陳國政 CHEN Guo-zheng；孟陳祥 MENG Chen-xiang；張城 ZHANG Cheng

（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著國家道路交通網(wǎng)絡的逐漸完善，公路隧道朝著長度更長、斷面更大方向發(fā)展。就這類長大隧道往往需要設置通風豎井從而保證隧道開挖過程及運營期間的通風。目前國內(nèi)建設的長大隧道地質(zhì)條件十分復雜，不同巖層地質(zhì)受力復雜也是其施工難點，自然環(huán)境十分惡劣。同時豎井井口位于山頂，其施工場地范圍較小，不便于施工棄碴運輸。豎井施工設備配置較多、布置范圍較大，豎井井口位置選擇時要考慮施工設備運輸便道和井口開闊的設備布置空間。[1]

豎井位于隧道平導和正洞之間，豎井的設置有利于縮短洞內(nèi)送、排風距離，有利于隧道掌子面開挖支護施工有效通風排煙，避免有毒氣體損害洞內(nèi)作業(yè)人員身體健康。因而研究更加安全、高效且保證施工作業(yè)過程對周圍環(huán)境無公害的豎井施工技術對長大公路隧道的發(fā)展有著重大意義。

目前我國已完工的豎井施工案例多數(shù)采用從上至下的正井法全斷面開挖方法為主，伴隨著新興機械不斷升級改造，機械化施工效率不斷提高，在長大公路隧道施工中反井法的應用也逐漸增多。與傳統(tǒng)正井法施工相比較，反井法施工工藝能適應各種復雜地質(zhì)條件進行施工。如金山隧道首次將反井法技術引入到鐵路隧道大直徑深豎井工程中，形成了反井鉆機一次成井的鑿井新工藝。[2]反井鉆井工藝根據(jù)其工藝主要有2 大類：一類是反井鉆機設置在井筒，擴挖主要采用傳統(tǒng)鉆爆法由上向下進行擴挖和支護；另一類是利用地下巷道空間，布置反井機械設備，采用反井鉆機直接鉆到井孔的設計直徑，再根據(jù)工程需求進行支護，最終形成井筒。反井鉆機利用下部巷道的空間和生產(chǎn)系統(tǒng)，擴孔鉆進時巖碴依靠自重下落，不需要采用流體或機械輔助排碴，實現(xiàn)了大體積破巖和無重復破碎的高效鉆進。[3]

1 工程概況

1.1 工程簡介

興業(yè)快線（北段）南起梅華路，北至唐家。起點位于香洲區(qū)興業(yè)路，道路沿線為城市住宅及生活區(qū)。利用現(xiàn)狀地形高差將合并段隧道分為西、東線兩個隧道。東線隧道下穿雞山村，中山大學，終點接港灣大道與唐樂路交叉口；西線隧道出鳳凰山后上跨金唐東路，終點接哈工大路。西線隧道全長約5761m，屬于公路特長隧道。[4]

本工程1#通風豎井內(nèi)徑11.0m，其中兩個排風道凈空面積為22.55m2，周長為18.415m；送風道凈空面積為43.97m2，周長為27.007m，井深86.0m；豎井通過聯(lián)絡風道與地下風機房連接，風道需跨越左線隧道與右線隧道相連。

1.2 工程重難點

興業(yè)快線（北段）1#通風豎井位于鳳凰山腹地，鳳凰山山高林密，無上山道路，設備進場、材料進場、碴土運輸都比較困難。通過一些小型專用履帶車輛才能運輸小型設備和材料，大型設備運輸困難，只能單向行駛，每天運量有限，長度約2.3km。

該通風豎井風下穿Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，采用反井法施工，先在豎井中部采用反井鉆機施工出碴導洞，利用導洞將開挖土體落入下方風道中，然后通過主線隧道將碴土運送至場外。豎井是個豎直向下的結構[5]，需對具有高空墜物風險施工區(qū)域有針對性地作出警示和防范措施。

2 施工方案選擇

正井法需采用抓巖機裝碴，吊桶提升運輸巖碴和材料，并選擇合適的棄碴場地堆碴。[6]

3.1.5 體位改變 對照組機械通氣的患兒床頭抬高15°，而觀察組機械通氣的患兒床頭抬高30°。王文秋等［15］研究表明，平臥位患者VAP發(fā)生率最高，床頭升高25°者可明顯降低呼吸機相關性肺炎的發(fā)生率。有研究顯示，對于機械通氣尤其伴有腸內(nèi)營養(yǎng)的患者，除非有禁忌證，如頸椎、骨盆骨折及血液動力學極不穩(wěn)定的患者，否則均將其床頭抬高超過30°～45°，可以有效地預防誤吸及胃內(nèi)容物反流［16］。減少口咽部細菌定植和誤吸的發(fā)生，從而降低VAP的發(fā)生率。

反井法結合先前施工的導井作為棄碴的便利通道，無需額外增添出碴設備和合適棄碴場地。

隨著鉆井技術進步，反井法在降低勞動強度，降低施工成本，提高機械化施工水平方面的優(yōu)點越來越明顯，工程應用逐年增多。[7]

趙順義，趙學禮[8]以杭州市紫之隧道工程土建第Ⅱ標段1#豎井與2#豎井為工程實例給出了鉆孔爆破方法，炸藥用量計算方法及孔洞分布位置設計原則。采用鉆機反井法無需很大的山上施工場地、施工設備相對較少、機械化程度高、施工人員少、勞動強度低。[9]

目前國內(nèi)在特長公路隧道的施工中所面臨的挑戰(zhàn)逐漸增加，越發(fā)需要施工工藝成熟的同時，相應的施工機械設備也在不斷迭代改進，在面對各種復雜施工條件下的適用性也逐漸增強。國內(nèi)研發(fā)的系列反井鉆機實現(xiàn)了由人工鉆鑿、鉆孔爆破到機械化破巖鉆進的轉變，初步實現(xiàn)了無人化或少人化、機械化和信息化礦山豎井鉆井。[10]綜合興業(yè)快線（北段）1#通風豎井現(xiàn)有的施工條件，對其進行安全、場地、工期、環(huán)保和經(jīng)濟方面綜合評估分析最終采用反井法進行施工。

3 反井法開挖施工技術

3.1 施工主要設備

施工選用ZFY2.0/200D 煤礦用反井鉆機進行施工，其主要參數(shù)如表1 所示，該反井鉆機采用清水鉆進工藝，利用泥漿泵壓入清水將鉆進中產(chǎn)生的巖屑返至地面。被破碎的巖屑在導孔鉆進時被正循環(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。在擴孔時將導孔鉆頭卸下，安裝反擴滾刀，巖屑靠自重直接落到下水平巷道內(nèi)，采用裝載機和運輸設備及時清理運出。

表1 ZFY2.0/200D 鉆機主要參數(shù)表

3.2 反井法施工工藝流程

反井鉆機法的豎井施工共分為3 步，即：正鉆導孔、反擴導井及人工擴挖一次成形。[11]反井鉆機鉆進工藝主要包括導孔鉆進和擴孔鉆進2 個部分，施工工藝流程如圖1所示。

圖1 反井鉆施工工藝流程圖

4 反井法施工方案

4.1 27cm 導向孔鉆孔

反井鉆機開孔根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，先采用短鉆桿、低鉆壓和低鉆速的方法間斷性往下掘進。鉆孔作業(yè)時，為確保導向孔的垂直度，采用輔助設備扶正鉆桿保證鉆桿的垂直度，見圖2。

圖2 ZFY2.0/200D 煤礦用反井鉆機工藝圖

鉆孔過程中遇到節(jié)理發(fā)育和破碎或軟弱圍巖時，鉆機容易產(chǎn)生振動、卡鉆現(xiàn)象，需要安置穩(wěn)定鉆桿，并減緩鉆壓、轉速，間斷鉆進。

4.2 直徑200cm 導碴孔擴挖

在豎井導向孔施工前，主洞和聯(lián)絡通道已經(jīng)貫通至豎井底部，擴孔施工所需更換的滾輪刀盤通過運載工具運送至豎井底部后，按照以下程序進行導碴孔施工（現(xiàn)場實際應用見圖3 所示）：

圖3 反井鉆機施工圖

①安裝直徑200cm 擴孔滾輪刀盤。

②孔口接入水管，以冷卻滾輪刀盤、消塵用。

③將回轉變速裝置調(diào)為慢速擋。

④調(diào)試擴孔滾輪刀盤，同時對擴孔巖面進行刮平。

⑤待擴孔滾輪刀盤與巖面均勻接觸后，滾輪刀盤全部進入基巖前，采用低鉆壓、低轉速進行擴孔開挖。

⑥待滾輪刀盤全部進入豎井圍巖后，調(diào)整鉆機的鉆壓、鉆速進行正常擴孔開挖，在豎井底部將道碴運輸至洞外棄碴場。[12]

⑦擴孔施工注意事項。

1）擴孔鉆進前利用探傷檢查承載接頭是否完好。及時發(fā)現(xiàn)是否存在微裂紋，以便決定是否更換。

2）導孔鉆透后，在下巷道卸下導孔鉆頭，接上擴孔鉆頭，擴孔鉆頭必須旋緊，螺紋端面不能留有縫隙。防止擴孔鉆頭順著螺紋反向自動滑落。

3）擴孔作業(yè)中根據(jù)實際地質(zhì)情況調(diào)節(jié)擴孔施加的壓力，巖石的強度越高，在保持穩(wěn)定鉆速的前提下增加鉆進壓力；反之，巖石的強度降低，控制鉆速，減少鉆進壓力；根據(jù)不同巖石強度，保持鉆機均勻的擴孔開挖速度，使鉆機在平穩(wěn)狀態(tài)下作業(yè)。

5 結論及總結

5.1 爆破擴孔效率更高

爆破作業(yè)前通過合理布置炮眼已達到最佳爆破效率，擴孔作業(yè)中因?qū)Ь拇嬖诳梢赃厰U孔，邊完成碎碴通過導井溜至底部進行清碴。使得工序銜接更加緊湊，機械化連續(xù)作業(yè)，相比傳統(tǒng)擴孔開挖方式需要上個工序完成后再進行下一道工序，其施工效率要提高5-10 倍。通風豎井的快速施工為后期主洞施工提供諸多便利，其綜合效益十分顯著。

通過與傳統(tǒng)隧道通風豎井施工方法相比，反井鉆機進行擴孔既使得機械化施工效率大大增加，同時降低傳統(tǒng)人工作業(yè)施工風險，滿足城市道路發(fā)展特長公路隧道豎井工程技術發(fā)展的趨勢。

5.2 出碴速度快

豎井出碴是影響豎井開挖支護成環(huán)速度的重要工序，破碎出碴往往耗時較多，效率較低。采用反井法施工時利用導井使爆破后產(chǎn)生的石碴通過導井順溜到導井底部，之后再由裝載機裝車轉至場外。

5.3 無需臨時通風和排水設施

相比正井法施工需要在豎井頂部設置臨建設施，如臨時通風設施和臨時排水設施，反井法施工則恰好利用導井連通豎井頂部和底部，解決豎井掘進過程中爆破產(chǎn)生的有害氣體及煙塵排放問題，極大改善豎井底部掌子面的空氣質(zhì)量。施工中產(chǎn)生的廢水和豎井開挖過程中的涌水及時從導井順流至導井底部后通過主洞的排水流至洞外，不用增設抽水泵來完成積水抽排，如此既降低工程成本，同時提高掘進效率。

5.4 安全性更好

充分利用反井法施工技術在特長公路隧道應用的特點，并成功在興業(yè)快線（北段）工程中實施，為隧道洞身開挖及時輸送掌子面所需新鮮空氣，極大降低洞身段掌子面有限空間作業(yè)缺氧及有害氣體中毒的風險。同時反井鉆機采用液壓傳動進行控制，機械作業(yè)操作簡單，有效降低人員作業(yè)強度。

5.5 經(jīng)濟環(huán)保

豎井采用由上而下進行鉆爆擴孔開挖，所需乳化炸藥由龍門吊從溜碴孔底部提升至開挖掌子面，從而有效避免炸藥因山路崎嶇運輸至山頂增加運距，降低施工成本。施工作業(yè)產(chǎn)生的廢水、棄碴通過導井轉移至豎井底部后從主洞洞身往外輸送，因而使得豎井開挖棄碴可以完全通過溜碴孔封閉外運，減少從豎井頂部出碴給環(huán)境帶來的影響。