反井钻机施工技术在集义隧道小断面超深竖井施工中的应用

王养文

（中铁一局集团第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721006）

1 工程概况

集义隧道全长15417m，单洞双线，为高瓦斯隧道。为了有效降低高瓦斯工区有害气体浓度，满足洞内安全施工要求，该工程施工过程中，将3座通风竖井设置在正洞和3座斜井交叉位置附近，以此来提升通风效果。通风竖井在隧道的右边，和线路右线中心线之间间隔10～16m，正洞和井底借助横通道连接。

集义隧道通风竖井净空直径2.0m，其中1#竖井的深度为235m，2#竖井的深度是475m，4#竖井的深度是275m。在竖井所在区域内，砂质新黄土的厚度大约为10～25mm，覆盖在表层，下部主要的围岩形式是砂岩，局部也有夹泥岩分布。井口位置属于黄土段，其井壁用混凝土浇筑，厚度是350mm。在基岩段，井壁支护采用的是锚网喷支护形式，其厚度是120mm。

2 钻机技术参数

按照我国大型反井钻机、钻井工艺、地层处理技术以及配套钻具的研制标准，该施工中主要应用BMC系列反井钻机。该钻机的主要参数如表1所示。式的钻机和潜孔锤形式的冲击器，借助循环风进行导孔施工，孔径为Φ270mm，钻孔速度为25～40r/min，钻压为12～16kN。

图1 反井钻机施工工艺

表1 BMC系列反井钻机主要参数

3 施工工艺方法

首先处理表土段采用人工挖孔桩并回填混凝土，然后采用地质钻机自上而下施工导孔，接着采用反井钻机一次扩孔成型，最后进行井壁支护。在钻孔过程中，岩屑会在高压风的作用下沿着钻杆和孔壁之间的环形空间被吹到孔外，并在自重的作用下落在井底通道中。导孔施工完成前，连接隧道和竖井的横通道必须施工完成。

3.1 表土段处理

表土段采用人工开挖并采用混凝土回填，以保证钻机基础的稳定和限制导孔钻进时钻杆的自由度。人工挖孔桩基底应坐落于稳定基岩上，桩井开挖后应及时施工锁口和护壁，挖孔内径为2.6m。锁口以下每1m护壁为一节，护壁厚0.20m。采用C30钢筋混凝土，混凝土内设置单层钢筋，护壁施工完成后在桩孔内回填C20混凝土。

3.2 导孔施工

根据实际情况，该施工中应用SPC600水文地质形

具体施工中，若要将钻孔偏移控制在合理范围内，就应该保障钻机的水平稳固安装，保持钻杆垂直，并增加粗径钻杆的长度，用钻杆扶正器进行辅助。在每一根钻杆钻进之后，应将钻具上提0.3～0.5m，通过吹风来清洁孔底。在遇到裂痕较大、塌孔掉块或破碎带时，应立刻将钻具提动，上下反复进行串洞，并通过强行吹风的形式进行冲击，以此来击碎掉块，并将其冲到孔外，避免钻研过高的不利影响。每钻进40m对孔位和偏斜率进行一次检测，如发现偏斜超标，应通过扩孔、重新进行钻机支垫、压力调整等的方式来进行纠正，偏斜率不可超过10%。

3.3 反井钻机扩孔施工

导孔钻进至横通道后，拆除导孔钻杆和机具，在井口安装BMC400～600型反井钻机，下放钻杆至横通道，在横通道内安装Φ2250mm扩孔钻头，从下自上一次扩孔成形，岩渣靠自重下落到井底横通道内，由隧道斜井出渣通道运出。

扩孔钻头开始接触岩面时，用最低转速旋转，并慢慢给进，保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏。正常钻进过程时一般将系统压力限制在18MPa以下。扩孔过程中应根据围岩强度调整钻压、转速，在硬岩地段可适当增加钻压，在软岩地段可以降低钻压。在钻头与基础相距2.5m的情况下，应降低钻进速度，并仔细观察基础情况，若其周边异常，应及时通过合理的措施进行处理，待保障无异常的情况下方可继续缓缓扩张，直到钻头完全露出地面为止。

3.4 井壁支护

扩孔完成后，在井口安装钢结构保护盘，安装施工井架和绞车。人员和设备在钢结构双层凿井吊盘上施工，吊盘直径为Φ1900mm，盘间为4根立柱刚性联接，上层盘是保护盘兼作稳绳盘，采用4台稳车悬吊，下层盘用于布置喷浆机。为保证吊盘的稳定性，在上下层盘均设稳固装置，稳定装置采用在吊盘四周安装定向轮形式。

锚杆采用YT-28气腿式凿岩机进行湿式打眼，人工安装。钢筋网片与锚杆焊接牢固。锚网安装完成后，每3m段高度进行喷浆作业，喷浆机选用ZP-Ⅳ型混凝土喷浆机。混凝土在拌和站拌制，运至现场后由管道输送下放。

井壁淋水、涌水可采取截、导、堵等处理措施。集中出水点可根据出水点涌水量大小安装导水管；当施工点上部井壁出现淋水时，在井壁做截水槽将水集中排放；当井壁出水点较小时，采用锚固剂进行封堵。

4 竖井施工导孔防偏纠偏技术措施

导致钻孔出现弯曲的原因十分复杂，在不同情况下，钻孔所受到不同因素的影响程度也不同。因此在纠偏过程中，首先应通过全面分析找出钻孔弯曲的原因，然后再通过合理的措施加以纠偏。具体施工中，可通过以下几个方面确保导孔施工质量：（1）保证安装质量，把好开孔质量关。应保障其回转给进工作系统的正常运行，机械和滑轨间不可出现松旷现象，且变角机构应保持牢固。具体安装中，技术人员应做好安装质量的控制工作，保障地基的平整、坚实、稳固，钻机立轴倾角方向符合“三点一线”的要求。开孔时，确保钻具的方向一定要直，长度随孔深逐渐加长，确保孔口管固定牢靠，方位和倾角符合要求。（2）合理配备钻具，正确选择钻具结构，增强导向性和稳定性。（3）合理选择钻进工艺，严格控制孔壁间隙。为了确保施工精度，选择钻机低速钻进，转速为48r/min。采用测斜仪每50m测斜一次，确保及时发现施工钻孔弯曲度变。（4）对BSPJ-500型钻机施工导孔严格控制精度，防止短距离大角度纠偏，避免扩孔时，钻杆受力条件差，发生断钻杆掉钻头事故。另外，由于地质条件较差，BSPJ-500型钻机施工完导孔后，反井钻机要尽快就位，进行扫孔作业，避免长时间空置钻孔，发生掉渣堵孔。

5 竖井井壁防排水技术措施

由于井壁淋水（涌水）对竖井喷锚支护质量、施工安全及进度造成很大的影响，因此，在施工过程中应根据地质及现场实际情况采取有效的防治措施。根据1#、4#竖井施工情况，总结如下：（1）认真做好含水层部分井壁施工质量，确保喷射混凝土接茬位置质量和喷射混凝土整体厚度、平整度，做到现场无漏水。（2）喷锚前对出现的涌水点进行引排，首先在出水点位置打设1m长的Ф42无缝钢管，将涌水引入井筒内，然后在井壁刻槽埋设Ф50波纹管引排，待所有涌水点引排完成后，通过Ф100钢丝螺纹管汇总引排至横通道排水沟。（3）喷射混凝土时对埋设的Ф50波纹管进行覆盖喷射，待喷锚支护完成后，按照2m间距、梅花形的要求布设1m长的Ф42钢花管进行注浆，注浆浆液采用双液浆，水∶水玻璃=1∶1。（4）有水地段喷射混凝土时，应集中力量，加快喷射混凝土施工速度，缩短喷射时间，在不影响强度的情况下适当增加速凝剂用量。

6 应用效果

集义隧道3座竖井已完成施工，其中导孔钻机平均钻进速度为1.3m/h，扩孔反井钻机平均扩孔速度5.1m/d，集义隧道2#竖井孔深475m，扩孔后实际偏斜率为0.6%，取得了较好的控制效果。

7 结束语

综上所述，反井钻机主要借助定向技术进行导井施工，该方法的应用不仅可以提升施工效率，缩短工期，还可以有效避免孔道弯曲所引起的一系列问题，且操作简单、工艺性良好，可降低工作人员的作业强度，并保障作业安全性。文章将反井法应用于集义隧道通风竖井的施工，保证了小断面超深竖井的施工安全，提高了竖井施工质量。随着反井钻机的开发应用和反井施工工艺的发展，反井技术的应用领域井更加广泛，施工安全和施工效率也将更大的提高。