任克和

(宜春市靖安县水利局，江西 宜春 330600)

0 引 言

竖井结构一般常用于水利水电工程引水系统的调压井、闸门井、通风井、出线井等水工建筑物中，施工难度大。常见的竖井开挖方法包括先导井后扩大开挖、全断面开挖等，导井开挖技术又分为吊罐法、反井钻机法等。反井钻机法作业条件好，施工设备简单，安全性高，劳动强度小，施工快速，近年来在水利水电竖井工程中的应用日益广泛。反井钻机施工要点主要在于稳定杆增设、钻速控制、钻进水平度控制及纠偏等方面，尤其对于钻深大、地质条件复杂的地层，施工难度及导孔偏斜率控制难度均较大，钻进过程中一旦遇到偏斜过大等问题，必须回填高强混凝土，待达到等强程度后重新控制钻进[1]。为此，必须加强导井施工方案合理性以及施工过程精确度控制，为钻机扩孔及导井全断面扩挖奠定基础。

1 工程概况

跃洲水电站为江西贡江于都河段由上至下第2个梯级水电站，电站装机容量36MW，年发电量均值1.306×104kW·h，水电站主要承担区域供水、航运及城市景观等功能。开关站接于电缆竖井之上，下与电缆廊道相连。该水电站电缆竖井所在区域石英岩、云母片岩、绿泥石岩等岩层强度在40-60MPa之间，上部主要分布着厚度60m的风化岩层和表土层，下部则为硬质的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类岩石，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩分别占比90%、4%和6%。井筒多组节理裂隙发育，在陡倾岩层钻孔施工期间发生偏斜的可能性较大。

2 施工方案确定

考虑到该水电站竖井开挖深度较大，结合岩层走向、地质条件等，是否能保证竖井竖直开挖以及开挖到底后能否准确连接水平电缆廊道是施工质量控制的关键所在，具体制定出2种开挖方案。方案1，超深电缆竖井方案：即竖井全高开挖，该方案施工工期短，无需支付支洞施工等费用，但是反井钻机施工过程中导孔偏斜率≤1%，控制难度大，且一旦超出便会形成废孔，需2次施工导孔；方案2，增设水平支洞后分段开挖竖井方案，该方案施工过程中孔斜可控性好，但施工进度缓慢。

该水电站竖井开挖定向钻进施工采用方案1，并同时采用定向钻机以确保导孔施工精度。就具体施工流程而言，应通过定向钻机施作导孔，再由反井钻机从上向下、从下向上扩孔，通过人工方式从下至上扩挖导井形成溜碴孔井，再通过人工方式从上向下全断面扩挖竖井并支护。该水电站导孔直径190mm、钻深367m，钻进偏斜率≤1%。由于导孔底部为已完工的电缆廊道，故导孔钻进时必须穿透电缆廊道[2]。为保证超深电缆竖井方案顺利实施，直接采用φ190mm钻头一次钻至孔底，不同阶段所采用的钻具组合形式具体见表1和图1。

表1 超深电缆竖井钻进开挖钻具组合

(a)正常钻进 (b)定向钻进

3 施工过程控制

3.1 钻进设备选型

1)钻机。结合工程实际及施工方案，跃洲水电站竖井开挖定向钻进施工主要配备1台功率2×75kW的TD2000/600型顶驱钻机用于钻孔动力提供，1台功率250kW的QZ3NB-350型泥浆泵用于提供泥浆循环动力，1套SMWD-2C型随钻测斜仪提供测斜和定向钻进数据，1台JSN-2C型泥浆净化机，1台功率22kW的3PNL型立式泥浆泵，2台功率3kW的污水泵。钻机是水电站竖井开挖施工过程中主要的动力源，钻机性能质量直接与钻孔施工效率有关，该工程导孔施工所使用的TD2000/600型顶驱钻机性能参数具体见表2，该型号的钻机可接立根钻进，避免出现转盘钻孔过程中单根钻进的麻烦，同时也省去了方钻杆接卸等操作过程，钻进效率明显提升。与此同时，在钻机下钻和起钻等过程中，顶部驱动装置主轴和钻具能够在任何位置相连，确保钻具旋转和泥浆循环；此外，钻机转速、扭矩、钻头下放速度等参数均能进行无级调节，施工效率有保证。

2)测斜定向仪。钻进施工期间，必须加强钻孔轨迹监测，并实时定向纠偏，以确保钻孔精度和质量。该水电站竖井开挖定向钻进施工主要采用SMWD-2C型无线随钻测斜仪，其井下部分及井上部分构造情况具体见图2。在不停钻的情况下，借助随钻测斜仪测量钻孔轨迹，井下探管所取得的数据直接通过泥浆脉冲发生器发送至地面接收设备，由地面传感器接收后提交计算机系统处理，进而得到相应的井身参数。在水电站竖井开挖定向钻进施工过程中应用无线随钻测斜仪既能显著提升测斜定向精确度，又能展开定向参数的实时监测，并据此实时调整定向，为实际钻进轨迹和设计轴线的吻合提供了保证。

3.2 轨迹控制

该水电站竖井开挖定向钻进施工主要以弯曲螺杆钻具为纠偏工具，在使用时，先基于导孔实际钻进轨迹的偏斜程度，进行定向纠偏工具面角的设计，并在随钻测斜仪检测结果的基础上，促使螺杆钻具朝向准确的方向，再固定螺杆外壳和上部钻具；与此同时，钻杆内腔中流过从泥浆泵中输出的高压泥浆，并随后持续流入螺杆钻具，螺杆马达转子随即因受到马达进出口位置压力差的推动而出现旋转，从而通过传动轴将转速与扭矩等顺利传递至下部钻头；钻头在上述压力的作用下朝向规定的方向滑动并钻进，最终达到定向纠偏[3]的目的。

孔斜监测过程中，每钻进1单根应测斜一次，并结合工程实际单独下测斜钻具测斜或加密设置监测点。根据测斜结果，必要时定向纠偏。该工程定向纠偏主要通过单弯1.25°的5LZ165×7.0L-3.5型螺杆钻具，配合SMWD-2C型随钻测斜仪进行。该水电站钻孔井斜角均不超出5°，且工具面均为磁性特征。在定向钻进过程中，主要根据定向纠偏设计进行工具面角度的调整，具体调整措施见图3。

(a)井下部分

(b)井上部分

图3 工具面向角的调整

3.3 泥浆控制

在水电站竖井开挖定向钻进施工过程中，泥浆主要起到清洁井底、携渣、钻头与钻柱润滑及冷却、平衡孔壁岩石侧压力以及在孔壁形成泥饼等重要作用。考虑到该工程地质条件：除了存在厚度数十米的表土和风化岩段外，以下全部属于稳定性良好的基岩段，为此，钻进泥浆比重应在1.05-1.13以内，黏度应在30-38s内，含砂量不超出1%，并结合垮塌掉块及钻孔漏失等情况，按照设计比掺加添加剂以优化泥浆比重和黏度。

施工过程中必须加强泥浆性能监测，如遇泥浆性能骤变，必须加密测量；通过旋流除砂器和人工捞取沉淀岩粉相结合的措施进行泥浆净化处理，以严格控制泥浆含砂量。

4 结 论

在跃洲水电站电缆竖井导孔施工的全过程中，包括定向钻机安装调试以及钻进施工在内，总共花费18天，有效钻进时间14天，竖井施工结束后测量结果显示，导孔钻进实际穿透电缆廊道位置与设计位置之间的差距仅为1.1m，钻孔偏斜率0.3%，并未超出1%的设计值。该水电站竖井深度和岩层倾角均较大，应用定向钻进技术能有确保施工安全及质量。该工程实践结果也显示，在竖井定向钻进施工过程中应用顶驱钻机与无线随钻测斜仪，能够有效提高施工精度，所配备的无磁钻头也能避免对无线随钻测斜仪施加磁力干扰，而影响孔底监测数据的准确性。