反井鉆機(jī)法在豎井施工中的應(yīng)用

反井鉆機(jī)法在豎井施工中的應(yīng)用王春玲【摘要】為了解決某隧道通風(fēng)豎井施工中的安全質(zhì)量問(wèn)題、并提高施工效率，采用反井鉆機(jī)法進(jìn)行施工，高效、安全、環(huán)保地完成豎井工程.文中詳細(xì)介紹了反井鉆機(jī)的施工工藝，重點(diǎn)介紹了導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中遇到不良地質(zhì)情況時(shí)的應(yīng)對(duì)措施，為類似工程提供借鑒.【期刊名稱】《低溫建筑技術(shù)》【年(卷)，期】2019(041)008【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P119-122)【關(guān)鍵詞】反井鉆機(jī)法;豎井施工;破碎地質(zhì)帶;灌漿加固【作者】王春玲【作者單位】中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院，廣州510000;中國(guó)中鐵隧道局集團(tuán)有限公司隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510000【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TU740引言目前，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。水利水電、煤礦、交通等地下工程越來(lái)越多，在這些工程中豎井施工必不可少。隨著豎井工程的直徑、深度等參數(shù)不斷增大，施工中遇到的地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)豎井施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度都提出了更高的要求。因此如何提高施工機(jī)械化程度是必須面對(duì)的問(wèn)題。以某隧道通風(fēng)豎井反井鉆機(jī)法施工為例，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)豎井的不同施工方法的綜合比較，對(duì)采用反井鉆機(jī)法施工在遇到不良地質(zhì)情況下采取的施工方案，取得工程效益進(jìn)行綜合分析，為類似工程提供了參考。1工程概況福建省廈門至沙縣高速公路三明段路基土建工XX合同段，位于三明市尤溪和沙縣境內(nèi)，本標(biāo)段隧道在YK163+972處設(shè)置一座通風(fēng)豎井，豎井高316m，凈空為半徑3.6m圓形斷面。初期支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，二次襯砌為模注混凝土襯砌。本標(biāo)段區(qū)域內(nèi)發(fā)育地下水主要為第四系孔隙水、基巖風(fēng)化層孔隙裂隙水、基巖構(gòu)造裂隙水等三大類型。豎井隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化花崗巖-中風(fēng)化花崗巖-微風(fēng)化花崗巖地段，H級(jí)，B級(jí)圍巖占80%以上，穿越1條斷層破碎帶（巖層擠壓破碎、風(fēng)化強(qiáng)烈、地下水呈涌流狀出水，對(duì)隧道圍巖影響較大）。2豎井施工方案選擇常用的豎井施工方法有正井法、吊罐法、爬罐法、深孔分段爆破法、反井鉆機(jī)法等，綜合比較見(jiàn)表1。表1不同施工方法綜合比較臨時(shí)支護(hù)、軌道安裝鉆孔、裝藥爆破鉆機(jī)安裝、導(dǎo)孔、擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工設(shè)備投入少，簡(jiǎn)單投入較大，簡(jiǎn)單投入大，復(fù)雜投入少，簡(jiǎn)單投入大，復(fù)雜適用條件圍巖較好圍巖較好無(wú)大的破碎帶圍巖較好各種圍巖主要優(yōu)點(diǎn)成本低施工設(shè)備簡(jiǎn)單井孔較淺時(shí)，施工方法正井法吊罐法爬罐法深孔分段爆破法反井法施工工序打眼裝藥、放炮、出渣、臨時(shí)支護(hù)鉆繩眼、安裝絞車、打眼放炮爬罐安裝、打眼放炮、施工速度較快安全不需人工在工作面作業(yè)，安全環(huán)保主要缺點(diǎn)安全性差，工效低安全性差安全性差工程質(zhì)量難以保證需要高水平技術(shù)工人，設(shè)備投入大上述這些方法都需要施工人員進(jìn)入工作面進(jìn)行打眼、裝藥爆破、危石處理和支護(hù)等作業(yè)，經(jīng)常受到落石、有害氣體等傷害，安全事故時(shí)有發(fā)生。反井鉆機(jī)出現(xiàn)后，施工人員不需要再進(jìn)入工作面作業(yè)，可以全面進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)。反井鉆機(jī)法以施工速度快，工效高，無(wú)需臨時(shí)支護(hù)等特點(diǎn)已成為最可靠的反井施工方法，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于煤礦、水利水電工程等。反井鉆機(jī)工藝原理是通過(guò)鉆機(jī)的電機(jī)帶動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水龍頭，并利用液壓動(dòng)力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)孔鉆頭或擴(kuò)孔鉆頭上的滾刀在鉆壓的作用下，沿井底巖石工作面做純滾動(dòng)或微量滑移。同時(shí)主機(jī)油缸產(chǎn)生的軸向拉、壓力，也通過(guò)動(dòng)力頭、鉆桿作用在導(dǎo)孔鉆頭或擴(kuò)孔鉆頭上，使導(dǎo)孔鉆頭的滾刀在鉆壓作用下滾動(dòng)，產(chǎn)生沖擊荷載，使?jié)L刀齒對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和剪切作用，破碎巖石。豎井施工總體方案：由于穿越圍巖較差，豎井施工采用其它方法安全隱患較大［1］，通過(guò)比較采用較為先進(jìn)的反井鉆機(jī)法進(jìn)行開(kāi)挖。先在豎井口施工反井鉆機(jī)平臺(tái)［2］,安裝鉆機(jī)后由上向下鉆①250mm的導(dǎo)孔與井下隧道通道貫通；然后在隧道內(nèi)拆除導(dǎo)孔鉆頭，安裝擴(kuò)孔鉆頭，由下向上擴(kuò)孔，擴(kuò)孔直徑1.4m，再利用導(dǎo)井溜碴到井底，經(jīng)隧道出碴；導(dǎo)井?dāng)U挖成井后鉆爆法擴(kuò)孔到設(shè)計(jì)斷面，二襯采用滑模進(jìn)行施工的總體施工方案［3］。施工工藝見(jiàn)圖1所示。圖1反井鉆機(jī)鉆進(jìn)工藝示意圖3反井鉆機(jī)施工3.1鉆機(jī)的選用鑿①1.4m的孔，只需要①250mm的導(dǎo)孔就行。當(dāng)導(dǎo)向孔鉆頭到達(dá)水平隧道時(shí)，拆掉鉆頭，換上1.4m的擴(kuò)孔鉆頭，由下而上擴(kuò)孔施工。根據(jù)豎井施工要求，本次施工選用當(dāng)前比較先進(jìn)的BMC-400型［4］反井鉆機(jī)，該鉆機(jī)的的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2所示。主要具備以下優(yōu)點(diǎn)：(1)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配備大扭矩雙液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可為擴(kuò)孔鉆頭提供較大的破巖扭矩?？梢愿鶕?jù)地質(zhì)情況選擇鉆頭刀具，本工程豎井以高強(qiáng)度花崗巖為主，要求鉆頭具有較強(qiáng)的破巖能力，導(dǎo)孔鉆頭采用鐮齒盤型滾刀破巖；擴(kuò)孔鉆頭刀盤上布置12把滾刀加強(qiáng)破巖能力。配置高性能的液壓油過(guò)濾、冷凝系統(tǒng)，保證鉆機(jī)液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)穩(wěn)定的工作。全套的自備裝卸輔助設(shè)備，自動(dòng)化高，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。表2反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)導(dǎo)孔直徑/mm擴(kuò)孔直徑/mm最大鉆深/m鉆速/(r-min-1)推/拉力/1<1\1扭矩/(kN-m)功率/kW夕卜型尺寸/m2701400-20004002-21165040128.54.85x1.9x5.253.2施工準(zhǔn)備清理井口所有的松動(dòng)巖石和碎屑后，根據(jù)豎井中心坐標(biāo)對(duì)孔位精確放樣后，澆筑鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)，在澆筑過(guò)程中加強(qiáng)振搗來(lái)保證混凝土質(zhì)量。在固定鉆機(jī)地錨螺栓位置預(yù)留二期混凝土。在豎井中心線位置預(yù)留排水溝，在混凝土基礎(chǔ)的一側(cè)用磚砌3個(gè)正方形水池。在基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，安裝先導(dǎo)孔鉆機(jī)。反井鉆機(jī)使用汽車吊吊裝。主機(jī)必須按豎井中心坐標(biāo)定位，并擺放平穩(wěn)。基礎(chǔ)的表面平整度和主機(jī)的調(diào)平對(duì)中是偏差控制最重要的工作，直接影響成孔的精度。為確保鉆機(jī)精度，要求基礎(chǔ)表面的平整度不超過(guò)±3mm,鉆機(jī)安裝完成后的垂直度偏差不超過(guò)±1mm。3.3導(dǎo)孔施工導(dǎo)孔鉆進(jìn)施工是反井鉆井施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是整個(gè)施工中重要的環(huán)節(jié)。由于精度控制不當(dāng)、不良地質(zhì)段影響等原因而發(fā)生卡鉆事故，導(dǎo)致導(dǎo)孔鉆進(jìn)失敗的案例經(jīng)常發(fā)生。故施工過(guò)程中偏斜控制最為關(guān)鍵［5］。根據(jù)地質(zhì)資料合理選擇鉆具，必要時(shí)可進(jìn)行補(bǔ)勘，探測(cè)清楚地質(zhì)情況，特別是溶洞、破碎等不良地質(zhì)；根據(jù)圍巖地質(zhì)情況、鉆孔深度、孔徑合理調(diào)整鉆孔參數(shù)。循環(huán)液體的主要功能是將破碎帶巖石懸浮并帶走，同時(shí)對(duì)鉆頭進(jìn)行降溫冷卻，不良地質(zhì)段還能起到泥漿護(hù)壁效果，防止塌孔，根據(jù)不同情況調(diào)制不同的循環(huán)液體。導(dǎo)孔鉆進(jìn)施工中重點(diǎn)是控制鉆進(jìn)精度。鉆機(jī)架設(shè)精度要高、開(kāi)孔角度要滿足精度要求，施工中不得移動(dòng)設(shè)備。鉆機(jī)開(kāi)孔10m時(shí)要求滿眼鉆具跟進(jìn)，低壓慢速開(kāi)孔，并采用扶正器輔助，保證開(kāi)孔精度。施工中為保證鉆桿的穩(wěn)定，在鉆進(jìn)過(guò)程中，每50m按放1根10m長(zhǎng)的穩(wěn)定鉆桿，約束鉆桿的晃動(dòng)，保證施工的精度；每鉆進(jìn)一段距離，用JJX-3型測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果及時(shí)進(jìn)行糾偏，糾偏時(shí)不宜過(guò)急、過(guò)大，避免卡鉆情況出現(xiàn)。按照上述步驟，316m深的豎井導(dǎo)孔施工，偏斜率僅為0.23%，滿足規(guī)范要求的不大于1%，偏斜度控制較好。3.4反導(dǎo)井施工擴(kuò)孔鉆頭安裝完畢后開(kāi)始自下而上的反拉向上提升進(jìn)行擴(kuò)孔施工。直到滾刀接觸巖石暫停提升，擴(kuò)孔鉆頭低速轉(zhuǎn)動(dòng)，慢慢給進(jìn)，待鉆頭全部均勻進(jìn)入巖層，才能正常鉆進(jìn)，避免刀具受到劇烈沖擊而損壞。擴(kuò)孔施工中，對(duì)刀盤和刀具的保護(hù)是至關(guān)重要的。刀盤刀具損壞，退鉆進(jìn)行維修，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，維修費(fèi)用較大，可能會(huì)出現(xiàn)刀盤被卡，鉆頭進(jìn)退不得，甚至無(wú)法處理導(dǎo)致豎井報(bào)廢。施工中要求技術(shù)人員根據(jù)地質(zhì)圖及操作人員根據(jù)設(shè)備異常抖動(dòng)及時(shí)判斷地質(zhì)變化情況，根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)，保證平穩(wěn)鉆進(jìn)。擴(kuò)挖中，由于前期的施工準(zhǔn)備較為充足，施工較為順利。但是由于對(duì)花崗巖強(qiáng)度估計(jì)不足（最高超過(guò)200MPa），導(dǎo)致滾刀磨損嚴(yán)重，只能通過(guò)頻繁換刀來(lái)解決此問(wèn)題，大大影響了施工進(jìn)度。最終45d才完成，平均進(jìn)度只有7m/d?？锥垂饣?，成型較好，施工安全。3.5破碎帶施工豎井在約在-180~-225m間有45m的不良地質(zhì)破碎帶。破碎帶給鉆孔施工帶來(lái)極大的困難［6］。在導(dǎo)孔施工時(shí)，循環(huán)水嚴(yán)重流失，易引起鉆頭跑偏，也易引起無(wú)法返渣導(dǎo)致卡鉆；在反擴(kuò)孔施工時(shí)，易引起刀具崩壞及碎石卡住鉆頭。在不良地質(zhì)地段，導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中控制鉆進(jìn)速度的主要方法是降低推進(jìn)壓力。在遇到斷層和破碎帶時(shí)，要確保反井鉆機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)明顯沖擊。在鉆進(jìn)過(guò)程中要及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，以緩慢速度安全通過(guò)不良地質(zhì)段。判斷地質(zhì)條件的重要依據(jù)是出渣量的變化情況。詳細(xì)記錄每根鉆桿的實(shí)際出渣量，與理論出渣量進(jìn)行比對(duì)。如果實(shí)際出渣量增大，則需采用泥漿護(hù)壁后才能繼續(xù)鉆進(jìn)。如實(shí)際出渣量減小，則需要增大扭矩，若實(shí)際出渣量仍然減小，說(shuō)明地質(zhì)可能為巖體破碎段，應(yīng)先將鉆具提升到一定高度，然后再慢慢向下旋轉(zhuǎn)掃孔，如果一次掃孔不行可多掃幾次，掃孔后實(shí)際出渣量仍然減小，則需提鉆進(jìn)行灌漿加固，待漿液凝固后采用泥漿護(hù)壁方可繼續(xù)鉆進(jìn)。在豎井鉆進(jìn)到-180~-225m范圍時(shí)，出現(xiàn)不返水、返渣等狀況，采用泥漿護(hù)壁后，返水、返漿量明顯比理論偏少，出現(xiàn)鉆機(jī)扭矩變大同時(shí)抖動(dòng)現(xiàn)象。為避免出現(xiàn)鉆頭跑偏、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，項(xiàng)目部決定采用水泥、水玻璃漿液進(jìn)行灌漿加固。在破碎地質(zhì)段前2m處下止?jié){塞進(jìn)行封閉灌漿，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配雙液漿，水玻璃摻量為10%,水灰比0.80:l，室內(nèi)試驗(yàn)終凝為18h?，F(xiàn)場(chǎng)是在灌漿加固30h后進(jìn)行二次鉆孔，灌漿效果顯著，對(duì)破碎帶具有較好的固結(jié)效果，保證了導(dǎo)孔和擴(kuò)孔施工的穩(wěn)定進(jìn)行。3.6擴(kuò)大爆破及襯砌施工反井鉆機(jī)設(shè)備拆除后，用鉆爆法/錨噴支護(hù)的形式至上而下進(jìn)行擴(kuò)大斷面開(kāi)挖至設(shè)計(jì)斷面，鉆爆開(kāi)挖/襯砌施工示意圖如圖2所示。鉆爆開(kāi)挖利用1.4m的臨空面，利用毫秒雷管分段爆破，分層擴(kuò)大，礦渣溜碴到井底經(jīng)隧道出碴，采用合理參數(shù)，防止堵塞管道。襯砌待開(kāi)挖結(jié)束后施工，自下向上采用滑動(dòng)模板作為內(nèi)模，滑動(dòng)模板采用3臺(tái)10t穩(wěn)車和吊盤懸吊，襯砌每循環(huán)為2m，用吊盤配合人工安設(shè)模板，混凝土攪拌后經(jīng)溜灰管輸送至模內(nèi)，人工搗固棒搗固密實(shí)。4工程效益分析應(yīng)用反井鉆機(jī)法施工，省去了通風(fēng)、排水、碴石提升等鑿井輔助設(shè)施。導(dǎo)孔時(shí)采用反井鉆機(jī)，純鉆進(jìn)速度為24m/d；擴(kuò)孔1.4m時(shí)，采用反井鉆機(jī)，擴(kuò)孔純鉆進(jìn)速度為7m/d（花崗巖強(qiáng)度過(guò)高）；采用手風(fēng)鉆擴(kuò)挖時(shí)，擴(kuò)挖速度為10.5m/d，共需75d（導(dǎo)孔時(shí)間不予考慮）。比傳統(tǒng)手風(fēng)垂直鉆爆法施工工期縮短30多天，成本得到有效控制。在遇到不良地質(zhì)破碎帶時(shí)，直接用雙液漿提前進(jìn)行固結(jié)加固，工人不用下井，工作條件得到極大改善，安全性得到提高。綜合分析，反井鉆機(jī)法在豎井（斜井）施工中特別是深豎井和地質(zhì)復(fù)雜的豎井施工中有明顯的優(yōu)勢(shì)，孔洞成型好、施工效率高、施工成本低、施工安全有保證。圖2豎井后期鉆爆開(kāi)挖/襯砌施工示意圖5結(jié)語(yǔ)（1） 文中根據(jù)豎井不同施工方法比較和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，確定選用反井鉆機(jī)法施工。（2） 導(dǎo)孔順利穿越不良地質(zhì)破碎帶表明在遇到不良地質(zhì)時(shí)采用雙液漿進(jìn)行固結(jié)加固能夠滿足施工要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。（3） 根據(jù)工程效果分析得出使用反井鉆機(jī)法施工目前是豎井施工中最先進(jìn)的施工手段，選擇合理的參數(shù)和施工方法，可以提高工程施工進(jìn)度，提高施工安全并有效節(jié)約成本。在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)情況加強(qiáng)不良地質(zhì)地段監(jiān)測(cè)和泥漿配比的優(yōu)化，確保固結(jié)灌漿效果最佳，避免在后續(xù)擴(kuò)大爆破開(kāi)挖過(guò)程中因固結(jié)不到位，礦渣溜碴導(dǎo)致堵井現(xiàn)象的發(fā)生。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]楊啟鑫.反井鉆機(jī)導(dǎo)井法豎井施工工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用方向[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2