富水砂層通風(fēng)井施工技術(shù)淺析

杜　勝，吳正愷，李建成，李　維

（1.中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原030000；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

富水砂層通風(fēng)井施工技術(shù)淺析

杜勝*1，吳正愷2，李建成1，李維1

（1.中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原030000；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

富水飽和砂土地層由于其透水性強(qiáng)、無自穩(wěn)能力、易坍塌等特點(diǎn)，對(duì)隧道通風(fēng)井施工造成較大困難。以在建的莞惠城際軌道交通項(xiàng)目為依托，對(duì)穿越富水砂層的通風(fēng)井施工工藝進(jìn)行探索和總結(jié)，提出了既能保障結(jié)構(gòu)自身的安全性，又能兼顧結(jié)構(gòu)施作時(shí)與城市環(huán)境協(xié)調(diào)性的成套工法，包括沖擊錘沖擊成孔技術(shù)、鋼護(hù)筒下放及接長技術(shù)等，對(duì)砂層注漿起到良好加固的效果，確保通風(fēng)井與隧道輪廓交界處不漏水，良好實(shí)現(xiàn)通風(fēng)井改善區(qū)間隧道通風(fēng)條件的功效。

富水砂層；通風(fēng)井；城際軌道交通；施工技術(shù)

1　概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，從20世紀(jì)90年代至今，修建了大量長、特長隧道。這些特長的山嶺隧道、水下隧道和城市地鐵隧道，無論在施工期還是運(yùn)營階段，遇到的首要問題均是隧道的通風(fēng)問題。國內(nèi)學(xué)者對(duì)隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行了一些研究［1-2］，但相對(duì)于一般隧道工程而言，我國目前在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工方面經(jīng)驗(yàn)還較為欠缺，常會(huì)遇到因缺少施工經(jīng)驗(yàn)而使設(shè)計(jì)要求無法滿足或通風(fēng)系統(tǒng)能耗較大等問題。隧道通風(fēng)系統(tǒng)涉及通風(fēng)方式、通風(fēng)井工程、通風(fēng)設(shè)備等諸多方面，本文僅就通風(fēng)井施工工法進(jìn)行研究。

富水飽和砂土地層由于其透水性強(qiáng)、無自穩(wěn)能力、易坍塌等特點(diǎn)，對(duì)隧道通風(fēng)井施工造成較大困難［3］。本文以在建的莞惠城際軌道交通項(xiàng)目為依托，對(duì)穿越富水砂層臨時(shí)通風(fēng)井施工進(jìn)行探索和總結(jié)，得出了以低成本、高功效的臨時(shí)通風(fēng)井成套施工工藝，創(chuàng)新性地用沖擊錘沖擊成孔、鋼護(hù)筒護(hù)壁及雙液漿封底、單液漿注漿加固、安裝抽風(fēng)機(jī)等措施，順利穿越富水砂層和注漿加固砂層段，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)井改善區(qū)間隧道通風(fēng)條件功效；并通過砂層注漿加固處理掌握了對(duì)砂層注漿的配比、壓力、注漿方式等參數(shù)，有效地保證了臨時(shí)通風(fēng)井的施工安全、質(zhì)量及進(jìn)度協(xié)調(diào)關(guān)系。本施工工法開拓了通風(fēng)井施工新的領(lǐng)域，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，為地下工程中改善通風(fēng)條件建設(shè)提供獨(dú)特的視角。

2　工程概況

東莞至惠州城際軌道交通是連接上述兩城市間的重要交通線路，對(duì)于促進(jìn)城市間的協(xié)調(diào)發(fā)展，快速提升周邊經(jīng)濟(jì)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。莞惠城際GZH-7標(biāo)起于大朗鎮(zhèn)朗常路，沿常平大道下敷設(shè)，終于常平鎮(zhèn)九江水村。線路全長11.7km，區(qū)間結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，有豎井暗挖隧道、明挖隧道、小山嶺隧道、地下車站等多種形式。隧道工程總長8.831km，部分路段在飽和或部分飽和的砂層中暗挖通過，沿線設(shè)計(jì)了多個(gè)臨時(shí)通風(fēng)井，其作業(yè)空間狹小且深度較大，能否順利完成通風(fēng)井施工已成為暗挖隧道施工的瓶頸部位，也是決定暗挖隧道是否按期完工的關(guān)鍵因素［4-6］。

3　通風(fēng)井施工工法原理

通過莞惠城際項(xiàng)目中大量的現(xiàn)場試驗(yàn)總結(jié)，穿越富水砂層的通風(fēng)井施工工法原理如下：主要采用直徑?1.2m沖擊錘沖擊成孔，驗(yàn)孔合格后清孔，使泥漿比重小于1.1。然后采用預(yù)制12m一節(jié)，直徑1.0m，壁厚10mm鋼護(hù)筒下至孔內(nèi)護(hù)壁，以作為通風(fēng)井結(jié)構(gòu)。鋼護(hù)筒采用焊接接長，確保焊接牢固，防止?jié)B水，鋼護(hù)筒需高出孔口地面。再沿鋼護(hù)筒周邊布置?22mm鍍鋅鋼管作注漿管，鋼管車絲套筒連接，下至孔底，自底部往上注漿，先采用水泥-水玻璃雙液漿封底，防止?jié){液流入護(hù)筒內(nèi)，后采用1∶1水泥單液漿注漿，水泥漿比重不得小于1.5，以置換孔外泥漿、填充護(hù)筒周邊孔隙和固結(jié)砂層，防止砂層涌水涌砂，待漿液終凝后開挖隧道，貫穿通風(fēng)井，釋放孔內(nèi)泥漿，在鋼護(hù)筒上安裝抽風(fēng)機(jī)，以促進(jìn)洞內(nèi)煙塵及時(shí)排放［7］。圖1為通風(fēng)井示意圖，具體施工工藝流程如圖2所示。

圖1　通風(fēng)井示意圖

圖2　通風(fēng)井施工工藝流程圖

4　穿越富水砂層施工工法

4.1施工放樣

根據(jù)設(shè)計(jì)院交樁資料進(jìn)行全標(biāo)段復(fù)測(cè)后，在通風(fēng)井附近周邊布設(shè)三角控制網(wǎng)。用全站儀測(cè)設(shè)出通風(fēng)井中心樁位坐標(biāo)，測(cè)量樁孔的中心位置偏差不得大于5mm，打入短鋼筋或木樁的方法標(biāo)識(shí)樁位，并在樁位四周布置4個(gè)固定點(diǎn)，以使2點(diǎn)連線的交點(diǎn)位于通風(fēng)井中心，以此作為以后安設(shè)孔口護(hù)筒及沖進(jìn)過程中樁位檢查的檢查點(diǎn)。圖3為精確測(cè)量定位圖。

4.2鉆機(jī)就位

根據(jù)已測(cè)設(shè)樁位，移動(dòng)鉆機(jī)就位，鉆機(jī)應(yīng)安放穩(wěn)固，底架應(yīng)水平，不得產(chǎn)生位移和沉陷。必要時(shí)應(yīng)采用拉設(shè)纜風(fēng)繩等措施進(jìn)行錨固。鉆桿應(yīng)保持豎直，鉆頭中心與孔位中心的偏差不得大于2cm。鉆機(jī)就位后應(yīng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常后方可進(jìn)行沖進(jìn)。

圖3　精確測(cè)量定位圖

4.3安設(shè)孔口護(hù)筒

依據(jù)放樣樁位挖坑，以埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒采用6mm厚鋼板卷制焊接而成，直徑?1.5m，長1.5m。安設(shè)護(hù)筒時(shí)應(yīng)使護(hù)筒頂高出地面0.3m，頂部開設(shè)1個(gè)溢漿口。護(hù)筒與坑壁之間用粘土填實(shí)。

4.4施做泥漿循環(huán)系統(tǒng)

泥漿原料宜選用優(yōu)質(zhì)粘土，有條件時(shí)，可優(yōu)先采用膨潤土造漿。為了提高泥漿的粘度和膠體率，可在泥漿中投入適量的添加劑，其品種和摻量應(yīng)有試驗(yàn)確定。在粘性土中成孔時(shí)，循環(huán)泥漿比重控制在1.1～1.3；在砂土和較厚夾砂層中成孔時(shí)，泥漿比重控制在1.2～1.3。護(hù)筒內(nèi)的泥漿頂面，應(yīng)始終高出筒外水位或地下水位至少1m以上。設(shè)置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)包括：制漿池、漿池、沉淀池、循環(huán)池、泥漿分離器等，確保有足夠泥漿進(jìn)行泥漿護(hù)壁和清孔。泥漿池應(yīng)定期進(jìn)行清理，作廢的泥漿應(yīng)妥善處理，不得外流。

4.5沖孔

沖擊鉆機(jī)采用卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩提升一定質(zhì)量的沖擊鉆錐（鉆頭），利用鉆錘自由下落的動(dòng)能產(chǎn)生沖擊作用，上下往復(fù)沖擊，將巖土擠壓破碎，部分被擠入孔壁之內(nèi)，由泥漿懸浮鉆渣，使鉆錐每次都能沖擊到孔底新土層，通過循環(huán)泥漿護(hù)壁及置換懸浮鉆渣，使孔深不斷加深，直至沖進(jìn)至設(shè)計(jì)孔底。鉆機(jī)過程就是重復(fù)鉆進(jìn)、排渣、調(diào)整泥漿、調(diào)整孔位、修復(fù)鉆錘（直徑、焊接鉆刃）的過程。在鉆進(jìn)過程中，必須保持、維持孔內(nèi)水頭標(biāo)高不低于護(hù)筒頂面下50cm左右。沖進(jìn)過程中，要隨時(shí)觀察孔內(nèi)水位及進(jìn)尺變化情況，以便判斷塌孔或漏漿。

4.6檢孔

鉆孔至設(shè)計(jì)高程后，開始進(jìn)行檢孔，重點(diǎn)檢查孔位、孔深、孔徑傾斜度是否滿足設(shè)計(jì)要求。鉆孔的允許偏差見表1。

圖4　泥漿池循環(huán)系統(tǒng)

表1　鉆孔施工參數(shù)表

4.7清孔

檢孔完畢符合以上要求后，即開始清孔。稍提鉆錐離孔底1m，將泥漿泵管深入孔底，并保持泥漿正常循環(huán)，以中速將相對(duì)密度1.03～1.10的較純泥漿壓入，把鉆孔內(nèi)懸浮鉆渣較多的泥漿置換出。使清孔后泥漿的含砂率降到2%以下，泥漿比重小于1.1，且孔底沉淀土厚度小于30cm，即可終止清孔。清孔施工現(xiàn)場如圖5所示。

圖5　清孔施工現(xiàn)場

4.8安裝鋼護(hù)筒

停止清孔后，拔出泥漿泵管，開始向孔內(nèi)安裝鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒采用厚10mm的鋼板用大型卷焊一體機(jī)一次加工成型，護(hù)筒外徑1m，每節(jié)長度12m，每節(jié)護(hù)筒焊接2個(gè)T型耳提，用工字鋼加工成型，以便于吊裝和臨時(shí)固定在孔口護(hù)筒上拼接。吊裝時(shí)采用25t吊車，先將一節(jié)護(hù)筒吊起緩慢下入孔內(nèi)，利用T型耳提臨時(shí)固定在孔內(nèi)護(hù)筒上，固定時(shí)必須確保鋼護(hù)筒豎直及孔口水平，然后再將另一節(jié)護(hù)筒吊起與下入孔內(nèi)護(hù)筒對(duì)接，對(duì)接時(shí)必須確保兩護(hù)筒豎直，傾斜度不得大于2%，再進(jìn)行對(duì)接焊接，焊接時(shí)用6塊鋼板沿護(hù)筒圓周搭接焊，尺寸為300mm×10mm×20mm（長×寬×厚），要求焊接牢固、焊縫密實(shí)，防止以后通風(fēng)井滲漏水。焊接完后再用吊車提起下入孔內(nèi)照以上步驟一節(jié)一節(jié)拼裝護(hù)筒，直至達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。為保證以后安裝抽風(fēng)機(jī)及防止地表水流入井內(nèi)，護(hù)筒頂應(yīng)高出地面1.5m以上。

4.9下注漿管

鋼護(hù)筒下至孔底進(jìn)行對(duì)中固定后，立即開始下入注漿管。沿護(hù)筒周邊均勻布置4根，相對(duì)為一組，一組深入孔底，進(jìn)行注漿，邊注邊提，另一組下至砂層底部，以做備用或補(bǔ)充注漿，具體見圖6。注漿管采用?22mm鍍鋅鋼管，每根長度為6m或3m不等，兩頭需進(jìn)行車絲以用套筒接長。

圖6　下注漿管施工圖

4.10注漿

注漿時(shí)先注水泥—水玻璃漿液，通過控制雙液漿的凝固時(shí)間快速封堵護(hù)筒底的孔隙，待雙液漿注漿方量達(dá)到0.5m3、漿液上升至孔底50cm以上后，即可開始進(jìn)行水泥單液漿注漿，單液漿水灰比比為1∶1，水泥漿比重大于1.5。由于水泥漿的比重大于泥漿比重，通過持續(xù)注漿，將漿液注入孔內(nèi)底部，其將位于泥漿下方，由底部不斷提升，以此置換孔外泥漿，使水泥漿填充護(hù)筒外孔隙及固結(jié)砂層，當(dāng)注漿至砂層段時(shí)，由于砂層的含水量較大，流動(dòng)性高，漿液擴(kuò)散范圍較大，為減小漿液的擴(kuò)散范圍和達(dá)到固結(jié)砂層的目的，本段注漿在壓力無明顯增大情況下，每注漿10min停5min，直至壓力上升至0.3MPa以上時(shí)，穩(wěn)壓注漿15min直至孔外泥漿深度小于1m以內(nèi)時(shí)，即可停止注漿，等待水泥漿完全凝固［8］。具體注漿參數(shù)如表2所示。

表2　注漿技術(shù)參數(shù)表

4.11釋放孔內(nèi)泥漿

水泥漿完全凝固以后，隧道開挖至通風(fēng)井處，先鉆探眼至通風(fēng)井底，先期釋放孔內(nèi)泥漿，為加快泥漿流出速度，可增加探眼。待探眼泥漿流盡后，從上看能看到通風(fēng)井底且底部無任何返漿時(shí)，確認(rèn)注漿效果好后即可爆破通風(fēng)井下隧道巖石，讓隧道與地面相通。

4.12安裝抽風(fēng)機(jī)

為加快通風(fēng)井的自排煙速度，節(jié)省爆破后通風(fēng)時(shí)間，可在護(hù)筒上安裝一個(gè)直徑為1m、功率為4kW的軸流抽風(fēng)機(jī)，并做避雨防墜物棚戶。

5　總結(jié)

通過莞惠城際項(xiàng)目在富水砂層地區(qū)修建通風(fēng)井的施工工法分析研究，提出了既能保障結(jié)構(gòu)自身的安全性，又能兼顧結(jié)構(gòu)施作時(shí)與城市環(huán)境協(xié)調(diào)性的成套工法，總結(jié)如下：

圖7　通風(fēng)井安裝抽風(fēng)機(jī)后效果圖

（1）提出本工法主要關(guān)鍵技術(shù)包括沖擊錘沖擊成孔技術(shù)、鋼護(hù)筒下放及接長技術(shù)和單雙液漿液的配置，注漿壓力控制及注漿方式等全套注漿技術(shù)，確保通風(fēng)井與隧道輪廓交界處不漏水。

（2）創(chuàng)新性的用沖擊錘沖擊成孔、鋼護(hù)筒護(hù)壁及雙液漿封底、單液漿注漿加固、安裝抽風(fēng)機(jī)一整套措施實(shí)現(xiàn)穿越富水砂層臨時(shí)通風(fēng)井施工，對(duì)砂層注漿起到良好加固的效果，確保通風(fēng)井與隧道輪廓交界處不漏水，良好實(shí)現(xiàn)通風(fēng)井改善區(qū)間隧道通風(fēng)條件的功效。

（3）本工法施工效率高，工期短，易于操作施工質(zhì)量高，施工成本較低，發(fā)揮功效較大。

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U231.3

B

1004-5716（2016）06-0194-04

2015-05-22

2015-05-26

項(xiàng)目來源：廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（No.2012-02-032）。

杜勝（1975-），男（漢族），山西交城人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事鐵路施工方面的技術(shù)及管理工作。