鐵路隧道深豎井反井法施工技術研究及應用
——以當金山隧道為例

程守業

(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.煤礦深井建設技術國家工程實驗室，北京 100013)

0 引言

鐵路是國民經濟大動脈、關鍵基礎設施和重大民生工程，在我國經濟社會發展中的地位和作用至關重要，到2025年全國鐵路網規模有望達到17.5萬 km左右[1]。隨著我國鐵路建設不斷向西部和邊遠地區發展，需要建設大量隧道工程，基于施工技術的發展以及復雜特殊的地質條件，長大隧道不斷涌現[2-3]。豎井是長大隧道的重要配套工程之一，對隧道建設期和運營期的通風排煙、防災減災、災害救援等起著重要作用，因此研究安全、高效、環保的豎井施工技術是保證長大鐵路隧道順利施工的重要前提。

傳統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備配套技術[4-5]。隨著機械化程度的提高以及反井鉆機的興起和應用，在公路隧道豎井的施工中開始采用反井鉆機施工1.4 m導井再進行鉆爆擴挖[6-9]。鐵路隧道地質條件復雜，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條件，為提高施工安全系數，減少因爆破出渣造成的環境問題，快速施工豎井工程，進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，線路全長508.956 75 km。當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，設計速度120 km/h，采用“3斜井+進口平導+2座通風豎井”方案施工。當金山隧道是國內最長的單線、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、不良地質多、地下水侵蝕性種類多)、“三高”(海拔高、地應力高、地震烈度高)、“三長”(單面坡長、獨頭通風距離長、反坡排水距離長)、“三低”(隧道區氣溫低、氣壓低、含氧量低)、“三大”(埋深大、水量大、風沙大)的特點[10]。

當金山隧道施工通風控制段落位于1號斜井及2號斜井工區之間的10.5 km范圍內，設置2座通風豎井，具體參數如表1所示。

表1 豎井參數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的豎井數量少，深度不等，且全部采用正井法鑿井施工。結合國內外公路、鐵路、水電、礦山豎井的施工經驗和方法，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、導井擴挖法和反井法，這些豎井施工方法在施工工序、機械設備和開挖速度等方面存在較大差異，需對其進行方案比選。

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和二次襯砌的施工方法；導井擴挖法是先開挖用于溜渣的導井，然后再用傳統的鉆爆法自上而下擴挖成井；反井法施工的具體方法是反井鉆機施工導孔，在隧道下部出口透孔后安裝大直徑擴孔鉆頭，反井鉆機動力頭驅動鉆桿旋轉，帶動擴孔鉆頭進行擴孔鉆進，直至鉆頭完全出露至地面，擴孔中掉落的巖屑由隧道內運出。3種方法各有優缺點，綜合當金山隧道深豎井具體所處的條件，對其進行安全、場地、工期和經濟方面的分析，如表2所示。在施工技術不斷進步和反井鉆機設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成為現實，確定采用反井法施工當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 反井法適應性分析

2.2.1 地質適應性分析

深豎井所處地質條件和自身圍巖情況對施工所采用的工藝和設備有著極其重要的影響。當金山隧道布置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。豎井區節理較發育[11]，總體來看，豎井通過區巖體較完整，具有一定的自穩能力，涌水量較小，水文地質條件較好，反井法施工能夠適應此種地質條件，并且巖石強度不大，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 施工場地適應性分析

當金山隧道所處地區為典型戈壁灘地貌，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揮反井法施工的優勢，反井法施工所需場地較小，不需要大量排渣，生產用水少，設備運輸方便，靈活可靠，完全能夠滿足當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，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，即使原始場地無法滿足，進行小范圍清理平整即可。

2.2.3 技術安全性分析

采用反井法施工豎井的技術已經相當成熟，在國內外已廣泛應用于煤礦、非金屬礦山和水電站等重大工程建設，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條通風豎井的施工。在設備選型合理的前提下，根據現場具體地質條件確定施工工藝，在施工過程中隨時監測和調整鉆進參數，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坐落在堅固的巖石上，為了保證鉆機與基礎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上，導孔鉆進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，泥漿循環利用。導孔透孔后更換擴孔鉆頭，擴孔鉆頭上的破巖滾刀在鉆桿拉力和扭矩驅動下，對巖石進行擠壓、沖擊破碎巖石，巖屑靠自重落到隧道內[12]。

當金山隧道豎井通過區屬高海拔、高寒冷地區，人煙稀少，嚴重缺水干旱，且位于一背斜與向斜之間，節理裂隙發育；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，防止因水供應不足導致排渣不暢出現鉆孔偏斜以及地層裂隙漏水導致井壁維護困難這2種情況的出現，參考氣動潛孔錘鉆進技術在水井和瓦斯抽放井等工程領域的成功經驗，對施工工藝進行改進，氣動潛孔錘鉆進技術即以壓縮空氣作為沖孔和冷卻鉆頭的循環介質，將巖屑從孔內攜帶出來，用水量極少，在干旱缺水地區可極大提高鉆進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]。改進后的反井法施工工藝為導孔采用氣動潛孔錘技術的水文水井鉆機進行施工，導孔成孔直徑311 mm，透孔后安裝反井鉆機先掃孔至350 mm，再安裝擴孔鉆頭，一次成井直徑達到3.0 m，如圖1所示。

(a) 定向鉆進導孔 (b) 反井鉆機鉆進350 mm導孔 (c) 擴孔鉆進

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

4 工程實例

4.1 設備選型

采用反井法先施工當金山隧道2號豎井，井深442 m，最終成井直徑3.0 m，設備選型時應以其最大鉆井深度作為主參數，同時綜合經濟因素考慮，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技術的SPC600型水文水井鉆機進行直徑311 mm的導孔施工，其操作簡便、扭矩大、維修方便，最大鉆進深度達到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，風量可達到30.3 m3/min，使用十二烷基硫酸鈉粉根據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。

擴孔施工時，反井鉆機應根據地層情況、設備參數進行選型，綜合選定目前國內最大型號BMC600型反井鉆機，配備3.0 m大直徑擴孔鉆頭，先將直徑311 mm導孔刷大至350 mm，再進行擴孔。BMC600型反井鉆機由主機、動力頭、鉆架和鉆桿輸送裝置等組成，鉆頭上設置16把滾刀[15]，完全滿足2號豎井的施工需要，其技術參數見表3。

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

4.2 施工條件及準備

依據2號豎井設計參數，結合反井法施工工藝、方法特點和現有經驗，根據平整場地實際揭露地質情況，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，利用此基礎進行導孔及掃擴孔的施工。

1)場地。反井施工為地面施工主要場所，應滿足鉆具和操作系統(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運輸設備及50 t吊裝設備通行、工作需求。

3)基礎。要求基礎混凝土強度等級不小于C25、基礎必須保證水平、預留孔必須準確對稱、基礎必須落在穩定的基巖上。

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

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

6)通風。由于本項目為露天施工，可以不設專門通風設施。

4.3 偏斜控制

導孔施工是控制最終成井偏斜率的關鍵工序，直接影響到整個豎井質量，如果偏斜過大不利于擴孔鉆進，嚴重的會造成豎井報廢。為實時監測導孔偏斜，保證偏斜率滿足使用要求，使用KXP-2D(S)數字羅盤測斜儀進行測斜，該測斜儀采用了傳感器和數字處理技術等現代先進技術，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、高可靠性和應用領域廣泛等顯著特點，適用于非磁性或弱磁性地區。在水利建設、公路、鐵路、橋梁和隧道等基礎工程鉆孔中應用廣泛，其主要技術指標如表4所示。

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

導致導孔偏斜的因素有很多，主要可分為地質因素和工藝技術因素2大類。地質因素包含巖石的各向異性、地層傾角等方面；工藝技術因素包含設備安裝、鉆具組合、鉆進參數和鉆進方法等方面。當發生偏斜進行糾偏時，可利用以下幾種方法：1)自然減斜法。用合理的鉆具結構和組合及相應的鉆進工藝造成反向偏斜來糾正已發生的孔斜，通常是輕壓慢轉鉆進，邊鉆進邊糾正，以保證鉆孔仍能恢復到原設計的空間位置；2)擴孔糾斜法。選用稍大于原鉆頭口徑的鉆頭，自上而下擴孔鉆進，鉆進時采用輕壓慢轉的方法，嚴格控制進尺速度，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。如發現鉆孔傾角增大，可以在粗徑鉆具上面加上扶正器，以達到糾斜的目的，或保持鉆孔傾角不繼續增大。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，使粗徑前端下落，鉆具在鉆進過程中逐漸產生與傾角反方向彎曲的趨勢，扶正器應接在與粗徑鉆具相連的短鉆桿上。

豎井井深442 m，根據實地測量情況，測點安排如表5所示。在導孔鉆進過程中，實時測斜并根據結果進行糾偏，測量結果如圖2所示。在透孔后對透孔點進行定位和測量(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，與最終結果偏差3.98%，說明測斜儀的結果是可靠準確的，豎井偏斜完全滿足使用要求。

表5 測點設置Table 5 Layout of monitoring points

圖2 測斜結果曲線Fig.2 Deviation curve of vertical shaft

圖3 導孔透孔Fig.3 Photo of oriented borehole

5 結論與討論

1)首次將反井法技術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豎井的鑿井新工藝，并成功在當金山隧道通風豎井工程中實施，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，質量好。

2)采用氣動潛孔錘技術施工導孔與反井鉆機施工擴孔相結合的方式，為缺水地區鐵路隧道深豎井施工開創了新的施工方法，并驗證了氣動潛孔錘鉆進導孔對偏斜率控制效果良好。實踐證明：合理控制鉆進速度和改變鉆具組合方式、實時調整轉速和鉆壓、增加循環風量，可有效控制導孔偏斜率。

3)與傳統施工方法相比，反井法工藝適應性強，安全系數高，既節約資源又環保，機械化程度高，符合鐵路隧道豎井工程技術發展的趨勢。

對于豎井數量多、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、配套設備已非常成熟，但近年來鐵路隧道豎井深度和直徑不斷加大，有必要進一步研發適合更大直徑和深度的反井鉆機以及配套鉆具，導孔的偏斜率直接影響成井的質量，需加強對導孔偏斜率的監測，進一步研究隨鉆、隨測、隨糾偏的工藝和設備。