“反井法”在中條山隧道中的應(yīng)用

龐新剛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

中條山特長隧道全長9 671 m，是山西省運(yùn)城至靈寶高速公路解州至陌南段北起解州，穿越中條山，南達(dá)芮城陌南，總體呈南北走向。是山西省高速公路規(guī)劃網(wǎng)“三縱十二橫十二環(huán)”西縱的重要通道。為了開辟新的工作面和滿足隧道運(yùn)營通風(fēng)的要求設(shè)計有一道斜井，兩道豎井，其中2號豎井采用“反井法”施工，井身直徑6.4 m、深398 m，位于隧道左線ZK9+480處，地處中條山深山腹地，井口位置在山頂溝壑處，全部復(fù)合式襯砌。

2 工程地質(zhì)及平面布置圖

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)野外調(diào)查和鉆孔ZK6揭露，豎井洞室圍巖主要為太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖（Hgn）地層組成，構(gòu)成中條山隧道分水嶺北側(cè)的主體；圍巖巖性主要為變粒巖、花崗片麻巖等。該套地層巖性復(fù)雜，組合無規(guī)律。巖層產(chǎn)狀整體傾向南東，傾角在50°～70°間變化。由于巖層比較陡立、地下水以基巖裂隙水為主，主要來自大氣降雨補(bǔ)給，中條山前溝谷發(fā)育，總體上匯水面積小，對豎井開挖影響不大。該處地質(zhì)主要是Ⅲ級圍巖[1]，巖性主要為黑云角閃片巖、黑云斜長片麻巖、變粒巖、花崗片麻巖等，巖體較穩(wěn)定，節(jié)理稍發(fā)育，整體性較好，不易產(chǎn)生掉塊及滑動。

影響2號豎井圍巖穩(wěn)定的主要因素為基巖裂隙水。井口段V級圍巖、Ⅳ級圍巖在爆破影響下，會產(chǎn)生局部坍塌、掉塊、施工時應(yīng)及時支護(hù)[2]。

2.2 平面布置圖

圖1 2號豎井平面布置圖

3 反井法施工工法特點(diǎn)

該方法的特點(diǎn)是利用小直徑鉆頭鉆導(dǎo)向孔，再用大直徑鉆頭擴(kuò)挖溜碴通道，井筒內(nèi)爆破后的巖碴通過溜碴通道溜至井底通道再運(yùn)出至洞外隧道專用棄碴場。改變了用提升吊桶出碴的方法，提高了出碴效率，加快了工程進(jìn)度，縮短了工期，井口外不棄碴或少棄碴，占用地上面積較少，保護(hù)了原有的自然環(huán)境，減少井上施工機(jī)械和管理人員。

4 反井法施工方案

4.1 “反井法”施工開挖工藝流程

a）施工準(zhǔn)備、平整場地、鉆機(jī)就位。

b）利用小直徑鉆頭先鉆導(dǎo)向孔，如圖2a。

c

）然后自下而上開鑿用于溜碴的導(dǎo)洞，如圖2b。

d）再用傳統(tǒng)鉆爆法自上而下擴(kuò)挖成井。巖碴順著導(dǎo)向孔流入主洞，如圖2c。

e）利用裝載機(jī)、自卸汽車等裝運(yùn)工具運(yùn)往棄碴場。

圖2 “反井法”施工工藝流程圖

4.2 施工準(zhǔn)備

4.2.1 作業(yè)平臺

在豎井井口位置平整場地，保證有足夠面積滿足鉆機(jī)基礎(chǔ)及循環(huán)水池施工和反井鉆機(jī)運(yùn)行的需要，并滿足后期開挖、初支、二襯設(shè)置井架等施工需求。

4.2.2 便道

為保證大、重型機(jī)械設(shè)備和材料運(yùn)輸，開工前應(yīng)修筑了盤山混凝土便道，基本滿足施工需要。

4.2.3 鉆機(jī)基礎(chǔ)

根據(jù)開挖平臺實(shí)際情況，以鉆孔中心為中心，開挖長8 m、寬4 m、深70 cm的基坑（保證沒有虛碴且基坑巖面堅硬），清理干凈巖面后回填澆筑C20混凝土，混凝土表面平整，凸凹變化不超過1.5 cm，然后安裝鉆機(jī)。施工程序?yàn)椋菏┕し啪€（確定開挖范圍）—開挖到基巖—清理基巖面—澆筑混凝土—安裝鉆機(jī)。

4.2.4 鉆機(jī)設(shè)備裝卸

洞外采用12 t以上的吊車來吊裝反井鉆機(jī)和輔助設(shè)備，洞內(nèi)場地狹小，采用8 t以上的裝載機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔鉆頭運(yùn)裝。

4.2.5 循環(huán)水池

在鉆機(jī)基礎(chǔ)周圍適當(dāng)位置，開挖一個3 m×3 m×2 m水池用于導(dǎo)孔鉆進(jìn)排碴及循環(huán)供水，由于該豎井地段地質(zhì)條件較好，采用泥漿泵用清水排碴，水池頂高低于鉆機(jī)基礎(chǔ)澆筑混凝土面。

4.2.6 供電

在施工點(diǎn)附近，增設(shè)變壓器，供380 V動力電源和220 V照明電源。以供反井鉆機(jī)鉆井及開挖、襯砌等施工用電。

4.2.7 供水

根據(jù)實(shí)際情況，在施工點(diǎn)附近，砌筑10 m×8 m×2 m蓄水池以便施工及生活用水，施工用水主要是導(dǎo)孔鉆進(jìn)循環(huán)排碴、冷卻反井鉆機(jī)液壓系統(tǒng)及擴(kuò)孔鉆擴(kuò)孔鉆頭等，水源利用山澗溪水引進(jìn)。最后進(jìn)行鉆機(jī)安裝調(diào)試及試運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.3 施工工藝及技術(shù)措施

4.3.1 溜碴導(dǎo)洞施工

4.3.1.1 溜碴導(dǎo)洞導(dǎo)向孔施工

導(dǎo)向孔施工是為下一步擴(kuò)孔施工做準(zhǔn)備，為了鉆桿能夠正常工作，導(dǎo)向孔的垂直度必須滿足要求，必須使用測斜儀隨時測量，傾斜度保持在1%以內(nèi)，施工作業(yè)平臺的平整度要控制在0.3 mm以內(nèi)，用濕式鉆孔法鉆到主洞洞頂及設(shè)計豎井的井底，導(dǎo)向孔的鉆頭可采用直徑20 cm鉆頭,也可以適當(dāng)加大，只要能夠形成20～30 cm的導(dǎo)孔即可。開鉆時首先采用短鉆桿、低鉆壓、低鉆速的鉆進(jìn)方式，在鉆進(jìn)過程中要采用間斷推進(jìn)的方式逐步推進(jìn)。短鉆桿鉆入后，接一節(jié)導(dǎo)向作用的穩(wěn)定鉆桿,待穩(wěn)定鉆桿完全進(jìn)入孔內(nèi)后，逐漸調(diào)整鉆壓和鉆速，進(jìn)行正常鉆進(jìn)。遇到節(jié)理發(fā)育和軟弱破碎圍巖時，鉆機(jī)會產(chǎn)生振動、卡鉆或塌孔情況，需減緩鉆壓、轉(zhuǎn)速，并間斷鉆進(jìn)。在鉆孔進(jìn)度達(dá)到設(shè)計標(biāo)高2 m左右時，應(yīng)放低鉆壓和鉆速，為了施工安全，應(yīng)有專人和聯(lián)絡(luò)風(fēng)道施工人員及時聯(lián)系，進(jìn)行必要的交通管制，防止鉆到設(shè)計標(biāo)高處掉鉆，出現(xiàn)人員傷亡事故，鉆碴及時排出，注意碴樣變化和鉆機(jī)扭矩不能過大。每節(jié)鉆桿長度1 m，施工完一節(jié)鉆桿，卸扣停水，換接鉆桿，循環(huán)作業(yè)。反井鉆機(jī)導(dǎo)孔工藝見圖3。

圖3 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔工藝

4.3.1.2 導(dǎo)洞施工

溜碴導(dǎo)洞導(dǎo)向孔施工，為了形成順暢的溜碴通道，要對導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔施工在主洞開挖超過豎井位置和聯(lián)絡(luò)風(fēng)道開挖貫通后進(jìn)行。根據(jù)豎井井洞的直徑確定擴(kuò)孔鉆頭的直徑，一般為1～1.5 m，本工程擴(kuò)孔鉆頭直徑為1.4 m。反向擴(kuò)孔時,必須采用小軸壓、低轉(zhuǎn)速、間斷推進(jìn),每次瞬時推進(jìn)時等刀頭的沖擊明顯平穩(wěn)后再進(jìn)行下一次瞬時推進(jìn)，反復(fù)進(jìn)行，直至巖面全部刮平，鉆頭均勻接觸巖面后，進(jìn)行正常拉力擴(kuò)孔。反井鉆機(jī)擴(kuò)孔工藝見圖4。

圖4 反井鉆機(jī)擴(kuò)孔工藝

4.3.1.3 豎井井身開挖

反井鉆機(jī)擴(kuò)孔施工完成以后，然后轉(zhuǎn)入井筒掘進(jìn)施工，為了提高工作效率，井筒施工要一次鑿巖爆破成型，土質(zhì)地段采用挖掘機(jī)和人工手持風(fēng)鎬開挖，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.8 m左右。土質(zhì)軟弱地層開挖采用挖馬口的形式，每個馬口開挖弧長3.0 m，石質(zhì)地段采用光面爆破技術(shù)，周邊眼間距控制在40～50 cm，每循環(huán)進(jìn)尺視圍巖情況，擬控制范圍為1.5～2.5 m。爆破后利用人工配合機(jī)械進(jìn)行井洞清碴，巖碴順著溜碴通道溜至井底部。廢碴在豎井底部采用裝載機(jī)和自卸運(yùn)輸汽車運(yùn)出洞外棄碴場。

4.3.1.4 初期支護(hù)

本項(xiàng)目初期支護(hù)V級圍巖設(shè)計參數(shù)為：系統(tǒng)錨采用D25中空注漿錨桿，L=3.0 m，錨桿間距120 cm(縱)×120 cm[S](環(huán))，φ6 鋼筋網(wǎng)（20 cm×20 cm），C25噴射混凝土厚度20 cm。Ⅳ級圍巖初期支護(hù)參數(shù)為：系統(tǒng)錨采用φ22早強(qiáng)水泥砂漿錨桿，錨桿間距 100 cm(縱)×100 cm(環(huán))，φ6 鋼筋網(wǎng)（20 cm×20 cm），C25噴射混凝土厚度15 cm，錨桿采用梅花型布置。

a）系統(tǒng)錨桿的施工要按設(shè)計孔位、孔徑、孔深鉆孔。鉆孔時，方向應(yīng)盡可能與圍巖巖面垂直，深度不得小于錨桿長度。錨桿施工完成后要滿足錨桿拉拔試驗(yàn)的檢測要求。系統(tǒng)錨桿布置如圖5。

圖5 系統(tǒng)錨桿布置示意圖

b）噴射混凝土中鋼筋網(wǎng)的施工時，鋼筋網(wǎng)在加工場制作成（2×2）m的網(wǎng)片，敷設(shè)時與錨桿焊接成整體。掛網(wǎng)時，鋼筋網(wǎng)要緊貼巖面，網(wǎng)片間點(diǎn)焊搭接，并與鄰近錨桿聯(lián)接牢固[2]。隧道開挖排碴后立即對巖面噴射混凝土封面，以防巖體發(fā)生松弛變形，其具體要求如下：

a）鋼筋使用前應(yīng)清除污銹。

b）鋼筋網(wǎng)宜在現(xiàn)場預(yù)制點(diǎn)焊成網(wǎng)片，安設(shè)時其搭接長度不小于10 cm。

c）鋼筋網(wǎng)應(yīng)在巖面初噴混凝土4～6 cm后鋪設(shè)，并在錨桿安設(shè)后進(jìn)行。

d）鋼筋網(wǎng)應(yīng)與錨桿、鋼架或其他錨定裝置聯(lián)結(jié)牢固，噴射混凝土?xí)r鋼筋不得晃動。

4.3.1.5 二次襯砌

本項(xiàng)目豎井暗洞襯砌設(shè)計采用新奧法原理進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)不同豎井段的圍巖分級，埋置深度、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及施工方法確定相應(yīng)的復(fù)合式襯砌參數(shù)，二次襯砌設(shè)計為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，V級圍巖設(shè)計參數(shù)為：45 cm厚C30鋼筋混凝土，Ⅳ級圍巖初期支護(hù)參數(shù)為：40 cm厚C30鋼筋混凝土。豎井壁座沿豎井縱向每35 m設(shè)置一處，以減少豎井基礎(chǔ)的受力。

a）二襯模板設(shè)計。由于豎井的二次襯砌施工是在全井開挖及初期支護(hù)完成后才施作的，本豎井二次襯砌模板系統(tǒng)采用自動爬升式液壓模板系統(tǒng)，模板爬架示意圖如圖6，爬架立面示意圖如圖7。

圖6 豎井施工爬架平面示意圖

圖7 豎井施工爬架立面示意圖

b）防排水施工。在初期支護(hù)完成后，二次襯砌施工前，要做好防排水的施工，本豎井防排水工程的設(shè)計參數(shù)為：通深設(shè)置4條φ116HDPE縱向波紋管，環(huán)向排水管采用φ50HDPE單壁波紋管，其安設(shè)在防水層前敷進(jìn)行。施工時應(yīng)保證排水管不被壓碎和堵塞，以確保排水系統(tǒng)暢通。防水層采用1.2 mm EVA復(fù)合防水板，全隧道鋪滿，施工時應(yīng)注意保護(hù)防水層的完整性。環(huán)向排水管采用φ50HDPE單壁波紋管適用范圍：原則上在滲漏水較集中處鋪設(shè)，其中Ⅴ級圍巖地段間距為6 m，Ⅳ級圍巖地段間距為8 m，Ⅲ級圍巖地段間距為10 m。施工中可根據(jù)實(shí)際滴漏水情況作適當(dāng)調(diào)整。防排水設(shè)計圖如圖8。

圖8 防排水設(shè)計圖

c）為了保證二次襯砌混凝土的質(zhì)量，要滿足下列要求。

（a）首先保證原材料合格，水、水泥、砂、碎石、外摻劑、鋼筋的質(zhì)量在開工前均要通過相關(guān)的試驗(yàn)檢測，檢測合格后方可施工。

（b）襯砌混凝土禁止采用滾筒攪拌機(jī)，必須采用拌和站集中拌和，混凝土運(yùn)輸車運(yùn)至豎井井口的方法。

（c）采用從井口用吊桶送至工作面入模的方案。利用溜槽入模，為了防止混凝土離析禁止采用直接用溜槽運(yùn)輸?shù)姆椒ā?/p>

（d）混凝土應(yīng)分層對稱澆注，每層澆注的高度應(yīng)控制在50 cm左右。

（e）利用插入式振搗器配合附著式振搗器振搗，保證混凝土振搗密實(shí)。

（f）注意混凝土養(yǎng)生，初期支護(hù)與二次襯砌之間的空，必須回填密實(shí)隙，施工時應(yīng)按圖紙預(yù)留注漿孔。

（g）二次襯砌的混凝土應(yīng)連續(xù)澆注，不得不間歇時，其間歇時間應(yīng)符合規(guī)范要求。

（h）混凝土強(qiáng)度達(dá)到0.5 MPa時可以拆除，達(dá)到2.5 MPa后方可進(jìn)行模板滑升，循環(huán)下一板襯砌施工。

4.4 注意事項(xiàng)

a）鉆孔透口前，要處理好透口附近的拱頂支護(hù)和管道電纜等，并安排人員在下口警戒，以免孔內(nèi)碴滓及排碴水對下方人員、設(shè)施構(gòu)成安全威脅。

b）鉆機(jī)鉆孔時，以先開水泵、后開主泵、副泵的順序，以適當(dāng)?shù)你@壓進(jìn)行鉆進(jìn)。

c）每隔30 m加裝一根外徑250 mm的穩(wěn)定鉆桿以保持孔內(nèi)鉆進(jìn)穩(wěn)定及立眼垂直度。

d）導(dǎo)井開鉆時，清理下口浮碴及2 m范圍內(nèi)可能存在的錨桿等支護(hù)金屬，安裝地面及下口的聯(lián)絡(luò)電話，備好排碴設(shè)備。

e）擴(kuò)孔時，要及時清理下口碴滓，以免堵塞下口，下口排碴不及時出現(xiàn)堵孔時，及時通過聯(lián)絡(luò)電話通知上口停止施工。

f）特別強(qiáng)調(diào)豎井施工必須注意施工過程中的排水，對滲水較大地段必須采取相應(yīng)的施工排水措施，及時排出鉆頭冷卻水，確保施工安全。

g）采用該種方法施工，必須加強(qiáng)圍巖的監(jiān)控量測，一旦發(fā)現(xiàn)圍巖變形加大，不可冒進(jìn)，必須分析原因采取有效的處理措施。

5 結(jié)語

用以上方法對中條山特長隧道2號豎井進(jìn)行開挖和支護(hù)，保質(zhì)保量按期完成了本豎井的施工，說明該方法在施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全方面有明顯的優(yōu)勢，達(dá)到了預(yù)期的效果，為“反井法”施工方法在隧道豎井施工中積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，該方法在高速公路隧道豎井施工中有廣泛的應(yīng)用前景。