坪子上高瓦斯隧道通風豎井反井法施工及控制技術探討

賀建亮， 俞 凡

(1.中鐵二局第五工程有限公司, 四川成都 610091； 2.西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031))

豎井是長大隧道施工工作的重要組成部分，同時也是施工和運營通風的重要組成部分。相對斜井、隧道、橫通道等項目而言，豎井的施工需要大量地提升設備，且其施工安全要求較高、制約因素多、施工進度慢[1]。而在長大單線鐵路高瓦斯隧道施工期間必須解決好通風問題，除了具備條件的部分隧道可以采用平導、斜井等進行通風外，獨頭掘進過長的單線隧道因無分支隧道，無法采用巷道式通風方式，在這種情況下，本文以坪子上高瓦斯單線隧道工程為例，在處理通風問題上創新地采用了豎井通風方案，其中反井法施工首次運用到單線鐵路通風豎井施工中。通過反井法施工的通風豎井，有效解決了坪子上高瓦斯單線鐵路隧道施工期通風的問題，對加快隧道施工進度、提高施工質量和效率具有重要的意義。

1 工程概況

坪子上隧道是林歹南——織金鐵路線上的控制性工程，隧道位于織金縣化起鎮境內，進口里程ZD1K34+650，出口里程ZDK40+946，全長6 296m，設計行車速度120km/h，為電力牽引單線隧道，隧道最大埋深180m。坪子上總體平面圖見圖1。

圖1 坪子上隧道進口工區總體平面

坪子上隧道原設計隧道進口工區(ZD1K34+650～ZDK38+550)主要穿越灰巖地層，出口工區(ZDK38+550～ZDK40+946)主要穿越或緊鄰龍潭組(P2l)煤系地層。根據目前進口掌子面ZDK38+445揭示煤層及地質資料，坪子上隧道進口從ZDK38+410處已進入斷層影響帶，其影響帶內巖層產狀局部發生扭曲，部分巖體破碎嚴重，局部巖性變化較大，其ZDK38+445掌子面處及超前地質鉆孔所遇見的煤層應為受大壩斷層構造影響，錯動上來的龍潭組(P2l)的煤層。根據重慶煤科院超前探測成果，共探測到3層煤，按見煤先后順序依次命名為J1、J2、J3煤層，煤層傾角為38 °,其厚度分別為0.2m、0.4m、1.2m。根據物探及相關試驗情況，判定坪子上隧道進口端剩余段(ZDK38+445～ZDK38+600)為高瓦斯段。

通風豎井布置在ZDK38+390線路左側15m，深110m，直徑為2m的圓井，豎井底部與正洞采用凈空4.0m，凈高4.0m導洞連接，連接導洞與正洞交角45 °，豎井立面圖及平面圖見圖2、圖3。

圖2 豎井井身立面

圖3 豎井平面

2 豎井總體施工方案

反井法施工豎井，是指利用普通反井法、吊罐法、爬罐法或反井鉆機由下向上先施工一個小斷面導井，然后,利用導井作為溜渣孔，由上向下采用爆破法擴大到設計斷面，擴大過程進行必要的臨時支護，再砌筑所要求的混凝土結構。這種方法充分利用反井法的速度快和鉆眼爆破法的破巖效率高等特點，實現豎井筒快速施工[2]。

坪子上隧道通風豎井總體施工方案為：豎井采用反井鉆機施工，先在地面進行鉆機場地平整、基礎澆筑及其他準備工作，同時進行隧道內連接導洞施工，然后進行豎井250mm導洞施工，在由反井鉆由連接導洞頂向地面擴孔至2 000mm，石渣掉落至橫洞，采用一臺正裝側卸式裝載機裝渣，自卸汽車運渣至坪子上進口棄碴場。

2.1 施工準備

在豎井施工前，首先從既有道路引入一條施工道路至豎井位置。便道靠山側邊坡采用C25混凝土噴射護坡，路面靠山側設M7.5漿砌水溝，溝寬50cm，溝深30cm。水溝接順至既有道路水溝。外側為較高坡面，每隔5m設防撞墩。豎井施工場地平整斷面圖及平面布置圖見圖4、圖5。

圖4 豎井施工場地平整斷面

圖5 豎井施工場地平面布置

2.2 連接導洞施工

連接導洞采用全斷面施工，采用φ42小導管超前支護，I16型鋼拱架+錨桿+鋼筋網+20cm厚C25混凝土噴射支護。導洞凈空4.0m，凈高4.0m(圖6)。支護參數詳見表1。

圖6 連接導洞斷面(單位:cm)

表1 連接導洞支護參數

2.3 反井法施工

2.3.1 反井鉆機設備型號及工作原理

反井法施工采用LM-300反井鉆機施工，有著體積小、重量輕、搬遷移動方便的特點，具有很強的適應性[3](圖7)。反井鉆機的工藝原理是通過鉆機的電機帶動液壓馬達，液壓馬達驅動水龍頭，并利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統，帶動鉆桿及鉆頭旋轉，導孔鉆頭或擴孔鉆頭上的滾刀在鉆壓的作用下，沿井底巖石工作面做純滾動或微量滑移。同時主機油缸產生的軸向拉、壓力，也通過動力頭、鉆桿作用在導孔鉆頭或擴孔鉆頭上，使導孔鉆頭的滾刀在鉆壓作用下滾動，產生沖擊荷載，使滾刀齒對巖石產生沖擊、擠壓和剪切作用，破碎巖石。被破碎的巖屑在導孔鉆進時被正循環的洗井液沖洗，巖屑沿著鉆桿與孔壁間的環形空間由洗井液提升到鉆孔外。在擴孔時將導孔鉆頭卸下，安裝反擴滾刀，巖屑靠自重直接落到下連接導洞內，采用裝載機和運輸設備及時清理運出。

圖7 LM-300反井鉆機

2.3.2 反井鉆施工流程

反井鉆施工主要流程如圖8所示。

圖8 反井法施工工藝流程

2.3.3 鉆機就位及井架布置

鉆機就位及井架布置按如下步驟進行：

(1)測量定位：測設豎井中心點，同時放出十字線護樁，設護樁以利校核。

(2)人工挖孔方式清除黏土及泥巖層：由于反井鉆機無法鉆黏土及泥巖層，所以鉆機到位前先采用人工挖樁方式，挖一4m×4m的方樁(由于風機尺寸為2 710mm，風室設置尺寸考慮4m×4m，故該樁考慮風室基礎就采用4m×4m)，直接挖至基巖面，并灌注C20素混凝土成樁。根據鉆探資料，該方樁深度約8m，方樁采用25cm厚C30鋼筋混凝土護壁。方樁頂部預留兩個長0.9m，寬0.55m，深0.8m的預留槽，待機體到位并進行校核后，回填C30混凝土，以確保反井鉆機與基礎牢固銜接，不發生移位。為保證垂直度，反井鉆機基礎要求平整，豎井基礎混凝土澆筑情況見圖9。

圖9 豎井基礎混凝土(單位:cm)

2.3.4 導孔鉆進

開始鉆進時，轉速選用35r/min。鉆壓控制在8～10MPa，導孔洗井液排渣采用正循環，每鉆完一根鉆桿認真洗井1～2min，隨著鉆井深度加大，適當延長沖洗時間，以避免發生抱鉆、堵鉆事故。導孔鉆進綜合進度指標為0.2～0.5m/h。

2.3.5 導井擴孔

當導孔鉆進連接導洞后(圖10(a))，在連接導洞內卸下φ250mm的鉆頭(圖10(b))，換裝φ2 000mm的擴孔鉆頭(圖10(c))，自下而上將導孔擴大為φ2 000mm的導井。導井擴孔結束后，拆除鉆機。擴孔綜合進度指標為0.2～0.4m/h。

2.3.6 反井鉆用水

根據LM-300反井鉆機說明及以往施工經驗，該鉆機每小時需水量為30m3，為保證用水量，采用罐車從坪子上洞頂高位水池拉水滿足施工需求，施鉆期間安排5個罐車為反井鉆拉水，拉水運距7km，每個罐車每次拉水6m3，每趟40min。

(a) 導孔鉆進連接導洞內

(b) 導孔鉆頭

(c) 擴孔鉆頭

現場應節約用水，先導孔施工充分利用沉淀后循環水。

2.3.7 反井鉆棄碴、棄水處理

反井鉆擴孔過程中產生棄碴約518m3，棄碴從連接導洞采用挖機配合自卸式汽車運輸至坪子上隧道進口棄碴場。反井鉆鉆進過程中的用水直接流至連接導洞內，為保證文明施工，在連接導洞內設攔水埂及水溝引水至隧道正洞大里程側，在隧道正洞大里程側設集水井，集水井內安設抽水設備，將污水抽至隧道側溝(圖11)。

圖11 排水示意

2.3.8 井壁加固

豎井成型后由于井壁不穩定性，加之通風過程強大的吸力，容易造成洞壁飛石(土)吸入風機，造成風機損毀。所以豎井成孔后，采用10cm厚C25混凝土噴射和φ8鋼筋網(網格間距20cm×20cm)對豎井壁進行支護，鋼筋網采用井壁植入短鋼筋固定，噴射采用從洞頂設卷揚機調籠子，人工進入籠內噴射，噴射過程從下往上施作。

3 反井法施工關鍵控制技術

3.1 垂直度控制

豎井深110m，為確保豎井位于連接導洞內，豎井垂直度按照1 %以內控制，控制豎井垂直度主要方法有：鉆機基礎要求平整，采用預留槽，鉆機到位進行校核后澆筑預留槽的方案處理。定位鉆頭加密布置，按照每3m/根布置，確保垂直度。導孔開鉆前60m放慢鉆進速度，轉速控制35r/min。鉆壓控制在8～10MPa，鉆進速度控制在0.2m/h(圖12、圖13)。

圖12 普通鉆桿

圖13 定位鉆桿

3.2 破碎巖層和軟硬巖交接面擴孔控制

在豎井開挖施工時，因擴孔時孔徑較大，鉆頭接觸巖面面積較大，當同一擴孔截面巖石軟硬不均時，如鉆壓過高，鉆速太快，鉆頭接觸巖面受力不均，會向巖石較軟一側產生相當大的水平剪力，輕者在孔壁形成臺階，影響成孔質量，嚴重時會將鉆桿剪斷，造成斷桿事故。按照導孔施工時所了解到的實際地質情況，當擴孔至軟硬巖交接面時，提前改變鉆進參數——降低轉速、減小鉆壓，緩慢鉆進渡過該段[4]。

因在勻質巖中正常擴孔時，鉆機震動不大，工作平穩，鉆桿擺動也較均勻。反之，則很可能是進入到破碎巖層或軟硬巖交接面，此時不可盲目鉆進，可采取將鉆頭適當下放，改用低鉆速和低鉆壓重新掃孔進入不利巖層。貫穿段擴孔控制：當擴孔距基礎2.5m左右時，同樣要降低轉速、減小鉆壓、慢速鉆進，要仔細觀察基礎周圍是否有開裂、下沉等異常現象，直至鉆頭露出地面。

如發現排渣不暢、鉆頭激烈晃動、壓力不穩、鉆進困難卡轉時，可能大塊渣石落在刀盤上磨擠刀具所致，此時應將刀具下放一定距離，多次高速旋轉，將渣石甩掉；若無效果，則把鉆頭下放到底進行人工處理。卡鉆問題要根據巖性不同采用控制鉆壓、鉆速和在泥漿中加入護壁劑、防塌劑等特殊材料針對解決[5]。

3.3 巖溶段處理

根據設計地勘資料，豎井位置標高在1 342.1～1 332.9m位置為串珠狀空溶洞，由于反井鉆進采用高壓水將鉆進過程中的廢渣帶出井外，而遇到溶洞后，無法返水出渣，就無法鉆進。固遇到溶洞后需對溶洞進行注漿回填，注漿采用水泥漿或水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.8～1.0MPa。每次遇到溶洞后進行注漿回填至井口，等水泥漿液達到95 %強度后，重新施鉆。由于巖溶發育的不規整性，注漿時必須嚴格監控注漿情況，以便及時調整注漿方案。

4 結論

反井法在坪子上隧道通風豎井的施工中得到了良好應用，從工法應用效果來看，單線鐵路長大隧道通風豎井采用反井法施工主要具有如下兩點優點：

(1) 在施工速度、質量及安全方面具有明顯的優勢，相較于平導、斜井，投資少、占地少、環保等效益非常明顯。

(2) 采用反井法施工，由于出碴在隧道洞內，而施工在地面，相互影響很少，利于施工人員、機械等組織安排調動。

因此，反井法工藝在公路隧道、鐵路隧道豎井建設方面有著廣泛的推廣和應用前景。