反井鉆機在高瓦斯隧道豎井施工中的應用研究

王建春

摘? ?要：以蒙華鐵路高瓦斯隧道集義隧道為研究對象，探究反井鉆機在隧道4條永久通風豎井中的應用。導向孔施工采用潛孔錘技術的SPS1000水文水井鉆機，輔以KXP-2D型測斜儀邊鉆邊測，擴孔施工完成后進行錨噴支護。結果表明：（1）采用反井鉆機施工，成井質量好，不存在超欠挖現(xiàn)象，豎井偏斜率極小，4號豎井偏斜率僅為0.2%;（2）成井速度快，2號豎井擴孔最快日進尺27m，成為我國目前使用反井鉆機采用反井法施工一次成井最深的豎井工程;（3）占用場地少、設備布置靈活、環(huán)境友好，安全系數(shù)高，表明反井鉆機在隧道工程以及其他類似工程施工應用具有極高的優(yōu)越性和先進性。研究結果可為類似隧道豎井工程施工提供借鑒。

關鍵詞：反井鉆機? 高瓦斯隧道? 蒙華鐵路? 集義隧道? 豎井施工

中圖分類號：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0054-03

1? 工程概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道MHTJ-10標集義隧道為高瓦斯隧道，全長15417m，為單洞雙線電化鐵路，設計時速120km/h。隧道豎井區(qū)地層主要為坡積（Q3dl）砂質新黃土、上更新統(tǒng)風積（Q3eol）砂質新黃土及沖洪積（Q3al+pl）細圓礫土。隧址區(qū)地下水主要為第四季潛水及基巖裂隙水。布置4條永久通風豎井，豎井參數(shù)見表1。通風豎井位于隧道右側，距離線路右線中心線10～16m，井底通過橫通道與正洞連接。豎井成孔直徑2.23m，井壁支護后內凈空直徑2m。4座通風豎井井深分別為235m、475m、330m、275m。豎井區(qū)域表層覆蓋10～25m厚砂質新黃土，下部圍巖以砂巖為主，局部夾泥巖。井口黃土段采用人工挖孔后，施作混凝土井壁，壁厚350mm，然后回填C20混凝土。基巖段井壁采用錨網(wǎng)噴支護，壁厚120mm。

2? 反井鉆機施工工序

集義隧道地質條件復雜，豎井施工場地面積小、環(huán)保要求高、施工組織難度大，為安全、快速、高質量地完成豎井施工，克服上述施工重難點，保證隧道正常掘進，采用反井鉆機施工。為最大限度縮短工期，同時克服豎井區(qū)域內嚴重缺水問題，對表土進行處理后，采用潛孔錘技術的SPS1000水文水井鉆機進行導向孔施工，基于空氣正循環(huán)原理進行排渣，選用KXP-2D型測斜儀邊鉆邊測以控制豎井垂直度。選用BMC系列反井鉆機進行擴孔施工，掉落的巖渣從隧道內由鏟車裝運;擴孔施工完成后，在地面安裝井架進行錨網(wǎng)噴初期支護，達到最終使用要求。反井鉆機施工工序如下圖1所示。表土處理過程中人工挖孔護壁施工示意圖及效果圖見圖2。

3? 反井鉆機技術組成

BMC系列反井鉆機主要針對煤礦中硬巖層條件，鉆鑿最大直徑5.0m、深度600 m的立井和斜井，經(jīng)改造后可適應隧道類巖石條件的施工和鉆鑿。根據(jù)集義隧道4口豎井的具體情況，選擇400型施工1號、4號豎井，600型施工2號、3號豎井。反井鉆機的技術組成見圖3，技術參數(shù)見表2。

4? 導孔鉆進

鉆具采用“鉆頭～沖正器～178鉆鋌～扶正器～159鉆鋌～120鉆鋌～89鉆桿”的組合，鉆速控制在20～40r/min。為了保證排渣順暢及孔底清沽，施工中應保持風量為30m3/min。根據(jù)鉆進速度及返渣顆粒大小及時調整鉆速和風量，隨著深度的增加和地質條件的變化，鉆壓和鉆速可適當調整。導孔在鉆進過程中，使用測斜儀進行偏斜測量，根據(jù)返渣巖石的具體情況布置測點，一般為20～40m范圍內布置一個測點。最終測定先施工的1號豎井偏斜率1%，根據(jù)對巖層情況的掌握調整鉆進參數(shù)，隨后施工的4號豎井偏斜率僅為0.2%，最深的2號豎井偏斜率為0.6%，完全滿足豎井的使用要求。導孔偏斜率受到地質條件、鉆機機具及施工操作水平的影響。鉆機安裝不穩(wěn)固、鉆機軸線不垂直、使用彎曲的鉆桿，鉆進速度過快、鉆壓過大，鉆進遇到強風化巖、松散堆積層和破碎帶等情況時極易發(fā)生偏斜。要控制導孔不發(fā)生較大偏斜，鉆機安裝必須穩(wěn)固、水平，采用垂直的鉆桿、增加粗徑鉆桿的長度，采用鉆桿扶正器。每鉆進完一根鉆桿，應上提鉆具0.3～0.5m進行吹風保持孔底清潔。遇到破碎帶、較大裂隙或孔內有塌孔掉塊等情況時，應立即提動鉆具，上下反復串洞，強行吹風沖擊，必須將掉塊擠碎沖出孔外，并減小鉆壓。

根據(jù)對集義隧道通風豎井設計參數(shù)、地質條件、施工條件的分析，選用SPC600型水文地質鉆機及潛孔錘沖擊器利用壓風循環(huán)進行Φ270mm導孔施工，使用空氣壓縮機提供的高壓風將孔內巖屑吹出孔外。導孔鉆具轉速控制在25～40r/min，鉆壓控制在12～16kN之間。鉆進過程中，每40m測一次偏斜率、孔位，如果出現(xiàn)孔斜現(xiàn)象，采取措施糾正，如重新支墊鉆機、擴孔、改變鉆進壓力等方法加以糾正，導孔偏斜率僅能保證10‰以內。

5? 應用效果

最先施工的集義隧道1號通風豎井井深235m，導孔下鉆與橫通道貫通后，實測導孔偏向線路內側0.5m，偏離豎井橫通道中軸線（線路大里程方向）3.05m，實際偏斜率為1.3%，與偏斜率控制目標相比，偏斜率過大，致使豎井下端已完成開挖的橫通道位置重新進行調整，造成二次開挖，增加人工、材料等成本投入，并且為后期通風帶來不便。針對偏斜率控制過大問題，項目部QC小組進行現(xiàn)場調查，分析影響控制偏斜率的因素，設定偏斜率控制目標值0.5%，根據(jù)不同的巖層情況控制鉆機的鉆速、鉆壓。開鉆前檢查鉆機回轉給進系統(tǒng)工作正常、變角機構牢靠、鉆機滑軌和機器之間不松曠，確保天車、轉盤、井口必須“三點一線”;長度隨孔深逐漸加長，每40m測一次孔斜、孔位，如果出現(xiàn)孔斜現(xiàn)象，由值班技術員根據(jù)孔斜計算成果，采取措施糾正，重新支墊鉆機、使用扶正器、擴孔、改變鉆進壓力等方法加以糾正。鉆進過程中，遇到軟硬水平層、破碎帶時，應適當降低鉆壓，確保鉆孔垂直度。鉆進時，應保持環(huán)狀間隙暢通無阻，如遇坍塌掉塊現(xiàn)象，應反復提動鉆具強行吹風沖擊，把掉塊擠碎吹出孔外，然后采用輕壓慢轉的方法施工。下鉆時，潛孔錘接觸地面時，應送風，輕加壓，待鉆頭在地面沖擊出小孔，再采用輕壓回轉鉆進;鉆進過程中，選擇鉆機低速鉆進，轉速為48r/min;鉆鋌孔內加壓，孔底壓力不超過鉆鋌重量的1/3，防止鉆桿彎曲而造成孔斜。采用測斜儀測量孔斜，通過調整鉆機設備支墊、扶正器糾斜、擴孔糾斜等預防措施，偏斜率控制超越設定目標值0.5%，提高至0.22%，為鐵路隧道超深小斷面豎井施工方面積累了豐富的施工經(jīng)驗，反井鉆法一次成孔技術應用提供參考借鑒依據(jù)。

6? 結語

（1）使用BMC系列反井鉆機配合采用潛孔錘技術的壓風循壞地質鉆機施工集義隧道通風豎井不僅克服了環(huán)境惡劣、水資源極度匱乏的具體施工條件，同時占用場地少、設備布置靈活、對環(huán)境基本沒有負面影響，安全系數(shù)高，充分顯示了反井鉆機施工隧道工程以及其他類似工程的優(yōu)越性和先進性。

（2）豎井偏斜率小，成井質量好，無超挖欠挖，4號豎井偏斜率僅為0.2%，2號豎井偏斜率僅為0.6%。

（3）2號豎井是國內目前使用反井鉆機采用反井法施工一次成井最深的豎井工程，成井速度快，導孔直徑273mm，掃孔直徑350mm，擴孔直徑2.25m，深度475m，擴孔最快日進尺27m。

（4）集義隧道通風豎井采用反井鉆一次成井技術施工，保證了小斷面超深豎井的施工安全，提高了豎井施工質量，特別是深達475m的2號通風豎井的順利完成，偏斜率控制精度為0.22%，取得了突破性的效果，刷新了國內鐵路隧道工程超深豎井小斷面反井鉆施工一次成孔的記錄，為鐵路隧道其他類似豎井工程的施工提供重大借鑒。

參考文獻

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