鐵路隧道深豎井反井法施工技術(shù)研究及應(yīng)用
——以當(dāng)金山隧道為例

程守業(yè)

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013；3.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100013)

0 引言

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)大動脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，在我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要，到2025年全國鐵路網(wǎng)規(guī)模有望達(dá)到17.5萬 km左右[1]。隨著我國鐵路建設(shè)不斷向西部和邊遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)展，需要建設(shè)大量隧道工程，基于施工技術(shù)的發(fā)展以及復(fù)雜特殊的地質(zhì)條件，長大隧道不斷涌現(xiàn)[2-3]。豎井是長大隧道的重要配套工程之一，對隧道建設(shè)期和運營期的通風(fēng)排煙、防災(zāi)減災(zāi)、災(zāi)害救援等起著重要作用，因此研究安全、高效、環(huán)保的豎井施工技術(shù)是保證長大鐵路隧道順利施工的重要前提。

傳統(tǒng)的隧道豎井施工方法以自上而下的正井法全斷面法開挖為主，短段掘砌，鉆爆一次成型，如烏鞘嶺隧道大臺豎井和岌岌溝豎井，形成了一整套完整的豎井施工方法和機械設(shè)備配套技術(shù)[4-5]。隨著機械化程度的提高以及反井鉆機的興起和應(yīng)用，在公路隧道豎井的施工中開始采用反井鉆機施工1.4 m導(dǎo)井再進(jìn)行鉆爆擴(kuò)挖[6-9]。鐵路隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，BMC200和BMC300反井鉆機難以滿足豎井施工精度要求，因此采用反井法施工鐵路隧道豎井工程很少見。近年來，強力反井鉆機BMC600已能施工深度為600 m、直徑為5.0 m的豎井工程，并在多個工程領(lǐng)域得到檢驗，因施工速度快、精度高，使得反井法一次成井施工鐵路隧道深豎井工程成為可能。綜合鐵路隧道具體的地質(zhì)條件，為提高施工安全系數(shù)，減少因爆破出渣造成的環(huán)境問題，快速施工豎井工程，進(jìn)一步研究和探索反井法一次成井施工鐵路隧道豎井工程顯得尤為重要和必要。

1 隧道概況

新建敦煌至格爾木鐵路位于甘肅省西北部酒泉市和青海省西部海西蒙古族藏族自治洲境內(nèi)，線路全長508.956 75 km。當(dāng)金山隧道為敦格鐵路的控制性工程，隧道穿越阿爾金山和祁連山2大山脈，全長20.1 km，線路平均海拔3 000 m，設(shè)計速度120 km/h，采用“3斜井+進(jìn)口平導(dǎo)+2座通風(fēng)豎井”方案施工。當(dāng)金山隧道是國內(nèi)最長的單線、單洞、單面坡隧道，也是鐵路總公司第一個全面推廣采用機械化配套施工的特長隧道試點工程，具有“三多”(斷層破碎帶多、不良地質(zhì)多、地下水侵蝕性種類多)、“三高”(海拔高、地應(yīng)力高、地震烈度高)、“三長”(單面坡長、獨頭通風(fēng)距離長、反坡排水距離長)、“三低”(隧道區(qū)氣溫低、氣壓低、含氧量低)、“三大”(埋深大、水量大、風(fēng)沙大)的特點[10]。

當(dāng)金山隧道施工通風(fēng)控制段落位于1號斜井及2號斜井工區(qū)之間的10.5 km范圍內(nèi)，設(shè)置2座通風(fēng)豎井，具體參數(shù)如表1所示。

表1 豎井參數(shù)Table 1 Parameters of vertical shaft

2 施工方案的確定

目前我國鐵路隧道施工深度超過200 m的豎井?dāng)?shù)量少，深度不等，且全部采用正井法鑿井施工。結(jié)合國內(nèi)外公路、鐵路、水電、礦山豎井的施工經(jīng)驗和方法，以及豎井直徑和深度的要求，豎井常用的開挖方法可分為正井法、導(dǎo)井?dāng)U挖法和反井法，這些豎井施工方法在施工工序、機械設(shè)備和開挖速度等方面存在較大差異，需對其進(jìn)行方案比選。

2.1 方案比選

正井法是指從井口開始全斷面開挖，自上而下施工，井筒開挖一次鑿巖爆破成型，采用抓巖機裝渣，吊桶提升運輸巖渣和材料，出渣完成后施作初期支護(hù)和二次襯砌的施工方法；導(dǎo)井?dāng)U挖法是先開挖用于溜渣的導(dǎo)井，然后再用傳統(tǒng)的鉆爆法自上而下擴(kuò)挖成井；反井法施工的具體方法是反井鉆機施工導(dǎo)孔，在隧道下部出口透孔后安裝大直徑擴(kuò)孔鉆頭，反井鉆機動力頭驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)，帶動擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)，直至鉆頭完全出露至地面，擴(kuò)孔中掉落的巖屑由隧道內(nèi)運出。3種方法各有優(yōu)缺點，綜合當(dāng)金山隧道深豎井具體所處的條件，對其進(jìn)行安全、場地、工期和經(jīng)濟(jì)方面的分析，如表2所示。在施工技術(shù)不斷進(jìn)步和反井鉆機設(shè)備不斷升級的大前提下，使用反井鉆機施工大直徑深豎井反井工程已經(jīng)成為現(xiàn)實，確定采用反井法施工當(dāng)金山隧道深豎井工程。

表2 深豎井施工方法分析Table 2 Comparison among construction methods for deep vertical shaft

2.2 反井法適應(yīng)性分析

2.2.1 地質(zhì)適應(yīng)性分析

深豎井所處地質(zhì)條件和自身圍巖情況對施工所采用的工藝和設(shè)備有著極其重要的影響。當(dāng)金山隧道布置2座深豎井，1號豎井圍巖主要為花崗巖，巖質(zhì)堅硬，局部巖體破碎，單軸抗壓強度21～121 MPa，平均73.7 MPa；2號豎井圍巖主要為云母石英片巖，褶皺發(fā)育，整體完整性較好，局部巖體較破碎，單軸抗壓強度34～178 MPa，平均76.2 MPa。豎井區(qū)節(jié)理較發(fā)育[11]，總體來看，豎井通過區(qū)巖體較完整，具有一定的自穩(wěn)能力，涌水量較小，水文地質(zhì)條件較好，反井法施工能夠適應(yīng)此種地質(zhì)條件，并且?guī)r石強度不大，施工速度較快。若遇到局部較破碎地段，可以采取注漿等措施通過。

2.2.2 施工場地適應(yīng)性分析

當(dāng)金山隧道所處地區(qū)為典型戈壁灘地貌，豎井施工點附近山體陡峭，交通不便，大型施工機具不易通過，施工條件非常惡劣，但此種情況卻能夠發(fā)揮反井法施工的優(yōu)勢，反井法施工所需場地較小，不需要大量排渣，生產(chǎn)用水少，設(shè)備運輸方便，靈活可靠，完全能夠滿足當(dāng)金山隧道深豎井的順利施工。以1號和2號豎井為例，豎井地面施工位置均為深山區(qū)，大面積的平整場地既耗時又費力，但采用反井法施工，一般情況下場地條件均可滿足，即使原始場地?zé)o法滿足，進(jìn)行小范圍清理平整即可。

2.2.3 技術(shù)安全性分析

采用反井法施工豎井的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于煤礦、非金屬礦山和水電站等重大工程建設(shè)，目前在云南白鶴灘水電站、河北承德豐寧水電站和山東招遠(yuǎn)金礦等項目中均采用反井法鉆鑿豎井，也曾順利完成遼西北引水隧道4條通風(fēng)豎井的施工。在設(shè)備選型合理的前提下，根據(jù)現(xiàn)場具體地質(zhì)條件確定施工工藝，在施工過程中隨時監(jiān)測和調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，可順利完成豎井的施工。

3 反井法施工工藝

一般情況下，使用反井鉆機鉆鑿豎井需將鉆機的混凝土基礎(chǔ)坐落在堅固的巖石上，為了保證鉆機與基礎(chǔ)之間作用力的有效傳遞，將鉆機通過地腳螺栓等連接方式安裝在基礎(chǔ)上，導(dǎo)孔鉆進(jìn)時利用泥漿泵將洗井液通過鉆桿和三牙輪鉆頭按照壓氣正循環(huán)原理，將工作面巖屑攜帶到地面，在地面將泥漿和巖屑分離，泥漿循環(huán)利用。導(dǎo)孔透孔后更換擴(kuò)孔鉆頭，擴(kuò)孔鉆頭上的破巖滾刀在鉆桿拉力和扭矩驅(qū)動下，對巖石進(jìn)行擠壓、沖擊破碎巖石，巖屑靠自重落到隧道內(nèi)[12]。

當(dāng)金山隧道豎井通過區(qū)屬高海拔、高寒冷地區(qū)，人煙稀少，嚴(yán)重缺水干旱，且位于一背斜與向斜之間，節(jié)理裂隙發(fā)育；同時豎井附近裸露巖石堅硬，基本無表土層，綜合考慮上述情況，防止因水供應(yīng)不足導(dǎo)致排渣不暢出現(xiàn)鉆孔偏斜以及地層裂隙漏水導(dǎo)致井壁維護(hù)困難這2種情況的出現(xiàn)，參考?xì)鈩訚摽族N鉆進(jìn)技術(shù)在水井和瓦斯抽放井等工程領(lǐng)域的成功經(jīng)驗，對施工工藝進(jìn)行改進(jìn)，氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)即以壓縮空氣作為沖孔和冷卻鉆頭的循環(huán)介質(zhì)，將巖屑從孔內(nèi)攜帶出來，用水量極少，在干旱缺水地區(qū)可極大提高鉆進(jìn)效率和縮短施工周期，具有良好的鉆孔防斜和保直效果[13-14]。改進(jìn)后的反井法施工工藝為導(dǎo)孔采用氣動潛孔錘技術(shù)的水文水井鉆機進(jìn)行施工，導(dǎo)孔成孔直徑311 mm，透孔后安裝反井鉆機先掃孔至350 mm，再安裝擴(kuò)孔鉆頭，一次成井直徑達(dá)到3.0 m，如圖1所示。

(a) 定向鉆進(jìn)導(dǎo)孔 (b) 反井鉆機鉆進(jìn)350 mm導(dǎo)孔 (c) 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

圖1反井法施工工藝
Fig.1 Construction process of raise-boring method

4 工程實例

4.1 設(shè)備選型

采用反井法先施工當(dāng)金山隧道2號豎井，井深442 m，最終成井直徑3.0 m，設(shè)備選型時應(yīng)以其最大鉆井深度作為主參數(shù)，同時綜合經(jīng)濟(jì)因素考慮，在同等成本條件下，盡量提高鉆機能力，增加實用性，因此選擇氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的SPC600型水文水井鉆機進(jìn)行直徑311 mm的導(dǎo)孔施工，其操作簡便、扭矩大、維修方便，最大鉆進(jìn)深度達(dá)到600 m，完全滿足2號豎井的施工，配置2臺250 kW美國壽力DWQ-1070XHH螺桿空氣壓縮機，風(fēng)量可達(dá)到30.3 m3/min，使用十二烷基硫酸鈉粉根據(jù)不同巖石返渣情況按一定比例與水稀釋，增強攜帶巖渣能力。

擴(kuò)孔施工時，反井鉆機應(yīng)根據(jù)地層情況、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行選型，綜合選定目前國內(nèi)最大型號BMC600型反井鉆機，配備3.0 m大直徑擴(kuò)孔鉆頭，先將直徑311 mm導(dǎo)孔刷大至350 mm，再進(jìn)行擴(kuò)孔。BMC600型反井鉆機由主機、動力頭、鉆架和鉆桿輸送裝置等組成，鉆頭上設(shè)置16把滾刀[15]，完全滿足2號豎井的施工需要，其技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 BMC600型反井鉆機技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of BMC600 raise-boring machine

4.2 施工條件及準(zhǔn)備

依據(jù)2號豎井設(shè)計參數(shù)，結(jié)合反井法施工工藝、方法特點和現(xiàn)有經(jīng)驗，根據(jù)平整場地實際揭露地質(zhì)情況，將表土及覆蓋層開挖一次到位，開挖至基巖，施工混凝土基礎(chǔ)，利用此基礎(chǔ)進(jìn)行導(dǎo)孔及掃擴(kuò)孔的施工。

1)場地。反井施工為地面施工主要場所，應(yīng)滿足鉆具和操作系統(tǒng)(主機、操作車和油箱車等)的擺放要求，且平整、硬化。

2)道路。需滿足40 t運輸設(shè)備及50 t吊裝設(shè)備通行、工作需求。

3)基礎(chǔ)。要求基礎(chǔ)混凝土強度等級不小于C25、基礎(chǔ)必須保證水平、預(yù)留孔必須準(zhǔn)確對稱、基礎(chǔ)必須落在穩(wěn)定的基巖上。

4)供電。供電線路接至施工現(xiàn)場。設(shè)有固定電源供電，鉆機電壓380 V，總功率不小于500 kW。

5)照明。鉆機施工為連續(xù)作業(yè)，為保證夜間施工，在鉆機、開關(guān)柜等位置分別設(shè)置不小于200 W的照明燈，并作防水保護(hù)。

6)通風(fēng)。由于本項目為露天施工，可以不設(shè)專門通風(fēng)設(shè)施。

4.3 偏斜控制

導(dǎo)孔施工是控制最終成井偏斜率的關(guān)鍵工序，直接影響到整個豎井質(zhì)量，如果偏斜過大不利于擴(kuò)孔鉆進(jìn)，嚴(yán)重的會造成豎井報廢。為實時監(jiān)測導(dǎo)孔偏斜，保證偏斜率滿足使用要求，使用KXP-2D(S)數(shù)字羅盤測斜儀進(jìn)行測斜，該測斜儀采用了傳感器和數(shù)字處理技術(shù)等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，以定時啟動、定點3次測量方式完成鉆孔頂角及方位角的測量，有著測量精度高、儀器操作簡便、不需維護(hù)、高可靠性和應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等顯著特點，適用于非磁性或弱磁性地區(qū)。在水利建設(shè)、公路、鐵路、橋梁和隧道等基礎(chǔ)工程鉆孔中應(yīng)用廣泛，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 KXP-2D(S)數(shù)字羅盤測斜儀主要技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical parameters of KXP-2D(S) digital compass inclinometer

導(dǎo)致導(dǎo)孔偏斜的因素有很多，主要可分為地質(zhì)因素和工藝技術(shù)因素2大類。地質(zhì)因素包含巖石的各向異性、地層傾角等方面；工藝技術(shù)因素包含設(shè)備安裝、鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)和鉆進(jìn)方法等方面。當(dāng)發(fā)生偏斜進(jìn)行糾偏時，可利用以下幾種方法：1)自然減斜法。用合理的鉆具結(jié)構(gòu)和組合及相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝造成反向偏斜來糾正已發(fā)生的孔斜，通常是輕壓慢轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，邊鉆進(jìn)邊糾正，以保證鉆孔仍能恢復(fù)到原設(shè)計的空間位置；2)擴(kuò)孔糾斜法。選用稍大于原鉆頭口徑的鉆頭，自上而下擴(kuò)孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時采用輕壓慢轉(zhuǎn)的方法，嚴(yán)格控制進(jìn)尺速度，不要太快，采用此方法可以糾正一般輕微的孔斜，一般適用于淺孔或中硬巖層；3)扶正器糾斜法。如發(fā)現(xiàn)鉆孔傾角增大，可以在粗徑鉆具上面加上扶正器，以達(dá)到糾斜的目的，或保持鉆孔傾角不繼續(xù)增大。加上扶正器后，因為扶正器的作用改變了原來粗徑鉆具前端的受力狀態(tài)，使粗徑前端下落，鉆具在鉆進(jìn)過程中逐漸產(chǎn)生與傾角反方向彎曲的趨勢，扶正器應(yīng)接在與粗徑鉆具相連的短鉆桿上。

豎井井深442 m，根據(jù)實地測量情況，測點安排如表5所示。在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，實時測斜并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行糾偏，測量結(jié)果如圖2所示。在透孔后對透孔點進(jìn)行定位和測量(見圖3)，確定最終偏斜3.54 m，偏斜率0.8%，測斜儀測量偏斜為3.399 m，與最終結(jié)果偏差3.98%，說明測斜儀的結(jié)果是可靠準(zhǔn)確的，豎井偏斜完全滿足使用要求。

表5 測點設(shè)置Table 5 Layout of monitoring points

圖2 測斜結(jié)果曲線Fig.2 Deviation curve of vertical shaft

圖3 導(dǎo)孔透孔Fig.3 Photo of oriented borehole

5 結(jié)論與討論

1)首次將反井法技術(shù)引入到鐵路隧道大直徑深豎井工程中，形成了反井鉆機一次成井通風(fēng)豎井的鑿井新工藝，并成功在當(dāng)金山隧道通風(fēng)豎井工程中實施，鉆成直徑3.0 m、深度442 m的深豎井，鉆孔偏斜率為0.8%，成井速度快，質(zhì)量好。

2)采用氣動潛孔錘技術(shù)施工導(dǎo)孔與反井鉆機施工擴(kuò)孔相結(jié)合的方式，為缺水地區(qū)鐵路隧道深豎井施工開創(chuàng)了新的施工方法，并驗證了氣動潛孔錘鉆進(jìn)導(dǎo)孔對偏斜率控制效果良好。實踐證明：合理控制鉆進(jìn)速度和改變鉆具組合方式、實時調(diào)整轉(zhuǎn)速和鉆壓、增加循環(huán)風(fēng)量，可有效控制導(dǎo)孔偏斜率。

3)與傳統(tǒng)施工方法相比，反井法工藝適應(yīng)性強，安全系數(shù)高，既節(jié)約資源又環(huán)保，機械化程度高，符合鐵路隧道豎井工程技術(shù)發(fā)展的趨勢。

對于豎井?dāng)?shù)量多、直徑小于5.0 m且深度小于600 m、工作面分布分散的鐵路項目，使用反井法一次成井工藝施工技術(shù)、配套設(shè)備已非常成熟，但近年來鐵路隧道豎井深度和直徑不斷加大，有必要進(jìn)一步研發(fā)適合更大直徑和深度的反井鉆機以及配套鉆具，導(dǎo)孔的偏斜率直接影響成井的質(zhì)量，需加強對導(dǎo)孔偏斜率的監(jiān)測，進(jìn)一步研究隨鉆、隨測、隨糾偏的工藝和設(shè)備。