賀建亮， 俞 凡

(1.中鐵二局第五工程有限公司, 四川成都 610091； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031))

豎井是長(zhǎng)大隧道施工工作的重要組成部分，同時(shí)也是施工和運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的重要組成部分。相對(duì)斜井、隧道、橫通道等項(xiàng)目而言，豎井的施工需要大量地提升設(shè)備，且其施工安全要求較高、制約因素多、施工進(jìn)度慢[1]。而在長(zhǎng)大單線鐵路高瓦斯隧道施工期間必須解決好通風(fēng)問(wèn)題，除了具備條件的部分隧道可以采用平導(dǎo)、斜井等進(jìn)行通風(fēng)外，獨(dú)頭掘進(jìn)過(guò)長(zhǎng)的單線隧道因無(wú)分支隧道，無(wú)法采用巷道式通風(fēng)方式，在這種情況下，本文以坪子上高瓦斯單線隧道工程為例，在處理通風(fēng)問(wèn)題上創(chuàng)新地采用了豎井通風(fēng)方案，其中反井法施工首次運(yùn)用到單線鐵路通風(fēng)豎井施工中。通過(guò)反井法施工的通風(fēng)豎井，有效解決了坪子上高瓦斯單線鐵路隧道施工期通風(fēng)的問(wèn)題，對(duì)加快隧道施工進(jìn)度、提高施工質(zhì)量和效率具有重要的意義。

1 工程概況

坪子上隧道是林歹南——織金鐵路線上的控制性工程，隧道位于織金縣化起鎮(zhèn)境內(nèi)，進(jìn)口里程ZD1K34+650，出口里程ZDK40+946，全長(zhǎng)6 296m，設(shè)計(jì)行車速度120km/h，為電力牽引單線隧道，隧道最大埋深180m。坪子上總體平面圖見圖1。

圖1 坪子上隧道進(jìn)口工區(qū)總體平面

坪子上隧道原設(shè)計(jì)隧道進(jìn)口工區(qū)(ZD1K34+650～ZDK38+550)主要穿越灰?guī)r地層，出口工區(qū)(ZDK38+550～ZDK40+946)主要穿越或緊鄰龍?zhí)督M(P2l)煤系地層。根據(jù)目前進(jìn)口掌子面ZDK38+445揭示煤層及地質(zhì)資料，坪子上隧道進(jìn)口從ZDK38+410處已進(jìn)入斷層影響帶，其影響帶內(nèi)巖層產(chǎn)狀局部發(fā)生扭曲，部分巖體破碎嚴(yán)重，局部巖性變化較大，其ZDK38+445掌子面處及超前地質(zhì)鉆孔所遇見的煤層應(yīng)為受大壩斷層構(gòu)造影響，錯(cuò)動(dòng)上來(lái)的龍?zhí)督M(P2l)的煤層。根據(jù)重慶煤科院超前探測(cè)成果，共探測(cè)到3層煤，按見煤先后順序依次命名為J1、J2、J3煤層，煤層傾角為38 °,其厚度分別為0.2m、0.4m、1.2m。根據(jù)物探及相關(guān)試驗(yàn)情況，判定坪子上隧道進(jìn)口端剩余段(ZDK38+445～ZDK38+600)為高瓦斯段。

通風(fēng)豎井布置在ZDK38+390線路左側(cè)15m，深110m，直徑為2m的圓井，豎井底部與正洞采用凈空4.0m，凈高4.0m導(dǎo)洞連接，連接導(dǎo)洞與正洞交角45 °，豎井立面圖及平面圖見圖2、圖3。

圖2 豎井井身立面

圖3 豎井平面

2 豎井總體施工方案

反井法施工豎井，是指利用普通反井法、吊罐法、爬罐法或反井鉆機(jī)由下向上先施工一個(gè)小斷面導(dǎo)井，然后,利用導(dǎo)井作為溜渣孔，由上向下采用爆破法擴(kuò)大到設(shè)計(jì)斷面，擴(kuò)大過(guò)程進(jìn)行必要的臨時(shí)支護(hù)，再砌筑所要求的混凝土結(jié)構(gòu)。這種方法充分利用反井法的速度快和鉆眼爆破法的破巖效率高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)豎井筒快速施工[2]。

坪子上隧道通風(fēng)豎井總體施工方案為：豎井采用反井鉆機(jī)施工，先在地面進(jìn)行鉆機(jī)場(chǎng)地平整、基礎(chǔ)澆筑及其他準(zhǔn)備工作，同時(shí)進(jìn)行隧道內(nèi)連接導(dǎo)洞施工，然后進(jìn)行豎井250mm導(dǎo)洞施工，在由反井鉆由連接導(dǎo)洞頂向地面擴(kuò)孔至2 000mm，石渣掉落至橫洞，采用一臺(tái)正裝側(cè)卸式裝載機(jī)裝渣，自卸汽車運(yùn)渣至坪子上進(jìn)口棄碴場(chǎng)。

2.1 施工準(zhǔn)備

在豎井施工前，首先從既有道路引入一條施工道路至豎井位置。便道靠山側(cè)邊坡采用C25混凝土噴射護(hù)坡，路面靠山側(cè)設(shè)M7.5漿砌水溝，溝寬50cm，溝深30cm。水溝接順至既有道路水溝。外側(cè)為較高坡面，每隔5m設(shè)防撞墩。豎井施工場(chǎng)地平整斷面圖及平面布置圖見圖4、圖5。

圖4 豎井施工場(chǎng)地平整斷面

圖5 豎井施工場(chǎng)地平面布置

2.2 連接導(dǎo)洞施工

連接導(dǎo)洞采用全斷面施工，采用φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，I16型鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)+20cm厚C25混凝土噴射支護(hù)。導(dǎo)洞凈空4.0m，凈高4.0m(圖6)。支護(hù)參數(shù)詳見表1。

圖6 連接導(dǎo)洞斷面(單位:cm)

表1 連接導(dǎo)洞支護(hù)參數(shù)

2.3 反井法施工

2.3.1 反井鉆機(jī)設(shè)備型號(hào)及工作原理

反井法施工采用LM-300反井鉆機(jī)施工，有著體積小、重量輕、搬遷移動(dòng)方便的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性[3](圖7)。反井鉆機(jī)的工藝原理是通過(guò)鉆機(jī)的電機(jī)帶動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水龍頭，并利用液壓動(dòng)力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)孔鉆頭或擴(kuò)孔鉆頭上的滾刀在鉆壓的作用下，沿井底巖石工作面做純滾動(dòng)或微量滑移。同時(shí)主機(jī)油缸產(chǎn)生的軸向拉、壓力，也通過(guò)動(dòng)力頭、鉆桿作用在導(dǎo)孔鉆頭或擴(kuò)孔鉆頭上，使導(dǎo)孔鉆頭的滾刀在鉆壓作用下滾動(dòng)，產(chǎn)生沖擊荷載，使?jié)L刀齒對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和剪切作用，破碎巖石。被破碎的巖屑在導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)被正循環(huán)的洗井液沖洗，巖屑沿著鉆桿與孔壁間的環(huán)形空間由洗井液提升到鉆孔外。在擴(kuò)孔時(shí)將導(dǎo)孔鉆頭卸下，安裝反擴(kuò)滾刀，巖屑靠自重直接落到下連接導(dǎo)洞內(nèi)，采用裝載機(jī)和運(yùn)輸設(shè)備及時(shí)清理運(yùn)出。

圖7 LM-300反井鉆機(jī)

2.3.2 反井鉆施工流程

反井鉆施工主要流程如圖8所示。

圖8 反井法施工工藝流程

2.3.3 鉆機(jī)就位及井架布置

鉆機(jī)就位及井架布置按如下步驟進(jìn)行：

(1)測(cè)量定位：測(cè)設(shè)豎井中心點(diǎn)，同時(shí)放出十字線護(hù)樁，設(shè)護(hù)樁以利校核。

(2)人工挖孔方式清除黏土及泥巖層：由于反井鉆機(jī)無(wú)法鉆黏土及泥巖層，所以鉆機(jī)到位前先采用人工挖樁方式，挖一4m×4m的方樁(由于風(fēng)機(jī)尺寸為2 710mm，風(fēng)室設(shè)置尺寸考慮4m×4m，故該樁考慮風(fēng)室基礎(chǔ)就采用4m×4m)，直接挖至基巖面，并灌注C20素混凝土成樁。根據(jù)鉆探資料，該方樁深度約8m，方樁采用25cm厚C30鋼筋混凝土護(hù)壁。方樁頂部預(yù)留兩個(gè)長(zhǎng)0.9m，寬0.55m，深0.8m的預(yù)留槽，待機(jī)體到位并進(jìn)行校核后，回填C30混凝土，以確保反井鉆機(jī)與基礎(chǔ)牢固銜接，不發(fā)生移位。為保證垂直度，反井鉆機(jī)基礎(chǔ)要求平整，豎井基礎(chǔ)混凝土澆筑情況見圖9。

圖9 豎井基礎(chǔ)混凝土(單位:cm)

2.3.4 導(dǎo)孔鉆進(jìn)

開始鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)速選用35r/min。鉆壓控制在8～10MPa，導(dǎo)孔洗井液排渣采用正循環(huán)，每鉆完一根鉆桿認(rèn)真洗井1～2min，隨著鉆井深度加大，適當(dāng)延長(zhǎng)沖洗時(shí)間，以避免發(fā)生抱鉆、堵鉆事故。導(dǎo)孔鉆進(jìn)綜合進(jìn)度指標(biāo)為0.2～0.5m/h。

2.3.5 導(dǎo)井?dāng)U孔

當(dāng)導(dǎo)孔鉆進(jìn)連接導(dǎo)洞后(圖10(a))，在連接導(dǎo)洞內(nèi)卸下φ250mm的鉆頭(圖10(b))，換裝φ2 000mm的擴(kuò)孔鉆頭(圖10(c))，自下而上將導(dǎo)孔擴(kuò)大為φ2 000mm的導(dǎo)井。導(dǎo)井?dāng)U孔結(jié)束后，拆除鉆機(jī)。擴(kuò)孔綜合進(jìn)度指標(biāo)為0.2～0.4m/h。

2.3.6 反井鉆用水

根據(jù)LM-300反井鉆機(jī)說(shuō)明及以往施工經(jīng)驗(yàn)，該鉆機(jī)每小時(shí)需水量為30m3，為保證用水量，采用罐車從坪子上洞頂高位水池拉水滿足施工需求，施鉆期間安排5個(gè)罐車為反井鉆拉水，拉水運(yùn)距7km，每個(gè)罐車每次拉水6m3，每趟40min。

(a) 導(dǎo)孔鉆進(jìn)連接導(dǎo)洞內(nèi)

(b) 導(dǎo)孔鉆頭

(c) 擴(kuò)孔鉆頭

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)節(jié)約用水，先導(dǎo)孔施工充分利用沉淀后循環(huán)水。

2.3.7 反井鉆棄碴、棄水處理

反井鉆擴(kuò)孔過(guò)程中產(chǎn)生棄碴約518m3，棄碴從連接導(dǎo)洞采用挖機(jī)配合自卸式汽車運(yùn)輸至坪子上隧道進(jìn)口棄碴場(chǎng)。反井鉆鉆進(jìn)過(guò)程中的用水直接流至連接導(dǎo)洞內(nèi)，為保證文明施工，在連接導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)攔水埂及水溝引水至隧道正洞大里程側(cè)，在隧道正洞大里程側(cè)設(shè)集水井，集水井內(nèi)安設(shè)抽水設(shè)備，將污水抽至隧道側(cè)溝(圖11)。

圖11 排水示意

2.3.8 井壁加固

豎井成型后由于井壁不穩(wěn)定性，加之通風(fēng)過(guò)程強(qiáng)大的吸力，容易造成洞壁飛石(土)吸入風(fēng)機(jī)，造成風(fēng)機(jī)損毀。所以豎井成孔后，采用10cm厚C25混凝土噴射和φ8鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)格間距20cm×20cm)對(duì)豎井壁進(jìn)行支護(hù)，鋼筋網(wǎng)采用井壁植入短鋼筋固定，噴射采用從洞頂設(shè)卷?yè)P(yáng)機(jī)調(diào)籠子，人工進(jìn)入籠內(nèi)噴射，噴射過(guò)程從下往上施作。

3 反井法施工關(guān)鍵控制技術(shù)

3.1 垂直度控制

豎井深110m，為確保豎井位于連接導(dǎo)洞內(nèi)，豎井垂直度按照1 %以內(nèi)控制，控制豎井垂直度主要方法有：鉆機(jī)基礎(chǔ)要求平整，采用預(yù)留槽，鉆機(jī)到位進(jìn)行校核后澆筑預(yù)留槽的方案處理。定位鉆頭加密布置，按照每3m/根布置，確保垂直度。導(dǎo)孔開鉆前60m放慢鉆進(jìn)速度，轉(zhuǎn)速控制35r/min。鉆壓控制在8～10MPa，鉆進(jìn)速度控制在0.2m/h(圖12、圖13)。

圖12 普通鉆桿

圖13 定位鉆桿

3.2 破碎巖層和軟硬巖交接面擴(kuò)孔控制

在豎井開挖施工時(shí)，因擴(kuò)孔時(shí)孔徑較大，鉆頭接觸巖面面積較大，當(dāng)同一擴(kuò)孔截面巖石軟硬不均時(shí)，如鉆壓過(guò)高，鉆速太快，鉆頭接觸巖面受力不均，會(huì)向巖石較軟一側(cè)產(chǎn)生相當(dāng)大的水平剪力，輕者在孔壁形成臺(tái)階，影響成孔質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將鉆桿剪斷，造成斷桿事故。按照導(dǎo)孔施工時(shí)所了解到的實(shí)際地質(zhì)情況，當(dāng)擴(kuò)孔至軟硬巖交接面時(shí)，提前改變鉆進(jìn)參數(shù)——降低轉(zhuǎn)速、減小鉆壓，緩慢鉆進(jìn)渡過(guò)該段[4]。

因在勻質(zhì)巖中正常擴(kuò)孔時(shí)，鉆機(jī)震動(dòng)不大，工作平穩(wěn)，鉆桿擺動(dòng)也較均勻。反之，則很可能是進(jìn)入到破碎巖層或軟硬巖交接面，此時(shí)不可盲目鉆進(jìn)，可采取將鉆頭適當(dāng)下放，改用低鉆速和低鉆壓重新掃孔進(jìn)入不利巖層。貫穿段擴(kuò)孔控制：當(dāng)擴(kuò)孔距基礎(chǔ)2.5m左右時(shí)，同樣要降低轉(zhuǎn)速、減小鉆壓、慢速鉆進(jìn)，要仔細(xì)觀察基礎(chǔ)周圍是否有開裂、下沉等異常現(xiàn)象，直至鉆頭露出地面。

如發(fā)現(xiàn)排渣不暢、鉆頭激烈晃動(dòng)、壓力不穩(wěn)、鉆進(jìn)困難卡轉(zhuǎn)時(shí)，可能大塊渣石落在刀盤上磨擠刀具所致，此時(shí)應(yīng)將刀具下放一定距離，多次高速旋轉(zhuǎn)，將渣石甩掉；若無(wú)效果，則把鉆頭下放到底進(jìn)行人工處理?？ㄣ@問(wèn)題要根據(jù)巖性不同采用控制鉆壓、鉆速和在泥漿中加入護(hù)壁劑、防塌劑等特殊材料針對(duì)解決[5]。

3.3 巖溶段處理

根據(jù)設(shè)計(jì)地勘資料，豎井位置標(biāo)高在1 342.1～1 332.9m位置為串珠狀空溶洞，由于反井鉆進(jìn)采用高壓水將鉆進(jìn)過(guò)程中的廢渣帶出井外，而遇到溶洞后，無(wú)法返水出渣，就無(wú)法鉆進(jìn)。固遇到溶洞后需對(duì)溶洞進(jìn)行注漿回填，注漿采用水泥漿或水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.8～1.0MPa。每次遇到溶洞后進(jìn)行注漿回填至井口，等水泥漿液達(dá)到95 %強(qiáng)度后，重新施鉆。由于巖溶發(fā)育的不規(guī)整性，注漿時(shí)必須嚴(yán)格監(jiān)控注漿情況，以便及時(shí)調(diào)整注漿方案。

4 結(jié)論

反井法在坪子上隧道通風(fēng)豎井的施工中得到了良好應(yīng)用，從工法應(yīng)用效果來(lái)看，單線鐵路長(zhǎng)大隧道通風(fēng)豎井采用反井法施工主要具有如下兩點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

(1) 在施工速度、質(zhì)量及安全方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，相較于平導(dǎo)、斜井，投資少、占地少、環(huán)保等效益非常明顯。

(2) 采用反井法施工，由于出碴在隧道洞內(nèi)，而施工在地面，相互影響很少，利于施工人員、機(jī)械等組織安排調(diào)動(dòng)。

因此，反井法工藝在公路隧道、鐵路隧道豎井建設(shè)方面有著廣泛的推廣和應(yīng)用前景。