反井钻机在某特长隧道通风竖井施工中的应用

梁振，冯伟，卞宇轩

(1.中铁隧道集团二处有限公司，北京 100020；2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043)

0 引言

随着社会的快速发展，我国的高速公路、铁路等工程也快速发展，越来越多的高速公路布置在高山中，特长隧道的应用也越来越普遍，但同时也带来了通风问题[1−3]，因此，需在特长隧道中开凿通风竖井，以满足隧道的通风要求。在矿山开采中，深度较大的竖井较为普遍[4]，而在高速公路中，如果通风竖井深度较大，势必会给竖井的施工带来一定的难度，如何安全、高效地掘进通风竖井是特长隧道施工过程中面临的主要难题之一[5−7]。

反井钻机施工技术自1980 年代开始在我国进行应用[8]，该反井钻机既可从地面向下打钻孔，也可以在地下某一水平打暗井，具有成本低、施工效率高、安全性高等优点，因此，反井钻机技术在我国井筒施工中应用越来越广泛[9−10]，特别是对矿山工程建设和隧道工程建设具有较大的促进意义[11−12]。

本研究以东梁底特长隧道通风竖井为研究对象，对东梁底特长隧道通风竖井工程概况进行介绍，分析反井钻机的相关技术参数，从地质钻探取芯、导孔施作、扩孔施工、伞钻施工和井筒支护等几个方面对东梁底特长隧道通风竖井的施工方法进行研究，并对竖井施工导孔防偏纠偏技术进行探索，最后，对反井钻机施工技术的应用效果进行验证，为类似工程提供参考。

1 工程概况

东梁底特长隧道位于河北省张家口市，是延崇高速的重要组成部分，其中通风竖井位于隧道右幅K99+787.91 处，图1 为通风竖井地下通道平面图，井下布置有隧道、右洞排风道、左洞排风道、左洞送风口、运输通道和逃生通道等，其中竖井的最大开挖直径为8.68 m，衬砌后内净空直径7.0 m，竖井深度为422.5 m，其形状为圆形，设计有初期支护与二次衬砌。根据对东梁底特长隧道通风竖井现场工程地质条件进行分析，通风竖井的岩性为片麻岩，且不同区域的岩体质量存在较大区别，主要包括I 级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级，需采取不同的支护方式，且通风竖井Ⅴ级围岩每隔10 m、Ⅳ级围岩每隔20 m、Ⅲ级围岩每隔30 m 设置一处壁座，共设有壁座21 处。

图1 通风竖井地下通道平面

采用反井钻机对东梁底特长隧道通风竖井进行施工，所选用的钻机为BMC600 型反井钻机，该反井钻机可钻进最大井深600 m，扩孔直径为1～5 m，反井钻机的主要技术参数见表1。

表1 反井钻机主要技术参数

2 施工工艺方法

东梁底特长隧道通风竖井的施工主要包括表土段施工、地质钻探取芯、导孔施作、扩孔施工、伞钻施工和井筒支护等，图2 为反井钻机正向扩孔法施工工艺图，首先，进行地质钻探取芯，完成对通风竖井工程地质调查；然后，进行导孔施工，安装BMC600 的反井钻机，扩孔至2.00 m；第三，进行锁口段施工，并采用六臂伞钻正向钻爆至井底；最后，对通风竖井进行初次支护和二次支护。

图2 反井钻机正向扩大法施工示意

2.1 竖井地质钻探取芯

为了分析东梁底特长隧道通风竖井的工程地质条件，指导东梁底特长隧道通风竖井的稳定性研究，首先需在现场进行钻探取芯。因此，本研究中将绳索岩芯钻机用于东梁底特长隧道通风竖井的地质钻探取芯中，其中钻杆直径为75 mm，钻探深度为425 m，取芯内径为45 mm。

2.2 导孔施作

结合东梁底特长隧道通风竖井实际工程地质情况及水文条件，为了保证东梁底特长隧道通风竖井的垂直度，采用SPS-1500 型水文钻机配备直径为Φ216 mm 的牙轮钻头进行导孔施工。

为了保证导孔的精确度，将MDN-48KZ 泥浆脉冲随钻测斜仪应用于东梁底特长隧道通风竖井工程中。在施工过程中，开孔要轻压吊打，禁止进行全压钻进（钻压：0.5～1 t，随着孔深逐步增大钻压，最大不得超过2 t；转速为20～40 r/min），并定期对导孔进行测斜，一旦发现导孔有偏斜超标的趋势，及时对出现的偏斜进行分析，找出产生偏斜过大的原因，并立即采用Φ172 mm 的弯螺杆和定向仪对其进行纠偏[13]。

在施工过程中，一旦遇到较为破碎的地段，特别是软弱夹层等破碎地段，可能会导致导孔出现严重偏斜，甚至可能会引起塌孔，导致钻机无法返渣返水，严重时还可能出现卡钻和埋钻等现象，因此，在导孔施工前，需对东梁底特长隧道通风竖井水文条件和工程地质资料进行详细分析，制定合理的措施，当遇到破碎地段时需对破碎地段进行灌注浆处理。

式中，β是与压头形状有关的常数，本实验采用的是玻氏压头β=1.034，采用维氏压头时为1.012。 S为接触刚度，接触刚度的测量有单一和连续两种方法，如采用准静态加载方式，只能利用卸载曲线计算单一接触刚度；采用动态加载方式能获得加载段的连续接触刚度。单一接触刚度的表达式如下：

2.3 扩孔施工

当导孔施作完成后，首先需要确定导孔满足0.8%的偏斜要求，然后采用BMC600 型反井钻机对通风竖井进行扩孔施工。扩孔前，首先拆除导孔钻机，然后进行反井钻机的安装，接导孔钻头，把216 mm 的导孔扩到350 mm，再连接Φ2250 mm 的扩孔钻头，通知上水平慢速上提钻具，自下而上一次扩孔成型。

开始扩孔施工时，提钻具的速度要较慢，当滚刀与岩石开始接触时，停止上提，控制好旋转的速度，采用低转速进行缓慢给进（其中主泵系统的压力不大于20 MPa），等刀齿把凸出的岩石破碎完成后再继续给进，以防钻头滚刀不能受过大的冲击而导致滚刀发生损坏。在扩孔过程中，要及时出渣，防止堵孔。当钻头扩孔至距离井口2.5 m 时，要降低钻机的钻进速度，认真观察钻孔周围的情况，如果没有异常情况，可继续缓慢钻进扩孔；如果出现异常情况，需要停止钻进，及时采取相关措施进行处理。

2.4 伞钻施工

竖井开挖采用伞架进行钻孔正向掘进。待反井钻机扩孔形成溜渣孔后，在通风竖井井口安装提升系统与伞钻，通风竖井正向扩挖采用1 台FJD-6A伞钻（配YGZ-70 风钻6 台），选用B25×5500 mm中空六角钻杆，Φ55 mm 十字型合金钢钻头钻眼。每循环伞钻钻孔完成后，采用提升系统提出伞钻，由人工在炮孔内安装炸药并连线起爆。爆破后采用提升系统下放PC75 挖机扒渣至溜渣孔，人工用铁锹、高效风镐、B47 型气动破碎机净底刷帮，渣体溜至井底，井底采用装载机装渣至自卸车运出洞外。竖井钻爆后及时进行初期支护，采用一炮一支方式，实现开挖与初期支护平行推进。

2.5 井筒支护

通风竖井爆破完成后，采用两层工作吊盘为平台及时进行初期支护作业，施工中根据围岩情况，调整开挖、支护循环，自上而下，随掘随护。初期支护施工工艺依次为锚杆施作、钢筋网片安装、拱架安装、喷射混凝土；提升系统将两层工作吊盘放至施作初期支护位置，施工所需的设备、材料由提升系统运送到工作吊盘，注浆机、喷浆机、放置在工作吊盘上，拌料经输料管输送到井下；喷浆手在吊盘上作业，先用高压风清扫岩面后分片自上而下进行喷射，有水时自外边界逐步向中心喷射，最后封闭。支护完成后须随时检查其变形情况。

井筒中布置二趟Φ159 mm 无缝钢管做溜灰管，用于输送混凝土。溜灰管分别由稳车悬吊。井筒下掘时，混凝土通过溜灰管输送到井底工作面集料槽，人工上料进行混凝土喷射；袋装水泥通过人工加入搅拌机料斗，配合比准确，混凝土质量可靠。

3 竖井施工导孔防偏纠偏技术措施

对于较深竖井的施工，反井钻机具有效率高、精度高等优点，但在反井钻机的施工中，前期的导孔精度显得尤为重要，是竖井施工的难点之一。竖井的深度越深，导孔偏斜控制的难度就越大，根据设计规范要求，其偏差应控制在8‰以内，因此，在东梁底特长隧道通风竖井导孔的施工过程中，要严格控制钻机的钻进速度等参数，结合现场实际情况，应采取如下几个技术措施来对导孔进行防偏和纠偏[14−15]：

（1）施工导孔的设备应安装准确且平稳，安装钻塔的地基应平稳、坚实。安装设备之前，整好地基的水平，并保证钻机安装平稳，各螺栓配件均需固紧。在设备施工过程中，要定期对设备进行经常性的检查和纠正，保证孔口、天车和立轴始终在同一条直线上。施工导孔的设备在施工中，要定期对钻机回转给进系统进行检查，立轴导管及立轴钻杆均需满足技术要求，保证给进部件整个系统的可靠性。

（2）严格控制开孔使用的钻铤等工具。首先，需要保证钻铤的平直度；其次，钻铤的长度应随着钻孔深度的增加而逐渐加长，以保证导孔开口的技术得当。钻进工艺采用牙轮钻头分层钻进方法，应合理控制钻具与孔壁的间隙，加强钻具的导正作用。

（3）反井钻进控制偏斜的方法之一是调整钻压，钻压过大很容易导致钻孔偏斜，过小则会降低钻机的工作效率。合适的钻压需要根据岩石硬度、钻杆自重、钻孔倾斜角度及钻机能力等有关数据计算。针对岩石换层时容易发生钻孔弯曲的现象，导向孔钻压控制在0.5～2 t，钻具结构搭配合理，钻铤总重量应超过所需钻压的20%～30%。

（4）在钻进导孔时,保持恒定的钻进速度是控制偏斜最常用的方法。钻压和转速的调整应结合地质情况试验确定。东梁底隧道通风竖井埋深较深，为控制导孔的偏斜率，应选用经验丰富的操作人员，实时调整、控制钻压和转速。钻具结构搭配合理，转速控制在20～40 r/min。

（5）测斜采用无线随钻测斜工艺，无线随钻测量系统能够做到适时监测，在任意一点上皆可进行不停泵测量井眼轨迹的参数。即节省了钻井时间，又保证了井眼轨迹的测量精度，并减少弯曲度的产生。为了及时掌握导孔的孔斜数据，孔深到达30 m 时下测斜仪器进行测斜，之后每钻进两次循环进行一次测斜。发现钻孔弯曲超限时，及时分析并找出原因，采取进一步措施，并立即用螺杆钻具纠斜，确保导向孔偏斜不超限。同时利用单点测斜技术对孔斜度进行验证。稳定钻杆是避免钻孔偏斜最有效的工具。稳定钻杆的抗斜效果与稳定段的直径和长度有着密切关系。如果稳定钻杆直径小于导孔直径，钻头在钻孔内将发生轻微晃动,导致孔径增大,从而使稳定钻杆与孔壁间距加大，直至使稳定钻杆作用减小。但稳定钻杆的直径也不能过大，因为这样会增大钻进摩擦阻力。

（6）纠偏。采用MDN-48KZ 泥浆脉冲随钻测斜仪，一旦有偏斜超标趋势，采用Φ172 mm 弯螺杆+定向仪纠斜，这是最有效的纠斜方法。

4 应用效果

东梁底隧道通风竖井已顺利完成施工，其中导孔钻机的平均钻进速度为2 m/h，扩孔的平均速度为6 m/s，结合东梁底隧道通风竖井实际情况，该通风竖井设计深度为422.5 m，通过对扩孔后的东梁底隧道通风竖井偏斜率进行实测，得到扩孔后的实际偏斜率为0.5%，因此，采用反井钻机施工技术对东梁底隧道进行施工，其应用效果较好。

5 结语

本研究在分析国内外较深竖井施工工艺基础上，结合东梁底特长隧道通风竖井的实际工程地质条件和水文地质条件，阐明了反井钻机施工的钻机技术参数，从竖井地质钻探取芯、导孔施作、扩孔施工、伞钻施工和井筒支护等几个方面对通风竖井的施工工艺进行了分析。为了保证东梁底特长隧道通风竖井的施工质量，从导孔施工的设备安装、控制钻机速度、控制钻机钻进钻压和定期纠偏等6 个方面对竖井施工导孔防偏纠偏技术进行了较为详细的分析。现场应用结果表明，反井钻机施工技术在东梁底特长隧道通风竖井的施工过程中应用效果较好，其效率较高，施工质量好，具有较为广泛的应用前景，可为其他类似工程的施工提供一定的参考和借鉴。