在区域的西南侧为高山区,有利于地下水向竖井区域方向补给,相对于竖井部位形成高水头的地下水,对井壁形成外水挤压,不利于井壁的稳定。

3.1.2 岩性条件

根据已掌握的地质资料,竖井所在区域内岩性及及接触关系较为复杂,特别是Misahualli地层(J-Km),其组成岩性有火山凝灰岩、火山角砾岩、安山岩及流纹岩等,都为硬质岩。各种岩性相间分布,在构造应力的影响下易形成沿接触面发育的节理密集带,削弱了井壁岩体的自稳能力。

3.1.3 构造运动及陡倾角结构面

如前所述,区内构造运动活跃、火山活动频繁、陡倾结构面发育、降雨量极大、西南侧为高山区,这些都为地下水的赋存和运动提供了条件。在竖井开挖的过程中,可能会穿过多条陡倾角断层及节理密集带,其倾角大多都在75°以上,其与井壁夹角非常小,如遇高水头外水的挤压,井壁及其附近破碎岩体极易坍塌,造成塌孔并伴有大量涌水,威胁导井施工。

3.2 设备故障

与其他地下工程施工不同,反井钻机在导井施工过程中需要连续施工,不能进行无计划的停机,特别是自上而下的先导孔施工过程中,更是对设备可靠性提出了很高的要求。例如,如果反井钻机水泵发生损坏而停水,那么,孔壁的岩渣来不及排出就会沉淀至钻头部位,可能将钻头抱死,造成钻杆、钻头等无法从孔内拔出而导致废孔。因此,在导井施工之前和阶段性工作之间应对设备进行认真的检修,确保完好率和可靠性。

3.3 人员操作

由于反井钻导井施工一般深度较大,工程地质条件复杂,在钻进过程中不会一帆风顺,会遇到很多异常情况,如钻进异响、回水变浑、推力降低等,这些异常反应了孔内围岩的变化。这就需要钻机操作手具有丰富的处置经验和过硬的操作技术,如果操作手没有这些素质而一味地蛮干,那么导井成功贯通的几率将会大大下降。

3.4 偏差控制

由于CCS水电站竖井井身段长度高达537.9 m,因此对钻孔的偏差要求非常高。根据计算,要想达到设计要求,钻孔的偏斜角度必须控制在0.1°左右,结合其复杂的地质条件,要想达到这个要求不是件容易的事[3]。而在以往的反井钻施工中,由于精度失控造成的废孔并不罕见。因此,需要认真设计导井钻孔偏差控制方案,以确保达到设计要求的偏斜度。

4 开挖过程中容易遇到的问题

4.1 塌孔

塌孔是导井施工中最容易遇到的问题。当钻头经过不良地质段,如断层破碎带、节理密集带、软弱接触带等地段时,岩壁受到扰动,形成临空面,岩壁容易坍塌,特别是在陡倾角发育部位更是如此。在施工过程中的表现一般为反井钻机推力、扭矩等参数忽高忽低不能保持,钻机震动较大,返水变浑浊,返渣夹泥、返渣颗粒不均等。这时候就应该视情况减慢钻进速度,调整钻机推力、扭矩等主要参数。如果情况较严重,则应该暂停钻进,加大水泵压力,同时上下窜动钻具,将钻具周围的岩渣冲洗干净带至孔外,直至恢复正常。如果长时间不能恢复,那么就应对破碎岩体进行固结灌浆处理[4]。

由于较为特殊的地质条件,CCS水电站2号竖井导孔在钻进过程中就发生了多次塌孔。表现为其在深度44.2～47.2 m段和84.0～85 m段返水出现夹泥、参数变化大、返水变浑浊并伴有震动等现象,最终通过灌浆处理得以顺利通过。

4.2 堵钻

堵钻是指当钻进至地质条件不良地段时,由于节理裂隙、断层等不良结构面的存在,使钻孔内的循环水外渗,造成循环水压力、水量减小,钻进过程中产生的岩渣不能全部排出孔外,滞留在孔内的岩渣被钻头重复破碎,越磨越细,最终堵满钻杆与孔壁之间的排渣通道,严重时与钻杆粘连,使钻杆难以转动。其在施工中的表现往往是返水返渣困难,钻机扭矩、推力等参数不稳定,钻机负荷变大。遇到此种情况时,应暂停钻进,加大水量进行冲洗,同时上下窜动钻具,将孔内岩渣慢慢带出,然后进行孔内灌浆,封堵漏水结构面,加固孔壁,恢复返水返渣效率,然后继续钻进。

CCS水电站2号竖井导孔在施工过程中,在钻进至深度84.0～110.0 m 时出现返渣困难,冲渣时间长,最长一次冲渣长达6 h,严重影响了钻进效率。根据地质资料判断,该段位于断层影响带内,为保证导孔及反拉施工的顺利进行,对此段以上进行了全孔纯压式灌浆,最终顺利通过。

5 CCS导井开挖工作中的一些经验

5.1 重视现场地质工作

CCS水电站竖井由于深度大、地质条件复杂,在导井的开挖过程中遇到了一些困难和挫折。特别是其2号竖井导孔施工,曾经数易井位。在前几次不成功的探索中,对孔内的地质条件认识不足是造成失败的一条重要原因。在最后的一次尝试中,为保证成功,现场地质工程师根据已掌握的地质资料,预测了钻孔可能会遇到的不良构造带,同时利用反井钻机钻进速度快的特点,和普通钻机相配合,有针对性地验证预测的准确性,并与其他相关专业的技术人员一道,制定了合理的施工方案和应急预案,尽量避开已知的构造带。在导井钻进过程中,地质工程师24 h驻守工作面,与钻机操作手交流配合,最终使导井顺利贯通。

5.2 充分利用施工过程中的情况进行预判

在导孔的钻进过程中,返渣、返水情况,钻机参数的变化,钻进速度的快慢等情况,都能一定程度上反映孔内的围岩情况,几种情况相互印证,更能增加判断的准确性。在CCS导孔钻进的过程中,现场技术人员根据岩渣、返水返渣情况编制了钻孔柱状图,根据钻机参数的变化形成了推力扭矩随深度变化的曲线,两相印证指导反拉施工,取得了很好的效果。

5.3 重视灌浆工作

在导孔掘进过程中,无论是塌孔还是堵钻,灌浆都是解决问题的有效手段。虽然其深度超过300 m以后,灌浆工作的难度很大,效果也有限,但是CCS导井施工的实践证明,采用合适的灌浆方法,不但能封堵大部分的漏水裂隙,而且能最大限度地加固孔内围岩,为随后进行的导井反拉提供最大限度的安全保障。

6 结语

反井钻机法在竖井开挖中具有效率高、安全性好的优点,其导井开挖是其关键也是难点。本文以CCS水电站竖井导井施工为背景,研究了导井施工可能面临的风险、容易遇到的问题,得出如下结论:

(1) 在导井施工过程中,应重视地下水、岩性条件、构造运动等地质风险,同时应针对设备故障及偏差控制做好前期工作,并派有经验的钻机操作手操作,才能大大提高导孔施工的成功几率。

(2) 在导井的施工过程中,塌孔和堵钻是最容易遇到的问题,针对这两个问题,可以采取暂停掘进、调整钻机工作参数、加大水量冲洗钻具、灌浆等手段进行解决。

(3) 鉴于500 m级导井开挖的重要性和困难度,为最大限度地提高成功率,应重视现场地质工作,充分利用施工过程中的情况对孔内地质条件进行预判,并重视灌浆工作。

[1] 钱永平,王仕虎.反井钻机在惠州抽水蓄能电站长斜井导井施工中的应用[C]//抽水蓄能电站工程建设文集.北京:中国水力发电工程学会,2011:331-333.

[2] 康云彪.锦屏二级水电站竖井开挖技术研究[J].水利水电施工,2007(2):19-21.

[3] 段汝健,张德高.周宁水电站高压引水竖井施工技术[J].水力发电,2006,32(12):70-72.

[4] 董波.反井钻机在洞松水电站压力管道斜井特殊地质洞段的成功运用[J].四川水力发电,2013,32(12):58-61.

[5] 王新.反井钻机钻进孔内事故预防及处理[J].煤炭工程,2008(5):33-34.

[6] 李红.溪洛渡水电站泄洪洞补气竖井开挖施工[J].人民长江,2010,41(3):7-9.

(责任编辑：费雯丽)

Study on the Risk Analyses and Countermeasures of Back Well Drillin Excavation of Pilot Shaft

WEI Bin, LOU Guochuan, GUO Weixin, YANG Jihua

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Among the shaft excavation methods,back well drill is regarded as an important type due to some advantages of high efficiency and good safety. It is worth noting that the excavation of pilot shaft is one of the key difficulties during construction. Taking the construction of shaft well in CCS Hydropower Station as application background,possible risks,easily encountered problems and countermeasures are researched in this paper. Moreover,based on working practices,some experiences in the excavation of pilot shaft are summed up so as to provide guidance for the well excavation in the future.

back well drill; excavation of pilot shaft; risk analyses; countermeasures

2017-06-09;改回日期:2017-06-22

魏斌(1983-),男,工程师,硕士,地质工程专业,从事水利水电工程地质勘察设计施工及研究工作。E-mail:540867436@qq.com

TV52

A

1671-1211(2017)04-0489-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.029

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1344.026.html 数字出版日期:2017-06-20 13:44