反井钻机法在竖井施工中的应用

反井钻机法在竖井施工中的应用王春玲【摘要】为了解决某隧道通风竖井施工中的安全质量问题、并提高施工效率，采用反井钻机法进行施工，高效、安全、环保地完成竖井工程.文中详细介绍了反井钻机的施工工艺，重点介绍了导孔钻进过程中遇到不良地质情况时的应对措施，为类似工程提供借鉴.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷)，期】2019(041)008【总页数】4页(P119-122)【关键词】反井钻机法;竖井施工;破碎地质带;灌浆加固【作者】王春玲【作者单位】中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院，广州510000;中国中铁隧道局集团有限公司隧道结构智能监控与维护重点实验室，广州510000【正文语种】中文【中图分类】TU740引言目前，我国基础建设进入快速发展时期。水利水电、煤矿、交通等地下工程越来越多，在这些工程中竖井施工必不可少。随着竖井工程的直径、深度等参数不断增大，施工中遇到的地质条件也越来越复杂，对竖井施工的安全、质量、进度都提出了更高的要求。因此如何提高施工机械化程度是必须面对的问题。以某隧道通风竖井反井钻机法施工为例，通过对传统竖井的不同施工方法的综合比较，对采用反井钻机法施工在遇到不良地质情况下采取的施工方案，取得工程效益进行综合分析，为类似工程提供了参考。1工程概况福建省厦门至沙县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县境内，本标段隧道在YK163+972处设置一座通风竖井，竖井高316m，净空为半径3.6m圆形断面。初期支护采用锚网喷支护，二次衬砌为模注混凝土衬砌。本标段区域内发育地下水主要为第四系孔隙水、基岩风化层孔隙裂隙水、基岩构造裂隙水等三大类型。竖井隧道穿越强风化花岗岩-中风化花岗岩-微风化花岗岩地段，H级，B级围岩占80%以上，穿越1条断层破碎带（岩层挤压破碎、风化强烈、地下水呈涌流状出水，对隧道围岩影响较大）。2竖井施工方案选择常用的竖井施工方法有正井法、吊罐法、爬罐法、深孔分段爆破法、反井钻机法等，综合比较见表1。表1不同施工方法综合比较临时支护、轨道安装钻孔、装药爆破钻机安装、导孔、扩孔钻进施工设备投入少，简单投入较大，简单投入大，复杂投入少，简单投入大，复杂适用条件围岩较好围岩较好无大的破碎带围岩较好各种围岩主要优点成本低施工设备简单井孔较浅时，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装药、放炮、出渣、临时支护钻绳眼、安装绞车、打眼放炮爬罐安装、打眼放炮、施工速度较快安全不需人工在工作面作业，安全环保主要缺点安全性差，工效低安全性差安全性差工程质量难以保证需要高水平技术工人，设备投入大上述这些方法都需要施工人员进入工作面进行打眼、装药爆破、危石处理和支护等作业，经常受到落石、有害气体等伤害，安全事故时有发生。反井钻机出现后，施工人员不需要再进入工作面作业，可以全面进行机械化作业。反井钻机法以施工速度快，工效高，无需临时支护等特点已成为最可靠的反井施工方法，现已被广泛应用于煤矿、水利水电工程等。反井钻机工艺原理是通过钻机的电机带动液压马达，液压马达驱动水龙头，并利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，导孔钻头或扩孔钻头上的滚刀在钻压的作用下，沿井底岩石工作面做纯滚动或微量滑移。同时主机油缸产生的轴向拉、压力，也通过动力头、钻杆作用在导孔钻头或扩孔钻头上，使导孔钻头的滚刀在钻压作用下滚动，产生冲击荷载，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石。竖井施工总体方案：由于穿越围岩较差，竖井施工采用其它方法安全隐患较大［1］，通过比较采用较为先进的反井钻机法进行开挖。先在竖井口施工反井钻机平台［2］,安装钻机后由上向下钻①250mm的导孔与井下隧道通道贯通；然后在隧道内拆除导孔钻头，安装扩孔钻头，由下向上扩孔，扩孔直径1.4m，再利用导井溜碴到井底，经隧道出碴；导井扩挖成井后钻爆法扩孔到设计断面，二衬采用滑模进行施工的总体施工方案［3］。施工工艺见图1所示。图1反井钻机钻进工艺示意图3反井钻机施工3.1钻机的选用凿①1.4m的孔，只需要①250mm的导孔就行。当导向孔钻头到达水平隧道时，拆掉钻头，换上1.4m的扩孔钻头，由下而上扩孔施工。根据竖井施工要求，本次施工选用当前比较先进的BMC-400型［4］反井钻机，该钻机的的主要技术参数见表2所示。主要具备以下优点：(1)钻机驱动系统配备大扭矩双液压马达驱动，可为扩孔钻头提供较大的破岩扭矩。可以根据地质情况选择钻头刀具，本工程竖井以高强度花岗岩为主，要求钻头具有较强的破岩能力，导孔钻头采用镰齿盘型滚刀破岩；扩孔钻头刀盘上布置12把滚刀加强破岩能力。配置高性能的液压油过滤、冷凝系统，保证钻机液压系统长时间、连续稳定的工作。全套的自备装卸辅助设备，自动化高，降低劳动强度，提高工作效率。表2反井钻机主要技术参数导孔直径/mm扩孔直径/mm最大钻深/m钻速/(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施工准备清理井口所有的松动岩石和碎屑后，根据竖井中心坐标对孔位精确放样后，浇筑钻机混凝土基础，在浇筑过程中加强振捣来保证混凝土质量。在固定钻机地锚螺栓位置预留二期混凝土。在竖井中心线位置预留排水沟，在混凝土基础的一侧用砖砌3个正方形水池。在基础混凝土强度达到70%后，安装先导孔钻机。反井钻机使用汽车吊吊装。主机必须按竖井中心坐标定位，并摆放平稳。基础的表面平整度和主机的调平对中是偏差控制最重要的工作，直接影响成孔的精度。为确保钻机精度，要求基础表面的平整度不超过±3mm,钻机安装完成后的垂直度偏差不超过±1mm。3.3导孔施工导孔钻进施工是反井钻井施工的重点和难点，是整个施工中重要的环节。由于精度控制不当、不良地质段影响等原因而发生卡钻事故，导致导孔钻进失败的案例经常发生。故施工过程中偏斜控制最为关键［5］。根据地质资料合理选择钻具，必要时可进行补勘，探测清楚地质情况，特别是溶洞、破碎等不良地质；根据围岩地质情况、钻孔深度、孔径合理调整钻孔参数。循环液体的主要功能是将破碎带岩石悬浮并带走，同时对钻头进行降温冷却，不良地质段还能起到泥浆护壁效果，防止塌孔，根据不同情况调制不同的循环液体。导孔钻进施工中重点是控制钻进精度。钻机架设精度要高、开孔角度要满足精度要求，施工中不得移动设备。钻机开孔10m时要求满眼钻具跟进，低压慢速开孔，并采用扶正器辅助，保证开孔精度。施工中为保证钻杆的稳定，在钻进过程中，每50m按放1根10m长的稳定钻杆，约束钻杆的晃动，保证施工的精度；每钻进一段距离，用JJX-3型测斜仪进行测量，根据测量结果及时进行纠偏，纠偏时不宜过急、过大，避免卡钻情况出现。按照上述步骤，316m深的竖井导孔施工，偏斜率仅为0.23%，满足规范要求的不大于1%，偏斜度控制较好。3.4反导井施工扩孔钻头安装完毕后开始自下而上的反拉向上提升进行扩孔施工。直到滚刀接触岩石暂停提升，扩孔钻头低速转动，慢慢给进，待钻头全部均匀进入岩层，才能正常钻进，避免刀具受到剧烈冲击而损坏。扩孔施工中，对刀盘和刀具的保护是至关重要的。刀盘刀具损坏，退钻进行维修，费时费力，维修费用较大，可能会出现刀盘被卡，钻头进退不得，甚至无法处理导致竖井报废。施工中要求技术人员根据地质图及操作人员根据设备异常抖动及时判断地质变化情况，根据地质情况及时调整各项钻进参数，保证平稳钻进。扩挖中，由于前期的施工准备较为充足，施工较为顺利。但是由于对花岗岩强度估计不足（最高超过200MPa），导致滚刀磨损严重，只能通过频繁换刀来解决此问题，大大影响了施工进度。最终45d才完成，平均进度只有7m/d。孔洞光滑，成型较好，施工安全。3.5破碎带施工竖井在约在-180~-225m间有45m的不良地质破碎带。破碎带给钻孔施工带来极大的困难［6］。在导孔施工时，循环水严重流失，易引起钻头跑偏，也易引起无法返渣导致卡钻；在反扩孔施工时，易引起刀具崩坏及碎石卡住钻头。在不良地质地段，导孔钻进过程中控制钻进速度的主要方法是降低推进压力。在遇到断层和破碎带时，要确保反井钻机运行平稳，无明显冲击。在钻进过程中要及时根据现场情况调整钻进参数，以缓慢速度安全通过不良地质段。判断地质条件的重要依据是出渣量的变化情况。详细记录每根钻杆的实际出渣量，与理论出渣量进行比对。如果实际出渣量增大，则需采用泥浆护壁后才能继续钻进。如实际出渣量减小，则需要增大扭矩，若实际出渣量仍然减小，说明地质可能为岩体破碎段，应先将钻具提升到一定高度，然后再慢慢向下旋转扫孔，如果一次扫孔不行可多扫几次，扫孔后实际出渣量仍然减小，则需提钻进行灌浆加固，待浆液凝固后采用泥浆护壁方可继续钻进。在竖井钻进到-180~-225m范围时，出现不返水、返渣等状况，采用泥浆护壁后，返水、返浆量明显比理论偏少，出现钻机扭矩变大同时抖动现象。为避免出现钻头跑偏、塌孔、卡钻等现象，项目部决定采用水泥、水玻璃浆液进行灌浆加固。在破碎地质段前2m处下止浆塞进行封闭灌浆，现场调配双液浆，水玻璃掺量为10%,水灰比0.80:l，室内试验终凝为18h。现场是在灌浆加固30h后进行二次钻孔，灌浆效果显著，对破碎带具有较好的固结效果，保证了导孔和扩孔施工的稳定进行。3.6扩大爆破及衬砌施工反井钻机设备拆除后，用钻爆法/锚喷支护的形式至上而下进行扩大断面开挖至设计断面，钻爆开挖/衬砌施工示意图如图2所示。钻爆开挖利用1.4m的临空面，利用毫秒雷管分段爆破，分层扩大，矿渣溜碴到井底经隧道出碴，采用合理参数，防止堵塞管道。衬砌待开挖结束后施工，自下向上采用滑动模板作为内模，滑动模板采用3台10t稳车和吊盘悬吊，衬砌每循环为2m，用吊盘配合人工安设模板，混凝土搅拌后经溜灰管输送至模内，人工捣固棒捣固密实。4工程效益分析应用反井钻机法施工，省去了通风、排水、碴石提升等凿井辅助设施。导孔时采用反井钻机，纯钻进速度为24m/d；扩孔1.4m时，采用反井钻机，扩孔纯钻进速度为7m/d（花岗岩强度过高）；采用手风钻扩挖时，扩挖速度为10.5m/d，共需75d（导孔时间不予考虑）。比传统手风垂直钻爆法施工工期缩短30多天，成本得到有效控制。在遇到不良地质破碎带时，直接用双液浆提前进行固结加固，工人不用下井，工作条件得到极大改善，安全性得到提高。综合分析，反井钻机法在竖井（斜井）施工中特别是深竖井和地质复杂的竖井施工中有明显的优势，孔洞成型好、施工效率高、施工成本低、施工安全有保证。图2竖井后期钻爆开挖/衬砌施工示意图5结语（1） 文中根据竖井不同施工方法比较和现场地质条件，确定选用反井钻机法施工。（2） 导孔顺利穿越不良地质破碎带表明在遇到不良地质时采用双液浆进行固结加固能够满足施工要求，达到预期目标。（3） 根据工程效果分析得出使用反井钻机法施工目前是竖井施工中最先进的施工手段，选择合理的参数和施工方法，可以提高工程施工进度，提高施工安全并有效节约成本。在实际施工过程中应结合工程地质情况加强不良地质地段监测和泥浆配比的优化，确保固结灌浆效果最佳，避免在后续扩大爆破开挖过程中因固结不到位，矿渣溜碴导致堵井现象的发生。参考文献【相关文献】[1]杨启鑫.反井钻机导井法竖井施工工艺技术优势及应用方向[J].科技创新与应用，2