坪子上高瓦斯隧道通风竖井反井法施工及控制技术探讨

贺建亮， 俞 凡

(1.中铁二局第五工程有限公司, 四川成都 610091； 2.西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031))

竖井是长大隧道施工工作的重要组成部分，同时也是施工和运营通风的重要组成部分。相对斜井、隧道、横通道等项目而言，竖井的施工需要大量地提升设备，且其施工安全要求较高、制约因素多、施工进度慢[1]。而在长大单线铁路高瓦斯隧道施工期间必须解决好通风问题，除了具备条件的部分隧道可以采用平导、斜井等进行通风外，独头掘进过长的单线隧道因无分支隧道，无法采用巷道式通风方式，在这种情况下，本文以坪子上高瓦斯单线隧道工程为例，在处理通风问题上创新地采用了竖井通风方案，其中反井法施工首次运用到单线铁路通风竖井施工中。通过反井法施工的通风竖井，有效解决了坪子上高瓦斯单线铁路隧道施工期通风的问题，对加快隧道施工进度、提高施工质量和效率具有重要的意义。

1 工程概况

坪子上隧道是林歹南——织金铁路线上的控制性工程，隧道位于织金县化起镇境内，进口里程ZD1K34+650，出口里程ZDK40+946，全长6 296m，设计行车速度120km/h，为电力牵引单线隧道，隧道最大埋深180m。坪子上总体平面图见图1。

图1 坪子上隧道进口工区总体平面

坪子上隧道原设计隧道进口工区(ZD1K34+650～ZDK38+550)主要穿越灰岩地层，出口工区(ZDK38+550～ZDK40+946)主要穿越或紧邻龙潭组(P2l)煤系地层。根据目前进口掌子面ZDK38+445揭示煤层及地质资料，坪子上隧道进口从ZDK38+410处已进入断层影响带，其影响带内岩层产状局部发生扭曲，部分岩体破碎严重，局部岩性变化较大，其ZDK38+445掌子面处及超前地质钻孔所遇见的煤层应为受大坝断层构造影响，错动上来的龙潭组(P2l)的煤层。根据重庆煤科院超前探测成果，共探测到3层煤，按见煤先后顺序依次命名为J1、J2、J3煤层，煤层倾角为38 °,其厚度分别为0.2m、0.4m、1.2m。根据物探及相关试验情况，判定坪子上隧道进口端剩余段(ZDK38+445～ZDK38+600)为高瓦斯段。

通风竖井布置在ZDK38+390线路左侧15m，深110m，直径为2m的圆井，竖井底部与正洞采用净空4.0m，净高4.0m导洞连接，连接导洞与正洞交角45 °，竖井立面图及平面图见图2、图3。

图2 竖井井身立面

图3 竖井平面

2 竖井总体施工方案

反井法施工竖井，是指利用普通反井法、吊罐法、爬罐法或反井钻机由下向上先施工一个小断面导井，然后,利用导井作为溜渣孔，由上向下采用爆破法扩大到设计断面，扩大过程进行必要的临时支护，再砌筑所要求的混凝土结构。这种方法充分利用反井法的速度快和钻眼爆破法的破岩效率高等特点，实现竖井筒快速施工[2]。

坪子上隧道通风竖井总体施工方案为：竖井采用反井钻机施工，先在地面进行钻机场地平整、基础浇筑及其他准备工作，同时进行隧道内连接导洞施工，然后进行竖井250mm导洞施工，在由反井钻由连接导洞顶向地面扩孔至2 000mm，石渣掉落至横洞，采用一台正装侧卸式装载机装渣，自卸汽车运渣至坪子上进口弃碴场。

2.1 施工准备

在竖井施工前，首先从既有道路引入一条施工道路至竖井位置。便道靠山侧边坡采用C25混凝土喷射护坡，路面靠山侧设M7.5浆砌水沟，沟宽50cm，沟深30cm。水沟接顺至既有道路水沟。外侧为较高坡面，每隔5m设防撞墩。竖井施工场地平整断面图及平面布置图见图4、图5。

图4 竖井施工场地平整断面

图5 竖井施工场地平面布置

2.2 连接导洞施工

连接导洞采用全断面施工，采用φ42小导管超前支护，I16型钢拱架+锚杆+钢筋网+20cm厚C25混凝土喷射支护。导洞净空4.0m，净高4.0m(图6)。支护参数详见表1。

图6 连接导洞断面(单位:cm)

表1 连接导洞支护参数

2.3 反井法施工

2.3.1 反井钻机设备型号及工作原理

反井法施工采用LM-300反井钻机施工，有着体积小、重量轻、搬迁移动方便的特点，具有很强的适应性[3](图7)。反井钻机的工艺原理是通过钻机的电机带动液压马达，液压马达驱动水龙头，并利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，导孔钻头或扩孔钻头上的滚刀在钻压的作用下，沿井底岩石工作面做纯滚动或微量滑移。同时主机油缸产生的轴向拉、压力，也通过动力头、钻杆作用在导孔钻头或扩孔钻头上，使导孔钻头的滚刀在钻压作用下滚动，产生冲击荷载，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石。被破碎的岩屑在导孔钻进时被正循环的洗井液冲洗，岩屑沿着钻杆与孔壁间的环形空间由洗井液提升到钻孔外。在扩孔时将导孔钻头卸下，安装反扩滚刀，岩屑靠自重直接落到下连接导洞内，采用装载机和运输设备及时清理运出。

图7 LM-300反井钻机

2.3.2 反井钻施工流程

反井钻施工主要流程如图8所示。

图8 反井法施工工艺流程

2.3.3 钻机就位及井架布置

钻机就位及井架布置按如下步骤进行：

(1)测量定位：测设竖井中心点，同时放出十字线护桩，设护桩以利校核。

(2)人工挖孔方式清除黏土及泥岩层：由于反井钻机无法钻黏土及泥岩层，所以钻机到位前先采用人工挖桩方式，挖一4m×4m的方桩(由于风机尺寸为2 710mm，风室设置尺寸考虑4m×4m，故该桩考虑风室基础就采用4m×4m)，直接挖至基岩面，并灌注C20素混凝土成桩。根据钻探资料，该方桩深度约8m，方桩采用25cm厚C30钢筋混凝土护壁。方桩顶部预留两个长0.9m，宽0.55m，深0.8m的预留槽，待机体到位并进行校核后，回填C30混凝土，以确保反井钻机与基础牢固衔接，不发生移位。为保证垂直度，反井钻机基础要求平整，竖井基础混凝土浇筑情况见图9。

图9 竖井基础混凝土(单位:cm)

2.3.4 导孔钻进

开始钻进时，转速选用35r/min。钻压控制在8～10MPa，导孔洗井液排渣采用正循环，每钻完一根钻杆认真洗井1～2min，随着钻井深度加大，适当延长冲洗时间，以避免发生抱钻、堵钻事故。导孔钻进综合进度指标为0.2～0.5m/h。

2.3.5 导井扩孔

当导孔钻进连接导洞后(图10(a))，在连接导洞内卸下φ250mm的钻头(图10(b))，换装φ2 000mm的扩孔钻头(图10(c))，自下而上将导孔扩大为φ2 000mm的导井。导井扩孔结束后，拆除钻机。扩孔综合进度指标为0.2～0.4m/h。

2.3.6 反井钻用水

根据LM-300反井钻机说明及以往施工经验，该钻机每小时需水量为30m3，为保证用水量，采用罐车从坪子上洞顶高位水池拉水满足施工需求，施钻期间安排5个罐车为反井钻拉水，拉水运距7km，每个罐车每次拉水6m3，每趟40min。

(a) 导孔钻进连接导洞内

(b) 导孔钻头

(c) 扩孔钻头

现场应节约用水，先导孔施工充分利用沉淀后循环水。

2.3.7 反井钻弃碴、弃水处理

反井钻扩孔过程中产生弃碴约518m3，弃碴从连接导洞采用挖机配合自卸式汽车运输至坪子上隧道进口弃碴场。反井钻钻进过程中的用水直接流至连接导洞内，为保证文明施工，在连接导洞内设拦水埂及水沟引水至隧道正洞大里程侧，在隧道正洞大里程侧设集水井，集水井内安设抽水设备，将污水抽至隧道侧沟(图11)。

图11 排水示意

2.3.8 井壁加固

竖井成型后由于井壁不稳定性，加之通风过程强大的吸力，容易造成洞壁飞石(土)吸入风机，造成风机损毁。所以竖井成孔后，采用10cm厚C25混凝土喷射和φ8钢筋网(网格间距20cm×20cm)对竖井壁进行支护，钢筋网采用井壁植入短钢筋固定，喷射采用从洞顶设卷扬机调笼子，人工进入笼内喷射，喷射过程从下往上施作。

3 反井法施工关键控制技术

3.1 垂直度控制

竖井深110m，为确保竖井位于连接导洞内，竖井垂直度按照1 %以内控制，控制竖井垂直度主要方法有：钻机基础要求平整，采用预留槽，钻机到位进行校核后浇筑预留槽的方案处理。定位钻头加密布置，按照每3m/根布置，确保垂直度。导孔开钻前60m放慢钻进速度，转速控制35r/min。钻压控制在8～10MPa，钻进速度控制在0.2m/h(图12、图13)。

图12 普通钻杆

图13 定位钻杆

3.2 破碎岩层和软硬岩交接面扩孔控制

在竖井开挖施工时，因扩孔时孔径较大，钻头接触岩面面积较大，当同一扩孔截面岩石软硬不均时，如钻压过高，钻速太快，钻头接触岩面受力不均，会向岩石较软一侧产生相当大的水平剪力，轻者在孔壁形成台阶，影响成孔质量，严重时会将钻杆剪断，造成断杆事故。按照导孔施工时所了解到的实际地质情况，当扩孔至软硬岩交接面时，提前改变钻进参数——降低转速、减小钻压，缓慢钻进渡过该段[4]。

因在匀质岩中正常扩孔时，钻机震动不大，工作平稳，钻杆摆动也较均匀。反之，则很可能是进入到破碎岩层或软硬岩交接面，此时不可盲目钻进，可采取将钻头适当下放，改用低钻速和低钻压重新扫孔进入不利岩层。贯穿段扩孔控制：当扩孔距基础2.5m左右时，同样要降低转速、减小钻压、慢速钻进，要仔细观察基础周围是否有开裂、下沉等异常现象，直至钻头露出地面。

如发现排渣不畅、钻头激烈晃动、压力不稳、钻进困难卡转时，可能大块渣石落在刀盘上磨挤刀具所致，此时应将刀具下放一定距离，多次高速旋转，将渣石甩掉；若无效果，则把钻头下放到底进行人工处理。卡钻问题要根据岩性不同采用控制钻压、钻速和在泥浆中加入护壁剂、防塌剂等特殊材料针对解决[5]。

3.3 岩溶段处理

根据设计地勘资料，竖井位置标高在1 342.1～1 332.9m位置为串珠状空溶洞，由于反井钻进采用高压水将钻进过程中的废渣带出井外，而遇到溶洞后，无法返水出渣，就无法钻进。固遇到溶洞后需对溶洞进行注浆回填，注浆采用水泥浆或水泥水玻璃双液浆，注浆压力控制在0.8～1.0MPa。每次遇到溶洞后进行注浆回填至井口，等水泥浆液达到95 %强度后，重新施钻。由于岩溶发育的不规整性，注浆时必须严格监控注浆情况，以便及时调整注浆方案。

4 结论

反井法在坪子上隧道通风竖井的施工中得到了良好应用，从工法应用效果来看，单线铁路长大隧道通风竖井采用反井法施工主要具有如下两点优点：

(1) 在施工速度、质量及安全方面具有明显的优势，相较于平导、斜井，投资少、占地少、环保等效益非常明显。

(2) 采用反井法施工，由于出碴在隧道洞内，而施工在地面，相互影响很少，利于施工人员、机械等组织安排调动。

因此，反井法工艺在公路隧道、铁路隧道竖井建设方面有着广泛的推广和应用前景。