沖擊鉆鉆孔用于長大山嶺隧道通風豎井的施工

1、沖擊鉆鉆孔用于長大山嶺隧道通風豎井的施工第37卷第3O期?170?2011年10月山西建筑SHANXIARCHITECTURE文章編號:10096825(2011)30017003沖擊鉆鉆孔用于長大山嶺隧道通風豎井的施工任登富劉石磊摘要:結(jié)合貴昆鐵路六沾復線三聯(lián)隧道兩座大直徑深孔通風豎井在軟巖地質(zhì)采用沖擊鉆孔,鋼管護壁等施工過程,從通風豎井的設置,施工方案選擇,施_T-重難點及解決措施等方面對豎井施工進行了總結(jié),從而為類似工程施工提供指導.關鍵詞:沖擊鉆鉆孔,長大山嶺隧道,通風豎井中圖分類號:U455.8文獻標識碼:AO引言隨著隧道施工技術的快速發(fā)展,長大隧道成為山嶺隧道的發(fā)展趨勢,通風問題成

2、為制約長大隧道安全快速施工的關鍵技術之一,采用豎井通風為長大山嶺隧道施工通風提供了一條新的思路.針對通風豎井施工工藝的文獻較多,例如蒼山隧道二號通風豎井0,石牙山隧道通風豎井,蒼嶺隧道1號通風豎井和烏鞘嶺隧道1號通風豎井等,大多數(shù)通風豎井地質(zhì)條件較好,采用爆破開挖,容易支護成型,但對軟弱地質(zhì)采取上述方式不易成功.本文結(jié)合六沾復線三聯(lián)隧道已投入使用的兩座通風豎井,在施工初期,針對軟巖地質(zhì),豎井斷面尺寸,綜合考慮安全,進度及經(jīng)濟效益等因素對機械大直徑成孔用于通風豎井施工進行了總結(jié)與探索,為同類工程提供參考.1工程概況貴昆鐵路六沾復線三聯(lián)隧道地處云貴高原,隧道全長12.214km,存在高瓦斯,玄武質(zhì)

3、火山灰角礫巖段大變形,煤系地層軟弱帶等多種少有的不良地質(zhì)地段,經(jīng)過多次由工程院士,大學教授等專家會現(xiàn)場研討自治方案,鐵道部定為極高風險隧道.三聯(lián)隧道分為進口工區(qū)及兩個斜井工區(qū)進行施工,其中1號斜井工區(qū)位于隧道中部,為高瓦斯工區(qū),有軌運輸,承擔2040m高瓦斯段正洞,1341m中部平導施工任務;2號斜井工區(qū)承擔出口段5481m正洞,1900m洞內(nèi)迂回平導,無軌運輸,獨頭通風4550m(含450m斜井).2通風豎井設置l號斜井工區(qū)(w4標通風豎井選擇時考慮的主要因素:1)隧道施工通風的需求(由何處進風或排風),隧道埋深,地表條件等決定豎井位置.2)通風量的需求決定井孔直徑大小,1號斜井工區(qū)采用有軌

4、裝運方式,豎井直徑受揭煤時最大瓦斯涌出量所需要的通風量控制,根據(jù)施工需求按排放污風設計,經(jīng)計算后采用直徑160CII1;2號井采用無軌裝運方式,按進風通道設計,綜合考慮各施工作業(yè)面需風量計算后采用直徑180cm.3)根據(jù)豎井位置確定與正洞連接通道方式.1號斜井工區(qū)為高瓦斯隧道工區(qū),對三聯(lián)隧道高瓦斯工區(qū)施工通風技術進行了詳盡論述,但受玄武質(zhì)火山灰角礫巖段大變形影響,施工進度遲緩,前期設計通風方式已不能滿足通風要求,為保證隧道高瓦斯段揭煤施工時形成巷道式通風,在DIK306+640(隧道煤層集中段前)線路左偏170m處設置通風豎井,孔徑為160cm,孔深156m采用豎直排風的方式向外抽排廢氣,瓦斯

5、等.2號斜井獨頭通風4550m,洞內(nèi)采取1900nl迂回平導增加4個工作面,從斜井口長距離通風已不能滿足施工要求,在隧道中部設置通風豎井,孔徑180cm,孔深100m,作為進風通道.兩座豎井均用沖擊鉆機正循環(huán)鉆孔一次成井,在鉆孔過程中采用泥漿護壁,成井后為防止豎井井壁風化及坍塌,采用鋼套筒防護豎井壁,鋼板厚10mm.豎井與正洞(平導)間設置連接通道.受隧道地形地貌,隧道埋深及地表村莊等條件限制,1號斜井工區(qū)的通風豎井平面位置在選址上不是最優(yōu),離隧道的橫向距離過長,豎井設置平面位置見圖1.2號斜井I區(qū)(W4標)闊1通風豎井設置平面示意圖3通風豎井施工方案選擇后,決定采取正循環(huán)沖擊鉆機一次成孔,鋼

6、套筒防護的方案.或反向爆破開挖成孔方式在孔壁支護上不易解決,因此綜合對比測量放線一孔15I段埋設鋼護筒一施工平臺加固處理一鉆機收稿151期:201108-22作者簡介:任登富(1976一),男,重慶大學土木工程在職工程碩士研究生,工程師,中鐵隧道集團,河南-/a-l'471009劉石磊(1982一),男,工程師,中國中鐵隧道集團技術中心,河南洛陽47100920371孝l3任登富等:中擊鉆鉆孑L用于長大山嶺隧道通風豎井的施工?171?就位一鉆孔一泥漿循環(huán)系統(tǒng)施工一石質(zhì)段圍巖鉆進(側(cè)傾)一到位清孔(側(cè)傾)一沉放鋼護筒一抽出井內(nèi)泥漿,碴一鋼護筒外層加固一孔口加固處處理一清理場地.主要資源配

7、置見表1.表1豎井成孔資源配置表配置情況數(shù)量資源類型備注1號井(孔徑16ocm,2號井(孔徑180cm,深117m)深100m)發(fā)電機組150kW/臺1變壓器(200kVh)/臺1正循環(huán)沖擊鉆機(8t)/臺21泥漿泵/臺12務去疆售11未簡易鋼護筒卷板機/臺21考慮備用二氧化碳保護焊機/臺2數(shù)量發(fā)電機司機/人2鉆孔操作人員/人44鋼護筒制作人員/人66電焊工/人44鉆孔設備采用正循環(huán)沖擊鉆機,根據(jù)孔徑要求配置不同鉆頭,1號井成孔160cm,選用150cm鉆頭,外側(cè)幫焊4cm鋼筋;孔均采用沖擊鉆機正循環(huán)鉆孔,一次成井,沖擊鉆孔施工工藝已較為成熟,在此不予贅述.成孔后的主要檢查項目見表2.表2豎井

8、成孔質(zhì)量檢查項目允許偏差檢查方法孔徑不小于180cm采用鋼筋焊制的簡易鋼筋籠q:-3-+檢查傾斜度鉆孔:小于1%鋼筋檢孔器吊入鉆孔內(nèi)檢測孔深不小于100rn采用繩子吊重物下放檢查沖擊鉆孔時的重點注意事項,主要是垂直度的控制,出現(xiàn)傾斜,立即采取回填片石等方式進行糾偏,2號通風豎井在沖擊成孔過程中共發(fā)生兩次傾斜,但通過回填片石重新鉆孔糾偏,效果較好.4施工難點,要點及解決措施1)鋼護筒下放過程中被卡.對策:采用夯擊.2)鋼護筒脫落.對策:一旦脫落,很難再連接,重在預防.a.對上部穿孔處進行剪切檢算;d.現(xiàn)場要加強卡控.1號井在井口采用50cm厚的鋼筋混凝土加固;2號井采用在井口上兩側(cè)各鋪設一張厚占

9、=16mm,長4ITI,寬1.5in的鋼板,在鋼板上各墊7根長3in的枕木,前50m直接將鋼棒放置在枕木上,后50in,用雙I20工字鋼并焊成箱梁長6m,橫向置于枕木上,鋼棒放置在箱梁上.鋼套管采用壁厚6=10mm的鋼板,在寬闊場地用機械集中后每3節(jié)焊接成一個單位,接頭采用對接,雙面坡口焊并加2塊6塊的10mm鋼板幫焊(根據(jù)檢算結(jié)果,0m20m幫焊2塊,20m40m幫焊3塊,40ITI60ITI幫焊4塊,60m801TI幫焊5塊,80m100m幫焊6塊),考慮通風豎井因垂直度偏差,因此制作鋼套管的內(nèi)徑較鉆井成孔徑少2cm(1號豎井鋼套管內(nèi)徑140cm,2號井鋼套管內(nèi)徑160cm),制作好后汽車

10、運至施工現(xiàn)場.根據(jù)地形條件選擇鋼套筒的吊裝設備,1號井大型起重機不能到達現(xiàn)場,采取"井"字架,葫蘆吊機起吊,2號井采用大型起重機直接吊裝,現(xiàn)場鋼套筒接長采用二氧化碳保護焊.鋼套簡與井壁間的空隙加固主要解決連接通道貫通時護筒與護壁之間存在漏泥,漏沙,漏水及水壓大等安全風險,現(xiàn)場采取的對策是以土石分界線為界,土石分界線以上部分采取在護筒孔壁處插管注漿封堵,土石分界線以下部分采取在連接通道與井壁貫通口加固限排方式(加固方式可以在貫通口處架立拱架并進行噴混凝土).1號井由于地質(zhì)破碎,鋼套筒下完后采用袖閥管在鋼套筒與井壁空隙間注漿加固,通過現(xiàn)場加固效果,豎井鋼套筒發(fā)生較大的變形,是否

11、與該加固方法有關,還有待于進一步驗證.2號井地質(zhì)狀況主要是以頁巖夾砂巖為主,含有少量的泥巖,孔壁相對較為穩(wěn)定,鋼套筒下完后,在井壁與護筒間的空隙采用細石混凝土回填密實.根據(jù)兩個井與隧道之間的平面關系,兩個豎井與隧道的連接通道斷面方式各有不同.1號豎井距隧道邊線1701TI,豎井與隧道采用小導洞斷面(高×寬1.7m)連接,格柵鋼架,短錨桿網(wǎng)噴支護,人工鉆爆開挖,人工出碴;2號豎井距平導水平距離18ITI,豎井與平導連通段采用凈空尺寸4.5m(寬)×5.0m(高),格柵鋼架,錨網(wǎng)噴支護,利用臺架鉆爆開挖,裝載機裝碴,汽車運輸.連接通道底部比豎井底部高出2m一3111,主要考慮洞

12、口不能抽完的余碴存放,保證連接通道與豎井貫通安全.1號豎井連接通道距離較長,斷面小,連接通道開挖剩余5111時反方向開挖逆坡擴挖5in洞室,作為排水,排泥時的應急場所,洞內(nèi)采用兩根硬管通向洞外作為避難時進,出氣孔.2號豎井連接通道距離短,斷面大,不單獨設置避難洞室.4.2.3鋼套筒與井壁問排水,排漿連接通道開挖距豎井鋼套筒5m時,利用6rtl鉆桿施作排漿孔(鉆孔后及時插入小鋼管)將鋼套筒與孔壁間的泥漿與水排除,如果漿液流量過小或者未流出,則繼續(xù)施工其余排漿孔,直至漿液排出沒有壓力為止.鋼套筒與井壁問排水,排漿完成后,采取弱爆破開挖施工剩余5m連接通道,盡量減少對鋼套筒的影響.4.3豎井內(nèi)抽水,

13、排碴井壁孔隙加固后,對井內(nèi)的泥碴用水置換,然后采用高揚程的污水泵從井口抽水,但由于井孔較深,現(xiàn)場抽水后井底的剩余水量與泥漿過多,不能完全達到目的.采取的措施:連接通道開挖支護完成后,現(xiàn)場采取井底打孔排水,排泥,具體方法為在貫通口處架立拱架并噴混凝土加固(如有滲水采用PVC管引出),加固后采用電焊機對鋼護筒進行局部割孔,割孔后人員,設備迅速退至避難洞內(nèi),待孔不再滲流漿液后,逐漸擴大孔徑,直至泥漿與水徹底排出.5施工中存在的問題分析及解決建議第37卷第30期?172?2011年10月山西建筑根據(jù)施工進度統(tǒng)計,在泥質(zhì)強風化地層進度4m/d一6m/d,在軟質(zhì)巖層內(nèi)孔深在0m100m平均1.5m/d2m

14、/d,100m1號井采用連接通道70.80.豎向接應45m,因此大直徑機械成孔豎井深160m內(nèi)是可行的.豎井位置的選擇十分重要,選擇時應重點考慮豎井與隧道的平面關系,地質(zhì)狀況,地下水文條件,豎井深度等,位置選擇直接擇時受地形條件的限制,平面位置在現(xiàn)場均沒有其他比選余地.2號豎井的地質(zhì)狀況,豎井與隧道的平面關系相對較好,整個施工過程中比較順利,僅在鉆:fLm出現(xiàn)兩次偏位,但通過回填片石補鉆糾偏即可解決.1號豎井位置位于兩條溝槽匯聚的地方,地下水豐富,存在地下泉眼,豎井與隧道的平面關系距離較遠,整體條件較為不利,施工中出現(xiàn)很多典型問題,如孔壁坍塌,鋼套筒下放安裝后井內(nèi)變形等.貫通方式分連接通道貫通

15、與豎井貫通兩種方式,本案例采用豎井先行施工至設計標高,連接通道貫通方式,貫通前在連接通道內(nèi)設置了臨時避難洞,采用此方式貫通,避難洞設置尤其重要,1號豎井在連接通道內(nèi)排放水,排泥漿時,曾發(fā)生大量的泥漿涌入通道并堵塞通道事件,但現(xiàn)場作業(yè)人員及時按預案撤至避難洞內(nèi),避免了一次較大的安全事故發(fā)生,充分體現(xiàn)了避難洞的作用.通過現(xiàn)場實踐,井內(nèi)的泥漿在貫通前完全抽f不現(xiàn)實,作者推薦采用連接通道先行施工至井底設計標高,豎井貫通方式,在連接通道與隧道口處設置封閉閥門對貫通時井內(nèi)泥漿限量排放,更有利施工安全.豎井沖擊成孔在鋼套筒安裝后,兩座豎井在井深度約1/3處均不同程度的出現(xiàn)孔內(nèi)鋼套筒鼓包變形的情況,2號豎井變

16、形較小基本不影響通風面積,1號豎井變形較大直接影響通風效果,以1號豎井變形情況為例對變形原因作初步分析及提出應對措施.1號豎井沖擊成孔后共發(fā)生兩次變形.第一次坍塌,主要原因是對地質(zhì)環(huán)境判斷失誤,井口向下安裝l8m鋼套筒后,即對孔內(nèi)泥漿進行置換與抽排,受地下泉水影H向,在抽水過程中在井口下18m處未安裝鋼套筒部分發(fā)生了井壁坍塌,直接堵塞井孑L,后采取袖閥管注漿加固井孔四周,二次鉆孑L(直徑130em).二次鉆孔安裝鋼套筒護壁后,采用袖閥管對孔壁與鋼套筒間的孔隙進行注漿加固,置換泥漿與抽排后,在井口下47m處鋼套筒發(fā)生較大的變形,最大處已侵占鋼護筒凈空1.0m.初步變形原因:1)地質(zhì)破碎,地下水影

17、響;2)鋼套筒自重大,長細比大,在細長桿原理下部分發(fā)生破壞性變形;3)鋼套筒與護壁問孔隙注漿加固時,壓力過大.應對措施:1)對于十分軟弱地層,在鉆孔前采用袖閥管等手段進行加固;2)鋼套筒在下放安裝時不能讓其脫落自由下墜;3)嚴格控制鋼套筒與護壁間孔隙注漿加固壓力,達到填充密實即可.孔內(nèi)鋼套筒變形后,上部抽漿排水,不能完全抽排的改為連接通道內(nèi)進行排放,變形處理方案,從鼓包位置,自上至下,每次割除高度為50am已鼓包鋼護筒,每次割除后立即采用鋼護筒焊接,直至鋼護筒鼓包部位處理完畢.6結(jié)論與建議長大隧道增加大直徑豎井除改善隧道內(nèi)的通風環(huán)境外,可在特定環(huán)境下兼作隧道的應急救援通道,有條件時還可通過豎井

18、引入高壓電纜,減少洞內(nèi)高壓線路.通過三聯(lián)隧道兩座通風豎井的施工案例,對于山嶺隧道深孔大直徑通風豎井采用沖擊鉆機正循環(huán)鉆孔一次成井,泥漿護壁,成井后鋼套筒防護豎井壁的方案是可行的,從施工周期,經(jīng)濟效原因分析較為粗略,其變形原因還有待于進一步探索.堅井施工過程中,測量定位須準確,軟巖地質(zhì)鋼套筒全孔護罐,安全措施提前檢算,工藝卡控到位,每一個細節(jié)都可能影響豎井施工成敗.參考文獻:11吳樂.括蒼山隧道二號通風豎井正向施工導碴井,二次擴挖施工技術J.隧道建設,2010,30(4):465468.2石泰山,喬林泉.豎井開挖施工技術J.山西科技,2007(4):156?157.3楊雷.特長公路隧道通風豎井施工方法分析J.廣東公路交通,2009(3):6568.4董文奇,翁嶺.蒼嶺隧道1號通風豎井施工技術J.科學之友,2008(5):3637.5胡斌.鳥鞘嶺隧道1號通風豎井設計與施工J.鐵道標準設計,2005(10):92.94.6劉石磊.三聯(lián)隧道高瓦斯工區(qū)施工通風技術J.隧道建設,2010,30(1):7177.7鄧長平.長大高速公路隧道通風與運行安全分析J.山西建筑,2010,36(2):313