富水砂層通風井施工技術淺析

杜　勝，吳正愷，李建成，李　維

（1.中鐵三局集團有限公司，山西太原030000；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

富水砂層通風井施工技術淺析

杜勝*1，吳正愷2，李建成1，李維1

（1.中鐵三局集團有限公司，山西太原030000；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

富水飽和砂土地層由于其透水性強、無自穩能力、易坍塌等特點，對隧道通風井施工造成較大困難。以在建的莞惠城際軌道交通項目為依托，對穿越富水砂層的通風井施工工藝進行探索和總結，提出了既能保障結構自身的安全性，又能兼顧結構施作時與城市環境協調性的成套工法，包括沖擊錘沖擊成孔技術、鋼護筒下放及接長技術等，對砂層注漿起到良好加固的效果，確保通風井與隧道輪廓交界處不漏水，良好實現通風井改善區間隧道通風條件的功效。

富水砂層；通風井；城際軌道交通；施工技術

1　概述

隨著我國經濟的快速發展，交通建設規模日益擴大，從20世紀90年代至今，修建了大量長、特長隧道。這些特長的山嶺隧道、水下隧道和城市地鐵隧道，無論在施工期還是運營階段，遇到的首要問題均是隧道的通風問題。國內學者對隧道的通風設計與施工技術進行了一些研究［1-2］，但相對于一般隧道工程而言，我國目前在通風系統設計與施工方面經驗還較為欠缺，常會遇到因缺少施工經驗而使設計要求無法滿足或通風系統能耗較大等問題。隧道通風系統涉及通風方式、通風井工程、通風設備等諸多方面，本文僅就通風井施工工法進行研究。

富水飽和砂土地層由于其透水性強、無自穩能力、易坍塌等特點，對隧道通風井施工造成較大困難［3］。本文以在建的莞惠城際軌道交通項目為依托，對穿越富水砂層臨時通風井施工進行探索和總結，得出了以低成本、高功效的臨時通風井成套施工工藝，創新性地用沖擊錘沖擊成孔、鋼護筒護壁及雙液漿封底、單液漿注漿加固、安裝抽風機等措施，順利穿越富水砂層和注漿加固砂層段，實現通風井改善區間隧道通風條件功效；并通過砂層注漿加固處理掌握了對砂層注漿的配比、壓力、注漿方式等參數，有效地保證了臨時通風井的施工安全、質量及進度協調關系。本施工工法開拓了通風井施工新的領域，填補了國內的空白，為地下工程中改善通風條件建設提供獨特的視角。

2　工程概況

東莞至惠州城際軌道交通是連接上述兩城市間的重要交通線路，對于促進城市間的協調發展，快速提升周邊經濟具有重要的經濟和社會意義。莞惠城際GZH-7標起于大朗鎮朗常路，沿常平大道下敷設，終于常平鎮九江水村。線路全長11.7km，區間結構形式復雜，有豎井暗挖隧道、明挖隧道、小山嶺隧道、地下車站等多種形式。隧道工程總長8.831km，部分路段在飽和或部分飽和的砂層中暗挖通過，沿線設計了多個臨時通風井，其作業空間狹小且深度較大，能否順利完成通風井施工已成為暗挖隧道施工的瓶頸部位，也是決定暗挖隧道是否按期完工的關鍵因素［4-6］。

3　通風井施工工法原理

通過莞惠城際項目中大量的現場試驗總結，穿越富水砂層的通風井施工工法原理如下：主要采用直徑?1.2m沖擊錘沖擊成孔，驗孔合格后清孔，使泥漿比重小于1.1。然后采用預制12m一節，直徑1.0m，壁厚10mm鋼護筒下至孔內護壁，以作為通風井結構。鋼護筒采用焊接接長，確保焊接牢固，防止滲水，鋼護筒需高出孔口地面。再沿鋼護筒周邊布置?22mm鍍鋅鋼管作注漿管，鋼管車絲套筒連接，下至孔底，自底部往上注漿，先采用水泥-水玻璃雙液漿封底，防止漿液流入護筒內，后采用1∶1水泥單液漿注漿，水泥漿比重不得小于1.5，以置換孔外泥漿、填充護筒周邊孔隙和固結砂層，防止砂層涌水涌砂，待漿液終凝后開挖隧道，貫穿通風井，釋放孔內泥漿，在鋼護筒上安裝抽風機，以促進洞內煙塵及時排放［7］。圖1為通風井示意圖，具體施工工藝流程如圖2所示。

圖1　通風井示意圖

圖2　通風井施工工藝流程圖

4　穿越富水砂層施工工法

4.1施工放樣

根據設計院交樁資料進行全標段復測后，在通風井附近周邊布設三角控制網。用全站儀測設出通風井中心樁位坐標，測量樁孔的中心位置偏差不得大于5mm，打入短鋼筋或木樁的方法標識樁位，并在樁位四周布置4個固定點，以使2點連線的交點位于通風井中心，以此作為以后安設孔口護筒及沖進過程中樁位檢查的檢查點。圖3為精確測量定位圖。

4.2鉆機就位

根據已測設樁位，移動鉆機就位，鉆機應安放穩固，底架應水平，不得產生位移和沉陷。必要時應采用拉設纜風繩等措施進行錨固。鉆桿應保持豎直，鉆頭中心與孔位中心的偏差不得大于2cm。鉆機就位后應進行試運轉，運轉正常后方可進行沖進。

圖3　精確測量定位圖

4.3安設孔口護筒

依據放樣樁位挖坑，以埋設護筒。護筒采用6mm厚鋼板卷制焊接而成，直徑?1.5m，長1.5m。安設護筒時應使護筒頂高出地面0.3m，頂部開設1個溢漿口。護筒與坑壁之間用粘土填實。

4.4施做泥漿循環系統

泥漿原料宜選用優質粘土，有條件時，可優先采用膨潤土造漿。為了提高泥漿的粘度和膠體率，可在泥漿中投入適量的添加劑，其品種和摻量應有試驗確定。在粘性土中成孔時，循環泥漿比重控制在1.1～1.3；在砂土和較厚夾砂層中成孔時，泥漿比重控制在1.2～1.3。護筒內的泥漿頂面，應始終高出筒外水位或地下水位至少1m以上。設置泥漿循環系統，泥漿循環系統應包括：制漿池、漿池、沉淀池、循環池、泥漿分離器等，確保有足夠泥漿進行泥漿護壁和清孔。泥漿池應定期進行清理，作廢的泥漿應妥善處理，不得外流。

4.5沖孔

沖擊鉆機采用卷揚機帶動鋼絲繩提升一定質量的沖擊鉆錐（鉆頭），利用鉆錘自由下落的動能產生沖擊作用，上下往復沖擊，將巖土擠壓破碎，部分被擠入孔壁之內，由泥漿懸浮鉆渣，使鉆錐每次都能沖擊到孔底新土層，通過循環泥漿護壁及置換懸浮鉆渣，使孔深不斷加深，直至沖進至設計孔底。鉆機過程就是重復鉆進、排渣、調整泥漿、調整孔位、修復鉆錘（直徑、焊接鉆刃）的過程。在鉆進過程中，必須保持、維持孔內水頭標高不低于護筒頂面下50cm左右。沖進過程中，要隨時觀察孔內水位及進尺變化情況，以便判斷塌孔或漏漿。

4.6檢孔

鉆孔至設計高程后，開始進行檢孔，重點檢查孔位、孔深、孔徑傾斜度是否滿足設計要求。鉆孔的允許偏差見表1。

圖4　泥漿池循環系統

表1　鉆孔施工參數表

4.7清孔

檢孔完畢符合以上要求后，即開始清孔。稍提鉆錐離孔底1m，將泥漿泵管深入孔底，并保持泥漿正常循環，以中速將相對密度1.03～1.10的較純泥漿壓入，把鉆孔內懸浮鉆渣較多的泥漿置換出。使清孔后泥漿的含砂率降到2%以下，泥漿比重小于1.1，且孔底沉淀土厚度小于30cm，即可終止清孔。清孔施工現場如圖5所示。

圖5　清孔施工現場

4.8安裝鋼護筒

停止清孔后，拔出泥漿泵管，開始向孔內安裝鋼護筒。鋼護筒采用厚10mm的鋼板用大型卷焊一體機一次加工成型，護筒外徑1m，每節長度12m，每節護筒焊接2個T型耳提，用工字鋼加工成型，以便于吊裝和臨時固定在孔口護筒上拼接。吊裝時采用25t吊車，先將一節護筒吊起緩慢下入孔內，利用T型耳提臨時固定在孔內護筒上，固定時必須確保鋼護筒豎直及孔口水平，然后再將另一節護筒吊起與下入孔內護筒對接，對接時必須確保兩護筒豎直，傾斜度不得大于2%，再進行對接焊接，焊接時用6塊鋼板沿護筒圓周搭接焊，尺寸為300mm×10mm×20mm（長×寬×厚），要求焊接牢固、焊縫密實，防止以后通風井滲漏水。焊接完后再用吊車提起下入孔內照以上步驟一節一節拼裝護筒，直至達到設計孔深。為保證以后安裝抽風機及防止地表水流入井內，護筒頂應高出地面1.5m以上。

4.9下注漿管

鋼護筒下至孔底進行對中固定后，立即開始下入注漿管。沿護筒周邊均勻布置4根，相對為一組，一組深入孔底，進行注漿，邊注邊提，另一組下至砂層底部，以做備用或補充注漿，具體見圖6。注漿管采用?22mm鍍鋅鋼管，每根長度為6m或3m不等，兩頭需進行車絲以用套筒接長。

圖6　下注漿管施工圖

4.10注漿

注漿時先注水泥—水玻璃漿液，通過控制雙液漿的凝固時間快速封堵護筒底的孔隙，待雙液漿注漿方量達到0.5m3、漿液上升至孔底50cm以上后，即可開始進行水泥單液漿注漿，單液漿水灰比比為1∶1，水泥漿比重大于1.5。由于水泥漿的比重大于泥漿比重，通過持續注漿，將漿液注入孔內底部，其將位于泥漿下方，由底部不斷提升，以此置換孔外泥漿，使水泥漿填充護筒外孔隙及固結砂層，當注漿至砂層段時，由于砂層的含水量較大，流動性高，漿液擴散范圍較大，為減小漿液的擴散范圍和達到固結砂層的目的，本段注漿在壓力無明顯增大情況下，每注漿10min停5min，直至壓力上升至0.3MPa以上時，穩壓注漿15min直至孔外泥漿深度小于1m以內時，即可停止注漿，等待水泥漿完全凝固［8］。具體注漿參數如表2所示。

表2　注漿技術參數表

4.11釋放孔內泥漿

水泥漿完全凝固以后，隧道開挖至通風井處，先鉆探眼至通風井底，先期釋放孔內泥漿，為加快泥漿流出速度，可增加探眼。待探眼泥漿流盡后，從上看能看到通風井底且底部無任何返漿時，確認注漿效果好后即可爆破通風井下隧道巖石，讓隧道與地面相通。

4.12安裝抽風機

為加快通風井的自排煙速度，節省爆破后通風時間，可在護筒上安裝一個直徑為1m、功率為4kW的軸流抽風機，并做避雨防墜物棚戶。

5　總結

通過莞惠城際項目在富水砂層地區修建通風井的施工工法分析研究，提出了既能保障結構自身的安全性，又能兼顧結構施作時與城市環境協調性的成套工法，總結如下：

圖7　通風井安裝抽風機后效果圖

（1）提出本工法主要關鍵技術包括沖擊錘沖擊成孔技術、鋼護筒下放及接長技術和單雙液漿液的配置，注漿壓力控制及注漿方式等全套注漿技術，確保通風井與隧道輪廓交界處不漏水。

（2）創新性的用沖擊錘沖擊成孔、鋼護筒護壁及雙液漿封底、單液漿注漿加固、安裝抽風機一整套措施實現穿越富水砂層臨時通風井施工，對砂層注漿起到良好加固的效果，確保通風井與隧道輪廓交界處不漏水，良好實現通風井改善區間隧道通風條件的功效。

（3）本工法施工效率高，工期短，易于操作施工質量高，施工成本較低，發揮功效較大。

［1］張素磊.港珠澳海底隧道通風井間距優化研究［D］.長安大學，2008.

［2］唐協，周仁強，林國進，等.米倉山隧道營運通風方案研究［J］.公路隧道，2013（2）：23-28.

［3］呂康成，楊榮尚，李高旺，等.特長隧道通風井設計與施工探討［J］.公路，2007（4）：5-7.

［4］王強.終南山特長隧道通風豎井反井法施工技術［J］.隧道/地下工程，2008（9）：77-78.

［5］楊海燕，滑玉珊.沖擊錘在含砂石量較大地層成大孔徑深孔的幾點建議［J］.科技信息，2006（3）：49.

［6］顧曉鳴.廣洛公路石亭江大橋鋼護筒下人工挖樁孔及沉井護壁施工工藝［J］.科技信息，2011（5）：718.

［7］邢利奧，邢振鑫.建筑樁基礎人工挖孔全鋼護筒護壁施工裝置及其施工方法［P］：中國專利：CN101634146；公開日：2010-01-27.

［8］趙玉懷，翟健飛，張華.雙液漿封堵井壁漏水技術［J］.山東煤炭科技，2001（3）：51.

U231.3

B

1004-5716（2016）06-0194-04

2015-05-22

2015-05-26

項目來源：廣東省交通運輸廳科技項目（No.2012-02-032）。

杜勝（1975-），男（漢族），山西交城人，高級工程師，現從事鐵路施工方面的技術及管理工作。