抽水蓄能电站超长斜井导井施工技术研究

杨国良，李传波

（中国水利水电建设工程咨询中南有限公司，湖南 长沙 410014）

1 工程概况

长龙山抽水蓄能电站位于浙江省湖州市安吉县，地处华东电网负荷中心，紧邻已建并投产运行的天荒坪抽水蓄能电站，工程总装机2100MW。电站枢纽主要由上、下水库，导流泄放洞，输水系统，地下厂房等建筑物组成。

引水系统采用三洞六机斜井式布置，其中引水上半段包括引水上平洞、上斜井及中平洞前半段。上斜井开挖断面为拱半径3.5m、底宽5.8m的马蹄形，斜井角度为58°，3条斜井导井的实际施工长度分别为428.1m、425.6m和423.8m，中间不设施工支洞。其斜井长度是目前国内在建抽水蓄能电站最长的斜井之一，角度较陡，而且岩石强度极高，施工难度特别大。

2 斜井导井施工方法

2.1 施工方法初选

为确保引水斜井导孔施工精度，监理和施工单位深入研究，邀请专家论证斜井导井工法的可行性，根据近年来已建抽水蓄能电站长斜井工程实例的情况来分析判断，并认真贯彻“机械化换人、自动化减人”安全生产理念，最终选择定向钻机施工导孔+反井钻机施工导井的方法。该方法为反井钻机法基础上针对超长斜井而研发的新方法，根据岩石特性确定设备选型，并根据目前现有的测斜技术确定纠偏方法。通过定向钻机自上而下先施工定向导孔，然后二次扩孔至适应反井钻钻杆的导孔，最后采用反井钻机反扩形成导井。

2.2 定向钻机+反井钻法优缺点

（1）优点。该工程以安全发展为目标，采用反井钻机开挖导井进行机械化作业，施工过程自动化程度高、开挖速度快，导井施工月平均进尺可达200m以上，极大地提高了效率。另外，人工导井开挖洞径小、通风排烟条件差、工作环境恶劣，采用反井钻机作业可极大地改善作业人员的工作条件，同时施工效率也有了很大的提高。（2）缺点。需投入定向钻机和反井钻机2种设备，成本投入较大。

2.3 施工设备选型

（1）定向钻机选型。在定向钻机选型时，根据项目地质条件和施工特点，选用的定向钻机及其配套设备具有无线随钻测斜仪和磁导向控制钻孔角度的功能，同时结合有线测斜设备进行验证，这样可准确了解钻进孔斜情况，并及时动态调整钻孔角度进行纠偏。该方法在很多工程中均已成功应用。长龙山上斜井反井钻机所需要的导孔直径为295mm，斜井角度为58°，设计及规范要求孔偏斜率不大于0.5%。

根据长龙山超硬岩这一地质特性要求导井施工专业公司新设计FDP-68型钻机，而不使用原计划的在丰宁和敦化服役的ZD450R型或是设计阶段的TDX-50型。定向钻机性能参数如表1所示。第三代定向钻机FDP-68针对长龙山上斜井坚硬岩作出改进设计，其整机质量、成孔精度、动力头性能和稳定性都有所提高。

表1 定向钻机性能参数

（2）反井钻机选型。要根据工程条件、地质条件、施工条件等因素综合选择反井钻机及其配套设备。工程条件主要包括工程性质、用途和技术参数（如终孔直径、井深、倾角等）及相似工程经验。要根据施工导井的深度和倾角等参数，结合现有设备及市场情况确定钻机型号。地质条件包括岩石的物理力学性质、岩体产状、主要地质构造及参数、水文地质条件、勘探资料等。要根据施工的地质构造及岩性，确定冲洗液类型，从而确定清水泵或泥浆泵。施工条件包括运输条件、吊装条件、供水供电条件等。应根据井位供水、供电、运输及下引水中平洞道开通情况确定钻机型号，初步选择ZFY3.5/180/600反井钻机。钻机及钻杆参数如表2所示。

表2 反井钻机相关性能参数

施工单位要选取针对长龙山上斜井极硬岩设计的滚刀，适应于陡倾角造孔、强研磨性凝灰岩地层等施工要求。

3 斜井导井施工

3.1 施工工艺流程及步骤

布置定位定向钻机，自上而下钻Ф216mm先导孔；Ф216mm先导孔完成后，取下钻头更换Ф295mm钻头，自下而上进行反扩刷孔；完成后拆除定向钻机，然后安装反井钻机，下放钻杆安装刀盘；最后自下而上反拉形成Ф2m导井。具体工艺流程如图1所示。

图1 斜井导井施工工艺流程

3.2 先导孔施工

（1）测量放样。斜井导孔开孔前使用全站仪放出开孔点位置坐标，经监理工程师复核无误后钻机就位，再通过全站仪测量配合调整钻机方位和角度，使得钻孔轨迹中心和动力头主轴中心重合，从而确保井斜角和方位角满足设计要求。

（2）先导孔开孔。为确保开孔的角度，在开孔钻进过程中电控参数一般控制在转数为60r/min、钻压为500kg、泵量为600～1200L/min。开孔钻具组合为Ф216mm牙轮钻头+Ф172mm钻铤+Ф127mm短钻杆（2m）。

（3）钻进方式。定向钻钻进过程中，针对不同地质条件对转速进钻压进行实时控制调整，工作方式主要有两种，共同钻进和纠偏钻进。①共同钻进。共同钻进是在不需要进行纠偏时钻孔的施工方式，利用钻机和螺杆同时同向旋转的工作原理。②纠偏钻进。这种工作方式在孔斜偏差超出了允许范围后需要纠偏时使用。螺杆钻具由泥浆推动旋转，钻机锁定旋转。工作原理是通过螺杆自带的可变向弯角钻头旋转，指定导孔沿需要的指向进行定向钻进。施工单位每次下放1根钻杆都进行记录，包括造斜角度、造斜长度、返水返渣情况等，监理工程师根据电子记录及记录本实时掌控轨迹情况，并对定向设计提出建议或意见。每约100m提钻都更换钻头（根据钻头磨损程度确定），以提高钻进效率。

（4）测斜、纠偏。采用无线随钻测斜仪MWD对钻孔孔斜进行动态监测，在无线随钻测斜仪指导下进行定向纠偏，主要依靠角度及方位进行判定，通过定向螺杆钻具对钻孔轨迹进行定向控制。同时每钻进20m采用有线测斜仪进行验证，验证无误后继续钻进施工。在定向钻机先导孔施工剩余100m左右时，需在中平洞斜井导孔出钻点标记安装磁导向仪进行引导定向。当孔斜出现偏斜时，不应大角度急促纠偏，应通过“长距离平滑过渡纠偏法”，以减少后期扩孔和反拉钻杆的磨损。

3.3 反井钻机反扩施工

完成Ф295mm导孔扫孔后，拆除撤出定向钻机，随后安装反井钻机，下放钻杆，并在斜井导孔下部安装2m刀盘和钻具，为了保证钻杆和刀盘的顺利接合，可搭设吊装工作平台。过程中通过钻机扭力、反拉速度、累计进尺判断刀盘的磨损情况，以便及时更换钻头。通过实践，建议超长斜井反扩200m更换一次刀盘，避免刀盘上的多齿钻头因磨损严重造成扭力增大而引起的断杆和钻机停机故障。

4 施工成果

长龙山1#引水上斜井先导孔施工共计55d，终孔透孔偏差25.9cm，偏斜率0.6‰；导孔扩孔施工12d，扩孔最快1d可达63m；反井钻机导井施工共计56d，反井钻机反扩施工单日最大可达21m。

5 结束语

长龙山抽水蓄能电站1#引水上斜井先导孔施工长度达到428.3m，试验岩体抗压强度最高达到269MPa，属于大倾角、超硬岩、超长斜井，工程技术人员在施工前做了充足的分析、研究及准备，多次使用井下有线测斜仪对测量数据进行复核确保数据可靠。最终，斜井先导孔通过无线随钻测斜仪、井下有线测斜仪、后期2m导井测量的多手段验证，控制导孔轨迹最大狗腿度不超过4°/30m，为导井施工的顺利进行奠定了坚实的基础，并通过先导孔施工时收集的返渣判断各施工部位的岩层情况，为反井施工提供了钻机参数设计设置的指导依据。