“反井法”在中条山隧道中的应用

庞新刚

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

中条山特长隧道全长9 671 m，是山西省运城至灵宝高速公路解州至陌南段北起解州，穿越中条山，南达芮城陌南，总体呈南北走向。是山西省高速公路规划网“三纵十二横十二环”西纵的重要通道。为了开辟新的工作面和满足隧道运营通风的要求设计有一道斜井，两道竖井，其中2号竖井采用“反井法”施工，井身直径6.4 m、深398 m，位于隧道左线ZK9+480处，地处中条山深山腹地，井口位置在山顶沟壑处，全部复合式衬砌。

2 工程地质及平面布置图

2.1 工程地质

根据野外调查和钻孔ZK6揭露，竖井洞室围岩主要为太古界涑水群表壳岩组合解州片麻岩（Hgn）地层组成，构成中条山隧道分水岭北侧的主体；围岩岩性主要为变粒岩、花岗片麻岩等。该套地层岩性复杂，组合无规律。岩层产状整体倾向南东，倾角在50°～70°间变化。由于岩层比较陡立、地下水以基岩裂隙水为主，主要来自大气降雨补给，中条山前沟谷发育，总体上汇水面积小，对竖井开挖影响不大。该处地质主要是Ⅲ级围岩[1]，岩性主要为黑云角闪片岩、黑云斜长片麻岩、变粒岩、花岗片麻岩等，岩体较稳定，节理稍发育，整体性较好，不易产生掉块及滑动。

影响2号竖井围岩稳定的主要因素为基岩裂隙水。井口段V级围岩、Ⅳ级围岩在爆破影响下，会产生局部坍塌、掉块、施工时应及时支护[2]。

2.2 平面布置图

图1 2号竖井平面布置图

3 反井法施工工法特点

该方法的特点是利用小直径钻头钻导向孔，再用大直径钻头扩挖溜碴通道，井筒内爆破后的岩碴通过溜碴通道溜至井底通道再运出至洞外隧道专用弃碴场。改变了用提升吊桶出碴的方法，提高了出碴效率，加快了工程进度，缩短了工期，井口外不弃碴或少弃碴，占用地上面积较少，保护了原有的自然环境，减少井上施工机械和管理人员。

4 反井法施工方案

4.1 “反井法”施工开挖工艺流程

a）施工准备、平整场地、钻机就位。

b）利用小直径钻头先钻导向孔，如图2a。

c

）然后自下而上开凿用于溜碴的导洞，如图2b。

d）再用传统钻爆法自上而下扩挖成井。岩碴顺着导向孔流入主洞，如图2c。

e）利用装载机、自卸汽车等装运工具运往弃碴场。

图2 “反井法”施工工艺流程图

4.2 施工准备

4.2.1 作业平台

在竖井井口位置平整场地，保证有足够面积满足钻机基础及循环水池施工和反井钻机运行的需要，并满足后期开挖、初支、二衬设置井架等施工需求。

4.2.2 便道

为保证大、重型机械设备和材料运输，开工前应修筑了盘山混凝土便道，基本满足施工需要。

4.2.3 钻机基础

根据开挖平台实际情况，以钻孔中心为中心，开挖长8 m、宽4 m、深70 cm的基坑（保证没有虚碴且基坑岩面坚硬），清理干净岩面后回填浇筑C20混凝土，混凝土表面平整，凸凹变化不超过1.5 cm，然后安装钻机。施工程序为：施工放线（确定开挖范围）—开挖到基岩—清理基岩面—浇筑混凝土—安装钻机。

4.2.4 钻机设备装卸

洞外采用12 t以上的吊车来吊装反井钻机和辅助设备，洞内场地狭小，采用8 t以上的装载机进行扩孔钻头运装。

4.2.5 循环水池

在钻机基础周围适当位置，开挖一个3 m×3 m×2 m水池用于导孔钻进排碴及循环供水，由于该竖井地段地质条件较好，采用泥浆泵用清水排碴，水池顶高低于钻机基础浇筑混凝土面。

4.2.6 供电

在施工点附近，增设变压器，供380 V动力电源和220 V照明电源。以供反井钻机钻井及开挖、衬砌等施工用电。

4.2.7 供水

根据实际情况，在施工点附近，砌筑10 m×8 m×2 m蓄水池以便施工及生活用水，施工用水主要是导孔钻进循环排碴、冷却反井钻机液压系统及扩孔钻扩孔钻头等，水源利用山涧溪水引进。最后进行钻机安装调试及试运转。

4.3 施工工艺及技术措施

4.3.1 溜碴导洞施工

4.3.1.1 溜碴导洞导向孔施工

导向孔施工是为下一步扩孔施工做准备，为了钻杆能够正常工作，导向孔的垂直度必须满足要求，必须使用测斜仪随时测量，倾斜度保持在1%以内，施工作业平台的平整度要控制在0.3 mm以内，用湿式钻孔法钻到主洞洞顶及设计竖井的井底，导向孔的钻头可采用直径20 cm钻头,也可以适当加大，只要能够形成20～30 cm的导孔即可。开钻时首先采用短钻杆、低钻压、低钻速的钻进方式，在钻进过程中要采用间断推进的方式逐步推进。短钻杆钻入后，接一节导向作用的稳定钻杆,待稳定钻杆完全进入孔内后，逐渐调整钻压和钻速，进行正常钻进。遇到节理发育和软弱破碎围岩时，钻机会产生振动、卡钻或塌孔情况，需减缓钻压、转速，并间断钻进。在钻孔进度达到设计标高2 m左右时，应放低钻压和钻速，为了施工安全，应有专人和联络风道施工人员及时联系，进行必要的交通管制，防止钻到设计标高处掉钻，出现人员伤亡事故，钻碴及时排出，注意碴样变化和钻机扭矩不能过大。每节钻杆长度1 m，施工完一节钻杆，卸扣停水，换接钻杆，循环作业。反井钻机导孔工艺见图3。

图3 反井钻机导孔工艺

4.3.1.2 导洞施工

溜碴导洞导向孔施工，为了形成顺畅的溜碴通道，要对导向孔进行扩孔施工，扩孔施工在主洞开挖超过竖井位置和联络风道开挖贯通后进行。根据竖井井洞的直径确定扩孔钻头的直径，一般为1～1.5 m，本工程扩孔钻头直径为1.4 m。反向扩孔时,必须采用小轴压、低转速、间断推进,每次瞬时推进时等刀头的冲击明显平稳后再进行下一次瞬时推进，反复进行，直至岩面全部刮平，钻头均匀接触岩面后，进行正常拉力扩孔。反井钻机扩孔工艺见图4。

图4 反井钻机扩孔工艺

4.3.1.3 竖井井身开挖

反井钻机扩孔施工完成以后，然后转入井筒掘进施工，为了提高工作效率，井筒施工要一次凿岩爆破成型，土质地段采用挖掘机和人工手持风镐开挖，每循环进尺控制在0.8 m左右。土质软弱地层开挖采用挖马口的形式，每个马口开挖弧长3.0 m，石质地段采用光面爆破技术，周边眼间距控制在40～50 cm，每循环进尺视围岩情况，拟控制范围为1.5～2.5 m。爆破后利用人工配合机械进行井洞清碴，岩碴顺着溜碴通道溜至井底部。废碴在竖井底部采用装载机和自卸运输汽车运出洞外弃碴场。

4.3.1.4 初期支护

本项目初期支护V级围岩设计参数为：系统锚采用D25中空注浆锚杆，L=3.0 m，锚杆间距120 cm(纵)×120 cm[S](环)，φ6 钢筋网（20 cm×20 cm），C25喷射混凝土厚度20 cm。Ⅳ级围岩初期支护参数为：系统锚采用φ22早强水泥砂浆锚杆，锚杆间距 100 cm(纵)×100 cm(环)，φ6 钢筋网（20 cm×20 cm），C25喷射混凝土厚度15 cm，锚杆采用梅花型布置。

a）系统锚杆的施工要按设计孔位、孔径、孔深钻孔。钻孔时，方向应尽可能与围岩岩面垂直，深度不得小于锚杆长度。锚杆施工完成后要满足锚杆拉拔试验的检测要求。系统锚杆布置如图5。

图5 系统锚杆布置示意图

b）喷射混凝土中钢筋网的施工时，钢筋网在加工场制作成（2×2）m的网片，敷设时与锚杆焊接成整体。挂网时，钢筋网要紧贴岩面，网片间点焊搭接，并与邻近锚杆联接牢固[2]。隧道开挖排碴后立即对岩面喷射混凝土封面，以防岩体发生松弛变形，其具体要求如下：

a）钢筋使用前应清除污锈。

b）钢筋网宜在现场预制点焊成网片，安设时其搭接长度不小于10 cm。

c）钢筋网应在岩面初喷混凝土4～6 cm后铺设，并在锚杆安设后进行。

d）钢筋网应与锚杆、钢架或其他锚定装置联结牢固，喷射混凝土时钢筋不得晃动。

4.3.1.5 二次衬砌

本项目竖井暗洞衬砌设计采用新奥法原理进行设计，根据不同竖井段的围岩分级，埋置深度、工程地质、水文地质条件及施工方法确定相应的复合式衬砌参数，二次衬砌设计为钢筋混凝土结构，V级围岩设计参数为：45 cm厚C30钢筋混凝土，Ⅳ级围岩初期支护参数为：40 cm厚C30钢筋混凝土。竖井壁座沿竖井纵向每35 m设置一处，以减少竖井基础的受力。

a）二衬模板设计。由于竖井的二次衬砌施工是在全井开挖及初期支护完成后才施作的，本竖井二次衬砌模板系统采用自动爬升式液压模板系统，模板爬架示意图如图6，爬架立面示意图如图7。

图6 竖井施工爬架平面示意图

图7 竖井施工爬架立面示意图

b）防排水施工。在初期支护完成后，二次衬砌施工前，要做好防排水的施工，本竖井防排水工程的设计参数为：通深设置4条φ116HDPE纵向波纹管，环向排水管采用φ50HDPE单壁波纹管，其安设在防水层前敷进行。施工时应保证排水管不被压碎和堵塞，以确保排水系统畅通。防水层采用1.2 mm EVA复合防水板，全隧道铺满，施工时应注意保护防水层的完整性。环向排水管采用φ50HDPE单壁波纹管适用范围：原则上在渗漏水较集中处铺设，其中Ⅴ级围岩地段间距为6 m，Ⅳ级围岩地段间距为8 m，Ⅲ级围岩地段间距为10 m。施工中可根据实际滴漏水情况作适当调整。防排水设计图如图8。

图8 防排水设计图

c）为了保证二次衬砌混凝土的质量，要满足下列要求。

（a）首先保证原材料合格，水、水泥、砂、碎石、外掺剂、钢筋的质量在开工前均要通过相关的试验检测，检测合格后方可施工。

（b）衬砌混凝土禁止采用滚筒搅拌机，必须采用拌和站集中拌和，混凝土运输车运至竖井井口的方法。

（c）采用从井口用吊桶送至工作面入模的方案。利用溜槽入模，为了防止混凝土离析禁止采用直接用溜槽运输的方法。

（d）混凝土应分层对称浇注，每层浇注的高度应控制在50 cm左右。

（e）利用插入式振捣器配合附着式振捣器振捣，保证混凝土振捣密实。

（f）注意混凝土养生，初期支护与二次衬砌之间的空，必须回填密实隙，施工时应按图纸预留注浆孔。

（g）二次衬砌的混凝土应连续浇注，不得不间歇时，其间歇时间应符合规范要求。

（h）混凝土强度达到0.5 MPa时可以拆除，达到2.5 MPa后方可进行模板滑升，循环下一板衬砌施工。

4.4 注意事项

a）钻孔透口前，要处理好透口附近的拱顶支护和管道电缆等，并安排人员在下口警戒，以免孔内碴滓及排碴水对下方人员、设施构成安全威胁。

b）钻机钻孔时，以先开水泵、后开主泵、副泵的顺序，以适当的钻压进行钻进。

c）每隔30 m加装一根外径250 mm的稳定钻杆以保持孔内钻进稳定及立眼垂直度。

d）导井开钻时，清理下口浮碴及2 m范围内可能存在的锚杆等支护金属，安装地面及下口的联络电话，备好排碴设备。

e）扩孔时，要及时清理下口碴滓，以免堵塞下口，下口排碴不及时出现堵孔时，及时通过联络电话通知上口停止施工。

f）特别强调竖井施工必须注意施工过程中的排水，对渗水较大地段必须采取相应的施工排水措施，及时排出钻头冷却水，确保施工安全。

g）采用该种方法施工，必须加强围岩的监控量测，一旦发现围岩变形加大，不可冒进，必须分析原因采取有效的处理措施。

5 结语

用以上方法对中条山特长隧道2号竖井进行开挖和支护，保质保量按期完成了本竖井的施工，说明该方法在施工质量、进度、安全方面有明显的优势，达到了预期的效果，为“反井法”施工方法在隧道竖井施工中积累了宝贵的经验，该方法在高速公路隧道竖井施工中有广泛的应用前景。