两种不同导井施工技术在水电工程中的应用与分析

翟海燕，赵青，关宗印

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100161；2.水电水利规划设计总院，北京 100032）

1 引言

斜井或竖井导井作为抽水蓄能电站地下工程的重要组成部分，其开挖方式与工程进度、项目投资、人员安全等关系甚为紧密。目前，国内斜（竖）井施工主要采用“先开挖导井，后进行扩挖”的方式，导井开挖方法有2 种：（1）先采用小型反井钻机形成小直径导井，然后人工钻爆两次扩挖形成较大直径溜渣导井，即“小直径机+ 人工扩挖”导井施工技术；（2）采用“定向钻+大直径机”，即采用定向钻机形成高精度导孔，然后将导孔刷大，满足大型反井钻机钻杆下放要求，最后安装大直径扩孔钻头反拉形成溜渣导井。

导井的2 种开挖方式各有所长，在不同的深度范围、不同的条件下表现出各自的优势。李坚等[1]对“小直径机+人工扩挖”导井施工方法和精度控制予以详细阐述。王慧锋等[2]对“定向钻+反井钻”施工工艺、定向孔钻进过程中关键控制参数进行了深入研究。本文依托深圳抽水蓄能电站斜井开挖和山东沂蒙抽水蓄能电站竖井开挖2 个应用实例，对上述2种不同的导井施工技术进行比较分析，为类似工程导井开挖方式选择提供参考。

2 小直径机+人工扩挖

小直径机二次扩挖是指，电站斜井或竖井导井开挖时，先采用小型反井钻机从上自下钻进形成φ216mm 导孔，再安装扩孔钻头反拉形成φ1.4m 导井，最后人工钻孔爆破扩挖形成φ3.5m 溜渣导井。深圳抽水蓄能电站斜井即采用该方式进行施工导井。

2.1 项目概况

深圳抽水蓄能电站位于深圳市东北部的盐田区和龙岗区内，装机容量1 200MW。引水隧洞斜井分上、下斜井，上斜井长度380m，下斜井长度163m，直线段倾角均为50°。斜井开挖断面为圆形断面，开挖半径均为5 350mm。

2.2 施工方案

1）导井开挖辅助工程。工程包括反井钻机基础及配套设施和人工扩挖辅助设施。反井钻机基础及配套设施包括反井钻机基础、沉淀池、操作平台、冷却水箱及风、水、电管线的布置。人工扩挖辅助设施包括一次扩挖绞车和扩挖小车安装、人工扩挖井口围栏、人扩挖安全平台及相关辅助设备。

2）反井钻机施工。具体可分为先导孔施工、扩孔钻进2 个步骤。（1）先导孔施工：井口测量定位，钻机施工平台基础开挖、浇筑混凝土，安装反井钻机底座。待钻机基础混凝土达到设计强度的70%后，安装转盘吊和翻转架，再调平钻机。（2）扩孔钻进：导孔贯通后，用装载机将钻头运至斜井底部，将上下提吊块分别同钻头、导孔钻杆固定，上下提吊块用钢丝绳连接，提升导孔钻杆，使钻头离开地面约20cm，然后固定钻头，下放导孔钻杆，拆去上下提吊块，连接扩孔钻头。

3）导井人工扩挖。人工扩挖采用布置于平洞段紧邻上弯段的2 台15t 的绞车，牵引6.0m 长的扩挖小车在φ1.4m 导井内运行，对φ1.4m 的导井自下而上进行扩挖，成型断面直径为φ3.5m。

3 定向钻+大直径机

定向钻+大直径机的工艺原理为当电站斜井或竖井导井开挖时，首先由定向钻自上而下进行φ216mm 高精度先导孔施工，贯通后由小型反井钻机自上而下扩挖为φ275mm导孔，再采用BMC600 型反井钻机自上而下扩孔至φ350mm，最后安装φ2 400mm 扩孔钻头反拉形成φ2.4m 溜渣导井。山东沂蒙抽水蓄能电站高压管道竖井即采用该方式施工溜渣导井。

3.1 项目概况

沂蒙抽水蓄能电站位于山东省临沂市费县境内，工程总装机容量为1 200MW。竖井开挖断面为圆形，直径为7.6m。高压管道竖井深度均为380m。

3.2 施工方案

1）导井开挖辅助工程。根据定向钻机和反钻机尺寸，在竖井上弯段开挖29m×9.2m×11.5m（长×宽×高）洞室空间，然后施工钻机基础、泥浆池、提吊天锚等辅助设施。

2）高精度导孔施工。高精度导孔施工采用TDX-50 型定向钻机，施工工艺流程包括开孔前准备、导孔开孔、钻进成孔、钻进泥浆的控制和纠偏技术。

3）φ275mm 导孔施工。φ216mm 高精度导孔施工完成后，拆除定向钻机，安装BMC200 型反井钻机，将导孔扩刷至φ275mm，满足BMC600 型反井钻机施工所需要的导孔直径。

4）大直径反井钻机施工。运输BMC600 型反井钻机至工作面，根据竖井设计角度，初步调整好主机的钻孔角度，固定好主机，开始进行导孔扩大施工，导孔扩大的过程也是钻杆下放的过程。φ350mm 扩孔贯通后，用装载机将φ2400mm扩孔钻头运至引水下平段导孔下方，利用上、下提吊块安装固定扩孔钻头，进行反拉扩孔施工。

4 不同导井施工技术比较

以下将从施工条件、施工质量、安全风险、施工进度、工程成本等方面对2 种导井施工技术进行比较。

4.1 施工条件

“小直径机+ 人工扩挖”施工技术，需要单独设计扩挖小车和牵引绞车，导井开挖辅助设施较多。“定向钻+ 大直径机”施工技术，需要反复安拆并调试各种型号钻机，而且BMC600 型钻机较普通反井钻机尺寸偏大，交通运输、场地布置较“小直径机+人工扩挖”施工技术要求高。

4.2 施工质量

“小直径机+人工扩挖”施工技术，扩挖采用人工手风钻钻孔，钻爆法具有机动灵活的优越性，地质适应性较好，但其对围岩的扰动破坏性较大，成洞质量相对较差，会降低溜渣效率，甚至发生堵井事故。

“定向钻+大直径机”施工技术，采用滚刀机械破岩，对围岩破坏小，井壁光滑，工程质量好，有利于扩挖溜渣。根据目前施工技术显示，利用反井钻机施工导井难点在于导孔偏斜率控制。定向钻机利用随钻测斜系统和螺杆钻具，很好地解决了斜井导孔施工中钻孔偏斜的问题，在300m 以上斜井导孔施工中优势明显。

4.3 安全风险

“小直径机+人工扩挖”施工技术，导井扩挖采用φ1.4m导井内挂设载人吊笼、人工钻孔爆破方式，作业空间狭小，一旦发生掉块、塌方等突发事件，作业人员无法有效躲避，安全风险较大。另外，钻孔时井内烟尘多、噪声大，工作环境恶劣，且井内通信网络信号差，一旦遇到突发情况，内外联络困难，救援难度大，安全隐患突出。垂直运输方式单一，只能采用简易卷扬系统提升载人吊笼，保障系数偏低。

“定向钻+大直径机”施工技术，省去了由人工从φ1.4m导井扩挖至φ3.5m 溜渣井的工序，所有作业基本上采用机械化，导孔采用循环泥浆出渣，扩孔时石渣自由下落。工作人员全部在平台上部工作，工作环境好，工人劳动强度低，施工安全性高。

4.4 施工效率

“小直径机+人工扩挖”施工技术应用项目深圳抽水蓄能电站，施工效率为15.71m3/d，具体如表1 所示。

“定向钻+大直径机”施工技术应用项目山东沂蒙抽水蓄能电站，其效率则为12.01m3/d，具体如表2 所示。

由表1、表2 可知，“定向钻+大直径机” 和 “小直径机+人工扩挖” 2 种导井施工技术，本身施工导井的效率基本相当。由于使用“定向钻+大直径机”技术施工溜渣导井，能够早日实现导井贯通，为后续大面积扩挖及早提供溜渣通道，从斜（竖）井整体开挖进度考虑，“定向钻+大直径机”方式更具优势。

表1 “小直径机+人工扩挖”施工效率

表2 “定向钻+大直径机”施工效率

4.5 施工成本

根据水电水利规划设计总院水电规造价〔2004〕0028 号《水电建筑工程预算定额》，使用反井钻机施工φ1.4m 导井成本约4 434 元/m，由φ1.4m 导井人工扩挖为φ3.5m 溜渣井成本约1 625 元/m，合计为6 059 元/m。经调研分析，采用“定向钻+BMC 600 型反井钻机”施工φ3.5m 溜渣导井成本约12 000 元/m。“定向钻+大直径机”每延米施工成本比“小直径机+人工扩挖”高5 941 元。

5 结语

分析表明：现阶段由于 “小直径机+人工扩挖” 设备和技术成熟，与 “定向钻+ 大型反井钻” 施工技术相比，其市场成本具有显著优势。但随着国内抽水蓄能电站项目持续建设，大型反井钻机设备建造水平逐步提高，其价格终究会回归到一个较为合理的水平。考虑到 “定向钻+大直径机” 施工技术在作业环境、安全管理、溜渣效果、施工效率等方面的优点，尤其是在长深斜（竖）井偏斜控制方面所具有的无可比拟的优势，未来将具有广阔的应用前景，是值得推广的一项新技术。