反井法在特長公路隧道通風(fēng)豎井中的應(yīng)用

陳國政 CHEN Guo-zheng；孟陳祥 MENG Chen-xiang；張城 ZHANG Cheng

（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著國家道路交通網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，公路隧道朝著長度更長、斷面更大方向發(fā)展。就這類長大隧道往往需要設(shè)置通風(fēng)豎井從而保證隧道開挖過程及運營期間的通風(fēng)。目前國內(nèi)建設(shè)的長大隧道地質(zhì)條件十分復(fù)雜，不同巖層地質(zhì)受力復(fù)雜也是其施工難點，自然環(huán)境十分惡劣。同時豎井井口位于山頂，其施工場地范圍較小，不便于施工棄碴運輸。豎井施工設(shè)備配置較多、布置范圍較大，豎井井口位置選擇時要考慮施工設(shè)備運輸便道和井口開闊的設(shè)備布置空間。[1]

豎井位于隧道平導(dǎo)和正洞之間，豎井的設(shè)置有利于縮短洞內(nèi)送、排風(fēng)距離，有利于隧道掌子面開挖支護施工有效通風(fēng)排煙，避免有毒氣體損害洞內(nèi)作業(yè)人員身體健康。因而研究更加安全、高效且保證施工作業(yè)過程對周圍環(huán)境無公害的豎井施工技術(shù)對長大公路隧道的發(fā)展有著重大意義。

目前我國已完工的豎井施工案例多數(shù)采用從上至下的正井法全斷面開挖方法為主，伴隨著新興機械不斷升級改造，機械化施工效率不斷提高，在長大公路隧道施工中反井法的應(yīng)用也逐漸增多。與傳統(tǒng)正井法施工相比較，反井法施工工藝能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件進行施工。如金山隧道首次將反井法技術(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的鑿井新工藝。[2]反井鉆井工藝根據(jù)其工藝主要有2 大類：一類是反井鉆機設(shè)置在井筒，擴挖主要采用傳統(tǒng)鉆爆法由上向下進行擴挖和支護；另一類是利用地下巷道空間，布置反井機械設(shè)備，采用反井鉆機直接鉆到井孔的設(shè)計直徑，再根據(jù)工程需求進行支護，最終形成井筒。反井鉆機利用下部巷道的空間和生產(chǎn)系統(tǒng)，擴孔鉆進時巖碴依靠自重下落，不需要采用流體或機械輔助排碴，實現(xiàn)了大體積破巖和無重復(fù)破碎的高效鉆進。[3]

1 工程概況

1.1 工程簡介

興業(yè)快線（北段）南起梅華路，北至唐家。起點位于香洲區(qū)興業(yè)路，道路沿線為城市住宅及生活區(qū)。利用現(xiàn)狀地形高差將合并段隧道分為西、東線兩個隧道。東線隧道下穿雞山村，中山大學(xué)，終點接港灣大道與唐樂路交叉口；西線隧道出鳳凰山后上跨金唐東路，終點接哈工大路。西線隧道全長約5761m，屬于公路特長隧道。[4]

本工程1#通風(fēng)豎井內(nèi)徑11.0m，其中兩個排風(fēng)道凈空面積為22.55m2，周長為18.415m；送風(fēng)道凈空面積為43.97m2，周長為27.007m，井深86.0m；豎井通過聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與地下風(fēng)機房連接，風(fēng)道需跨越左線隧道與右線隧道相連。

1.2 工程重難點

興業(yè)快線（北段）1#通風(fēng)豎井位于鳳凰山腹地，鳳凰山山高林密，無上山道路，設(shè)備進場、材料進場、碴土運輸都比較困難。通過一些小型專用履帶車輛才能運輸小型設(shè)備和材料，大型設(shè)備運輸困難，只能單向行駛，每天運量有限，長度約2.3km。

該通風(fēng)豎井風(fēng)下穿Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，采用反井法施工，先在豎井中部采用反井鉆機施工出碴導(dǎo)洞，利用導(dǎo)洞將開挖土體落入下方風(fēng)道中，然后通過主線隧道將碴土運送至場外。豎井是個豎直向下的結(jié)構(gòu)[5]，需對具有高空墜物風(fēng)險施工區(qū)域有針對性地作出警示和防范措施。

2 施工方案選擇

正井法需采用抓巖機裝碴，吊桶提升運輸巖碴和材料，并選擇合適的棄碴場地堆碴。[6]

3.1.5 體位改變 對照組機械通氣的患兒床頭抬高15°，而觀察組機械通氣的患兒床頭抬高30°。王文秋等［15］研究表明，平臥位患者VAP發(fā)生率最高，床頭升高25°者可明顯降低呼吸機相關(guān)性肺炎的發(fā)生率。有研究顯示，對于機械通氣尤其伴有腸內(nèi)營養(yǎng)的患者，除非有禁忌證，如頸椎、骨盆骨折及血液動力學(xué)極不穩(wěn)定的患者，否則均將其床頭抬高超過30°～45°，可以有效地預(yù)防誤吸及胃內(nèi)容物反流［16］。減少口咽部細菌定植和誤吸的發(fā)生，從而降低VAP的發(fā)生率。

反井法結(jié)合先前施工的導(dǎo)井作為棄碴的便利通道，無需額外增添出碴設(shè)備和合適棄碴場地。

隨著鉆井技術(shù)進步，反井法在降低勞動強度，降低施工成本，提高機械化施工水平方面的優(yōu)點越來越明顯，工程應(yīng)用逐年增多。[7]

趙順義，趙學(xué)禮[8]以杭州市紫之隧道工程土建第Ⅱ標(biāo)段1#豎井與2#豎井為工程實例給出了鉆孔爆破方法，炸藥用量計算方法及孔洞分布位置設(shè)計原則。采用鉆機反井法無需很大的山上施工場地、施工設(shè)備相對較少、機械化程度高、施工人員少、勞動強度低。[9]

目前國內(nèi)在特長公路隧道的施工中所面臨的挑戰(zhàn)逐漸增加，越發(fā)需要施工工藝成熟的同時，相應(yīng)的施工機械設(shè)備也在不斷迭代改進，在面對各種復(fù)雜施工條件下的適用性也逐漸增強。國內(nèi)研發(fā)的系列反井鉆機實現(xiàn)了由人工鉆鑿、鉆孔爆破到機械化破巖鉆進的轉(zhuǎn)變，初步實現(xiàn)了無人化或少人化、機械化和信息化礦山豎井鉆井。[10]綜合興業(yè)快線（北段）1#通風(fēng)豎井現(xiàn)有的施工條件，對其進行安全、場地、工期、環(huán)保和經(jīng)濟方面綜合評估分析最終采用反井法進行施工。

3 反井法開挖施工技術(shù)

3.1 施工主要設(shè)備

施工選用ZFY2.0/200D 煤礦用反井鉆機進行施工，其主要參數(shù)如表1 所示，該反井鉆機采用清水鉆進工藝，利用泥漿泵壓入清水將鉆進中產(chǎn)生的巖屑返至地面。被破碎的巖屑在導(dǎo)孔鉆進時被正循環(huán)的洗井液沖洗，巖屑沿著鉆桿與孔壁間的環(huán)形空間由洗井液提升到鉆孔外。在擴孔時將導(dǎo)孔鉆頭卸下，安裝反擴滾刀，巖屑靠自重直接落到下水平巷道內(nèi)，采用裝載機和運輸設(shè)備及時清理運出。

表1 ZFY2.0/200D 鉆機主要參數(shù)表

3.2 反井法施工工藝流程

反井鉆機法的豎井施工共分為3 步，即：正鉆導(dǎo)孔、反擴導(dǎo)井及人工擴挖一次成形。[11]反井鉆機鉆進工藝主要包括導(dǎo)孔鉆進和擴孔鉆進2 個部分，施工工藝流程如圖1所示。

圖1 反井鉆施工工藝流程圖

4 反井法施工方案

4.1 27cm 導(dǎo)向孔鉆孔

反井鉆機開孔根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，先采用短鉆桿、低鉆壓和低鉆速的方法間斷性往下掘進。鉆孔作業(yè)時，為確保導(dǎo)向孔的垂直度，采用輔助設(shè)備扶正鉆桿保證鉆桿的垂直度，見圖2。

圖2 ZFY2.0/200D 煤礦用反井鉆機工藝圖

鉆孔過程中遇到節(jié)理發(fā)育和破碎或軟弱圍巖時，鉆機容易產(chǎn)生振動、卡鉆現(xiàn)象，需要安置穩(wěn)定鉆桿，并減緩鉆壓、轉(zhuǎn)速，間斷鉆進。

4.2 直徑200cm 導(dǎo)碴孔擴挖

在豎井導(dǎo)向孔施工前，主洞和聯(lián)絡(luò)通道已經(jīng)貫通至豎井底部，擴孔施工所需更換的滾輪刀盤通過運載工具運送至豎井底部后，按照以下程序進行導(dǎo)碴孔施工（現(xiàn)場實際應(yīng)用見圖3 所示）：

圖3 反井鉆機施工圖

①安裝直徑200cm 擴孔滾輪刀盤。

②孔口接入水管，以冷卻滾輪刀盤、消塵用。

③將回轉(zhuǎn)變速裝置調(diào)為慢速擋。

④調(diào)試擴孔滾輪刀盤，同時對擴孔巖面進行刮平。

⑤待擴孔滾輪刀盤與巖面均勻接觸后，滾輪刀盤全部進入基巖前，采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速進行擴孔開挖。

⑥待滾輪刀盤全部進入豎井圍巖后，調(diào)整鉆機的鉆壓、鉆速進行正常擴孔開挖，在豎井底部將道碴運輸至洞外棄碴場。[12]

⑦擴孔施工注意事項。

1）擴孔鉆進前利用探傷檢查承載接頭是否完好。及時發(fā)現(xiàn)是否存在微裂紋，以便決定是否更換。

2）導(dǎo)孔鉆透后，在下巷道卸下導(dǎo)孔鉆頭，接上擴孔鉆頭，擴孔鉆頭必須旋緊，螺紋端面不能留有縫隙。防止擴孔鉆頭順著螺紋反向自動滑落。

3）擴孔作業(yè)中根據(jù)實際地質(zhì)情況調(diào)節(jié)擴孔施加的壓力，巖石的強度越高，在保持穩(wěn)定鉆速的前提下增加鉆進壓力；反之，巖石的強度降低，控制鉆速，減少鉆進壓力；根據(jù)不同巖石強度，保持鉆機均勻的擴孔開挖速度，使鉆機在平穩(wěn)狀態(tài)下作業(yè)。

5 結(jié)論及總結(jié)

5.1 爆破擴孔效率更高

爆破作業(yè)前通過合理布置炮眼已達到最佳爆破效率，擴孔作業(yè)中因?qū)Ь拇嬖诳梢赃厰U孔，邊完成碎碴通過導(dǎo)井溜至底部進行清碴。使得工序銜接更加緊湊，機械化連續(xù)作業(yè)，相比傳統(tǒng)擴孔開挖方式需要上個工序完成后再進行下一道工序，其施工效率要提高5-10 倍。通風(fēng)豎井的快速施工為后期主洞施工提供諸多便利，其綜合效益十分顯著。

通過與傳統(tǒng)隧道通風(fēng)豎井施工方法相比，反井鉆機進行擴孔既使得機械化施工效率大大增加，同時降低傳統(tǒng)人工作業(yè)施工風(fēng)險，滿足城市道路發(fā)展特長公路隧道豎井工程技術(shù)發(fā)展的趨勢。

5.2 出碴速度快

豎井出碴是影響豎井開挖支護成環(huán)速度的重要工序，破碎出碴往往耗時較多，效率較低。采用反井法施工時利用導(dǎo)井使爆破后產(chǎn)生的石碴通過導(dǎo)井順溜到導(dǎo)井底部，之后再由裝載機裝車轉(zhuǎn)至場外。

5.3 無需臨時通風(fēng)和排水設(shè)施

相比正井法施工需要在豎井頂部設(shè)置臨建設(shè)施，如臨時通風(fēng)設(shè)施和臨時排水設(shè)施，反井法施工則恰好利用導(dǎo)井連通豎井頂部和底部，解決豎井掘進過程中爆破產(chǎn)生的有害氣體及煙塵排放問題，極大改善豎井底部掌子面的空氣質(zhì)量。施工中產(chǎn)生的廢水和豎井開挖過程中的涌水及時從導(dǎo)井順流至導(dǎo)井底部后通過主洞的排水流至洞外，不用增設(shè)抽水泵來完成積水抽排，如此既降低工程成本，同時提高掘進效率。

5.4 安全性更好

充分利用反井法施工技術(shù)在特長公路隧道應(yīng)用的特點，并成功在興業(yè)快線（北段）工程中實施，為隧道洞身開挖及時輸送掌子面所需新鮮空氣，極大降低洞身段掌子面有限空間作業(yè)缺氧及有害氣體中毒的風(fēng)險。同時反井鉆機采用液壓傳動進行控制，機械作業(yè)操作簡單，有效降低人員作業(yè)強度。

5.5 經(jīng)濟環(huán)保

豎井采用由上而下進行鉆爆擴孔開挖，所需乳化炸藥由龍門吊從溜碴孔底部提升至開挖掌子面，從而有效避免炸藥因山路崎嶇運輸至山頂增加運距，降低施工成本。施工作業(yè)產(chǎn)生的廢水、棄碴通過導(dǎo)井轉(zhuǎn)移至豎井底部后從主洞洞身往外輸送，因而使得豎井開挖棄碴可以完全通過溜碴孔封閉外運，減少從豎井頂部出碴給環(huán)境帶來的影響。