超深竖井开挖导井一次成井技术

费发樱

摘要：抽水蓄能电站引水竖井采用反井钻机施工过程中，导井的形成是竖井得以扩挖成井的关键，制约着竖井施工的质量和进度，本文对超深竖井的导井采用定向钻机和反井钻机组合一次成井的关键技术和专用设备进行了阐述，为类似工程提供经验参考。

关键词：超深竖井；开挖导井；一次成井

1 工程概况

山东沂蒙抽水蓄能电站输水系统1#、2#高压引水管道竖井深度均高达约380m,竖井开挖断面为圆形，直径为7.6m。原设计方案为设置施工中支洞,将导井分为两段进行施工,后经方案优化,取消中支洞,采用反井钻机一次成井。

高压管道竖井段岩性为微风化片麻状闪长岩、花岗闪长岩，断层裂隙较发育，围岩受裂隙切割，岩体多为块～次块状结构，以Ⅱ～Ⅲ类围岩为主，断层及裂隙密集带地段为Ⅳ类围岩。

为满足竖井后期扩挖出渣要求，竖井导井采用反井钻机施工，结合最终成井直径、总井深及钻机能力等因素，高压管道竖井导井直径确定为2.5m。

2成井工艺及设备选择

2.1 成井工艺

基于原设计方案的调整、竖井地质条件以及进度要求，若要保证380m导井一次成井，并满足透孔精度要求，采用传统的仅依靠反井钻机单一设备成井的方法，无论从成井精度，还是钻孔过种各种风险管控，都无法得到保证，所以经过多方案比选，本工程采用了“定向钻机TDX50+反井钻机BMC600”的大型成孔设备组合，由定向钻机先打φ152mm导孔，反井钻机刷扩成φ311mm导孔，再反拉形成直径2.5m的导井。主要施工顺序为：定向钻机施工高精度先导孔→反井钻机施工导孔→导井反拉成导井→竖井爆破扩挖达到设计断面。

2.2 定向钻孔设备及机具选型

定向钻机选用TDX 50型钻机，是一种为定向孔施工而研制的新型钻机，可以在井巷内施工0～90°定向孔，主要由孔口装置、夹持器及卸扣器、动力头及侧摆机构、机体滑架及补偿机构、举升油缸、履带底盘、动力和液压系统、小绞车、泥浆泵等；给进提升为马达-链条增力机构，具有很强的提升能力，可处置复杂工况；动力头回转为三马达驱动，匹配四种转速，满足定向施工不同工况要求；全液压控制系统，维护操作便捷，履带式底盘具备自行走功能。定向钻机见图1。

2.3 反井钻机主机选型

高压引水竖井开挖深度范围内的围岩坚硬，岩石抗压强度较高。综合考虑围岩地质特性、导井直径和井深、施工工期等综合因素对钻机性能的要求，比选采用BMC600型反井钻机进行导井施工，钻机如图2所示。

        
   图1 TDX-50型定向钻机                       图2 BMC600型反井钻机

3施工准备

根据两种钻机最大工作高度刷扩洞室，施工钻机基础、泥浆沉淀池和提吊天锚等设施。工作面周边开挖循环水槽连接至沉淀池，池顶高低于钻机基础面。钻进排渣及钻机循环供水采用DN50钢管从已建高位水池接引。设备供电从引水洞内630kVA变压器接引。在反拉面附近设置集水坑，将排水沟废水引至集水坑内，集水坑废水再集中引排至隧洞排水系统进行处理。

反井钻基础施工及基座安装加固：清理反井钻机基础面，测量放出竖井中心点，在清理好的基础面上采用C30混凝土浇筑钻机基础平台，浇筑时预留机架固定锚杆及固定螺栓。主机基座正确安装后，打设2m深、φ42mm的锚杆孔，清孔后用锚固剂锚固地脚锚杆，清理基座下方的杂物并用水清洗，在基座和基础之间的缝隙浇筑细石混凝土。复测和校正基座，确保安装位置正确。

4 定向先导孔钻孔及纠偏技术

定向钻机安装调试完毕后，即可进行先导孔施工，导孔直径Φ152mm，钻机在施工过程中随时测斜纠偏，定向钻进长度在正常纠偏时为2～3m，正常降斜时为1～2m，当定向没有达到预定效果时，需要重新定向。

定向工具面角在定向钻进过程中，以稳定工具面角为主；纠偏时以闭合方位为基准，反扭；降斜时，以钻孔方位角为基准，反扭。井深小于200m，反扭矩角10～20°；井深大于200m，反扭角20～30°。

一般钻机在钻进过程中，钻头受到地层的影响会产生偏斜，偏离预定的孔线轨迹，最典型的是地层软硬交叠造成的偏斜，这对深井导井施工的影响尤其显著。定向钻优秀的纠偏功能可大大减小这种偏差，满足设计精度要求。导井先导孔施工采用定向钻具组合进行钻进，在钻进过程中随钻测斜仪可对钻进轨迹进行连续监测，发现偏斜及时动态纠偏，使整个钻进过程受控，孔线轨迹偏差满足设计要求。

在无线随钻测斜仪中，安装有传感器对三轴重力和三轴磁力线进行探测，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，地面计算机解码数据后，再综合钻井深度参数，可测出已成孔的孔线轨迹。

定向钻的螺杆钻具是一种特殊的井下动力钻具，可在钻杆不旋转的情况下，由高压泥浆驱动钻头旋转。通常选择具有一定弯曲角度的螺杆，从而可以进行滑动钻进，即使孔“转弯”。

定向钻具组合包括定向钻进和复合钻进组合。在正常钻进时，钻机和螺杆钻具同时旋转，提供较高的转速进行钻进；在无线随钻测斜仪测出偏斜超标的情况下，调整至滑动钻进，从而对钻进轨迹进行控制，降低孔斜偏差。

在无线随钻测斜仪测量参数指导下，通过定向螺杆钻具对钻孔轨迹进行动态方向控制，每推进一根钻杆测斜一次，当钻孔偏距大于0.5m或钻孔斜角偏差大于0.8°时，或对钻孔的轨迹判断存在疑问时，要加密测点，必要时单独下无磁钻铤加钻头全程测斜。制定纠偏措施，利用弯螺杆造斜角度进行反向钻进实现纠偏，一般情况采用弯角1.25°的Φ165mm螺杆钻具，定向效果不理想的情况下，可以用弯角1.5°螺杆钻具。如偏斜角大于控制值，可减少定向长度，进行复合钻进。

在先导孔钻进过程中，遇到裂隙、断层等不良地质构造，会出现返渣量小，返渣颗粒较细，甚至出现不返浆、塌孔、卡钻等现象，应对不良地层进行必要的处理。根据钻进过程观察，先导孔钻进到这些地层时，加大泥浆或者清水循环量，将断层中泥质部分冲洗干净后，提钻进行灌浆处理，待孔内浆液达到强度后重新钻进直至贯通。具体方法：在现场制备水灰比为0.4～0.55的水泥浆或水泥砂浆通过灌浆设备或自流输送的方法进行灌孔，利用浆液填充断层、裂隙，并利用灌浆压力对影响带岩体进行固结，待浆液凝固后即可进行扫孔施工。

先导孔钻进是本工程一次成井施工中的重点和难点，是反井法施工中的重要环节,决定反井工程的成败。在本竖井工程中,我们采取了行之有效的偏差控制措施，并在施工中不断地摸索研究，精准监测，准确掌握地质情况，合理控制钻进速度，使得先导孔顺利贯通。

5导孔施工

5.1 反井钻机安装、调试及主机校准

待基座混凝土和锚杆强度达到要求之后，安装主机的两块脚板，并扭紧螺栓，利用自行式履带底盘运输主机至工作面正确安装在脚板上，根据竖井设计角度初步调整好主机钻孔角度，固定好主机，退出自行走底盘。

主机就位之后，将液压站安装至工作面预设位置，校准水平。运输操作台至工作面，摆放在合适的位置，之后连接油管，敷设电缆线路。确认电缆、油管等正确连接无误后，送电检查电压、相序和各仪表显示状况，通电1小时以上，再次全面检查设备各部位的状态，包括液压油、齿轮油等，确保安装正确和人员处于安全状态后开机试运行。调试内容主要包括各电机状态、管路进回油、机械手和转盘吊、冷却水系统、泥浆泵及水（泥浆）循环系统等。调试过程中发现异常及时停机处理。

用数显角度仪、全站仪等多次反复校准主机，保证主机的导孔开孔角度为90°，确定主机动力头行走直线与竖井轴线重合或者平行。待主机校准、调平、调正处理后，紧固主机与脚板、基座的连接螺栓，对钻机机架进行固定。

5.2 导孔钻进

通过先导孔导向，反井钻刷孔至Φ311mm导孔，导孔刷扩的过程也是钻杆下放的过程。钻机调平，开孔钻进后，调整动力水龙头的转速为预定值，并升到最高位置，将导孔钻头移入钻架底孔并用卡瓦卡住钻杆，然后将卡瓦放入卡座，用钻机辅助设备连接钻杆。接好钻杆后，开启冷却用水开始开孔钻进。

导孔钻进排渣用泥浆泵抽取沉渣池内的水，从动力水龙头的洗井液接头沿钻杆内壁压入钻头底部，经钻头底部的出水孔将孔底的石渣沿孔壁排至孔口的排渣槽内，自流进沉渣池内。石渣沉淀后捞至专用堆放位置，石渣水经沉淀处理后，再用泥浆泵抽入导孔内循环利用。

开孔前正确安装好开孔稳定器，用开孔钻杆低钻压、低钻速开孔，开孔深度为3米，开孔完成后，取出开孔钻杆及开孔稳定器，更换稳定钻杆开始正常钻进。导孔钻进的过程，也是对地层的勘探过程，反井钻机虽然不是取芯钻进，但根据对钻进过程观测以及返出岩屑的情况，根据经验可以对地层有初步的定性分析和判断，为导孔钻进和反拉扩孔、井壁维护等提供参考。

导孔钻进的参数控制

序号	项目	扭矩（KN.m）	推力（t）	转速(r/min)	备注
1	开孔	6~8	6~9	5~10	钻进速度控制在160min/m
2	完整围岩地层	9~10	20~24	20~25	钻进速度控制在50min/m
3	断层、破碎带	7~9	7~10	10~15	钻进速度控制在80 min/m

在开孔及正常钻进过程中合理配置稳定钻杆（装有4根稳定耐磨条，直径与导孔钻头一致的钻杆）强制控制导孔钻进方向，利用导孔孔壁对稳定钻杆的约束作用将前端一定范围内的钻杆强制摆正，保证钻杆钻进方向与设计钻孔轴线一致，从而控制导孔钻进方向。配置稳定钻杆时应注意：开孔前测量导孔钻头和稳定钻杆直径，要求两者外径相同，以保证钻头与钻杆同心，确保钻孔的精度；稳定钻杆的配置采取导孔钻头后连续配置5根稳定钻杆，然后分别隔3米、5米、11米各配置一根稳定钻杆，以后每隔50米配置一根稳定钻杆。

钻进过程中，要结合不同岩性与钻孔深度，合理控制导孔钻进速度，在保证钻进速度的同时保证钻孔方向。为及时掌握导孔偏斜程度,对导孔钻进方向进行有效控制,利用KXP-2E数字测斜仪对钻进方向进行测量，根据测量数据分析钻孔偏移情况，采取纠编措施，以保证钻孔偏差控制在允许范围之内。当钻孔深度达到50m时测定一次，根据导孔偏移情况适当合理调整前端稳定钻杆的数量和位置，并在钻杆中部适当位置设置稳定钻杆，逐步对导孔方向进行调整和控制。

钻进过程中及时清理返出的岩渣，防止岩渣堆积或落入导孔内，每钻进一根钻杆后冲水或泥浆5～10min，等孔内的岩屑全部排出后，停泵接卸钻杆。导孔透孔后，停止泥浆（水）循环，但钻机不能停转，开始向孔内加清水将导孔内岩渣冲洗干净，直到钻机转动平稳，扭矩变化不大时停钻。导孔钻进过程中，如出现漏水现象、返水减小、返渣异常等情况，要及时停止钻进，向上提取钻杆，进行灌浆等相关技术处理后方能继续钻进。

6 扩孔施工

6.1 扩孔钻头安装

导孔贯通后，先拆卸导孔钻头，之后将扩孔滚刀钻头运至引水下平洞段导孔下方工作面，将上、下提吊块分别与导孔钻杆、扩孔钻头固定，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，下落钻杆，拆去上、下提吊块。在扩孔钻头安装过程中钻机操作人员与钻头安装人员上下联系、紧密配合。

6.2 反拉扩孔成导井

扩孔施工时，钻机低转速、低钻压缓慢将扩孔钻头提升至与岩面接触，然后从导孔内通入冷却水，以冷却扩孔钻头并消尘。待扩孔钻头全部钻进岩体后开始对钻头加压，压力根据岩性具体确定，遇到软岩或岩石较为破碎时采用低压，遇到硬岩时采用高压。

随着扩孔钻头的逐步提升，钻杆随之跟进拆卸，拆卸钻杆时，第二根钻杆上方卡位升至卡座上方约20cm，将下卡瓦卡住第二根钻杆的上卡位，下降动力水龙头，使下卡进入卡座内，反转动力水龙头一圈，升起翻转架用机械手抱住钻杆，动力水龙头反转并提升约10cm，取出上卡瓦，再将动力水龙头升至最高位置，下降翻转架并松开机械手，同时下降动力水龙头连接钻杆，取出下卡瓦，继续扩孔钻进。

反井钻扩挖石渣采用引水隧洞作为通道，利用反铲和侧卸装载机配自卸汽车出渣并运至指定渣场。

扩孔滚刀的寿命有限，一般在扩孔长度达到120m左右时将扩孔刀盘下放到下平洞进行检查,更换滚刀，然后再继续扩孔。

7 反井钻机拆除及井口防护

扩孔施工完成后，将扩孔钻头担放在钻机基础平台上，然后利用起重设备将钻架、机身拆除，最后拆除扩孔钻头。导井形成后，清除井口所有石块，防止碎石落入井中，并设置安全井盖及安全防护栏，悬挂安全警示牌。

8导井施工实际效果评价

1#高压引水管道竖井导井施工总深度367.9m（上部部分井段提前采用爆破开挖完成），导井直径2.5m，偏斜值1.01m，综合偏斜率为2.7‰；2#高压管道竖井导井施工总深度367m，导井直径2.5m，偏斜值0.46m，综合偏斜率为1.2‰。从实际测量数据可以看出，终孔偏差较小，达到了预期的效果，证明所采用的钻进方法是卓有成效的，导井施工完全满足合同工期和质量要求。

9 结束语

沂蒙抽水蓄能电站输水系统竖井导井采用“定向钻机+反井钻机”的大型成孔设备组合施工，出色地完成了导井成孔，这两条380米竖井的顺利贯通，无论是竖井深度还是钻进速度、精度,在水电工程施工中都是极为少见的，为水利水电超深竖井工程采用大型设备组合施工积累了宝贵的经验，具有较高的推广应用价值，希望为今后类似工程施工起到借鉴作用。

参考文献

[1]胡本勇.反井钻机在周宁水电站高竖井开挖中的应用[J].广西水利水电，2005（3）：20-23.

[2]谢振峰，谢延强，牛素凡.LM-200型反井钻机在竖井施工中升级应用[J].甘肃水利水电技术,2012，48(06):53-55.

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