反井鉆機在某特長隧道通風(fēng)豎井施工中的應(yīng)用

梁振，馮偉，卞宇軒

(1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，北京 100020；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，我國的高速公路、鐵路等工程也快速發(fā)展，越來越多的高速公路布置在高山中，特長隧道的應(yīng)用也越來越普遍，但同時也帶來了通風(fēng)問題[1?3]，因此，需在特長隧道中開鑿?fù)L(fēng)豎井，以滿足隧道的通風(fēng)要求。在礦山開采中，深度較大的豎井較為普遍[4]，而在高速公路中，如果通風(fēng)豎井深度較大，勢必會給豎井的施工帶來一定的難度，如何安全、高效地掘進(jìn)通風(fēng)豎井是特長隧道施工過程中面臨的主要難題之一[5?7]。

反井鉆機施工技術(shù)自1980 年代開始在我國進(jìn)行應(yīng)用[8]，該反井鉆機既可從地面向下打鉆孔，也可以在地下某一水平打暗井，具有成本低、施工效率高、安全性高等優(yōu)點，因此，反井鉆機技術(shù)在我國井筒施工中應(yīng)用越來越廣泛[9?10]，特別是對礦山工程建設(shè)和隧道工程建設(shè)具有較大的促進(jìn)意義[11?12]。

本研究以東梁底特長隧道通風(fēng)豎井為研究對象，對東梁底特長隧道通風(fēng)豎井工程概況進(jìn)行介紹，分析反井鉆機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，從地質(zhì)鉆探取芯、導(dǎo)孔施作、擴孔施工、傘鉆施工和井筒支護(hù)等幾個方面對東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的施工方法進(jìn)行研究，并對豎井施工導(dǎo)孔防偏糾偏技術(shù)進(jìn)行探索，最后，對反井鉆機施工技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行驗證，為類似工程提供參考。

1 工程概況

東梁底特長隧道位于河北省張家口市，是延崇高速的重要組成部分，其中通風(fēng)豎井位于隧道右幅K99+787.91 處，圖1 為通風(fēng)豎井地下通道平面圖，井下布置有隧道、右洞排風(fēng)道、左洞排風(fēng)道、左洞送風(fēng)口、運輸通道和逃生通道等，其中豎井的最大開挖直徑為8.68 m，襯砌后內(nèi)凈空直徑7.0 m，豎井深度為422.5 m，其形狀為圓形，設(shè)計有初期支護(hù)與二次襯砌。根據(jù)對東梁底特長隧道通風(fēng)豎井現(xiàn)場工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析，通風(fēng)豎井的巖性為片麻巖，且不同區(qū)域的巖體質(zhì)量存在較大區(qū)別，主要包括I 級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級，需采取不同的支護(hù)方式，且通風(fēng)豎井Ⅴ級圍巖每隔10 m、Ⅳ級圍巖每隔20 m、Ⅲ級圍巖每隔30 m 設(shè)置一處壁座，共設(shè)有壁座21 處。

圖1 通風(fēng)豎井地下通道平面

采用反井鉆機對東梁底特長隧道通風(fēng)豎井進(jìn)行施工，所選用的鉆機為BMC600 型反井鉆機，該反井鉆機可鉆進(jìn)最大井深600 m，擴孔直徑為1～5 m，反井鉆機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 反井鉆機主要技術(shù)參數(shù)

2 施工工藝方法

東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的施工主要包括表土段施工、地質(zhì)鉆探取芯、導(dǎo)孔施作、擴孔施工、傘鉆施工和井筒支護(hù)等，圖2 為反井鉆機正向擴孔法施工工藝圖，首先，進(jìn)行地質(zhì)鉆探取芯，完成對通風(fēng)豎井工程地質(zhì)調(diào)查；然后，進(jìn)行導(dǎo)孔施工，安裝BMC600 的反井鉆機，擴孔至2.00 m；第三，進(jìn)行鎖口段施工，并采用六臂傘鉆正向鉆爆至井底；最后，對通風(fēng)豎井進(jìn)行初次支護(hù)和二次支護(hù)。

圖2 反井鉆機正向擴大法施工示意

2.1 豎井地質(zhì)鉆探取芯

為了分析東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的工程地質(zhì)條件，指導(dǎo)東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的穩(wěn)定性研究，首先需在現(xiàn)場進(jìn)行鉆探取芯。因此，本研究中將繩索巖芯鉆機用于東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的地質(zhì)鉆探取芯中，其中鉆桿直徑為75 mm，鉆探深度為425 m，取芯內(nèi)徑為45 mm。

2.2 導(dǎo)孔施作

結(jié)合東梁底特長隧道通風(fēng)豎井實際工程地質(zhì)情況及水文條件，為了保證東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的垂直度，采用SPS-1500 型水文鉆機配備直徑為Φ216 mm 的牙輪鉆頭進(jìn)行導(dǎo)孔施工。

為了保證導(dǎo)孔的精確度，將MDN-48KZ 泥漿脈沖隨鉆測斜儀應(yīng)用于東梁底特長隧道通風(fēng)豎井工程中。在施工過程中，開孔要輕壓吊打，禁止進(jìn)行全壓鉆進(jìn)（鉆壓：0.5～1 t，隨著孔深逐步增大鉆壓，最大不得超過2 t；轉(zhuǎn)速為20～40 r/min），并定期對導(dǎo)孔進(jìn)行測斜，一旦發(fā)現(xiàn)導(dǎo)孔有偏斜超標(biāo)的趨勢，及時對出現(xiàn)的偏斜進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生偏斜過大的原因，并立即采用Φ172 mm 的彎螺桿和定向儀對其進(jìn)行糾偏[13]。

在施工過程中，一旦遇到較為破碎的地段，特別是軟弱夾層等破碎地段，可能會導(dǎo)致導(dǎo)孔出現(xiàn)嚴(yán)重偏斜，甚至可能會引起塌孔，導(dǎo)致鉆機無法返渣返水，嚴(yán)重時還可能出現(xiàn)卡鉆和埋鉆等現(xiàn)象，因此，在導(dǎo)孔施工前，需對東梁底特長隧道通風(fēng)豎井水文條件和工程地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)分析，制定合理的措施，當(dāng)遇到破碎地段時需對破碎地段進(jìn)行灌注漿處理。

式中，β是與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù)，本實驗采用的是玻氏壓頭β=1.034，采用維氏壓頭時為1.012。 S為接觸剛度，接觸剛度的測量有單一和連續(xù)兩種方法，如采用準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，只能利用卸載曲線計算單一接觸剛度；采用動態(tài)加載方式能獲得加載段的連續(xù)接觸剛度。單一接觸剛度的表達(dá)式如下：

2.3 擴孔施工

當(dāng)導(dǎo)孔施作完成后，首先需要確定導(dǎo)孔滿足0.8%的偏斜要求，然后采用BMC600 型反井鉆機對通風(fēng)豎井進(jìn)行擴孔施工。擴孔前，首先拆除導(dǎo)孔鉆機，然后進(jìn)行反井鉆機的安裝，接導(dǎo)孔鉆頭，把216 mm 的導(dǎo)孔擴到350 mm，再連接Φ2250 mm 的擴孔鉆頭，通知上水平慢速上提鉆具，自下而上一次擴孔成型。

開始擴孔施工時，提鉆具的速度要較慢，當(dāng)滾刀與巖石開始接觸時，停止上提，控制好旋轉(zhuǎn)的速度，采用低轉(zhuǎn)速進(jìn)行緩慢給進(jìn)（其中主泵系統(tǒng)的壓力不大于20 MPa），等刀齒把凸出的巖石破碎完成后再繼續(xù)給進(jìn)，以防鉆頭滾刀不能受過大的沖擊而導(dǎo)致滾刀發(fā)生損壞。在擴孔過程中，要及時出渣，防止堵孔。當(dāng)鉆頭擴孔至距離井口2.5 m 時，要降低鉆機的鉆進(jìn)速度，認(rèn)真觀察鉆孔周圍的情況，如果沒有異常情況，可繼續(xù)緩慢鉆進(jìn)擴孔；如果出現(xiàn)異常情況，需要停止鉆進(jìn)，及時采取相關(guān)措施進(jìn)行處理。

2.4 傘鉆施工

豎井開挖采用傘架進(jìn)行鉆孔正向掘進(jìn)。待反井鉆機擴孔形成溜渣孔后，在通風(fēng)豎井井口安裝提升系統(tǒng)與傘鉆，通風(fēng)豎井正向擴挖采用1 臺FJD-6A傘鉆（配YGZ-70 風(fēng)鉆6 臺），選用B25×5500 mm中空六角鉆桿，Φ55 mm 十字型合金鋼鉆頭鉆眼。每循環(huán)傘鉆鉆孔完成后，采用提升系統(tǒng)提出傘鉆，由人工在炮孔內(nèi)安裝炸藥并連線起爆。爆破后采用提升系統(tǒng)下放PC75 挖機扒渣至溜渣孔，人工用鐵鍬、高效風(fēng)鎬、B47 型氣動破碎機凈底刷幫，渣體溜至井底，井底采用裝載機裝渣至自卸車運出洞外。豎井鉆爆后及時進(jìn)行初期支護(hù)，采用一炮一支方式，實現(xiàn)開挖與初期支護(hù)平行推進(jìn)。

2.5 井筒支護(hù)

通風(fēng)豎井爆破完成后，采用兩層工作吊盤為平臺及時進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)，施工中根據(jù)圍巖情況，調(diào)整開挖、支護(hù)循環(huán)，自上而下，隨掘隨護(hù)。初期支護(hù)施工工藝依次為錨桿施作、鋼筋網(wǎng)片安裝、拱架安裝、噴射混凝土；提升系統(tǒng)將兩層工作吊盤放至施作初期支護(hù)位置，施工所需的設(shè)備、材料由提升系統(tǒng)運送到工作吊盤，注漿機、噴漿機、放置在工作吊盤上，拌料經(jīng)輸料管輸送到井下；噴漿手在吊盤上作業(yè)，先用高壓風(fēng)清掃巖面后分片自上而下進(jìn)行噴射，有水時自外邊界逐步向中心噴射，最后封閉。支護(hù)完成后須隨時檢查其變形情況。

井筒中布置二趟Φ159 mm 無縫鋼管做溜灰管，用于輸送混凝土。溜灰管分別由穩(wěn)車懸吊。井筒下掘時，混凝土通過溜灰管輸送到井底工作面集料槽，人工上料進(jìn)行混凝土噴射；袋裝水泥通過人工加入攪拌機料斗，配合比準(zhǔn)確，混凝土質(zhì)量可靠。

3 豎井施工導(dǎo)孔防偏糾偏技術(shù)措施

對于較深豎井的施工，反井鉆機具有效率高、精度高等優(yōu)點，但在反井鉆機的施工中，前期的導(dǎo)孔精度顯得尤為重要，是豎井施工的難點之一。豎井的深度越深，導(dǎo)孔偏斜控制的難度就越大，根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求，其偏差應(yīng)控制在8‰以內(nèi)，因此，在東梁底特長隧道通風(fēng)豎井導(dǎo)孔的施工過程中，要嚴(yán)格控制鉆機的鉆進(jìn)速度等參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，應(yīng)采取如下幾個技術(shù)措施來對導(dǎo)孔進(jìn)行防偏和糾偏[14?15]：

（1）施工導(dǎo)孔的設(shè)備應(yīng)安裝準(zhǔn)確且平穩(wěn)，安裝鉆塔的地基應(yīng)平穩(wěn)、堅實。安裝設(shè)備之前，整好地基的水平，并保證鉆機安裝平穩(wěn)，各螺栓配件均需固緊。在設(shè)備施工過程中，要定期對設(shè)備進(jìn)行經(jīng)常性的檢查和糾正，保證孔口、天車和立軸始終在同一條直線上。施工導(dǎo)孔的設(shè)備在施工中，要定期對鉆機回轉(zhuǎn)給進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，立軸導(dǎo)管及立軸鉆桿均需滿足技術(shù)要求，保證給進(jìn)部件整個系統(tǒng)的可靠性。

（2）嚴(yán)格控制開孔使用的鉆鋌等工具。首先，需要保證鉆鋌的平直度；其次，鉆鋌的長度應(yīng)隨著鉆孔深度的增加而逐漸加長，以保證導(dǎo)孔開口的技術(shù)得當(dāng)。鉆進(jìn)工藝采用牙輪鉆頭分層鉆進(jìn)方法，應(yīng)合理控制鉆具與孔壁的間隙，加強鉆具的導(dǎo)正作用。

（3）反井鉆進(jìn)控制偏斜的方法之一是調(diào)整鉆壓，鉆壓過大很容易導(dǎo)致鉆孔偏斜，過小則會降低鉆機的工作效率。合適的鉆壓需要根據(jù)巖石硬度、鉆桿自重、鉆孔傾斜角度及鉆機能力等有關(guān)數(shù)據(jù)計算。針對巖石換層時容易發(fā)生鉆孔彎曲的現(xiàn)象，導(dǎo)向孔鉆壓控制在0.5～2 t，鉆具結(jié)構(gòu)搭配合理，鉆鋌總重量應(yīng)超過所需鉆壓的20%～30%。

（4）在鉆進(jìn)導(dǎo)孔時,保持恒定的鉆進(jìn)速度是控制偏斜最常用的方法。鉆壓和轉(zhuǎn)速的調(diào)整應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況試驗確定。東梁底隧道通風(fēng)豎井埋深較深，為控制導(dǎo)孔的偏斜率，應(yīng)選用經(jīng)驗豐富的操作人員，實時調(diào)整、控制鉆壓和轉(zhuǎn)速。鉆具結(jié)構(gòu)搭配合理，轉(zhuǎn)速控制在20～40 r/min。

（5）測斜采用無線隨鉆測斜工藝，無線隨鉆測量系統(tǒng)能夠做到適時監(jiān)測，在任意一點上皆可進(jìn)行不停泵測量井眼軌跡的參數(shù)。即節(jié)省了鉆井時間，又保證了井眼軌跡的測量精度，并減少彎曲度的產(chǎn)生。為了及時掌握導(dǎo)孔的孔斜數(shù)據(jù)，孔深到達(dá)30 m 時下測斜儀器進(jìn)行測斜，之后每鉆進(jìn)兩次循環(huán)進(jìn)行一次測斜。發(fā)現(xiàn)鉆孔彎曲超限時，及時分析并找出原因，采取進(jìn)一步措施，并立即用螺桿鉆具糾斜，確保導(dǎo)向孔偏斜不超限。同時利用單點測斜技術(shù)對孔斜度進(jìn)行驗證。穩(wěn)定鉆桿是避免鉆孔偏斜最有效的工具。穩(wěn)定鉆桿的抗斜效果與穩(wěn)定段的直徑和長度有著密切關(guān)系。如果穩(wěn)定鉆桿直徑小于導(dǎo)孔直徑，鉆頭在鉆孔內(nèi)將發(fā)生輕微晃動,導(dǎo)致孔徑增大,從而使穩(wěn)定鉆桿與孔壁間距加大，直至使穩(wěn)定鉆桿作用減小。但穩(wěn)定鉆桿的直徑也不能過大，因為這樣會增大鉆進(jìn)摩擦阻力。

（6）糾偏。采用MDN-48KZ 泥漿脈沖隨鉆測斜儀，一旦有偏斜超標(biāo)趨勢，采用Φ172 mm 彎螺桿+定向儀糾斜，這是最有效的糾斜方法。

4 應(yīng)用效果

東梁底隧道通風(fēng)豎井已順利完成施工，其中導(dǎo)孔鉆機的平均鉆進(jìn)速度為2 m/h，擴孔的平均速度為6 m/s，結(jié)合東梁底隧道通風(fēng)豎井實際情況，該通風(fēng)豎井設(shè)計深度為422.5 m，通過對擴孔后的東梁底隧道通風(fēng)豎井偏斜率進(jìn)行實測，得到擴孔后的實際偏斜率為0.5%，因此，采用反井鉆機施工技術(shù)對東梁底隧道進(jìn)行施工，其應(yīng)用效果較好。

5 結(jié)語

本研究在分析國內(nèi)外較深豎井施工工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的實際工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，闡明了反井鉆機施工的鉆機技術(shù)參數(shù)，從豎井地質(zhì)鉆探取芯、導(dǎo)孔施作、擴孔施工、傘鉆施工和井筒支護(hù)等幾個方面對通風(fēng)豎井的施工工藝進(jìn)行了分析。為了保證東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的施工質(zhì)量，從導(dǎo)孔施工的設(shè)備安裝、控制鉆機速度、控制鉆機鉆進(jìn)鉆壓和定期糾偏等6 個方面對豎井施工導(dǎo)孔防偏糾偏技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，反井鉆機施工技術(shù)在東梁底特長隧道通風(fēng)豎井的施工過程中應(yīng)用效果較好，其效率較高，施工質(zhì)量好，具有較為廣泛的應(yīng)用前景，可為其他類似工程的施工提供一定的參考和借鑒。