緩坡斜井精準反導井正挖法施工技術研究

鄭 堯

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

陽江抽水蓄能電站(以下簡稱“陽蓄電站”)為國內已建一等[大(1)型] 工程中凈水頭最高、埋深最大、灌漿壓力最大的電站,在國際上亦處于前列。該電站高壓電纜洞斜井傾角為36°,長度為262.93 m(包括彎段),呈城門洞型,斷面尺寸為6 m×5.4 m(寬×高)。目前國內、外緩傾角斜井的施工常采用正井法或反井法,但其均存在安全風險高、投入成本大、工期長等問題。該工程若采用反井鉆機法施工是最高效、安全的開挖方法,但因該工程斜井角度明顯偏小,導致反井鉆機施工導孔貫通困難,導井溜渣安全風險高,且傾角為36°的斜井采用反井鉆機法施工尚無先例可尋。因此,項目部依托該工程開展了緩坡斜井施工工藝的分析研究,提出了一種安全、優質、高效的“精準反導井正挖法”,并予以應用,取得了較好的效果。闡述了對緩坡斜井精準反導井正挖法施工技術進行的研究。

2 施工工藝的比較與分析

結合陽蓄電站傾角為36°的高壓電纜洞斜井,此次研究主要針對30°～45°緩坡斜井施工工藝進行。根據《水電水利工程斜井豎井施工規范》(DL/T5407-2019)條文說明4.1.1條中的建議:“30°～45°的緩斜井采用自上而下全斷面開挖(正井法),若采用自下而上的開挖(反井法),須有扒渣和溜渣措施”[1]。由此可見該類斜井的施工工藝局限性強。由于該類斜井傾角較緩、整體高差較大、空間受限、施工條件差且與常用施工設備、施工技術水平不相匹配,導致該工程施工難度較大。研究分析后了解到的各工藝存在的問題見表1。

表1 傾角為30°～45°緩坡斜井各施工工藝存在的問題分析統計表

為克服傳統施工工藝存在的各種問題,提高施工的安全性和效率,項目部技術人員探究出一種“精準反導井正挖法[2]”。該方法通過MWD、RMRS定位技術實現了鉆頭定位,采用定向鉆機糾偏鉆進完成了導孔精準施工,改進型反井鉆機實現了反擴溜渣導井,模型試驗論證了溜渣的可行性,控制爆破技術實現了正向開挖。

3 精準反導井正挖法施工工藝

緩坡斜井精準反導井正挖法施工的核心在于導孔的精準貫通及導井溜渣,但其存在的主要風險是溜渣堵井和導井偏斜。其工程目的實現的關鍵為:在模型理論的支撐下綜合應用多種先進技術,結合有效的控制爆破方法進行施工。

該工藝的主要施工流程:方案研究→模型試驗→施工準備→定向鉆機安裝→導孔施工(定位及糾偏)→定向鉆機拆除→反擴基礎施工→反井鉆機安裝→導井反擴施工→反井鉆機拆除→現場爆破試驗→正向全斷面開挖支護。

3.1 定向鉆機導孔施工工藝要點

該工藝為確保緩坡斜井的精準貫通,通過MWD、RMRS定位技術提出了采用定向鉆機施工導孔、輔以專用定向鉆具并結合鉆進軌跡進行分析后實施鉆進校正以提高導孔的貫通精度。

(1)鉆機選型。定向鉆機的選型應充分結合鉆井長度、鉆孔直徑、巖石堅硬程度、斷層情況、偏斜率控制標準、場地空間尺寸等條件復核定向鉆機的最大回托力、最大回轉扭矩、回轉速度、給進壓力、泥漿泵最大排量、最大壓力等參數,從而選擇合適的設備進行施工。

(2)定向鉆機的糾偏鉆具組合。為解決定向鉆機及MWD、RMRS測斜系統在堅硬巖層中直線鉆進的應用,需要采用依托該工程研制的“一種用于斜、豎井鉆進的定向鉆具”以實現導孔的定位與校正。該鉆具的組合形式:牙輪鉆頭+磁短節+單彎螺桿+浮閥+扶正器+無磁鉆鋌3根(內置測斜儀)+扶正器+加重鉆桿+普通鉆桿。

(3)鉆井泥漿。泥漿是定向工程導孔定位糾偏成敗的關鍵因素之一,其主要作用是穩定導孔壁、裹攜鉆渣并將其排至地表、潤滑鉆具、提供糾偏的動力、冷卻孔底鉆具等[3]?，F場作業時泥漿控制的主要指標是相對密度、濾失量、粘度、靜切力等。泥漿性能的優劣直接影響導孔的定位及糾偏效果,其可以通過優化膨潤土、水和化學處理劑等的比例調節性能,從而保證定向鉆成孔的效果以及在擴孔、糾偏過程中的穩定性和安全性。為了適應不同地層對泥漿性能的要求,應當進行現場試驗用于調整泥漿的摻量指標。該工程采用的泥漿性能技術指標[4]見表2。

表2 泥漿性能技術指標表

(4)測斜糾偏。在定向鉆具無磁鉆鋌中安裝MWD測斜儀,通過脈沖發生器將探測到的數值發送至井口。通過數值計算鉆頭的實際角度、方位等數據,再操作定向鉆機旋轉單彎螺桿鉆具至理論角度,通過高壓泥漿壓力驅動前段彎螺桿的鉆頭鉆進糾偏,從而實現導孔“轉彎”;糾偏后重新測量鉆頭的方位數據,直至調整到設計井斜。斜井導孔從入鉆點至出鉆點50 m之前采用MWD測斜儀對鉆頭進行定位,導孔距出鉆點小于50 m時在透孔點下部設置RMRS測距系統對鉆頭(旋轉的短磁節)進行閉合定位,綜合MWD、RMRS兩項數據運用所研究的“一種緩傾角斜井導孔軌跡控制方法”計算并校正導孔。單彎螺桿結構形式見圖1。

圖1 單彎螺桿結構形式圖

3.2 反井鉆機導井施工工藝要點

該工藝系為確保緩坡斜井的導井反擴開挖制定,從而對反井鉆機的主要受力構件及基座進行改造以確保其結構受力、操作空間、設備布置等滿足相關要求,同時分階段采用合理的鉆速、鉆壓等參數完成導井反拉施工[5]。

(1)反井鉆機的基礎設計。對于該工程傾角范圍內的緩坡斜井,反井鉆機施工時鉆機受力復雜,重力方向上的分力大,鉆機在大扭矩力作用下容易發生機械故障,需要盡量讓鉆機的作用力垂直于基礎面以改善其受力情況。對此,項目部技術人員研究并設計出“一種緩坡斜井反井鉆機基礎結構”。該基礎設計的要點在于增加了基礎的抗滑能力,采用實心混凝土“凹”型基礎;混凝土基礎與反井鉆機調腳靴板平行以確保鉆桿軸線與混凝土基礎斜面垂直;在基礎斜面上還應預埋H型鋼用于安裝、固定反井鉆機;在混凝土基礎內沿斜井鉆進中心線預埋鋼管以減少起鉆時對基礎的結構破壞;在基礎的一側鋪設混凝土墊層以利于鉆桿的存放及吊運。反井鉆機基礎結構剖面見圖2。

圖2 反井鉆機基礎結構剖面圖

(2)對反井鉆機適應性進行的改造。常規的反井鉆機適用于傾角為60°～90°的斜井施工,但其在傾角為30°～45°斜井中使用時應進行適應性改造。該工程主要對反井鉆機液壓支撐底座、調腳靴板、抓手、馬達等部位進行了以下改進。

①液壓支撐底座的改造:為便于反井鉆機調整入鉆角度,在反井鉆機支撐底座與主機框架處增加了2組長液壓千斤頂,并在千斤頂與主機框架連接部位設置了三角支撐,在千斤頂與底座連接部位設置了矩形支撐。

②為進一步提升入鉆點的準確度,在調腳靴板處增加了2組角度調節液壓千斤頂,腳板預留錨固孔,將基礎板與腳板通過螺栓進行連接。

③改進了液壓抓手,采用兩組液壓系統分別控制大臂、小臂,使其猶如人的手臂一樣能夠滿足反井鉆機液壓抓手橫縱移動,從而更加便捷地安裝斜井鉆桿。

④對液壓驅動馬達采用雙組設計,選用了兩組改進型液壓馬達,將液壓馬達做到輕量化。

通過對施工工藝及鉆機受力情況進行研究,在改進了上述基礎及設備后,實現了緩坡斜井反井鉆機的穩定反擴,順利完成了導井施工。

3.3 正向開挖施工工藝要點

針對該傾角范圍的斜井,應在數值模擬、模型試驗研究的基礎上開展緩坡斜井溜渣可行性的分析研究,充分利用爆破試驗開展現場溜渣驗證,優化掌子面傾角、溜渣井位置、爆破設計方案,輔以適當的溜渣措施以降低正向開挖面臨的溜渣堵井及安全風險高等問題出現的概率。

3.3.1 導井溜渣運動特征和角度適應性分析

緩坡斜井溜渣是否堵井決定了“精準反導井正挖法” 的成敗,項目部針對緩斜井溜渣的角度,通過數值模擬、建立運動學模型、開展模型試驗、現場試驗等方式探究了溜渣運動特征與角度的適應性。

在進行數值模擬前,首先進行了單顆粒巖塊運動學和動力學理論研究,分析了巖塊在溜渣井內可能出現的運動狀態和特征;然后進行室內試驗,研究不同坡度、形狀、大小、條件下巖塊的運動軌跡、速度、距離等參數的變化情況,進行多變量方差分析;最后進行顆粒群巖塊運動特征分析,通過采用高速攝像記錄及現場統計等方法定量分析了巖塊運動的相關特性,獲取了數值模擬及模型試驗所需的基礎參數。

顆粒流溜渣運動的數值模擬運用EDEM軟件進行了離散元理論分析,通過網格劃分將渣料離散為單個相互獨立運動的單元,通過各單元顆粒在溜渣井中相互接觸、相互作用模擬出真實的溜渣狀態,運用牛頓運動定律等創建每個單元的運動方程,采用顯示時間差分法求解動力平衡方程,通過動態松弛法、靜態松弛法等迭代方法進行循環迭代并計算出每個單元的運動特性,從而得到整個研究對象的運動特征,模擬出溜渣過程的運動情況。

通過數值模擬獲取參數后進行相關的模型試驗。模型試驗以滑渣坡度、顆粒級配為兩個變量研究石渣在導井中的運動規律,進而論證緩坡斜井反井溜渣的安全角度范圍和最優顆粒級配。模型試驗裝置由支撐構造、存料裝置、滑槽導管、渣料收集器、記錄裝置五部分組成,該裝置可實現0°～45°坡度范圍內的任意改變。溜渣模型主要從渣料級配、石渣容重、滑槽尺寸、滑槽摩擦系數等關鍵指標考慮其相似性,模型與溜渣井的幾何相似比為1∶5。將模型試驗與數值模擬試驗取得的結果進行對比,從圖3中可以看出兩種試驗渣料的沖出距離和顆粒集散區間基本一致,進而可以相互印證試驗結論的準確性。某顆粒級配試驗結果對比情況見圖3。

(左:模型試驗結果;右:數值模擬結果)

通過對上述研究數據進行總結,論證了30°～45°斜井在適合的條件下能夠滿足溜渣需求,并得出小顆粒是阻礙溜渣效果的因素之一。小顆粒的增多會加大溜渣過程中下墊面的摩擦力,阻礙大顆粒的滾動,因此,在工程現場,需要嚴格控制小顆粒的含量。模型試驗得出粒徑小于30 mm的顆粒不能超過總質量的20%;工程中的最大粒徑不能超過700 mm,且粒徑為200～700 mm顆粒的質量不能超過全部顆?？傎|量的50%,否則可能有堵井風險。該工程的最優爆渣級配區間指標為:小顆粒含量為10%～20%,中顆粒含量為40%～50%,大顆粒含量為40%～50%。

3.3.2 緩坡斜井擴挖爆破巖塊粒徑的控制與所采用的溜渣技術

項目部根據數值模擬合模型試驗推薦的最優爆渣級配,在斜井正式開挖前開展了現場爆破試驗,獲得了符合溜渣粒徑控制要求的鉆爆參數,項目部據此實施開挖并輔以擴挖溜渣技術完成了斜井開挖。

(1)全斷面爆破試驗。全斷面一次性爆破設計主要進行的是爆破進尺及爆渣級配控制試驗等。該工程的試驗進尺分別為1 m→2 m→2.5 m。各種進尺均未出現堵井現象,其中1 m進尺成本較高,2.5 m進尺扒渣量較大且大顆粒渣料相對較多,堵井風險高;最終選取了即經濟又保險的2 m進尺。

根據該工程巖性特點,在進尺2 m時進行了兩組鉆爆孔距試驗,第一組試驗的孔距為40～60 cm,爆出的渣料粒徑較細,細顆粒含量(18%)接近模型試驗上限,故應適當加大孔距;第二組試驗的孔距為60～70 cm,爆出的渣粒粒徑中顆粒含量較大(52%),超出了模型建議值,故應減小孔距。最終將主爆孔間距控制在50～60 cm,綜合試驗結果得出的最優級配粒徑區間及含量見表3。

表3 最優級配粒徑區間及含量表

其他工程若需參照本研究成果實施,應首先根據工程實際遇到的巖性進行爆破試驗,然后選擇爆破進尺、孔距、爆破方式等。

(2)全斷面擴挖溜渣技術。為降低堵井風險,提高施工效率,項目部結合現場及模型試驗成果對工程進度及安全進行綜合分析后作出了以下三點優化:

①掌子面傾角優化:為提升渣料下溜率且便于爆破造孔,將開挖掌子面傾角與水平線的夾角控制在20°～30°,如此實施能夠將爆破石渣有效集中于底部,提升石渣導入溜渣井的數量,進一步降低扒渣人員的勞動強度。緩傾斜井正向開挖剖面見圖4。

圖4 緩傾斜井正向開挖剖面示意圖

②溜渣井的位置優化:基于導井的高精度貫通,為有效減少下半洞的存渣量,將溜渣導井布置于底板,以便更好地引導爆破渣料下溜,減少扒渣工程量;溜渣過程采用5 L/min的助溜劑進行助溜,助溜劑的組成為0.1%的植物油,99.9%的水。

③爆破設計優化:以導井為中心,炮孔布置形式采用“菱形+中心空孔”方式布置,孔距控制指標為50～60 cm,全斷面分上下半洞兩序延時(880 ms)爆破,這樣實施既可以提高爆渣落入導井的量,提升施工效率;又可有效降低瞬間同時進入導井的渣量,進而降低了堵井風險。

4 結 語

“精準反導井正挖法” 在陽江抽水蓄能電站中的成功應用,形成了緩坡斜井施工新工藝。該工藝通過實時定位、鉆進糾偏、反井鉆機適應性改造、模型試驗、爆破控制等各項施工技術的有機結合,能夠有效規避傳統施工工藝存在的問題,突破了緩坡斜井施工的局限性,形成了一種高效、精準、安全、優質的施工技術。希望此次研究取得的成果及文中闡述的施工技術分析能為傾角為30°～45°斜井工程的施工提供幫助。