富水砂层通风井施工技术浅析

杜　胜，吴正恺，李建成，李　维

（1.中铁三局集团有限公司，山西太原030000；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

富水砂层通风井施工技术浅析

杜胜*1，吴正恺2，李建成1，李维1

（1.中铁三局集团有限公司，山西太原030000；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

富水饱和砂土地层由于其透水性强、无自稳能力、易坍塌等特点，对隧道通风井施工造成较大困难。以在建的莞惠城际轨道交通项目为依托，对穿越富水砂层的通风井施工工艺进行探索和总结，提出了既能保障结构自身的安全性，又能兼顾结构施作时与城市环境协调性的成套工法，包括冲击锤冲击成孔技术、钢护筒下放及接长技术等，对砂层注浆起到良好加固的效果，确保通风井与隧道轮廓交界处不漏水，良好实现通风井改善区间隧道通风条件的功效。

富水砂层；通风井；城际轨道交通；施工技术

1　概述

随着我国经济的快速发展，交通建设规模日益扩大，从20世纪90年代至今，修建了大量长、特长隧道。这些特长的山岭隧道、水下隧道和城市地铁隧道，无论在施工期还是运营阶段，遇到的首要问题均是隧道的通风问题。国内学者对隧道的通风设计与施工技术进行了一些研究［1-2］，但相对于一般隧道工程而言，我国目前在通风系统设计与施工方面经验还较为欠缺，常会遇到因缺少施工经验而使设计要求无法满足或通风系统能耗较大等问题。隧道通风系统涉及通风方式、通风井工程、通风设备等诸多方面，本文仅就通风井施工工法进行研究。

富水饱和砂土地层由于其透水性强、无自稳能力、易坍塌等特点，对隧道通风井施工造成较大困难［3］。本文以在建的莞惠城际轨道交通项目为依托，对穿越富水砂层临时通风井施工进行探索和总结，得出了以低成本、高功效的临时通风井成套施工工艺，创新性地用冲击锤冲击成孔、钢护筒护壁及双液浆封底、单液浆注浆加固、安装抽风机等措施，顺利穿越富水砂层和注浆加固砂层段，实现通风井改善区间隧道通风条件功效；并通过砂层注浆加固处理掌握了对砂层注浆的配比、压力、注浆方式等参数，有效地保证了临时通风井的施工安全、质量及进度协调关系。本施工工法开拓了通风井施工新的领域，填补了国内的空白，为地下工程中改善通风条件建设提供独特的视角。

2　工程概况

东莞至惠州城际轨道交通是连接上述两城市间的重要交通线路，对于促进城市间的协调发展，快速提升周边经济具有重要的经济和社会意义。莞惠城际GZH-7标起于大朗镇朗常路，沿常平大道下敷设，终于常平镇九江水村。线路全长11.7km，区间结构形式复杂，有竖井暗挖隧道、明挖隧道、小山岭隧道、地下车站等多种形式。隧道工程总长8.831km，部分路段在饱和或部分饱和的砂层中暗挖通过，沿线设计了多个临时通风井，其作业空间狭小且深度较大，能否顺利完成通风井施工已成为暗挖隧道施工的瓶颈部位，也是决定暗挖隧道是否按期完工的关键因素［4-6］。

3　通风井施工工法原理

通过莞惠城际项目中大量的现场试验总结，穿越富水砂层的通风井施工工法原理如下：主要采用直径∅1.2m冲击锤冲击成孔，验孔合格后清孔，使泥浆比重小于1.1。然后采用预制12m一节，直径1.0m，壁厚10mm钢护筒下至孔内护壁，以作为通风井结构。钢护筒采用焊接接长，确保焊接牢固，防止渗水，钢护筒需高出孔口地面。再沿钢护筒周边布置∅22mm镀锌钢管作注浆管，钢管车丝套筒连接，下至孔底，自底部往上注浆，先采用水泥-水玻璃双液浆封底，防止浆液流入护筒内，后采用1∶1水泥单液浆注浆，水泥浆比重不得小于1.5，以置换孔外泥浆、填充护筒周边孔隙和固结砂层，防止砂层涌水涌砂，待浆液终凝后开挖隧道，贯穿通风井，释放孔内泥浆，在钢护筒上安装抽风机，以促进洞内烟尘及时排放［7］。图1为通风井示意图，具体施工工艺流程如图2所示。

图1　通风井示意图

图2　通风井施工工艺流程图

4　穿越富水砂层施工工法

4.1施工放样

根据设计院交桩资料进行全标段复测后，在通风井附近周边布设三角控制网。用全站仪测设出通风井中心桩位坐标，测量桩孔的中心位置偏差不得大于5mm，打入短钢筋或木桩的方法标识桩位，并在桩位四周布置4个固定点，以使2点连线的交点位于通风井中心，以此作为以后安设孔口护筒及冲进过程中桩位检查的检查点。图3为精确测量定位图。

4.2钻机就位

根据已测设桩位，移动钻机就位，钻机应安放稳固，底架应水平，不得产生位移和沉陷。必要时应采用拉设缆风绳等措施进行锚固。钻杆应保持竖直，钻头中心与孔位中心的偏差不得大于2cm。钻机就位后应进行试运转，运转正常后方可进行冲进。

图3　精确测量定位图

4.3安设孔口护筒

依据放样桩位挖坑，以埋设护筒。护筒采用6mm厚钢板卷制焊接而成，直径∅1.5m，长1.5m。安设护筒时应使护筒顶高出地面0.3m，顶部开设1个溢浆口。护筒与坑壁之间用粘土填实。

4.4施做泥浆循环系统

泥浆原料宜选用优质粘土，有条件时，可优先采用膨润土造浆。为了提高泥浆的粘度和胶体率，可在泥浆中投入适量的添加剂，其品种和掺量应有试验确定。在粘性土中成孔时，循环泥浆比重控制在1.1～1.3；在砂土和较厚夹砂层中成孔时，泥浆比重控制在1.2～1.3。护筒内的泥浆顶面，应始终高出筒外水位或地下水位至少1m以上。设置泥浆循环系统，泥浆循环系统应包括：制浆池、浆池、沉淀池、循环池、泥浆分离器等，确保有足够泥浆进行泥浆护壁和清孔。泥浆池应定期进行清理，作废的泥浆应妥善处理，不得外流。

4.5冲孔

冲击钻机采用卷扬机带动钢丝绳提升一定质量的冲击钻锥（钻头），利用钻锤自由下落的动能产生冲击作用，上下往复冲击，将岩土挤压破碎，部分被挤入孔壁之内，由泥浆悬浮钻渣，使钻锥每次都能冲击到孔底新土层，通过循环泥浆护壁及置换悬浮钻渣，使孔深不断加深，直至冲进至设计孔底。钻机过程就是重复钻进、排渣、调整泥浆、调整孔位、修复钻锤（直径、焊接钻刃）的过程。在钻进过程中，必须保持、维持孔内水头标高不低于护筒顶面下50cm左右。冲进过程中，要随时观察孔内水位及进尺变化情况，以便判断塌孔或漏浆。

4.6检孔

钻孔至设计高程后，开始进行检孔，重点检查孔位、孔深、孔径倾斜度是否满足设计要求。钻孔的允许偏差见表1。

图4　泥浆池循环系统

表1　钻孔施工参数表

4.7清孔

检孔完毕符合以上要求后，即开始清孔。稍提钻锥离孔底1m，将泥浆泵管深入孔底，并保持泥浆正常循环，以中速将相对密度1.03～1.10的较纯泥浆压入，把钻孔内悬浮钻渣较多的泥浆置换出。使清孔后泥浆的含砂率降到2%以下，泥浆比重小于1.1，且孔底沉淀土厚度小于30cm，即可终止清孔。清孔施工现场如图5所示。

图5　清孔施工现场

4.8安装钢护筒

停止清孔后，拔出泥浆泵管，开始向孔内安装钢护筒。钢护筒采用厚10mm的钢板用大型卷焊一体机一次加工成型，护筒外径1m，每节长度12m，每节护筒焊接2个T型耳提，用工字钢加工成型，以便于吊装和临时固定在孔口护筒上拼接。吊装时采用25t吊车，先将一节护筒吊起缓慢下入孔内，利用T型耳提临时固定在孔内护筒上，固定时必须确保钢护筒竖直及孔口水平，然后再将另一节护筒吊起与下入孔内护筒对接，对接时必须确保两护筒竖直，倾斜度不得大于2%，再进行对接焊接，焊接时用6块钢板沿护筒圆周搭接焊，尺寸为300mm×10mm×20mm（长×宽×厚），要求焊接牢固、焊缝密实，防止以后通风井渗漏水。焊接完后再用吊车提起下入孔内照以上步骤一节一节拼装护筒，直至达到设计孔深。为保证以后安装抽风机及防止地表水流入井内，护筒顶应高出地面1.5m以上。

4.9下注浆管

钢护筒下至孔底进行对中固定后，立即开始下入注浆管。沿护筒周边均匀布置4根，相对为一组，一组深入孔底，进行注浆，边注边提，另一组下至砂层底部，以做备用或补充注浆，具体见图6。注浆管采用∅22mm镀锌钢管，每根长度为6m或3m不等，两头需进行车丝以用套筒接长。

图6　下注浆管施工图

4.10注浆

注浆时先注水泥—水玻璃浆液，通过控制双液浆的凝固时间快速封堵护筒底的孔隙，待双液浆注浆方量达到0.5m3、浆液上升至孔底50cm以上后，即可开始进行水泥单液浆注浆，单液浆水灰比比为1∶1，水泥浆比重大于1.5。由于水泥浆的比重大于泥浆比重，通过持续注浆，将浆液注入孔内底部，其将位于泥浆下方，由底部不断提升，以此置换孔外泥浆，使水泥浆填充护筒外孔隙及固结砂层，当注浆至砂层段时，由于砂层的含水量较大，流动性高，浆液扩散范围较大，为减小浆液的扩散范围和达到固结砂层的目的，本段注浆在压力无明显增大情况下，每注浆10min停5min，直至压力上升至0.3MPa以上时，稳压注浆15min直至孔外泥浆深度小于1m以内时，即可停止注浆，等待水泥浆完全凝固［8］。具体注浆参数如表2所示。

表2　注浆技术参数表

4.11释放孔内泥浆

水泥浆完全凝固以后，隧道开挖至通风井处，先钻探眼至通风井底，先期释放孔内泥浆，为加快泥浆流出速度，可增加探眼。待探眼泥浆流尽后，从上看能看到通风井底且底部无任何返浆时，确认注浆效果好后即可爆破通风井下隧道岩石，让隧道与地面相通。

4.12安装抽风机

为加快通风井的自排烟速度，节省爆破后通风时间，可在护筒上安装一个直径为1m、功率为4kW的轴流抽风机，并做避雨防坠物棚户。

5　总结

通过莞惠城际项目在富水砂层地区修建通风井的施工工法分析研究，提出了既能保障结构自身的安全性，又能兼顾结构施作时与城市环境协调性的成套工法，总结如下：

图7　通风井安装抽风机后效果图

（1）提出本工法主要关键技术包括冲击锤冲击成孔技术、钢护筒下放及接长技术和单双液浆液的配置，注浆压力控制及注浆方式等全套注浆技术，确保通风井与隧道轮廓交界处不漏水。

（2）创新性的用冲击锤冲击成孔、钢护筒护壁及双液浆封底、单液浆注浆加固、安装抽风机一整套措施实现穿越富水砂层临时通风井施工，对砂层注浆起到良好加固的效果，确保通风井与隧道轮廓交界处不漏水，良好实现通风井改善区间隧道通风条件的功效。

（3）本工法施工效率高，工期短，易于操作施工质量高，施工成本较低，发挥功效较大。

［1］张素磊.港珠澳海底隧道通风井间距优化研究［D］.长安大学，2008.

［2］唐协，周仁强，林国进，等.米仓山隧道营运通风方案研究［J］.公路隧道，2013（2）：23-28.

［3］吕康成，杨荣尚，李高旺，等.特长隧道通风井设计与施工探讨［J］.公路，2007（4）：5-7.

［4］王强.终南山特长隧道通风竖井反井法施工技术［J］.隧道/地下工程，2008（9）：77-78.

［5］杨海燕，滑玉珊.冲击锤在含砂石量较大地层成大孔径深孔的几点建议［J］.科技信息，2006（3）：49.

［6］顾晓鸣.广洛公路石亭江大桥钢护筒下人工挖桩孔及沉井护壁施工工艺［J］.科技信息，2011（5）：718.

［7］邢利奥，邢振鑫.建筑桩基础人工挖孔全钢护筒护壁施工装置及其施工方法［P］：中国专利：CN101634146；公开日：2010-01-27.

［8］赵玉怀，翟健飞，张华.双液浆封堵井壁漏水技术［J］.山东煤炭科技，2001（3）：51.

U231.3

B

1004-5716（2016）06-0194-04

2015-05-22

2015-05-26

项目来源：广东省交通运输厅科技项目（No.2012-02-032）。

杜胜（1975-），男（汉族），山西交城人，高级工程师，现从事铁路施工方面的技术及管理工作。