“反井法”在中條山隧道中的應用

龐新剛

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

中條山特長隧道全長9 671 m，是山西省運城至靈寶高速公路解州至陌南段北起解州，穿越中條山，南達芮城陌南，總體呈南北走向。是山西省高速公路規劃網“三縱十二橫十二環”西縱的重要通道。為了開辟新的工作面和滿足隧道運營通風的要求設計有一道斜井，兩道豎井，其中2號豎井采用“反井法”施工，井身直徑6.4 m、深398 m，位于隧道左線ZK9+480處，地處中條山深山腹地，井口位置在山頂溝壑處，全部復合式襯砌。

2 工程地質及平面布置圖

2.1 工程地質

根據野外調查和鉆孔ZK6揭露，豎井洞室圍巖主要為太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖（Hgn）地層組成，構成中條山隧道分水嶺北側的主體；圍巖巖性主要為變粒巖、花崗片麻巖等。該套地層巖性復雜，組合無規律。巖層產狀整體傾向南東，傾角在50°～70°間變化。由于巖層比較陡立、地下水以基巖裂隙水為主，主要來自大氣降雨補給，中條山前溝谷發育，總體上匯水面積小，對豎井開挖影響不大。該處地質主要是Ⅲ級圍巖[1]，巖性主要為黑云角閃片巖、黑云斜長片麻巖、變粒巖、花崗片麻巖等，巖體較穩定，節理稍發育，整體性較好，不易產生掉塊及滑動。

影響2號豎井圍巖穩定的主要因素為基巖裂隙水。井口段V級圍巖、Ⅳ級圍巖在爆破影響下，會產生局部坍塌、掉塊、施工時應及時支護[2]。

2.2 平面布置圖

圖1 2號豎井平面布置圖

3 反井法施工工法特點

該方法的特點是利用小直徑鉆頭鉆導向孔，再用大直徑鉆頭擴挖溜碴通道，井筒內爆破后的巖碴通過溜碴通道溜至井底通道再運出至洞外隧道專用棄碴場。改變了用提升吊桶出碴的方法，提高了出碴效率，加快了工程進度，縮短了工期，井口外不棄碴或少棄碴，占用地上面積較少，保護了原有的自然環境，減少井上施工機械和管理人員。

4 反井法施工方案

4.1 “反井法”施工開挖工藝流程

a）施工準備、平整場地、鉆機就位。

b）利用小直徑鉆頭先鉆導向孔，如圖2a。

c

）然后自下而上開鑿用于溜碴的導洞，如圖2b。

d）再用傳統鉆爆法自上而下擴挖成井。巖碴順著導向孔流入主洞，如圖2c。

e）利用裝載機、自卸汽車等裝運工具運往棄碴場。

圖2 “反井法”施工工藝流程圖

4.2 施工準備

4.2.1 作業平臺

在豎井井口位置平整場地，保證有足夠面積滿足鉆機基礎及循環水池施工和反井鉆機運行的需要，并滿足后期開挖、初支、二襯設置井架等施工需求。

4.2.2 便道

為保證大、重型機械設備和材料運輸，開工前應修筑了盤山混凝土便道，基本滿足施工需要。

4.2.3 鉆機基礎

根據開挖平臺實際情況，以鉆孔中心為中心，開挖長8 m、寬4 m、深70 cm的基坑（保證沒有虛碴且基坑巖面堅硬），清理干凈巖面后回填澆筑C20混凝土，混凝土表面平整，凸凹變化不超過1.5 cm，然后安裝鉆機。施工程序為：施工放線（確定開挖范圍）—開挖到基巖—清理基巖面—澆筑混凝土—安裝鉆機。

4.2.4 鉆機設備裝卸

洞外采用12 t以上的吊車來吊裝反井鉆機和輔助設備，洞內場地狹小，采用8 t以上的裝載機進行擴孔鉆頭運裝。

4.2.5 循環水池

在鉆機基礎周圍適當位置，開挖一個3 m×3 m×2 m水池用于導孔鉆進排碴及循環供水，由于該豎井地段地質條件較好，采用泥漿泵用清水排碴，水池頂高低于鉆機基礎澆筑混凝土面。

4.2.6 供電

在施工點附近，增設變壓器，供380 V動力電源和220 V照明電源。以供反井鉆機鉆井及開挖、襯砌等施工用電。

4.2.7 供水

根據實際情況，在施工點附近，砌筑10 m×8 m×2 m蓄水池以便施工及生活用水，施工用水主要是導孔鉆進循環排碴、冷卻反井鉆機液壓系統及擴孔鉆擴孔鉆頭等，水源利用山澗溪水引進。最后進行鉆機安裝調試及試運轉。

4.3 施工工藝及技術措施

4.3.1 溜碴導洞施工

4.3.1.1 溜碴導洞導向孔施工

導向孔施工是為下一步擴孔施工做準備，為了鉆桿能夠正常工作，導向孔的垂直度必須滿足要求，必須使用測斜儀隨時測量，傾斜度保持在1%以內，施工作業平臺的平整度要控制在0.3 mm以內，用濕式鉆孔法鉆到主洞洞頂及設計豎井的井底，導向孔的鉆頭可采用直徑20 cm鉆頭,也可以適當加大，只要能夠形成20～30 cm的導孔即可。開鉆時首先采用短鉆桿、低鉆壓、低鉆速的鉆進方式，在鉆進過程中要采用間斷推進的方式逐步推進。短鉆桿鉆入后，接一節導向作用的穩定鉆桿,待穩定鉆桿完全進入孔內后，逐漸調整鉆壓和鉆速，進行正常鉆進。遇到節理發育和軟弱破碎圍巖時，鉆機會產生振動、卡鉆或塌孔情況，需減緩鉆壓、轉速，并間斷鉆進。在鉆孔進度達到設計標高2 m左右時，應放低鉆壓和鉆速，為了施工安全，應有專人和聯絡風道施工人員及時聯系，進行必要的交通管制，防止鉆到設計標高處掉鉆，出現人員傷亡事故，鉆碴及時排出，注意碴樣變化和鉆機扭矩不能過大。每節鉆桿長度1 m，施工完一節鉆桿，卸扣停水，換接鉆桿，循環作業。反井鉆機導孔工藝見圖3。

圖3 反井鉆機導孔工藝

4.3.1.2 導洞施工

溜碴導洞導向孔施工，為了形成順暢的溜碴通道，要對導向孔進行擴孔施工，擴孔施工在主洞開挖超過豎井位置和聯絡風道開挖貫通后進行。根據豎井井洞的直徑確定擴孔鉆頭的直徑，一般為1～1.5 m，本工程擴孔鉆頭直徑為1.4 m。反向擴孔時,必須采用小軸壓、低轉速、間斷推進,每次瞬時推進時等刀頭的沖擊明顯平穩后再進行下一次瞬時推進，反復進行，直至巖面全部刮平，鉆頭均勻接觸巖面后，進行正常拉力擴孔。反井鉆機擴孔工藝見圖4。

圖4 反井鉆機擴孔工藝

4.3.1.3 豎井井身開挖

反井鉆機擴孔施工完成以后，然后轉入井筒掘進施工，為了提高工作效率，井筒施工要一次鑿巖爆破成型，土質地段采用挖掘機和人工手持風鎬開挖，每循環進尺控制在0.8 m左右。土質軟弱地層開挖采用挖馬口的形式，每個馬口開挖弧長3.0 m，石質地段采用光面爆破技術，周邊眼間距控制在40～50 cm，每循環進尺視圍巖情況，擬控制范圍為1.5～2.5 m。爆破后利用人工配合機械進行井洞清碴，巖碴順著溜碴通道溜至井底部。廢碴在豎井底部采用裝載機和自卸運輸汽車運出洞外棄碴場。

4.3.1.4 初期支護

本項目初期支護V級圍巖設計參數為：系統錨采用D25中空注漿錨桿，L=3.0 m，錨桿間距120 cm(縱)×120 cm[S](環)，φ6 鋼筋網（20 cm×20 cm），C25噴射混凝土厚度20 cm。Ⅳ級圍巖初期支護參數為：系統錨采用φ22早強水泥砂漿錨桿，錨桿間距 100 cm(縱)×100 cm(環)，φ6 鋼筋網（20 cm×20 cm），C25噴射混凝土厚度15 cm，錨桿采用梅花型布置。

a）系統錨桿的施工要按設計孔位、孔徑、孔深鉆孔。鉆孔時，方向應盡可能與圍巖巖面垂直，深度不得小于錨桿長度。錨桿施工完成后要滿足錨桿拉拔試驗的檢測要求。系統錨桿布置如圖5。

圖5 系統錨桿布置示意圖

b）噴射混凝土中鋼筋網的施工時，鋼筋網在加工場制作成（2×2）m的網片，敷設時與錨桿焊接成整體。掛網時，鋼筋網要緊貼巖面，網片間點焊搭接，并與鄰近錨桿聯接牢固[2]。隧道開挖排碴后立即對巖面噴射混凝土封面，以防巖體發生松弛變形，其具體要求如下：

a）鋼筋使用前應清除污銹。

b）鋼筋網宜在現場預制點焊成網片，安設時其搭接長度不小于10 cm。

c）鋼筋網應在巖面初噴混凝土4～6 cm后鋪設，并在錨桿安設后進行。

d）鋼筋網應與錨桿、鋼架或其他錨定裝置聯結牢固，噴射混凝土時鋼筋不得晃動。

4.3.1.5 二次襯砌

本項目豎井暗洞襯砌設計采用新奧法原理進行設計，根據不同豎井段的圍巖分級，埋置深度、工程地質、水文地質條件及施工方法確定相應的復合式襯砌參數，二次襯砌設計為鋼筋混凝土結構，V級圍巖設計參數為：45 cm厚C30鋼筋混凝土，Ⅳ級圍巖初期支護參數為：40 cm厚C30鋼筋混凝土。豎井壁座沿豎井縱向每35 m設置一處，以減少豎井基礎的受力。

a）二襯模板設計。由于豎井的二次襯砌施工是在全井開挖及初期支護完成后才施作的，本豎井二次襯砌模板系統采用自動爬升式液壓模板系統，模板爬架示意圖如圖6，爬架立面示意圖如圖7。

圖6 豎井施工爬架平面示意圖

圖7 豎井施工爬架立面示意圖

b）防排水施工。在初期支護完成后，二次襯砌施工前，要做好防排水的施工，本豎井防排水工程的設計參數為：通深設置4條φ116HDPE縱向波紋管，環向排水管采用φ50HDPE單壁波紋管，其安設在防水層前敷進行。施工時應保證排水管不被壓碎和堵塞，以確保排水系統暢通。防水層采用1.2 mm EVA復合防水板，全隧道鋪滿，施工時應注意保護防水層的完整性。環向排水管采用φ50HDPE單壁波紋管適用范圍：原則上在滲漏水較集中處鋪設，其中Ⅴ級圍巖地段間距為6 m，Ⅳ級圍巖地段間距為8 m，Ⅲ級圍巖地段間距為10 m。施工中可根據實際滴漏水情況作適當調整。防排水設計圖如圖8。

圖8 防排水設計圖

c）為了保證二次襯砌混凝土的質量，要滿足下列要求。

（a）首先保證原材料合格，水、水泥、砂、碎石、外摻劑、鋼筋的質量在開工前均要通過相關的試驗檢測，檢測合格后方可施工。

（b）襯砌混凝土禁止采用滾筒攪拌機，必須采用拌和站集中拌和，混凝土運輸車運至豎井井口的方法。

（c）采用從井口用吊桶送至工作面入模的方案。利用溜槽入模，為了防止混凝土離析禁止采用直接用溜槽運輸的方法。

（d）混凝土應分層對稱澆注，每層澆注的高度應控制在50 cm左右。

（e）利用插入式振搗器配合附著式振搗器振搗，保證混凝土振搗密實。

（f）注意混凝土養生，初期支護與二次襯砌之間的空，必須回填密實隙，施工時應按圖紙預留注漿孔。

（g）二次襯砌的混凝土應連續澆注，不得不間歇時，其間歇時間應符合規范要求。

（h）混凝土強度達到0.5 MPa時可以拆除，達到2.5 MPa后方可進行模板滑升，循環下一板襯砌施工。

4.4 注意事項

a）鉆孔透口前，要處理好透口附近的拱頂支護和管道電纜等，并安排人員在下口警戒，以免孔內碴滓及排碴水對下方人員、設施構成安全威脅。

b）鉆機鉆孔時，以先開水泵、后開主泵、副泵的順序，以適當的鉆壓進行鉆進。

c）每隔30 m加裝一根外徑250 mm的穩定鉆桿以保持孔內鉆進穩定及立眼垂直度。

d）導井開鉆時，清理下口浮碴及2 m范圍內可能存在的錨桿等支護金屬，安裝地面及下口的聯絡電話，備好排碴設備。

e）擴孔時，要及時清理下口碴滓，以免堵塞下口，下口排碴不及時出現堵孔時，及時通過聯絡電話通知上口停止施工。

f）特別強調豎井施工必須注意施工過程中的排水，對滲水較大地段必須采取相應的施工排水措施，及時排出鉆頭冷卻水，確保施工安全。

g）采用該種方法施工，必須加強圍巖的監控量測，一旦發現圍巖變形加大，不可冒進，必須分析原因采取有效的處理措施。

5 結語

用以上方法對中條山特長隧道2號豎井進行開挖和支護，保質保量按期完成了本豎井的施工，說明該方法在施工質量、進度、安全方面有明顯的優勢，達到了預期的效果，為“反井法”施工方法在隧道豎井施工中積累了寶貴的經驗，該方法在高速公路隧道豎井施工中有廣泛的應用前景。