铁路隧道深竖井反井法施工技术研究及应用——以当金山隧道为例

程守业

(1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013；3.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京 100013)

0 引言

铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要，到2025年全国铁路网规模有望达到17.5万 km左右[1]。随着我国铁路建设不断向西部和边远地区发展，需要建设大量隧道工程，基于施工技术的发展以及复杂特殊的地质条件，长大隧道不断涌现[2-3]。竖井是长大隧道的重要配套工程之一，对隧道建设期和运营期的通风排烟、防灾减灾、灾害救援等起着重要作用，因此研究安全、高效、环保的竖井施工技术是保证长大铁路隧道顺利施工的重要前提。

传统的隧道竖井施工方法以自上而下的正井法全断面法开挖为主，短段掘砌，钻爆一次成型，如乌鞘岭隧道大台竖井和岌岌沟竖井，形成了一整套完整的竖井施工方法和机械设备配套技术[4-5]。随着机械化程度的提高以及反井钻机的兴起和应用，在公路隧道竖井的施工中开始采用反井钻机施工1.4 m导井再进行钻爆扩挖[6-9]。铁路隧道地质条件复杂，BMC200和BMC300反井钻机难以满足竖井施工精度要求，因此采用反井法施工铁路隧道竖井工程很少见。近年来，强力反井钻机BMC600已能施工深度为600 m、直径为5.0 m的竖井工程，并在多个工程领域得到检验，因施工速度快、精度高，使得反井法一次成井施工铁路隧道深竖井工程成为可能。综合铁路隧道具体的地质条件，为提高施工安全系数，减少因爆破出渣造成的环境问题，快速施工竖井工程，进一步研究和探索反井法一次成井施工铁路隧道竖井工程显得尤为重要和必要。

1 隧道概况

新建敦煌至格尔木铁路位于甘肃省西北部酒泉市和青海省西部海西蒙古族藏族自治洲境内，线路全长508.956 75 km。当金山隧道为敦格铁路的控制性工程，隧道穿越阿尔金山和祁连山2大山脉，全长20.1 km，线路平均海拔3 000 m，设计速度120 km/h，采用“3斜井+进口平导+2座通风竖井”方案施工。当金山隧道是国内最长的单线、单洞、单面坡隧道，也是铁路总公司第一个全面推广采用机械化配套施工的特长隧道试点工程，具有“三多”(断层破碎带多、不良地质多、地下水侵蚀性种类多)、“三高”(海拔高、地应力高、地震烈度高)、“三长”(单面坡长、独头通风距离长、反坡排水距离长)、“三低”(隧道区气温低、气压低、含氧量低)、“三大”(埋深大、水量大、风沙大)的特点[10]。

当金山隧道施工通风控制段落位于1号斜井及2号斜井工区之间的10.5 km范围内，设置2座通风竖井，具体参数如表1所示。

表1 竖井参数Table 1 Parameters of vertical shaft

2 施工方案的确定

目前我国铁路隧道施工深度超过200 m的竖井数量少，深度不等，且全部采用正井法凿井施工。结合国内外公路、铁路、水电、矿山竖井的施工经验和方法，以及竖井直径和深度的要求，竖井常用的开挖方法可分为正井法、导井扩挖法和反井法，这些竖井施工方法在施工工序、机械设备和开挖速度等方面存在较大差异，需对其进行方案比选。

2.1 方案比选

正井法是指从井口开始全断面开挖，自上而下施工，井筒开挖一次凿岩爆破成型，采用抓岩机装渣，吊桶提升运输岩渣和材料，出渣完成后施作初期支护和二次衬砌的施工方法；导井扩挖法是先开挖用于溜渣的导井，然后再用传统的钻爆法自上而下扩挖成井；反井法施工的具体方法是反井钻机施工导孔，在隧道下部出口透孔后安装大直径扩孔钻头，反井钻机动力头驱动钻杆旋转，带动扩孔钻头进行扩孔钻进，直至钻头完全出露至地面，扩孔中掉落的岩屑由隧道内运出。3种方法各有优缺点，综合当金山隧道深竖井具体所处的条件，对其进行安全、场地、工期和经济方面的分析，如表2所示。在施工技术不断进步和反井钻机设备不断升级的大前提下，使用反井钻机施工大直径深竖井反井工程已经成为现实，确定采用反井法施工当金山隧道深竖井工程。

表2 深竖井施工方法分析Table 2 Comparison among construction methods for deep vertical shaft

2.2 反井法适应性分析

2.2.1 地质适应性分析

深竖井所处地质条件和自身围岩情况对施工所采用的工艺和设备有着极其重要的影响。当金山隧道布置2座深竖井，1号竖井围岩主要为花岗岩，岩质坚硬，局部岩体破碎，单轴抗压强度21～121 MPa，平均73.7 MPa；2号竖井围岩主要为云母石英片岩，褶皱发育，整体完整性较好，局部岩体较破碎，单轴抗压强度34～178 MPa，平均76.2 MPa。竖井区节理较发育[11]，总体来看，竖井通过区岩体较完整，具有一定的自稳能力，涌水量较小，水文地质条件较好，反井法施工能够适应此种地质条件，并且岩石强度不大，施工速度较快。若遇到局部较破碎地段，可以采取注浆等措施通过。

2.2.2 施工场地适应性分析

当金山隧道所处地区为典型戈壁滩地貌，竖井施工点附近山体陡峭，交通不便，大型施工机具不易通过，施工条件非常恶劣，但此种情况却能够发挥反井法施工的优势，反井法施工所需场地较小，不需要大量排渣，生产用水少，设备运输方便，灵活可靠，完全能够满足当金山隧道深竖井的顺利施工。以1号和2号竖井为例，竖井地面施工位置均为深山区，大面积的平整场地既耗时又费力，但采用反井法施工，一般情况下场地条件均可满足，即使原始场地无法满足，进行小范围清理平整即可。

2.2.3 技术安全性分析

采用反井法施工竖井的技术已经相当成熟，在国内外已广泛应用于煤矿、非金属矿山和水电站等重大工程建设，目前在云南白鹤滩水电站、河北承德丰宁水电站和山东招远金矿等项目中均采用反井法钻凿竖井，也曾顺利完成辽西北引水隧道4条通风竖井的施工。在设备选型合理的前提下，根据现场具体地质条件确定施工工艺，在施工过程中随时监测和调整钻进参数，可顺利完成竖井的施工。

3 反井法施工工艺

一般情况下，使用反井钻机钻凿竖井需将钻机的混凝土基础坐落在坚固的岩石上，为了保证钻机与基础之间作用力的有效传递，将钻机通过地脚螺栓等连接方式安装在基础上，导孔钻进时利用泥浆泵将洗井液通过钻杆和三牙轮钻头按照压气正循环原理，将工作面岩屑携带到地面，在地面将泥浆和岩屑分离，泥浆循环利用。导孔透孔后更换扩孔钻头，扩孔钻头上的破岩滚刀在钻杆拉力和扭矩驱动下，对岩石进行挤压、冲击破碎岩石，岩屑靠自重落到隧道内[12]。

当金山隧道竖井通过区属高海拔、高寒冷地区，人烟稀少，严重缺水干旱，且位于一背斜与向斜之间，节理裂隙发育；同时竖井附近裸露岩石坚硬，基本无表土层，综合考虑上述情况，防止因水供应不足导致排渣不畅出现钻孔偏斜以及地层裂隙漏水导致井壁维护困难这2种情况的出现，参考气动潜孔锤钻进技术在水井和瓦斯抽放井等工程领域的成功经验，对施工工艺进行改进，气动潜孔锤钻进技术即以压缩空气作为冲孔和冷却钻头的循环介质，将岩屑从孔内携带出来，用水量极少，在干旱缺水地区可极大提高钻进效率和缩短施工周期，具有良好的钻孔防斜和保直效果[13-14]。改进后的反井法施工工艺为导孔采用气动潜孔锤技术的水文水井钻机进行施工，导孔成孔直径311 mm，透孔后安装反井钻机先扫孔至350 mm，再安装扩孔钻头，一次成井直径达到3.0 m，如图1所示。

(a) 定向钻进导孔 (b) 反井钻机钻进350 mm导孔 (c) 扩孔钻进

图1反井法施工工艺
Fig.1 Construction process of raise-boring method

4 工程实例

4.1 设备选型

采用反井法先施工当金山隧道2号竖井，井深442 m，最终成井直径3.0 m，设备选型时应以其最大钻井深度作为主参数，同时综合经济因素考虑，在同等成本条件下，尽量提高钻机能力，增加实用性，因此选择气动潜孔锤钻进技术的SPC600型水文水井钻机进行直径311 mm的导孔施工，其操作简便、扭矩大、维修方便，最大钻进深度达到600 m，完全满足2号竖井的施工，配置2台250 kW美国寿力DWQ-1070XHH螺杆空气压缩机，风量可达到30.3 m3/min，使用十二烷基硫酸钠粉根据不同岩石返渣情况按一定比例与水稀释，增强携带岩渣能力。

扩孔施工时，反井钻机应根据地层情况、设备参数进行选型，综合选定目前国内最大型号BMC600型反井钻机，配备3.0 m大直径扩孔钻头，先将直径311 mm导孔刷大至350 mm，再进行扩孔。BMC600型反井钻机由主机、动力头、钻架和钻杆输送装置等组成，钻头上设置16把滚刀[15]，完全满足2号竖井的施工需要，其技术参数见表3。

表3 BMC600型反井钻机技术参数Table 3 Technical parameters of BMC600 raise-boring machine

4.2 施工条件及准备

依据2号竖井设计参数，结合反井法施工工艺、方法特点和现有经验，根据平整场地实际揭露地质情况，将表土及覆盖层开挖一次到位，开挖至基岩，施工混凝土基础，利用此基础进行导孔及扫扩孔的施工。

1)场地。反井施工为地面施工主要场所，应满足钻具和操作系统(主机、操作车和油箱车等)的摆放要求，且平整、硬化。

2)道路。需满足40 t运输设备及50 t吊装设备通行、工作需求。

3)基础。要求基础混凝土强度等级不小于C25、基础必须保证水平、预留孔必须准确对称、基础必须落在稳定的基岩上。

4)供电。供电线路接至施工现场。设有固定电源供电，钻机电压380 V，总功率不小于500 kW。

5)照明。钻机施工为连续作业，为保证夜间施工，在钻机、开关柜等位置分别设置不小于200 W的照明灯，并作防水保护。

6)通风。由于本项目为露天施工，可以不设专门通风设施。

4.3 偏斜控制

导孔施工是控制最终成井偏斜率的关键工序，直接影响到整个竖井质量，如果偏斜过大不利于扩孔钻进，严重的会造成竖井报废。为实时监测导孔偏斜，保证偏斜率满足使用要求，使用KXP-2D(S)数字罗盘测斜仪进行测斜，该测斜仪采用了传感器和数字处理技术等现代先进技术，以定时启动、定点3次测量方式完成钻孔顶角及方位角的测量，有着测量精度高、仪器操作简便、不需维护、高可靠性和应用领域广泛等显著特点，适用于非磁性或弱磁性地区。在水利建设、公路、铁路、桥梁和隧道等基础工程钻孔中应用广泛，其主要技术指标如表4所示。

表4 KXP-2D(S)数字罗盘测斜仪主要技术指标Table 4 Technical parameters of KXP-2D(S) digital compass inclinometer

导致导孔偏斜的因素有很多，主要可分为地质因素和工艺技术因素2大类。地质因素包含岩石的各向异性、地层倾角等方面；工艺技术因素包含设备安装、钻具组合、钻进参数和钻进方法等方面。当发生偏斜进行纠偏时，可利用以下几种方法：1)自然减斜法。用合理的钻具结构和组合及相应的钻进工艺造成反向偏斜来纠正已发生的孔斜，通常是轻压慢转钻进，边钻进边纠正，以保证钻孔仍能恢复到原设计的空间位置；2)扩孔纠斜法。选用稍大于原钻头口径的钻头，自上而下扩孔钻进，钻进时采用轻压慢转的方法，严格控制进尺速度，不要太快，采用此方法可以纠正一般轻微的孔斜，一般适用于浅孔或中硬岩层；3)扶正器纠斜法。如发现钻孔倾角增大，可以在粗径钻具上面加上扶正器，以达到纠斜的目的，或保持钻孔倾角不继续增大。加上扶正器后，因为扶正器的作用改变了原来粗径钻具前端的受力状态，使粗径前端下落，钻具在钻进过程中逐渐产生与倾角反方向弯曲的趋势，扶正器应接在与粗径钻具相连的短钻杆上。

竖井井深442 m，根据实地测量情况，测点安排如表5所示。在导孔钻进过程中，实时测斜并根据结果进行纠偏，测量结果如图2所示。在透孔后对透孔点进行定位和测量(见图3)，确定最终偏斜3.54 m，偏斜率0.8%，测斜仪测量偏斜为3.399 m，与最终结果偏差3.98%，说明测斜仪的结果是可靠准确的，竖井偏斜完全满足使用要求。

表5 测点设置Table 5 Layout of monitoring points

图2 测斜结果曲线Fig.2 Deviation curve of vertical shaft

图3 导孔透孔Fig.3 Photo of oriented borehole

5 结论与讨论

1)首次将反井法技术引入到铁路隧道大直径深竖井工程中，形成了反井钻机一次成井通风竖井的凿井新工艺，并成功在当金山隧道通风竖井工程中实施，钻成直径3.0 m、深度442 m的深竖井，钻孔偏斜率为0.8%，成井速度快，质量好。

2)采用气动潜孔锤技术施工导孔与反井钻机施工扩孔相结合的方式，为缺水地区铁路隧道深竖井施工开创了新的施工方法，并验证了气动潜孔锤钻进导孔对偏斜率控制效果良好。实践证明：合理控制钻进速度和改变钻具组合方式、实时调整转速和钻压、增加循环风量，可有效控制导孔偏斜率。

3)与传统施工方法相比，反井法工艺适应性强，安全系数高，既节约资源又环保，机械化程度高，符合铁路隧道竖井工程技术发展的趋势。

对于竖井数量多、直径小于5.0 m且深度小于600 m、工作面分布分散的铁路项目，使用反井法一次成井工艺施工技术、配套设备已非常成熟，但近年来铁路隧道竖井深度和直径不断加大，有必要进一步研发适合更大直径和深度的反井钻机以及配套钻具，导孔的偏斜率直接影响成井的质量，需加强对导孔偏斜率的监测，进一步研究随钻、随测、随纠偏的工艺和设备。