劉建鑣

(福建省第二公路工程有限公司 福建福州 350001)

隧道深通風豎井反井法施工經(jīng)驗

劉建鑣

(福建省第二公路工程有限公司 福建福州 350001)

本文結(jié)合京臺高速公路福州境內(nèi)牛巖山隧道深通風豎井的施工，總結(jié)了采用“反井法”施工豎井的工藝，從機械配套、豎井定位、碴土運輸和安全注意事項等方面進行了詳細的介紹，為今后施工類似工程項目提供可借鑒的經(jīng)驗。

隧道深豎井;“反井法”工藝;經(jīng)驗

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1 牛巖山隧道通風方案及豎井處地質(zhì)情況

圖1 牛巖山隧道通風方案示意圖

牛巖山隧道左洞采用三區(qū)段斜豎井送排式分段縱向通風，右洞采用兩區(qū)段斜井送排式分段縱向通風。左洞通風豎井設置在左洞左側(cè)，設計直徑7.2m，豎井深368.49m，井口高程740.9m(圖1)。

豎井處地質(zhì)情況自上而下依次為：V級圍巖30.9m(頂部鎖口圈范圍9.5m+鎖口圈下21.4m)、Ⅳ級圍巖20m、Ⅲ級圍巖80m、Ⅱ級圍巖237.59m。

2 通風豎井反井法施工工藝

具體施工方法是：先在地表用反井鉆機在豎井中心從上而下鉆取直達底部的直徑27cm的導向孔，與主洞的送排風道相通，然后在井下送排風道內(nèi)安裝反井鉆頭，自下而上反鉆擴孔為直徑140cm的卸渣孔(別稱天井)，最后采用鉆爆法自上而下擴大施工成豎井。施工過程中利用天井作為排水、通風和落渣的通道，棄渣由主洞運送至棄渣場。豎井反井法施工工藝的重點在于如何形成天井。

“反井法”施工工藝(圖2)已有成功的先例，如雪峰山隧道3#豎井，它是一條凈徑6.5m、深370m的豎井，2003年開始地表施工，挖到巖石后，安裝由長沙礦山研究院新改進的“AT2000G型”深天井鉆機，分段鉆出直徑1.5m的先導井，然后再用普通法鉆爆擴大。

3 天井反鉆擴孔施工

3.1 鉆機選擇

根據(jù)本項目牛巖山隧道豎井的特點及各種型號反井鉆機的主要技術參數(shù)，反井法施工選用了北京中煤礦山工程有限公司研制的LM-400型強力反井鉆機。北京中煤礦山工程有限公司研制的各種型號反井鉆機的主要技術參見(表1)：

3.2 鉆前準備

進場完成施工準備，場地平整，完善供電、壓風、供水系統(tǒng)后，進行井口直徑2m、深度8m明挖樁基基礎施工，樁基底部挖至中風化基巖，在樁基中用C20混凝土澆筑φ2.0m中心混凝土樁，預留反井鉆機基礎孔。此項工作完成后，進行鉆機及其他附件安裝就位、鉆機測量校準、液壓系統(tǒng)管道聯(lián)接、電器控制系統(tǒng)安裝、供水管道安裝、鉆機通電調(diào)試試運行，試運行正常后，即可開始導孔鉆進。

3.3 鉆導向孔

⑴導孔鉆進原理

導孔鉆進原理：由兩臺直流電動機作為回轉(zhuǎn)力，驅(qū)動變速箱帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，同時利用油缸的推進，使導孔芽輪鉆頭對巖體形成擠壓破碎，經(jīng)擠壓破碎后的巖渣，隨著鉆桿中心進來的洗孔水，由鉆桿與導孔間的環(huán)形空間從進口排出。

⑵導孔鉆進的參數(shù)控制

導孔鉆進時，需隨時觀察泛渣、返水狀況，并根據(jù)圍巖巖性變化和扭矩變化情況控制鉆進速度，不斷調(diào)整鉆進參數(shù)，巖石破碎時快速通過，巖石完整堅硬時降低進尺速度，以確保導孔的精度。

①開孔時，通過電位器設置6～9t的鉆進壓力，并以5～8rev/min的轉(zhuǎn)速慢速鉆進，直到先導鉆頭完全進入巖石；

表1 各種型號反井鉆機的主要技術參數(shù)

②以9～12t的鉆進壓力、8～10rev/min的轉(zhuǎn)速慢速鉆進，鉆進速度控制在200min/m，直到所有穩(wěn)定鉆桿全部進入巖石；

③穩(wěn)定鉆桿全部進入巖石后，可加大鉆進力，轉(zhuǎn)速可慢慢加至17～19rev/min，保持勻速，避免忽慢忽快，平穩(wěn)鉆進；

④一般情況下，對于松軟地層和過渡地層采用低鉆壓，對于硬巖和穩(wěn)定地層采用高鉆壓；

⑤當鉆頭經(jīng)過滲水量較大、斷層、裂隙或軟弱夾層等不良地段時，導孔易發(fā)生偏斜，甚至出現(xiàn)塌孔無法返渣情況，致使鉆進無法繼續(xù)，嚴重時會導致卡鉆。施工現(xiàn)場預備水泥，拌制0.4～0.55水灰比的水泥漿，采用人工自流輸送漿液的方法進行灌注，利用漿液填充斷層、裂隙，直至返水返渣恢復正常后方可繼續(xù)鉆進。

⑥開孔的好壞不僅影響鉆進偏斜率，還將影響鉆進效率和鉆具壽命。為此，開孔時要采用短鉆桿、低軸壓、低轉(zhuǎn)速和間斷推進的方式，并用扶桿器扶住鉆桿。短鉆桿鉆入后，首先接穩(wěn)定器(起導向作用)。穩(wěn)定器完全進入導孔時，才能逐漸將軸壓和轉(zhuǎn)速增加到正常值，并改用連續(xù)推進。距第一個穩(wěn)定器7～8m時接入第二根穩(wěn)定器(仍起導向作用)。以后，每隔15～20m裝一根穩(wěn)定器(主要起穩(wěn)定作用)。碰到斷層、裂隙而產(chǎn)生振動或卡鉆時，要減緩鉆進壓力，亦可采用間斷推進。隨著鉆深的增加，換鉆桿前的沖洗排渣時間要逐漸增加，保證將孔內(nèi)的巖渣排凈再換鉆桿，避免在換鉆桿過程中造成返渣埋鉆事故。要及時清除集在孔口附近的巖渣，保證排渣通暢。鉆深達到50m時開始啟用液壓減壓鉆進系統(tǒng)。隨著鉆深的增加，加大減壓壓力，將施加在鉆頭上的軸壓維持在一個理想值。操作工要填好鉆進記錄表，以便總結(jié)和積累鉆進經(jīng)驗，分析鉆進事故。

3.4 更換鉆頭擴孔

⑴反鉆擴孔施工工藝

導孔貫通后，卸下導孔鉆頭，將φ1.4m擴孔鉆頭與鉆桿進行絲扣連接，提起鉆具，使φ1.4m擴孔鉆頭提升至適當高度，完成整個擴孔鉆頭的安裝。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，可以采用提拉設備輔助安裝。

擴孔開孔，當擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具。直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，慢慢鉆進，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，等刀齒把凸出的巖石破碎掉，再繼續(xù)鉆進。開始擴孔時，下水平要有人觀察，將情況及時通知操作人員，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴孔鉆進。在擴孔鉆進過程中，當巖石硬度較大時，可適當增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。另以擴孔每天6m的速度算，每天產(chǎn)生的石渣量將近10方，應及時將石渣清理出。

當鉆頭擴孔至距基礎2.5m時，要降低鉆壓慢速鉆進，并且要認真觀察基礎周圍是否有異?，F(xiàn)象，如果有，要及時采取措施處理。繼續(xù)緩慢進行擴孔，直至鉆頭露出地面。

⑵擴孔參數(shù)控制

擴孔鉆進時的扭矩、推力和轉(zhuǎn)速控制見下表。施工過程中根據(jù)巖性變化和扭矩變化情況，不斷調(diào)整鉆進參數(shù)，以取得最佳推力和鉆進速度。各參數(shù)見(表2)：

表2 鉆機施工時參數(shù)表

①擴孔開孔時，通過電位器設置12～17t的鉆進壓力，并以2～3/min的鉆速慢速鉆進，直到擴孔刀盤完全進入巖石；

②擴孔刀盤完全進入巖石后，確保全部滾刀均勻受力，可以加大提升拉力，以6～10rev/min的鉆速進行擴孔；

③擴孔時，扭矩不得超過100kNm，正常巖石狀況下控制在85～100kNm，鉆速調(diào)節(jié)范圍為8～10rev/min，最高不得超過10rev/min；

④遇到破碎帶時，要及時將鉆進壓力、轉(zhuǎn)速降下來，盡量使反井鉆機振動小，平穩(wěn)運行。如若巖石非常破碎，除了及時降低鉆進壓力外，要將鉆速降到2～4rev/min，避免產(chǎn)生較大的振動。

4 豎井井筒擴孔掘進

Φ1400mm天井擴孔完成后，馬上施工豎井孔口鎖口圈，鎖口圈結(jié)構(gòu)混凝土達到強度要求后，安裝安全盤、封口盤及提升系統(tǒng)(絞車、井架、安全盤)、壓風管路與供水管路等系統(tǒng)；擴孔掘進過程，施工人員及小型材料通過絞車升降吊籠至安全盤，再經(jīng)安全爬梯至工作面。擴孔掘進施工工藝及配置圖見(圖3)：

圖3 豎井擴孔掘進施工工藝配置圖

4.1 提升系統(tǒng)

⑴ 輕型井架，用于人員、小型材料升降，井架高度4.5m。

⑵ 根據(jù)本工程人員升降、小型材料的提放要求，選用礦用JTP-1.2絞車；

⑶ 吊籠尺寸為1.2m×0.7m×2.2m，限乘4人，吊籠頂部設置保護傘，吊籠升降最大速度控制在2m/s；提升鋼絲繩選用6×19+FC-Φ18.5-167鋼絲繩，吊籠穩(wěn)繩選用6×19S+FC-Φ22-167鋼絲繩；吊籠運行在井口至安全盤間，人員由安全盤至工作面經(jīng)由安全爬梯上下。

4.2 封口盤

封口盤作為井口安全防護及井架固定的基礎，采用Ⅰ25的工字鋼焊接牢固作為支撐骨架，以Ⅰ20工字鋼作為通氣孔及吊籠孔周邊支撐，封口盤通鋪3mm花紋板，封口盤與絞車吊籠通過位置預留活頁開口，同時預留通氣孔。

4.3 安全吊盤

開挖和支護作業(yè)均在井筒工作面上完成，吊盤懸吊于工作面上方約4m處。安全吊盤支撐骨架由Ⅰ16、Ⅰ18、Ⅰ20的工字鋼組合焊接而成，上鋪4mm花紋板，通過兩臺10t鑿井絞車懸吊，其主要作用為穩(wěn)繩生根、工作面保護和作為延接管路、綁扎鋼筋的平臺。

4.4 穩(wěn)定系統(tǒng)

豎井內(nèi)安全吊盤懸吊、吊籠穩(wěn)定和升降，以及供水管、供風管、混凝土輸送管的懸吊固定均需通過安全盤穩(wěn)定系統(tǒng)鋼絲繩來完成，穩(wěn)定系統(tǒng)各鋼絲繩布設如(圖4)。

圖4 穩(wěn)定系統(tǒng)鋼絲繩布設圖

4.5 擴孔掘進方法與技術要點

已施工的Φ1400mm天井，作為擴孔掘進爆破施工時的爆破自由面和通風溜碴通道；自上而下爆破開挖至形成設計的豎井斷面。Ⅴ級圍巖采用風鎬挖松或手持鑿巖機鉆孔小藥量炸松后挖掘機挖除，由天井下落出渣；Ⅳ～Ⅱ級圍巖采用手持鑿巖機打眼，非電毫秒雷管簇聯(lián)，火雷管起爆，周邊眼采取小藥卷間隔裝藥，以達到光面爆破的效果。

⑴ 爆破設計：由專業(yè)爆破資質(zhì)到位設計豎井全斷面擴孔掘進光面爆破方案，根據(jù)圍巖狀況決定開挖循環(huán)高度。

⑵ 爆破施工：由專業(yè)爆破人員聯(lián)結(jié)起爆網(wǎng)路后，將人員及設備提升至井外，同時將安全盤提升至距爆破面20m處，井口地面人員撤離至安全警戒線外，由起爆人員引爆。

⑶ 排碴：下放安全盤，自然通風15min后，工作人員方能下井作業(yè)。采用人工扒碴的方式，通過Φ1400導孔溜碴至井底，在井底采用裝載機裝車，自卸汽車外運棄碴。

5 結(jié)束語

豎井施工采用“反井法”法施工，與“正挖鑿巖爆破法”相比，具有以下突出優(yōu)點：由天井鉆機完成的天井既能作為刷大井筒時的通風、溜渣通道，又能作為爆破自由面，提高了爆破效果、節(jié)約了大量爆破器材、加快了施工進度，改善了作業(yè)面的通風環(huán)境、減少了排炮煙的時間；爆破下來的巖渣通過天井，直接落到下部的隧道中進行裝載、不需要巖渣提升設備、簡化了出渣工作、加快了出渣進度，且不污染山上的自然環(huán)境；鑿巖作業(yè)時，先導井口蓋上井蓋，人員和設備安全得到了保障。

[1]徐愛民,尹復辰,郭小紅.雪峰山隧道3#豎井天井施工及鉆機簡介，2003.

[2]福建省交通規(guī)劃勘察設計院，牛巖山隧道施工圖設計，2012.

[3]北京中煤礦山工程有限公司，各種型號反井鉆機介紹，2005.

劉建鑣(1969.04- )，男，高級工程師，主要從事公路橋隧方面的工作。

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

劉建鑣(1969.04- ),男，高級工程師。

2015-08-14

U455

A

1004-6135(2015)11-0084-05