长龙山抽水蓄能电站超长斜井开挖施工技术

齐界夷

（1. 中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中国能建工程研究院水电施工设计研究所，湖北 宜昌 443002）

0 引言

长龙山抽水蓄能电站位于浙江省安吉县天荒坪镇境内，紧邻已建天荒坪抽水蓄能电站，地处华东电网负荷中心，电站装机容量2 100 MW，安装6台单机容量为350 MW的混流可逆式水轮发电机组，多年平均发电量24.35亿kWh，属一等大（1）型工程。电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统（含引水系统、尾水系统）、地下厂房及开关站等建（构）筑物组成。其中，引水系统布置3条引水隧洞，共6条引水斜井，即3条引水上斜井和3条引水下斜井。

引水下斜井开挖断面尺寸为5.0 m×5.9 m，呈马蹄型，倾角58°；其总长度约415 m，居国内第一、世界第二。上下井口高差约350 m，洞室埋深200～600 m；斜井轴线方向为N42°W，自上而下穿越流纹质含砾晶屑熔结凝灰岩（J3L1-5）～火山角砾（集块）岩（J3L1-2）等，局部有NW向煌斑岩脉发育。沿线及附近通过f（710）、f（734）断层及 f（473）、f（238）、f（244）层间错动带，节理较发育，以NNE、NNW—NW向中陡倾角为主，局部顶拱存在结构面不利组合，需加强支护。围岩类别以Ⅱ类为主，局部为Ⅲ～Ⅳ类，岩石硬度极大，实测岩石单轴抗压强度最大超过280 MPa，平均约245 MPa。

鉴于常规施工技术在长度超过400 m的斜井开挖工程中尚无应用先例，且存在很大的技术和安全风险，有必要通过应用或研发新设备、新技术解决这一难题，进一步提升我国在水电施工技术领域的竞争力。

1 施工难点

斜井开挖在施工难度和安全风险方面均远高于平洞和竖井开挖，对于长度达415 m的超长斜井开挖，其难度更大，主要体现在以下四个方面：

1）斜井长度大，钻孔精度要求高，控制难度大。该斜井是目前国内水利水电工程首条单级长度超过400 m的斜井，要求导孔偏斜控制在5‰以内，无可靠的施工技术可借鉴。当前较成熟和先进的斜井施工技术，主要是采用反井钻法施工导井，再进行人工扩挖。但采用反井钻机施工导孔过程中，几乎没有有效的孔向监控和纠偏措施，一次成孔的难度极大，且该工程斜井倾角为58°，反井钻施工导孔受重力影响更大，难以满足偏斜控制在5‰以内的要求，导孔一旦偏出设计开挖边线以外即是废孔，必须返工。

2）扩挖支护施工难度大，安全风险高，工效低。传统斜井扩挖支护施工采用卷扬机提升作业平台自上而下人工钻爆方法进行，每循环钻爆采取人工在掌子面搭设简易操作排架实施，爆破前将简易操作排架拆除，爆破后作业人员须系安全绳（带）至掌子面进行扒渣作业。因此，扩挖支护施工不仅安全风险很高，且作业环境恶劣，工效低。

3）扩挖控制测量难度大。斜井扩挖测量相对平洞测量因无稳定的仪器架设平台，且通视条件较差，精确测量难度本就较大，超长斜井扩挖的控制测量因长度大，井内空气湿度和温度随高程、季节不同而变化，严重影响测量精度。

4）岩石强度大，对施工设备机具的性能要求更高。斜井所穿地层主要为凝灰岩，岩石强度远超预期，且岩石耐磨度较高，无论是导孔钻孔和反拉扩孔，还是扩挖支护难度均大幅增加。

2 技术方案

根据国内相关工程经验及工程实例，长斜井导井开挖主要有三种方案[1]：反井钻方案、爬罐方案、“反井钻+爬罐”方案。

1）反井钻方案是利用反井钻机先钻设导孔，再安装反拉钻头，反拉扩孔形成导井。其优点是机械化程度高，工序简单，进度优于爬罐方案；缺点是导孔孔向偏差控制难度大，导孔钻进过程中受隐蔽因素影响较大，且无法及时有效进行偏斜监测和控制，尤其对长度超过300 m、与水平面夹角小于60°的长斜井，受重力等因素影响，孔向偏差更为突出。

2）爬罐方案是利用爬罐设备作为操作平台自下而上开挖导井。该方案在国内桐柏抽水蓄能电站、天荒坪抽水蓄能电站和仙游抽水蓄能电站等工程中均得到成功应用。其优点是使用经验较成熟，安全性能稳定；缺点在于测量控制难度大，超过200 m后作业环境恶劣，工效大幅下降，且轨道安装及风水电管线延伸操作难度大，安全风险高。

3）“反井钻+爬罐”方案是利用反井钻机开挖斜井上段导井+爬罐开挖斜井下段导井。优点是在一定程度上克服了反井钻方案和爬罐方案的缺点；缺点在于反井钻施工上段导井与爬罐施工下段导井对接难度大。

该工程斜井长度415 m，我国水电工程尚无单级长度超过400 m的斜井开挖先例。经过考察对比上述导井开挖方案在类似工程的施工经验，分析传统扩挖方案的不足，认为在该工程中应用均存在很大的风险。为了实现导孔精准贯通和斜井扩挖支护安全高效施工，经过技术研究论证，确定采用“定向钻+反井钻”方案进行导井施工，同时研发深斜井扩挖支护一体化装置及施工方法进行扩挖施工，并进行具体方案研究和制定，形成超长斜井开挖支护施工技术，满足实际施工需要。

3 超长斜井导井施工技术

采用“定向钻机+综合测斜纠偏技术”实现超长斜井定向孔精准施工，并进行反井钻科学选型、改进钻头设计等措施，实现硬岩条件下超长斜井导井反拉快速施工。

3.1 超长斜井定向孔精准钻孔施工技术

超长斜井定向孔钻孔的成败取决于两个决定性指标：①定向孔出钻点是否在允许范围内；②定向钻孔过程中的全角变化率是否在允许范围内。达到这两个指标的前提是能够监测钻孔偏斜，继而对钻孔轨迹进行控制。为此，必须严格执行既定工艺流程，如图1所示，开机钻进过程中采用随钻测量（measurement while drilling，MWD）无线随钻测斜[1]、多点测斜和磁导向等综合测斜技术指导纠偏，以保证定向钻孔精度。

图1 超长斜井定向孔钻孔工艺流程图

1）MWD无线随钻测斜技术

采用MWD无线随钻测斜仪实时监测钻孔三维位置参数，并与设计导孔轴线进行对比反映出钻孔偏斜，以指导纠偏，保证钻孔方位角、井斜及全角变化率控制在允许值范围内。无线随钻测斜仪采用对三轴重力和三轴磁力线进行探测的传感器，通过这些传感器测得的数值，由内置计算机进行编码，经脉冲发生器通过泥浆脉动传递至地面，地面计算机分析解码数据后，再综合钻孔深度参数，实现实时监测定向钻第一节钻杆的三维坐标及偏斜数据，与设计参数进行比对，由此可判断钻进方向及偏斜是否在允许范围内，也可得出整条导孔的钻进轨迹，判断导孔轨迹的全角变化率是否在允许范围内。

全角变化率的控制主要是保证反井钻机反拉导井顺利进行。定向钻的钻杆直径一般为102～127 mm，刚度较小，在导孔内可发生较大弯曲而仍能正常工作；反井钻机反拉导井时使用的钻杆直径达311 mm，采用特殊钢材加工而成，刚度很大，在进行反拉作业过程中，很容易在全角变化率较大的孔段内因长时间弯曲旋转而造成损坏，经现场实践验证导孔全角变化率控制在2.5°/100 ft以内，能够满足反拉正常进行。

2）定向孔开钻参数精确校核

定向钻孔开钻前需精确计算定向孔设计方位角，并将设计方位角、倾角等参数输入随钻测斜仪，从而保证MWD无线随钻测斜数据准确。设计方位角为磁方位角与磁偏角、子午收敛角之和，磁偏角与大地磁场相关并随不同地理位置而变化，因此计算出的设计方位角须在施工现场进行校核。该工程采用自主研发的“一种可调磁偏角复测校核装置”专利技术，对理论磁偏角、子午收敛角数值进行二次校核，确保测斜仪器精准指导定向钻钻孔过程纠偏。

3）磁导向测斜技术

采用磁导向技术对剩余约100 m定向孔进行精准导引，即在定向孔出钻点附近布置磁导向仪，实时监测定向钻钻进数据，指导及时纠偏，确保剩余定向孔精准贯通。

4）多点测斜与MWD无线随钻测斜互相验证

为了对MWD无线随钻测斜数据进行校核，一般按照每钻进30～50 m采用多点测斜仪进行复测，与MWD无线随钻测斜数据进行对比验证，更好地掌握偏斜情况，确保导孔轨迹全角变化率满足要求。

5）地质预判指导钻进

充分利用设计地质资料及钻进过程收集岩屑钻渣，对钻进前方一定范围地层情况和岩性提前进行预判，并结合钻进过程中的异常情况，如水压超过正常范围（5～7 MPa）、返水量减小、返渣量增大或减小、孔内异响等，应及时停机，进行原因分析，采取调整钻压、转速和泥浆浓度或固壁等措施，确保钻孔顺利进行。

6）定向孔扩大

超长斜井因导孔长度大、导孔轨迹全角变化率等因素，反拉导井使用的钻杆直径较大，因此需对定向钻施工的定向孔进行扩孔。定向孔扩孔可采用自上而下正向法和自下而上反向法[2]。正向法为利用定向钻机更换专用扩孔钻头，如图2所示，以冲击方式自上而下扩孔；反向法为利用定向钻机安装反扩专用钻头，如图3所示，自下而上进行扩孔。根据现场应用情况，反向法对定向钻机性能要求更高，但施工效果优于正向扩孔法。

图2 定向孔正向法扩孔专用钻头

图3 定向孔反向法扩孔专用钻头

3.2 超长斜井坚硬岩导井反拉施工技术

定向孔完成扩大后，即可安装反井钻机进行导井反拉施工。导井反拉需综合考虑扩挖溜渣需要、钻机性能、岩石条件、工期等因素，以确定合适的导井直径、刀盘结构、滚刀型式及布置等关键要素。

1）钻机选型

反井钻机选择主要考虑拉力和扭矩，经计算，该工程导井反拉拉力应大于2 595 kN，最大扭矩142.6 kN·m，选用国产性能优越的某型号反井钻机，其性能参数如表1所示。该反井钻机能够满足施工需要。

表1 某型号反井钻机性能参数表

2）确定导井直径

长龙山引水下斜井导井直径投标期为2.5 m，主要目的是降低堵井风险。在平洞段开挖及定向孔施工过程中，检测岩石硬度远超于招标预期。考虑到斜井长度大、导孔轨迹容易存在一定偏差，加之岩石硬度大，若反拉φ2.5 m导井，对反井钻机、钻杆及反拉刀盘滚刀等性能要求极高，且存在诸多不可预见的突发情况。经综合研究讨论，确定将导井直径调整为2.0 m，在扩挖期通过采取技术措施和管理措施降低堵井风险。

3）刀盘及滚刀设计

反井钻机的工作原理是通过反井钻机的钻杆施加拉力，使镶齿滚刀压入岩石中，同时由钻杆旋转带动刀具滚压实现破碎岩石。经现场实践，为了提高刀盘结构稳定性、破岩能力，同时防止意外断杆而卡钻，将刀盘结构由圆台型调整为“碗”型，如图4所示，并将刀盘采取镂空处理，增大排渣效率。滚刀采取螺旋形扩散布置，如图5所示。

图4 “碗”型刀盘

图5 刀盘及滚刀布置

滚刀选用槽型布齿滚刀，共10把，镶齿为优质硬合金，每把滚刀布置5排镶齿，10把滚刀由内向外螺旋形扩散布置，共分为4组。在内环靠近拉杆两侧各布置1把为第1组，但两把滚刀安装角度、镶齿排布并不对称，距离拉杆最近的1把滚刀内侧2排镶齿并列布置，为最先与岩体接触的滚刀，第2把滚刀距离拉杆稍远，且外侧2排镶齿并列布置，该滚刀是在第1把滚刀对内环围岩滚压破碎后，紧跟进行第2环围岩滚压破碎，其余滚刀按照上述规律且不对称布置，最终形成螺旋形扩散的滚刀组合，实现对坚硬岩条件下导井反拉施工，实践证明破岩效果良好，反拉最高日进尺可达16 m。

4）反井钻头安装

斜井导井施工时，下弯段已开挖完成，反拉钻头安装须保证钻杆角度与导井轴线一致，以避免损伤钻杆。为解决这一问题，设计了一种半圆形刀盘安装槽架，槽架由型钢和钢板加工而成。首次安装刀盘及需要更换滚刀时，将槽架安装于导井下口，槽架安装角度需与导井角度一致，上部与事先布设的锚杆焊接加固，下部采用型钢支撑加固，如图6～图7所示。

图6 防卡钻反井钻头三维图

图7 反井钻头安装

4 超长斜井扩挖施工技术

通过研发斜井扩挖支护一体化装置，辅以个性化爆破技术和综合安全措施，实现斜井安全快速开挖支护；应用专利技术、专业软件和仪器实现超长斜井扩挖精确测量控制。

4.1 超长斜井扩挖支护施工技术

1）扩挖支护一体化装置及安全提升施工技术

自主研发了斜井扩挖支护一体化装置，该装置[3]设置3层作业平台，不仅可作为钻孔、支护作业平台，还可进行扒渣作业。上层平台为锚喷支护作业平台，同时存放锚杆和注浆材料；中层平台为注浆机作业平台，同时安装小型卷扬机提升系统，可进行溜渣井井盖吊放作业；下层平台上安装液压机械臂，可359°旋转，作业人员不用下至掌子面便可通过液压控制操作进行机械扒渣作业，提高了扒渣效率，有效降低了作业安全风险。作业人员上下通行采用单独一套安全运输系统，避免一体化台车频繁上下运行，提高了上下井效率，降低了安全风险。

2）个性化钻爆施工技术

采用底拱错台阶钻孔、爆破联网分段及个性化布孔、装药等钻爆技术，有效降低了堵井概率，提高了扒渣效率。底拱错台阶钻孔技术与爆破联网分段技术，即将底拱部位的钻孔孔底高程适当抬高，爆破后形成斜坡，以便底拱爆渣能自然溜入导溜渣井，减小后续扒渣工作量，同时有效避免了爆破飞石对台车轨道的损伤；在爆破联网时将底拱部位缓冲孔及周边孔分段滞后边顶拱部位爆破，利用爆破冲击波将底拱部位爆渣抛掷进入溜渣井，减小后续扒渣工作量；个性化爆破布孔、装药技术，按照靠近导井和周边适当加密布孔，中间布孔间距约为导井直径的1/3进行控制，并根据围岩条件变化及时调整钻爆参数，保证爆渣块度不大于导井直径的1/3，有效降低了堵井概率。

3）安全保障综合措施

一体化扩挖支护装置采用专门设计的卷扬提升系统，配置断绳、断电、上下限位等保护装置，确保运行安全。

在一体化扩挖支护装置上安装视频监控摄像头，视频通过无线信号传输至台车控制室内安装的监视器，台车操作人员及施工管理人员可通过监视器随时了解井下作业情况，实现对井下施工全过程的监控，有效避免了施工安全风险。

在一体化扩挖支护装置上安装高压水管，在扒渣过程中打开高压水管对爆渣进行喷洒，不仅起到降尘作用，同时可辅助扒渣，提高扒渣效率。

4.2 超长斜井开挖精确测量技术

1）精确控制测量

采用“一种洞内导线测量照准装置”[4]辅助全站仪和某测量数据处理软件进行控制测量和成果处理，减小洞室内光线不足及视角干扰的影响，降低照准时产生角度及距离的测量误差，实现精准贯通。

2）联合使用全站仪、CGGC测绘软件和激光指向仪进行孔位放样及角度控制

采用全站仪+CGGC测绘进行掌子面周边孔放样，全站仪设站完成后，开启全站仪蓝牙，与手机CGGC测绘软件进行连接。连接成功后可以直接在手机CGGC测绘软件上操作，选中编辑好的斜井轴线、开挖洞型等参数，按照爆破设计钻孔间距设置放样点间距便可以对掌子面进行钻孔放样；同时在斜井侧壁间隔约100 m设置激光指向仪，辅助钻孔放样和检查钻孔角度，保证扩挖质量，也可复核斜井扩挖轴线走向。

3）测量成果快速提交

在Cass7.1和测绘项目管理系统下，采用CGGC测绘软件进行放样及断面测量验收后，数据会存在手机文件夹中，将其导入测绘项目管理系统中，实现快速下载、编辑、内业处理以及原始数据归档。

5 应用效果

长龙山抽水蓄能电站引水下斜井开挖支护工程首次研究和采用“定向钻+反井钻”方案、一体化扩挖支护装置，最终顺利完成了3条引水下斜井的导井施工和扩挖支护。定向孔出钻偏差均小于50 cm，定向孔全角变化率均控制在2.5°/100 ft以内。定向孔正常情况下日平均进尺15～30 m，最高达50 m，纠偏工况下日进尺10 m左右；导孔正向扩孔日进尺18～36 m，反向扩孔日进尺约9～36 m；正常情况下，反井钻反拉日进尺约8～16 m。扩挖支护月平均进尺达90 m，最高可达108 m，创造了世界纪录，为2021年首台机组发电奠定了坚实基础。

6 结论

长龙山抽水蓄能电站引水下斜井采用“定向钻+反井钻”方法进行导井施工，应用综合测斜纠偏技术，解决了超长斜井导井开挖技术难题；采用“碗”型刀盘和螺旋形组合滚刀，解决了最高抗压强度达280 MPa的坚硬岩破岩施工难题；采用一体化扩挖支护装置及其辅助安全措施，实现了超长斜井安全高效扩挖支护施工。该超长斜井开挖施工技术基本实现了斜井开挖全机械化作业，自动化程度高，安全高效，总体技术达到了国内领先水平。

需要指出的是，该技术还存在一些改进空间：一是定向孔施工磁导向信号传导深度有待扩大，从而进一步提高定向孔偏斜监测能力；二是斜井扩挖支护一体化装置有待改进和完善，需进一步提高其机械化、智能化程度。