地下水封洞库竖井施工的技术与经济性对比分析

刘龙卫

(中国中铁隧道集团一处有限公司，重庆 400000)

1 工程概况

某500 万m3地下水封洞库，由10 条平行主洞库组成，每条主洞均设一条工艺竖井与地面设施连接，洞库施工期间竖井可兼做通风排烟通道，因此为改善洞内空气质量，应尽早完成竖井施工。

2 反井+扩挖法与正井法施工方法及适用范围

2.1 反井+扩挖施工法

1)反井+扩挖施工法施工前期准备工作。

a.地下渗漏水的控制。在竖井地质勘察时期，需对竖井钻探孔进行分段压水试验，确定岩石渗透系数，并大致推算各段出水情况。反井钻司钻导孔期间分段(一般为5 m～8 m 为宜)进行渗漏水测量，确定导井施工期间渗水分布情况。通过以上两个步骤进行地表超前预注浆以及井下竖直向上预注浆的深度，对出水量较大的位置进行注浆封堵，减小导井施工期间的地下水流失。

b.反井钻反提预留深度的确定。地下水封洞库选址均位于含水量丰富、地质围岩情况较好的围岩中，但地表覆盖层一般含水量较大且风化较为严重，本项目地表覆盖层为强(全)风化花岗岩，为防止反井钻反提导井时地表出现坍塌溜井现象，反井钻反提高度确定在地表覆盖层以下1.5 m～2 m 左右，预留部分应采用正井法进行施工。

c.反井钻导井直径的确定。本项目竖井直径为6 m，井内需开挖楔形封塞、预埋管道支架等其他辅助设施，通过技术、经济对比发现直接采用反井钻施工6 m 直径竖井造价较高，且由于辅助设施的施工仍需借助于井架及托盘，因此采用反井+扩挖的方式更为合理，为保证导井溜渣畅通确定采用1.4 m 直径反井钻进行反提施工。

2)超前预注浆。

首先对地表覆盖层进行固结，防止施工期间地表湿陷，注浆压力应控制在0.5 MPa 以内，若出现漏浆或压力持续不上升时可采用水泥浆+水玻璃双液浆进行注浆固结。

地表固结注浆完成后，进行超前堵水注浆，钻孔深度应根据地质勘察报告确定，注浆压力应控制在0.5 MPa～1.0 MPa。

由于竖井长度一般在50 m 以上，可利用凿岩台车由井下向上垂直钻孔，对井底与井下巷道交叉口进行固结以及堵水注浆。

3)反井钻施工准备。

当地表覆盖预注浆完成后，进行反井钻基础的施作，为防止钻机施工时发生倾覆现象，基础承载力需要足够强，反井钻机基础尺寸为400 cm×220 cm×70 cm，采用C25 混凝土浇筑，浇筑时需预埋爆破孔，以方便基础拆除。

在钻机基础附近，挖一循环水池，使钻机的冷却水和孔口反出水能自然流进池内。循环水池的容量不宜小于10 m3，并能满足人工或挖掘机等清理沉淀泥浆的作业。循环水池一般是临时的，当距离竖井口较近时在反井钻机施工完成后应回填。

4)反井钻施工。

a.导孔施工。导孔钻进是反井钻机施工的关键，钻杆倾斜、孔位偏差均会导致竖井偏离原设计位置，因此选择匹配的导孔钻头与钻杆非常关键，本项目采用反井钻导孔钻头直径为216 mm，钻杆直径选用186 mm 单根钻杆长1 m，钻机就位后进行导孔施工，由竖井井口自上而下与巷道或主洞顶相贯通，由于导孔施工时将穿过全、强风化层，可能出现塌孔现象，为防止塌孔后的石屑将钻杆抱死，塌孔后不得继续钻孔，应将钻杆全部提出，进行灌浆施工固结孔壁，然后继续进行钻孔，导孔施工时应预备备用电源，防止突然停电导致钻杆抱死造成较大损失。

b.导井施工。在导孔钻至井底巷道内时，在巷道内拆下导孔钻头，更换反向刀盘，然后慢速提钻杆，当刀盘上的滚刀接触到岩面时，用5 r/min～9 r/min 的转速转动钻杆，并慢速上提加力。待刀盘全部接触岩面时，才能正常上提扩孔，但一般的系统压力限制不宜超过18 MPa，导井反提时必须严格遵循已确定的反提高度，严禁超提导致导井周边地表覆盖层发生坍塌。

5)竖井扩挖施工。

反井钻导井施工完成后，拆除反井钻基础，架设扩挖井架，对导井进行扩挖，石渣由导井溜至井下巷道，由传统出渣设备装载机或挖掘机配合出渣大车将石渣倒运至洞外指定堆渣场。扩挖时应进行爆破试验，防止由于爆破孔间距过大导致石渣块头过大，堵塞导井。扩挖施工期间井内遇较大渗水量或渗水量超过设计标准时，采用径向后注浆堵水的方法进行封堵。

6)反井+扩挖法施工竖井的使用范围。

地下水封洞库反井+扩挖法施工竖井的方法适用于地表覆盖层较薄，基岩含水量较小，且稳定性较好的地质结构层。

2.2 正井法施工方法

1)地表加固。若地表覆盖层为砂质或粉砂质泥岩、流砂、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等均可能发生井壁不稳定的情况，因此竖井正挖施工前要对应覆盖层厚度进行加固注浆。

2)正挖施工。架设正挖井架(要求井架基础牢固)，对竖井进行钻爆法正挖，由于正挖法施工竖井时井内渗水、施工用水等均需通过井口排出，施工期间应准备高扬程水泵两台，一用一备。爆破后石渣由人工装至吊桶，并利用提升系统提至井口，由轨道运输小车运输至临时弃渣厂，再由装载机配合渣车转运至指定弃渣场，施工时必须进行爆破试验，防止爆破后石渣块度过大，导致人工装渣困难。

3)正井法施工竖井的使用范围。以正井开挖爆破的施工方法进行竖井的施工，是传统施工工艺，该方法适用于所有竖井工程。

3 反井钻+扩挖与正挖施工竖井各项指标对比

1)安全环保方面。

优点:

a.竖井施工当中机械化程度得以提高;b.竖井扩挖时爆破后的石渣直接由导井溜至井底巷道减少了竖井提升系统的运行次数，大大降低了安全事故的发生率;c.导井与洞内巷道相通保证了井下的通风，改善了作业环境;d.由于导井凌空面的存在使得扩挖时单段火工品用量降低，降低了爆破震动，降低了对围岩的扰动。

缺点与对策:

a.反井钻施工井下必须提供凌空面;b.扩挖时导井存在人员坠落的风险，井下施工必须佩带安全带;c.导井施工时地表软弱层存在失陷的可能，因此反井钻反提高度必须根据地质勘察资料提前确定，并在地表进行固结注浆;d.井下存在发生物体打击事件的可能，因此反井钻反提施工以及竖井扩挖时必须在井下进行可靠的安全防护。

2)质量方面。

a.反井钻机采用滚刀机械破岩，对围岩破坏小，井壁光滑，有利于扩挖溜渣、通风、排水;b.扩挖时用药量小，爆破震动小，围岩稳定性好;c.导孔司钻完成后井下凌空面已基本确定竖井中心，不存在测量放样错误导致竖井开挖位置错位。

3)进度方面。

传统正挖法与反井+扩挖法施工竖井进度对比表见表1。

表1 传统正挖法与反井+扩挖法施工竖井进度对比表

a.反井钻反提后扩挖施工时由于导井的存在爆破钻孔数量减少，使得钻孔时间缩短;b.钻孔期间由于钻孔施工用水由导井直接排除，减少了传统正挖时的抽排水时间;c.反井钻反提后扩挖施工时由于(导井)凌空面的存在，可加深爆破孔深度，单炮进尺一般在2.3 m 以上，传统正挖基本在1.5 m 以内;d.扩挖施工较正挖施工施工工序减少、爆破施工循环数减少，各工序转换期间的通风排烟时间减少、出渣期间的抽排水时间忽略，使得施工进度得以较大提高。

4)成本费用方面。

传统正挖与反井+扩挖法施工竖井经济对比表见表2。

表2 传统正挖与反井+扩挖法施工竖井经济对比表 元/m

4 结语

1)通过技术对比可知，在地下水封洞库竖井施工当中，若地表覆盖层较薄、竖井区域地下围岩完整性较好、反井钻施工导井时不会出现较大渗水量导致地下水形成渗水漏斗，从而威胁到洞库的水封，可以采用反井+扩挖法进行施工。与正井法相比较，反井+扩挖法施工流程较多，施工组织相对复杂一些，但施工时机械化程度较高、安全性较好、施工进度较快。

2)通过经济预算对比可知，在地下水封洞库竖井施工当中，反井+扩挖法较传统正井法更为经济，但地表覆盖层与强(全)风化层厚度占竖井井深的比例超过2/3 时，由于设备进退场费用、设备安装及拆卸等原因宜采用正井法施工。

［1］郭得福，张 慧.竖井反井钻井法在地下水封洞库工程中的应用［J］.隧道建设，2012(5) :709-712.

［2］史天生.深立井井筒施工技术与装备［J］.建井技术，1995(6) :23-27.