反井法在特长公路隧道通风竖井中的应用

陈国政 CHEN Guo-zheng；孟陈祥 MENG Chen-xiang；张城 ZHANG Cheng

（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

0 引言

随着国家道路交通网络的逐渐完善，公路隧道朝着长度更长、断面更大方向发展。就这类长大隧道往往需要设置通风竖井从而保证隧道开挖过程及运营期间的通风。目前国内建设的长大隧道地质条件十分复杂，不同岩层地质受力复杂也是其施工难点，自然环境十分恶劣。同时竖井井口位于山顶，其施工场地范围较小，不便于施工弃碴运输。竖井施工设备配置较多、布置范围较大，竖井井口位置选择时要考虑施工设备运输便道和井口开阔的设备布置空间。[1]

竖井位于隧道平导和正洞之间，竖井的设置有利于缩短洞内送、排风距离，有利于隧道掌子面开挖支护施工有效通风排烟，避免有毒气体损害洞内作业人员身体健康。因而研究更加安全、高效且保证施工作业过程对周围环境无公害的竖井施工技术对长大公路隧道的发展有着重大意义。

目前我国已完工的竖井施工案例多数采用从上至下的正井法全断面开挖方法为主，伴随着新兴机械不断升级改造，机械化施工效率不断提高，在长大公路隧道施工中反井法的应用也逐渐增多。与传统正井法施工相比较，反井法施工工艺能适应各种复杂地质条件进行施工。如金山隧道首次将反井法技术引入到铁路隧道大直径深竖井工程中，形成了反井钻机一次成井的凿井新工艺。[2]反井钻井工艺根据其工艺主要有2 大类：一类是反井钻机设置在井筒，扩挖主要采用传统钻爆法由上向下进行扩挖和支护；另一类是利用地下巷道空间，布置反井机械设备，采用反井钻机直接钻到井孔的设计直径，再根据工程需求进行支护，最终形成井筒。反井钻机利用下部巷道的空间和生产系统，扩孔钻进时岩碴依靠自重下落，不需要采用流体或机械辅助排碴，实现了大体积破岩和无重复破碎的高效钻进。[3]

1 工程概况

1.1 工程简介

兴业快线（北段）南起梅华路，北至唐家。起点位于香洲区兴业路，道路沿线为城市住宅及生活区。利用现状地形高差将合并段隧道分为西、东线两个隧道。东线隧道下穿鸡山村，中山大学，终点接港湾大道与唐乐路交叉口；西线隧道出凤凰山后上跨金唐东路，终点接哈工大路。西线隧道全长约5761m，属于公路特长隧道。[4]

本工程1#通风竖井内径11.0m，其中两个排风道净空面积为22.55m2，周长为18.415m；送风道净空面积为43.97m2，周长为27.007m，井深86.0m；竖井通过联络风道与地下风机房连接，风道需跨越左线隧道与右线隧道相连。

1.2 工程重难点

兴业快线（北段）1#通风竖井位于凤凰山腹地，凤凰山山高林密，无上山道路，设备进场、材料进场、碴土运输都比较困难。通过一些小型专用履带车辆才能运输小型设备和材料，大型设备运输困难，只能单向行驶，每天运量有限，长度约2.3km。

该通风竖井风下穿Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩，采用反井法施工，先在竖井中部采用反井钻机施工出碴导洞，利用导洞将开挖土体落入下方风道中，然后通过主线隧道将碴土运送至场外。竖井是个竖直向下的结构[5]，需对具有高空坠物风险施工区域有针对性地作出警示和防范措施。

2 施工方案选择

正井法需采用抓岩机装碴，吊桶提升运输岩碴和材料，并选择合适的弃碴场地堆碴。[6]

3.1.5 体位改变 对照组机械通气的患儿床头抬高15°，而观察组机械通气的患儿床头抬高30°。王文秋等［15］研究表明，平卧位患者VAP发生率最高，床头升高25°者可明显降低呼吸机相关性肺炎的发生率。有研究显示，对于机械通气尤其伴有肠内营养的患者，除非有禁忌证，如颈椎、骨盆骨折及血液动力学极不稳定的患者，否则均将其床头抬高超过30°～45°，可以有效地预防误吸及胃内容物反流［16］。减少口咽部细菌定植和误吸的发生，从而降低VAP的发生率。

反井法结合先前施工的导井作为弃碴的便利通道，无需额外增添出碴设备和合适弃碴场地。

随着钻井技术进步，反井法在降低劳动强度，降低施工成本，提高机械化施工水平方面的优点越来越明显，工程应用逐年增多。[7]

赵顺义，赵学礼[8]以杭州市紫之隧道工程土建第Ⅱ标段1#竖井与2#竖井为工程实例给出了钻孔爆破方法，炸药用量计算方法及孔洞分布位置设计原则。采用钻机反井法无需很大的山上施工场地、施工设备相对较少、机械化程度高、施工人员少、劳动强度低。[9]

目前国内在特长公路隧道的施工中所面临的挑战逐渐增加，越发需要施工工艺成熟的同时，相应的施工机械设备也在不断迭代改进，在面对各种复杂施工条件下的适用性也逐渐增强。国内研发的系列反井钻机实现了由人工钻凿、钻孔爆破到机械化破岩钻进的转变，初步实现了无人化或少人化、机械化和信息化矿山竖井钻井。[10]综合兴业快线（北段）1#通风竖井现有的施工条件，对其进行安全、场地、工期、环保和经济方面综合评估分析最终采用反井法进行施工。

3 反井法开挖施工技术

3.1 施工主要设备

施工选用ZFY2.0/200D 煤矿用反井钻机进行施工，其主要参数如表1 所示，该反井钻机采用清水钻进工艺，利用泥浆泵压入清水将钻进中产生的岩屑返至地面。被破碎的岩屑在导孔钻进时被正循环的洗井液冲洗，岩屑沿着钻杆与孔壁间的环形空间由洗井液提升到钻孔外。在扩孔时将导孔钻头卸下，安装反扩滚刀，岩屑靠自重直接落到下水平巷道内，采用装载机和运输设备及时清理运出。

表1 ZFY2.0/200D 钻机主要参数表

3.2 反井法施工工艺流程

反井钻机法的竖井施工共分为3 步，即：正钻导孔、反扩导井及人工扩挖一次成形。[11]反井钻机钻进工艺主要包括导孔钻进和扩孔钻进2 个部分，施工工艺流程如图1所示。

图1 反井钻施工工艺流程图

4 反井法施工方案

4.1 27cm 导向孔钻孔

反井钻机开孔根据现场围岩情况，先采用短钻杆、低钻压和低钻速的方法间断性往下掘进。钻孔作业时，为确保导向孔的垂直度，采用辅助设备扶正钻杆保证钻杆的垂直度，见图2。

图2 ZFY2.0/200D 煤矿用反井钻机工艺图

钻孔过程中遇到节理发育和破碎或软弱围岩时，钻机容易产生振动、卡钻现象，需要安置稳定钻杆，并减缓钻压、转速，间断钻进。

4.2 直径200cm 导碴孔扩挖

在竖井导向孔施工前，主洞和联络通道已经贯通至竖井底部，扩孔施工所需更换的滚轮刀盘通过运载工具运送至竖井底部后，按照以下程序进行导碴孔施工（现场实际应用见图3 所示）：

图3 反井钻机施工图

①安装直径200cm 扩孔滚轮刀盘。

②孔口接入水管，以冷却滚轮刀盘、消尘用。

③将回转变速装置调为慢速挡。

④调试扩孔滚轮刀盘，同时对扩孔岩面进行刮平。

⑤待扩孔滚轮刀盘与岩面均匀接触后，滚轮刀盘全部进入基岩前，采用低钻压、低转速进行扩孔开挖。

⑥待滚轮刀盘全部进入竖井围岩后，调整钻机的钻压、钻速进行正常扩孔开挖，在竖井底部将道碴运输至洞外弃碴场。[12]

⑦扩孔施工注意事项。

1）扩孔钻进前利用探伤检查承载接头是否完好。及时发现是否存在微裂纹，以便决定是否更换。

2）导孔钻透后，在下巷道卸下导孔钻头，接上扩孔钻头，扩孔钻头必须旋紧，螺纹端面不能留有缝隙。防止扩孔钻头顺着螺纹反向自动滑落。

3）扩孔作业中根据实际地质情况调节扩孔施加的压力，岩石的强度越高，在保持稳定钻速的前提下增加钻进压力；反之，岩石的强度降低，控制钻速，减少钻进压力；根据不同岩石强度，保持钻机均匀的扩孔开挖速度，使钻机在平稳状态下作业。

5 结论及总结

5.1 爆破扩孔效率更高

爆破作业前通过合理布置炮眼已达到最佳爆破效率，扩孔作业中因导井的存在可以边扩孔，边完成碎碴通过导井溜至底部进行清碴。使得工序衔接更加紧凑，机械化连续作业，相比传统扩孔开挖方式需要上个工序完成后再进行下一道工序，其施工效率要提高5-10 倍。通风竖井的快速施工为后期主洞施工提供诸多便利，其综合效益十分显著。

通过与传统隧道通风竖井施工方法相比，反井钻机进行扩孔既使得机械化施工效率大大增加，同时降低传统人工作业施工风险，满足城市道路发展特长公路隧道竖井工程技术发展的趋势。

5.2 出碴速度快

竖井出碴是影响竖井开挖支护成环速度的重要工序，破碎出碴往往耗时较多，效率较低。采用反井法施工时利用导井使爆破后产生的石碴通过导井顺溜到导井底部，之后再由装载机装车转至场外。

5.3 无需临时通风和排水设施

相比正井法施工需要在竖井顶部设置临建设施，如临时通风设施和临时排水设施，反井法施工则恰好利用导井连通竖井顶部和底部，解决竖井掘进过程中爆破产生的有害气体及烟尘排放问题，极大改善竖井底部掌子面的空气质量。施工中产生的废水和竖井开挖过程中的涌水及时从导井顺流至导井底部后通过主洞的排水流至洞外，不用增设抽水泵来完成积水抽排，如此既降低工程成本，同时提高掘进效率。

5.4 安全性更好

充分利用反井法施工技术在特长公路隧道应用的特点，并成功在兴业快线（北段）工程中实施，为隧道洞身开挖及时输送掌子面所需新鲜空气，极大降低洞身段掌子面有限空间作业缺氧及有害气体中毒的风险。同时反井钻机采用液压传动进行控制，机械作业操作简单，有效降低人员作业强度。

5.5 经济环保

竖井采用由上而下进行钻爆扩孔开挖，所需乳化炸药由龙门吊从溜碴孔底部提升至开挖掌子面，从而有效避免炸药因山路崎岖运输至山顶增加运距，降低施工成本。施工作业产生的废水、弃碴通过导井转移至竖井底部后从主洞洞身往外输送，因而使得竖井开挖弃碴可以完全通过溜碴孔封闭外运，减少从竖井顶部出碴给环境带来的影响。