反井钻井法在明堂山隧道通风竖井施工中的应用

发布时间:2017-02-28

反井钻井法在明堂山隧道通风竖井施工中的应用

 陈传明 中国交通建设监理协会

明堂山隧道位于安徽省境内，由安徽省高等级公路工程监理有限公司承监，其长度在目前安徽省内高速公路隧道中排名第一，其中，左线长度为7548m、右线长度为7531m。根据设计图纸要求，在右线K22 254右侧约110m处设置直径6.4m通风竖井，经现场调查对原设计图纸进行了优化，优化设计后井深340m、与右线隧道相交的联络送风道长度125m、与右线隧道相交的联络排风道长度125m、与左线相交的联络排风道长度67m（接入右线联络排风道），其平面位置示意如下：

工程地质、水文地质概况

根据地勘资料，竖井围岩级别自上而下主要分为V、IV、Ⅲ级，其中：

井深0m～30m段（长30m）为V级围岩，主要为强风化花岗片麻岩，软岩，节理、裂隙发育，岩体破碎、呈碎裂结构，围岩自稳能力差；地下水受大气降水影响，呈线状或淋雨状出水。

井深30m～36.2m段（长6.2m）为IV级围岩，围岩主要为中风化花岗片麻岩，岩质较硬，岩体较完整，围岩自稳能力一般；地下水受大气降水影响，滴水或淋雨状出水。

井深36.2m～340m段（长303.8m）为Ⅲ级围岩，围岩主要为微风化花岗片麻岩，岩质较硬，岩体较完整，围岩自稳能力较好。地下水不发育，受大气降水影响，潮湿或滴水。

综合考虑明堂山隧道通风竖井所在区域工程地质、水文地质情况和其具有工期紧并位于明堂山风景区附近、环境保护要求高等因素，经反复比较、论证，决定选择反井法施工。具体施工方案为：进行场地平整和钻机基础施工，钻机安装就位后从上向下钻孔（直径240mm导向孔）至联络排风道顶；在右线主洞开挖至与联络排风道相交处后立即开挖联络排风道至设计位置；在导向孔与联络排风道贯通后，更换扩孔刀头自下向上进行扩孔以形成溜渣井（直径1.4m）；溜渣井贯通后再自上向下采用钻爆法全断面扩挖，弃渣通过溜渣井落入联络排风道，出渣方式及通道与主洞相同；初期支护紧跟扩孔开挖面，人员上下、物料运输由井架及提升机完成；竖井中隔板与二次衬砌采用滑模同时施工，从下至上进行。

反井施工和正向扩挖设备选型

破岩刀具的选择

破岩刀具主要包括导孔钻头和扩孔滚刀。由于反井钻机施工中更换导孔钻头比较困难，因此导孔钻头选型时应将所钻地层硬度作为主要因素，应选择硬度高于所钻地层硬度的钻头；选择扩孔钻头滚刀主要根据岩石的硬度、磨蚀性来确定滚刀的齿形和布置等因素综合考虑，多数选择碳化钨镶齿盘型结构。

反井钻机及辅助设备的选择

反井钻机选型时必须验算钻机的主要技术参数，反井钻机及辅助设备应根据钻孔深度、钻孔直径等进行选用。根据明堂山隧道竖井的深度、地质条件和以往在同类地层中的施工经验，经验算、论证后选择LM-400新型反井钻机进行施工。该钻机主要技术参数为：导孔直径240mm、扩孔直径1.4m～2.0m、设计钻孔深度400m、钻机最大扭矩101.5kN·m、钻机最大拉力2400kN、钻机最大推力1650kN、钻杆直径200mm。

正向扩挖设备选型

正向扩挖设备主要包括绞车及钢丝绳、井架、封口盘、安全吊盘等，设备选型时须进行验算。经计算，该竖井选用JZ—16/1000、2JZ—10/800A、JZ—10/800A型凿井绞车，悬吊吊盘绞车钢丝绳直径选用40mm、稳绳绞车钢丝绳直径选用30mm、悬挂风水管线绞车钢丝绳直径选用30mm；选用配备深度指示器的JTP-1.6×2.1型矿用提升绞车，提升钢丝绳选用15T×7-24.5型。

施工工艺

导向孔施工

钻机基础施工：对场地进行平整并测量放样，以竖井中心位置为基点施工钻机基础，钻机基础采用厚度100cm的C30混凝土浇筑。为保证导向孔偏斜率符合要求，必须采取措施确保钻机垂直于作业面、钻机主轴旋转中心与钻孔中心相重合，因此钻机基础施工必须严格控制钻机地锚螺栓孔位的精确度。

为防止钻杆弯曲及减少钻杆与孔壁直接接触引起的磨损，反向钻机钻杆应选择普通钻杆和稳定钻杆配合使用。普通钻杆长度为1m；稳定钻杆长度为0.5m，其四周均匀分布有4条3cm厚的钢肋板。稳定钻杆的加设方法如下：开始钻进2m时加设1根，继续钻进8m～10m时再加设1根，后续每钻进20m各加设1根。加设钻杆时丝扣之间力度要适中，以避免出现过紧损伤丝扣或过松钻杆脱落等现象。

施工时严格控制导向孔成孔的偏斜率，每钻深10m对导孔进行孔斜率的检查，及时进行纠偏。

明堂山隧道竖井导向孔成孔后检测偏斜率为0.64%，达到较好的控制效果。

反井钻机扩孔施工

导向孔贯通后更换钻头，将240mm直径的导孔钻头更换为1.4m直径的反井钻头。

应根据不同地层情况选择不同的扩孔钻压，多数情况下扩孔钻压为10MPa～13MPa；为防止钻头钻具损坏，扩孔钻头完全进入钻孔前应使用低钻压。扩孔施工必须低速钻进；为防止出现钻头脱落等重大事故，扩孔施工时禁止出现反转现象。

扩孔施工停机前应先将钻具下降30cm～50cm并关闭冷却水源，钻具必须用下卡瓦卡在钻机地板的卡座上；调整主机液压系统的压力到卸荷状态，检查电机和电器柜开关是否处于关闭状态并将使用的工具放到指定位置、摆放稳固；最后关闭操作车盖板并上锁。

完成导井扩孔施工后，拆除反井钻机。

正向扩挖及衬砌施工

正向扩挖采用钻爆法全断面进行，爆破必须采用光面爆破工艺并严格控制渣体块度；初期支护施工随开挖逐段进行。防水层自下而上逐段安装，二衬采用滑模自下而上施工。

施工注意事项

导向孔偏斜率控制

这是影响竖井施工成败的关键，施工中必须严格控制。

施工通信与信号

竖井施工必须严格按照操作规程和管理制度做好施工信号管理工作，建立行之有效的管理方式、形成专机系统、设置专职人员使用，做到信号明确、信息通畅。

溜渣井堵塞预防

明堂山隧道竖井正向扩挖施工时曾发生溜渣井堵塞现象，经调查、分析，发生原因主要有：溜渣井断面较小，爆破后石渣集中挤压导致堵塞；爆破参数不合理或炮眼间距控制不严导致石渣块度过大造成堵塞；竖井局部段落地质较差，爆破或溜渣时发生塌方导致局部溜渣断面减小造成堵塞；底部出渣不及时，出现渣堆过高造成堵塞。

预防措施：严格按照爆破设计图布置炮眼，并根据爆破效果及时调整爆破参数，严格控制炮眼间距不大于50cm,以达到控制爆破后石渣的块径不大于溜渣井直径的1/3的目标；合理确定单次爆破深度，以控制单次爆破渣量，避免爆破后石渣集中挤压堵井；每次爆破后派人检查溜渣井底渣堆高度，渣堆顶部距溜渣井底部距离应小于2m，及时出渣；机械在井内扒渣时，注意观察井内风向及气流情况，防止堵井后继续下渣，导致堵井深度加大，增加处理难度；增加溜渣导井的直径，加大溜渣的通过量，避免堵孔。

渗漏水预防

通风竖井施工完成后，如发生渗漏水其处理难度极大。因此，严格控制防排水工程施工质量显得尤为重要，必须从作业人员、材料、工艺、工序检查验收等环节加强控制，确保防排水工程施工质量。