冲击钻钻孔用于长大山岭隧道通风竖井的施工

1、冲击钻钻孔用于长大山岭隧道通风竖井的施工第37卷第3O期?170?2011年10月山西建筑SHANXIARCHITECTURE文章编号:10096825(2011)30017003冲击钻钻孔用于长大山岭隧道通风竖井的施工任登富刘石磊摘要:结合贵昆铁路六沾复线三联隧道两座大直径深孔通风竖井在软岩地质采用冲击钻孔,钢管护壁等施工过程,从通风竖井的设置,施工方案选择,施_T-重难点及解决措施等方面对竖井施工进行了总结,从而为类似工程施工提供指导.关键词:冲击钻钻孔,长大山岭隧道,通风竖井中图分类号:U455.8文献标识码:AO引言随着隧道施工技术的快速发展,长大隧道成为山岭隧道的发展趋势,通风问题成

2、为制约长大隧道安全快速施工的关键技术之一,采用竖井通风为长大山岭隧道施工通风提供了一条新的思路.针对通风竖井施工工艺的文献较多,例如苍山隧道二号通风竖井0,石牙山隧道通风竖井,苍岭隧道1号通风竖井和乌鞘岭隧道1号通风竖井等,大多数通风竖井地质条件较好,采用爆破开挖,容易支护成型,但对软弱地质采取上述方式不易成功.本文结合六沾复线三联隧道已投入使用的两座通风竖井,在施工初期,针对软岩地质,竖井断面尺寸,综合考虑安全,进度及经济效益等因素对机械大直径成孔用于通风竖井施工进行了总结与探索,为同类工程提供参考.1工程概况贵昆铁路六沾复线三联隧道地处云贵高原,隧道全长12.214km,存在高瓦斯,玄武质

3、火山灰角砾岩段大变形,煤系地层软弱带等多种少有的不良地质地段,经过多次由工程院士,大学教授等专家会现场研讨自治方案,铁道部定为极高风险隧道.三联隧道分为进口工区及两个斜井工区进行施工,其中1号斜井工区位于隧道中部,为高瓦斯工区,有轨运输,承担2040m高瓦斯段正洞,1341m中部平导施工任务;2号斜井工区承担出口段5481m正洞,1900m洞内迂回平导,无轨运输,独头通风4550m(含450m斜井).2通风竖井设置l号斜井工区(w4标通风竖井选择时考虑的主要因素:1)隧道施工通风的需求(由何处进风或排风),隧道埋深,地表条件等决定竖井位置.2)通风量的需求决定井孔直径大小,1号斜井工区采用有轨

4、装运方式,竖井直径受揭煤时最大瓦斯涌出量所需要的通风量控制,根据施工需求按排放污风设计,经计算后采用直径160CII1;2号井采用无轨装运方式,按进风通道设计,综合考虑各施工作业面需风量计算后采用直径180cm.3)根据竖井位置确定与正洞连接通道方式.1号斜井工区为高瓦斯隧道工区,对三联隧道高瓦斯工区施工通风技术进行了详尽论述,但受玄武质火山灰角砾岩段大变形影响,施工进度迟缓,前期设计通风方式已不能满足通风要求,为保证隧道高瓦斯段揭煤施工时形成巷道式通风,在DIK306+640(隧道煤层集中段前)线路左偏170m处设置通风竖井,孔径为160cm,孔深156m采用竖直排风的方式向外抽排废气,瓦斯

5、等.2号斜井独头通风4550m,洞内采取1900nl迂回平导增加4个工作面,从斜井口长距离通风已不能满足施工要求,在隧道中部设置通风竖井,孔径180cm,孔深100m,作为进风通道.两座竖井均用冲击钻机正循环钻孔一次成井,在钻孔过程中采用泥浆护壁,成井后为防止竖井井壁风化及坍塌,采用钢套筒防护竖井壁,钢板厚10mm.竖井与正洞(平导)间设置连接通道.受隧道地形地貌,隧道埋深及地表村庄等条件限制,1号斜井工区的通风竖井平面位置在选址上不是最优,离隧道的横向距离过长,竖井设置平面位置见图1.2号斜井I区(W4标)阔1通风竖井设置平面示意图3通风竖井施工方案选择后,决定采取正循环冲击钻机一次成孔,钢

6、套筒防护的方案.或反向爆破开挖成孔方式在孔壁支护上不易解决,因此综合对比测量放线一孔15I段埋设钢护筒一施工平台加固处理一钻机收稿151期:201108-22作者简介:任登富(1976一),男,重庆大学土木工程在职工程硕士研究生,工程师,中铁隧道集团,河南-/a-l'471009刘石磊(1982一),男,工程师,中国中铁隧道集团技术中心,河南洛阳47100920371孝l3任登富等:中击钻钻孑L用于长大山岭隧道通风竖井的施工?171?就位一钻孔一泥浆循环系统施工一石质段围岩钻进(侧倾)一到位清孔(侧倾)一沉放钢护筒一抽出井内泥浆,碴一钢护筒外层加固一孔口加固处处理一清理场地.主要资源配

7、置见表1.表1竖井成孔资源配置表配置情况数量资源类型备注1号井(孔径16ocm,2号井(孔径180cm,深117m)深100m)发电机组150kW/台1变压器(200kVh)/台1正循环冲击钻机(8t)/台21泥浆泵/台12务去疆售11未简易钢护筒卷板机/台21考虑备用二氧化碳保护焊机/台2数量发电机司机/人2钻孔操作人员/人44钢护筒制作人员/人66电焊工/人44钻孔设备采用正循环冲击钻机,根据孔径要求配置不同钻头,1号井成孔160cm,选用150cm钻头,外侧帮焊4cm钢筋;孔均采用冲击钻机正循环钻孔,一次成井,冲击钻孔施工工艺已较为成熟,在此不予赘述.成孔后的主要检查项目见表2.表2竖井

8、成孔质量检查项目允许偏差检查方法孔径不小于180cm采用钢筋焊制的简易钢筋笼q:-3-+检查倾斜度钻孔:小于1%钢筋检孔器吊入钻孔内检测孔深不小于100rn采用绳子吊重物下放检查冲击钻孔时的重点注意事项,主要是垂直度的控制,出现倾斜,立即采取回填片石等方式进行纠偏,2号通风竖井在冲击成孔过程中共发生两次倾斜,但通过回填片石重新钻孔纠偏,效果较好.4施工难点,要点及解决措施1)钢护筒下放过程中被卡.对策:采用夯击.2)钢护筒脱落.对策:一旦脱落,很难再连接,重在预防.a.对上部穿孔处进行剪切检算;d.现场要加强卡控.1号井在井口采用50cm厚的钢筋混凝土加固;2号井采用在井口上两侧各铺设一张厚占

9、=16mm,长4ITI,宽1.5in的钢板,在钢板上各垫7根长3in的枕木,前50m直接将钢棒放置在枕木上,后50in,用双I20工字钢并焊成箱梁长6m,横向置于枕木上,钢棒放置在箱梁上.钢套管采用壁厚6=10mm的钢板,在宽阔场地用机械集中后每3节焊接成一个单位,接头采用对接,双面坡口焊并加2块6块的10mm钢板帮焊(根据检算结果,0m20m帮焊2块,20m40m帮焊3块,40ITI60ITI帮焊4块,60m801TI帮焊5块,80m100m帮焊6块),考虑通风竖井因垂直度偏差,因此制作钢套管的内径较钻井成孔径少2cm(1号竖井钢套管内径140cm,2号井钢套管内径160cm),制作好后汽车

10、运至施工现场.根据地形条件选择钢套筒的吊装设备,1号井大型起重机不能到达现场,采取"井"字架,葫芦吊机起吊,2号井采用大型起重机直接吊装,现场钢套筒接长采用二氧化碳保护焊.钢套简与井壁间的空隙加固主要解决连接通道贯通时护筒与护壁之间存在漏泥,漏沙,漏水及水压大等安全风险,现场采取的对策是以土石分界线为界,土石分界线以上部分采取在护筒孔壁处插管注浆封堵,土石分界线以下部分采取在连接通道与井壁贯通口加固限排方式(加固方式可以在贯通口处架立拱架并进行喷混凝土).1号井由于地质破碎,钢套筒下完后采用袖阀管在钢套筒与井壁空隙间注浆加固,通过现场加固效果,竖井钢套筒发生较大的变形,是否

11、与该加固方法有关,还有待于进一步验证.2号井地质状况主要是以页岩夹砂岩为主,含有少量的泥岩,孔壁相对较为稳定,钢套筒下完后,在井壁与护筒间的空隙采用细石混凝土回填密实.根据两个井与隧道之间的平面关系,两个竖井与隧道的连接通道断面方式各有不同.1号竖井距隧道边线1701TI,竖井与隧道采用小导洞断面(高×宽1.7m)连接,格栅钢架,短锚杆网喷支护,人工钻爆开挖,人工出碴;2号竖井距平导水平距离18ITI,竖井与平导连通段采用净空尺寸4.5m(宽)×5.0m(高),格栅钢架,锚网喷支护,利用台架钻爆开挖,装载机装碴,汽车运输.连接通道底部比竖井底部高出2m一3111,主要考虑洞

12、口不能抽完的余碴存放,保证连接通道与竖井贯通安全.1号竖井连接通道距离较长,断面小,连接通道开挖剩余5111时反方向开挖逆坡扩挖5in洞室,作为排水,排泥时的应急场所,洞内采用两根硬管通向洞外作为避难时进,出气孔.2号竖井连接通道距离短,断面大,不单独设置避难洞室.4.2.3钢套筒与井壁问排水,排浆连接通道开挖距竖井钢套筒5m时,利用6rtl钻杆施作排浆孔(钻孔后及时插入小钢管)将钢套筒与孔壁间的泥浆与水排除,如果浆液流量过小或者未流出,则继续施工其余排浆孔,直至浆液排出没有压力为止.钢套筒与井壁问排水,排浆完成后,采取弱爆破开挖施工剩余5m连接通道,尽量减少对钢套筒的影响.4.3竖井内抽水,

13、排碴井壁孔隙加固后,对井内的泥碴用水置换,然后采用高扬程的污水泵从井口抽水,但由于井孔较深,现场抽水后井底的剩余水量与泥浆过多,不能完全达到目的.采取的措施:连接通道开挖支护完成后,现场采取井底打孔排水,排泥,具体方法为在贯通口处架立拱架并喷混凝土加固(如有渗水采用PVC管引出),加固后采用电焊机对钢护筒进行局部割孔,割孔后人员,设备迅速退至避难洞内,待孔不再渗流浆液后,逐渐扩大孔径,直至泥浆与水彻底排出.5施工中存在的问题分析及解决建议第37卷第30期?172?2011年10月山西建筑根据施工进度统计,在泥质强风化地层进度4m/d一6m/d,在软质岩层内孔深在0m100m平均1.5m/d2m

14、/d,100m1号井采用连接通道70.80.竖向接应45m,因此大直径机械成孔竖井深160m内是可行的.竖井位置的选择十分重要,选择时应重点考虑竖井与隧道的平面关系,地质状况,地下水文条件,竖井深度等,位置选择直接择时受地形条件的限制,平面位置在现场均没有其他比选余地.2号竖井的地质状况,竖井与隧道的平面关系相对较好,整个施工过程中比较顺利,仅在钻:fLm出现两次偏位,但通过回填片石补钻纠偏即可解决.1号竖井位置位于两条沟槽汇聚的地方,地下水丰富,存在地下泉眼,竖井与隧道的平面关系距离较远,整体条件较为不利,施工中出现很多典型问题,如孔壁坍塌,钢套筒下放安装后井内变形等.贯通方式分连接通道贯通

15、与竖井贯通两种方式,本案例采用竖井先行施工至设计标高,连接通道贯通方式,贯通前在连接通道内设置了临时避难洞,采用此方式贯通,避难洞设置尤其重要,1号竖井在连接通道内排放水,排泥浆时,曾发生大量的泥浆涌入通道并堵塞通道事件,但现场作业人员及时按预案撤至避难洞内,避免了一次较大的安全事故发生,充分体现了避难洞的作用.通过现场实践,井内的泥浆在贯通前完全抽f不现实,作者推荐采用连接通道先行施工至井底设计标高,竖井贯通方式,在连接通道与隧道口处设置封闭阀门对贯通时井内泥浆限量排放,更有利施工安全.竖井冲击成孔在钢套筒安装后,两座竖井在井深度约1/3处均不同程度的出现孔内钢套筒鼓包变形的情况,2号竖井变

16、形较小基本不影响通风面积,1号竖井变形较大直接影响通风效果,以1号竖井变形情况为例对变形原因作初步分析及提出应对措施.1号竖井冲击成孔后共发生两次变形.第一次坍塌,主要原因是对地质环境判断失误,井口向下安装l8m钢套筒后,即对孔内泥浆进行置换与抽排,受地下泉水影H向,在抽水过程中在井口下18m处未安装钢套筒部分发生了井壁坍塌,直接堵塞井孑L,后采取袖阀管注浆加固井孔四周,二次钻孑L(直径130em).二次钻孔安装钢套筒护壁后,采用袖阀管对孔壁与钢套筒间的孔隙进行注浆加固,置换泥浆与抽排后,在井口下47m处钢套筒发生较大的变形,最大处已侵占钢护筒净空1.0m.初步变形原因:1)地质破碎,地下水影

17、响;2)钢套筒自重大,长细比大,在细长杆原理下部分发生破坏性变形;3)钢套筒与护壁问孔隙注浆加固时,压力过大.应对措施:1)对于十分软弱地层,在钻孔前采用袖阀管等手段进行加固;2)钢套筒在下放安装时不能让其脱落自由下坠;3)严格控制钢套筒与护壁间孔隙注浆加固压力,达到填充密实即可.孔内钢套筒变形后,上部抽浆排水,不能完全抽排的改为连接通道内进行排放,变形处理方案,从鼓包位置,自上至下,每次割除高度为50am已鼓包钢护筒,每次割除后立即采用钢护筒焊接,直至钢护筒鼓包部位处理完毕.6结论与建议长大隧道增加大直径竖井除改善隧道内的通风环境外,可在特定环境下兼作隧道的应急救援通道,有条件时还可通过竖井

18、引入高压电缆,减少洞内高压线路.通过三联隧道两座通风竖井的施工案例,对于山岭隧道深孔大直径通风竖井采用冲击钻机正循环钻孔一次成井,泥浆护壁,成井后钢套筒防护竖井壁的方案是可行的,从施工周期,经济效原因分析较为粗略,其变形原因还有待于进一步探索.坚井施工过程中,测量定位须准确,软岩地质钢套筒全孔护罐,安全措施提前检算,工艺卡控到位,每一个细节都可能影响竖井施工成败.参考文献:11吴乐.括苍山隧道二号通风竖井正向施工导碴井,二次扩挖施工技术J.隧道建设,2010,30(4):465468.2石泰山,乔林泉.竖井开挖施工技术J.山西科技,2007(4):156?157.3杨雷.特长公路隧道通风竖井施工方法分析J.广东公路交通,2009(3):6568.4董文奇,翁岭.苍岭隧道1号通风竖井施工技术J.科学之友,2008(5):3637.5胡斌.鸟鞘岭隧道1号通风竖井设计与施工J.铁道标准设计,2005(10):92.94.6刘石磊.三联隧道高瓦斯工区施工通风技术J.隧道建设,2010,30(1):7177.7邓长平.长大高速公路隧道通风与运行安全分析J.山西建筑,2010,36(2):313