隧道深通风竖井反井法施工经验

刘建镳

(福建省第二公路工程有限公司 福建福州 350001)

隧道深通风竖井反井法施工经验

刘建镳

(福建省第二公路工程有限公司 福建福州 350001)

本文结合京台高速公路福州境内牛岩山隧道深通风竖井的施工，总结了采用“反井法”施工竖井的工艺，从机械配套、竖井定位、碴土运输和安全注意事项等方面进行了详细的介绍，为今后施工类似工程项目提供可借鉴的经验。

隧道深竖井;“反井法”工艺;经验

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1 牛岩山隧道通风方案及竖井处地质情况

图1 牛岩山隧道通风方案示意图

牛岩山隧道左洞采用三区段斜竖井送排式分段纵向通风，右洞采用两区段斜井送排式分段纵向通风。左洞通风竖井设置在左洞左侧，设计直径7.2m，竖井深368.49m，井口高程740.9m(图1)。

竖井处地质情况自上而下依次为：V级围岩30.9m(顶部锁口圈范围9.5m+锁口圈下21.4m)、Ⅳ级围岩20m、Ⅲ级围岩80m、Ⅱ级围岩237.59m。

2 通风竖井反井法施工工艺

具体施工方法是：先在地表用反井钻机在竖井中心从上而下钻取直达底部的直径27cm的导向孔，与主洞的送排风道相通，然后在井下送排风道内安装反井钻头，自下而上反钻扩孔为直径140cm的卸渣孔(别称天井)，最后采用钻爆法自上而下扩大施工成竖井。施工过程中利用天井作为排水、通风和落渣的通道，弃渣由主洞运送至弃渣场。竖井反井法施工工艺的重点在于如何形成天井。

“反井法”施工工艺(图2)已有成功的先例，如雪峰山隧道3#竖井，它是一条净径6.5m、深370m的竖井，2003年开始地表施工，挖到岩石后，安装由长沙矿山研究院新改进的“AT2000G型”深天井钻机，分段钻出直径1.5m的先导井，然后再用普通法钻爆扩大。

3 天井反钻扩孔施工

3.1 钻机选择

根据本项目牛岩山隧道竖井的特点及各种型号反井钻机的主要技术参数，反井法施工选用了北京中煤矿山工程有限公司研制的LM-400型强力反井钻机。北京中煤矿山工程有限公司研制的各种型号反井钻机的主要技术参见(表1)：

3.2 钻前准备

进场完成施工准备，场地平整，完善供电、压风、供水系统后，进行井口直径2m、深度8m明挖桩基基础施工，桩基底部挖至中风化基岩，在桩基中用C20混凝土浇筑φ2.0m中心混凝土桩，预留反井钻机基础孔。此项工作完成后，进行钻机及其他附件安装就位、钻机测量校准、液压系统管道联接、电器控制系统安装、供水管道安装、钻机通电调试试运行，试运行正常后，即可开始导孔钻进。

3.3 钻导向孔

⑴导孔钻进原理

导孔钻进原理：由两台直流电动机作为回转力，驱动变速箱带动钻杆旋转，同时利用油缸的推进，使导孔芽轮钻头对岩体形成挤压破碎，经挤压破碎后的岩渣，随着钻杆中心进来的洗孔水，由钻杆与导孔间的环形空间从进口排出。

⑵导孔钻进的参数控制

导孔钻进时，需随时观察泛渣、返水状况，并根据围岩岩性变化和扭矩变化情况控制钻进速度，不断调整钻进参数，岩石破碎时快速通过，岩石完整坚硬时降低进尺速度，以确保导孔的精度。

①开孔时，通过电位器设置6～9t的钻进压力，并以5～8rev/min的转速慢速钻进，直到先导钻头完全进入岩石；

表1 各种型号反井钻机的主要技术参数

②以9～12t的钻进压力、8～10rev/min的转速慢速钻进，钻进速度控制在200min/m，直到所有稳定钻杆全部进入岩石；

③稳定钻杆全部进入岩石后，可加大钻进力，转速可慢慢加至17～19rev/min，保持匀速，避免忽慢忽快，平稳钻进；

④一般情况下，对于松软地层和过渡地层采用低钻压，对于硬岩和稳定地层采用高钻压；

⑤当钻头经过渗水量较大、断层、裂隙或软弱夹层等不良地段时，导孔易发生偏斜，甚至出现塌孔无法返渣情况，致使钻进无法继续，严重时会导致卡钻。施工现场预备水泥，拌制0.4～0.55水灰比的水泥浆，采用人工自流输送浆液的方法进行灌注，利用浆液填充断层、裂隙，直至返水返渣恢复正常后方可继续钻进。

⑥开孔的好坏不仅影响钻进偏斜率，还将影响钻进效率和钻具寿命。为此，开孔时要采用短钻杆、低轴压、低转速和间断推进的方式，并用扶杆器扶住钻杆。短钻杆钻入后，首先接稳定器(起导向作用)。稳定器完全进入导孔时，才能逐渐将轴压和转速增加到正常值，并改用连续推进。距第一个稳定器7～8m时接入第二根稳定器(仍起导向作用)。以后，每隔15～20m装一根稳定器(主要起稳定作用)。碰到断层、裂隙而产生振动或卡钻时，要减缓钻进压力，亦可采用间断推进。随着钻深的增加，换钻杆前的冲洗排渣时间要逐渐增加，保证将孔内的岩渣排净再换钻杆，避免在换钻杆过程中造成返渣埋钻事故。要及时清除集在孔口附近的岩渣，保证排渣通畅。钻深达到50m时开始启用液压减压钻进系统。随着钻深的增加，加大减压压力，将施加在钻头上的轴压维持在一个理想值。操作工要填好钻进记录表，以便总结和积累钻进经验，分析钻进事故。

3.4 更换钻头扩孔

⑴反钻扩孔施工工艺

导孔贯通后，卸下导孔钻头，将φ1.4m扩孔钻头与钻杆进行丝扣连接，提起钻具，使φ1.4m扩孔钻头提升至适当高度，完成整个扩孔钻头的安装。结合现场实际情况，可以采用提拉设备辅助安装。

扩孔开孔，当扩孔钻头接好后，慢速上提钻具。直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用低转速旋转，慢慢钻进，保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，等刀齿把凸出的岩石破碎掉，再继续钻进。开始扩孔时，下水平要有人观察，将情况及时通知操作人员，等钻头全部均匀接触岩石，才能正常扩孔钻进。在扩孔钻进过程中，当岩石硬度较大时，可适当增加钻压，反之可以减少钻压。另以扩孔每天6m的速度算，每天产生的石渣量将近10方，应及时将石渣清理出。

当钻头扩孔至距基础2.5m时，要降低钻压慢速钻进，并且要认真观察基础周围是否有异常现象，如果有，要及时采取措施处理。继续缓慢进行扩孔，直至钻头露出地面。

⑵扩孔参数控制

扩孔钻进时的扭矩、推力和转速控制见下表。施工过程中根据岩性变化和扭矩变化情况，不断调整钻进参数，以取得最佳推力和钻进速度。各参数见(表2)：

表2 钻机施工时参数表

①扩孔开孔时，通过电位器设置12～17t的钻进压力，并以2～3/min的钻速慢速钻进，直到扩孔刀盘完全进入岩石；

②扩孔刀盘完全进入岩石后，确保全部滚刀均匀受力，可以加大提升拉力，以6～10rev/min的钻速进行扩孔；

③扩孔时，扭矩不得超过100kNm，正常岩石状况下控制在85～100kNm，钻速调节范围为8～10rev/min，最高不得超过10rev/min；

④遇到破碎带时，要及时将钻进压力、转速降下来，尽量使反井钻机振动小，平稳运行。如若岩石非常破碎，除了及时降低钻进压力外，要将钻速降到2～4rev/min，避免产生较大的振动。

4 竖井井筒扩孔掘进

Φ1400mm天井扩孔完成后，马上施工竖井孔口锁口圈，锁口圈结构混凝土达到强度要求后，安装安全盘、封口盘及提升系统(绞车、井架、安全盘)、压风管路与供水管路等系统；扩孔掘进过程，施工人员及小型材料通过绞车升降吊笼至安全盘，再经安全爬梯至工作面。扩孔掘进施工工艺及配置图见(图3)：

图3 竖井扩孔掘进施工工艺配置图

4.1 提升系统

⑴ 轻型井架，用于人员、小型材料升降，井架高度4.5m。

⑵ 根据本工程人员升降、小型材料的提放要求，选用矿用JTP-1.2绞车；

⑶ 吊笼尺寸为1.2m×0.7m×2.2m，限乘4人，吊笼顶部设置保护伞，吊笼升降最大速度控制在2m/s；提升钢丝绳选用6×19+FC-Φ18.5-167钢丝绳，吊笼稳绳选用6×19S+FC-Φ22-167钢丝绳；吊笼运行在井口至安全盘间，人员由安全盘至工作面经由安全爬梯上下。

4.2 封口盘

封口盘作为井口安全防护及井架固定的基础，采用Ⅰ25的工字钢焊接牢固作为支撑骨架，以Ⅰ20工字钢作为通气孔及吊笼孔周边支撑，封口盘通铺3mm花纹板，封口盘与绞车吊笼通过位置预留活页开口，同时预留通气孔。

4.3 安全吊盘

开挖和支护作业均在井筒工作面上完成，吊盘悬吊于工作面上方约4m处。安全吊盘支撑骨架由Ⅰ16、Ⅰ18、Ⅰ20的工字钢组合焊接而成，上铺4mm花纹板，通过两台10t凿井绞车悬吊，其主要作用为稳绳生根、工作面保护和作为延接管路、绑扎钢筋的平台。

4.4 稳定系统

竖井内安全吊盘悬吊、吊笼稳定和升降，以及供水管、供风管、混凝土输送管的悬吊固定均需通过安全盘稳定系统钢丝绳来完成，稳定系统各钢丝绳布设如(图4)。

图4 稳定系统钢丝绳布设图

4.5 扩孔掘进方法与技术要点

已施工的Φ1400mm天井，作为扩孔掘进爆破施工时的爆破自由面和通风溜碴通道；自上而下爆破开挖至形成设计的竖井断面。Ⅴ级围岩采用风镐挖松或手持凿岩机钻孔小药量炸松后挖掘机挖除，由天井下落出渣；Ⅳ～Ⅱ级围岩采用手持凿岩机打眼，非电毫秒雷管簇联，火雷管起爆，周边眼采取小药卷间隔装药，以达到光面爆破的效果。

⑴ 爆破设计：由专业爆破资质到位设计竖井全断面扩孔掘进光面爆破方案，根据围岩状况决定开挖循环高度。

⑵ 爆破施工：由专业爆破人员联结起爆网路后，将人员及设备提升至井外，同时将安全盘提升至距爆破面20m处，井口地面人员撤离至安全警戒线外，由起爆人员引爆。

⑶ 排碴：下放安全盘，自然通风15min后，工作人员方能下井作业。采用人工扒碴的方式，通过Φ1400导孔溜碴至井底，在井底采用装载机装车，自卸汽车外运弃碴。

5 结束语

竖井施工采用“反井法”法施工，与“正挖凿岩爆破法”相比，具有以下突出优点：由天井钻机完成的天井既能作为刷大井筒时的通风、溜渣通道，又能作为爆破自由面，提高了爆破效果、节约了大量爆破器材、加快了施工进度，改善了作业面的通风环境、减少了排炮烟的时间；爆破下来的岩渣通过天井，直接落到下部的隧道中进行装载、不需要岩渣提升设备、简化了出渣工作、加快了出渣进度，且不污染山上的自然环境；凿岩作业时，先导井口盖上井盖，人员和设备安全得到了保障。

[1]徐爱民,尹复辰,郭小红.雪峰山隧道3#竖井天井施工及钻机简介，2003.

[2]福建省交通规划勘察设计院，牛岩山隧道施工图设计，2012.

[3]北京中煤矿山工程有限公司，各种型号反井钻机介绍，2005.

刘建镳(1969.04- )，男，高级工程师，主要从事公路桥隧方面的工作。

Construction experience of long tunnel ventilation shaft well method

LIUJianbiao

(Fujian Province Second Highway Engineering Co., Ltd., Fuzhou 350001)

In this paper, the Beijing Taiwan Highway Fuzhou within the cattle rock mountain tunnel Shentong wind shaft construction, summed up the use of "back well method" shaft construction process, from the mechanical Sets, shaft positioning, muck and transportation and safe attention matters are introduced in detail, for the future construction of similar projects to provide reference experience.

Tunnel deep vertical shaft; Shaft; "anti well method" technology; Experience

刘建镳(1969.04- ),男，高级工程师。

2015-08-14

U455

A

1004-6135(2015)11-0084-05