高速公路山岭隧道深孔大直径通风竖井反井钻机施工技术

高速公路山岭隧道深孔大直径通风竖井反井钻机施工技术

江清慧

三明市交通建设集团福建三明365000

摘要：随着隧道地下工程盾构、TBM等技术的应用，隧道地下工程的机械化施工水平不断提高，而山岭隧道通风竖井施工的机械化水平却发展缓慢。深孔大直径通风竖井反井钻机施工是山岭隧道施工中一个需要解决好的关键问题，本文结合福建省海西网厦沙高速三明段秀村隧道通风竖井的施工，详细阐述了深孔大直径通风竖井反井钻机施工工艺，从而为类似工程施工提供指导。

关键词：秀村隧道；竖井；施工工艺

1工程概况

1.1概况

海西高速公路网厦沙线三明段A8合同段秀村隧道地处福建省尤溪县和沙县境内，右洞长6549m，左洞长6534m。为提高运营环境条件及安全，该隧道设置通风竖井一座，竖井设置隔板分隔送排风道，左洞通风采用二区段竖井送排式纵向通风，风机房采用地表风机房，右洞正常运营时采用全纵向通风，火灾时采用分段排烟。详见图1竖井平面布置图。

图1竖井平面布置图

1.2设计参数

竖井中心位置为YK163+972，右洞洞轴线右偏28m。竖井断面设计为圆形，净空直径为7.2m，深316.2m，竖井设7.5m长锁口圈。Ⅴ级围岩56m，Ⅳ级围岩54m，Ⅲ级围岩206.2m，竖井洞身围岩级别以Ⅳ～Ⅲ级为主，断层破碎带处为Ⅴ～Ⅳ级。详见图2竖井纵断面图。

图2竖井纵断面图

2钻机的引进

秀村隧道通风竖井引进的钻机型号为SJ-400-G型反井钻机。本钻机可施工400m深、直径270mm的导孔和1.4m的导井。秀村隧道通风竖井主要为微风化花岗岩，竖井深316.2m，本钻机满足竖井施工。

3适用条件

设有通风竖井的主洞隧道底部都会设置排风通道和送风通道，在采用反井钻机法施工时，主洞隧道通风道需提前贯通，并且具备下部出渣条件。

4施工工艺

4.1场地平整硬化

为保证钻机的顺利钻进及后期提升井架的安装，钻机就位前清除井口范围的腐植土及砂砾层，施作锁口圈，锁口采用钢筋混凝土进行施工。锁口超挖部分采用C15片石砼回填作为后期提升井架的基础。钻机机座采用C15砼进行浇筑，其余场地采用洞碴进行回填C20混凝土硬化。

4.2钻机导孔施工

利用高压脉冲冲击钻机施做Φ270mm导孔，导孔钻进时利用高压风将岩屑通过钻杆与孔壁间的环形空间吹出，通过安装稳定钻杆控制钻孔垂直度直至与排风洞相通。导孔钻进的过程，也是对地层的勘探过程，反井钻机虽然不是取芯钻进，但根据对钻进过程观测以及返出岩屑的情况，根据以往的经验，可以对地层有初步定性分析和了解，为扩孔掘进、井壁维护提供参考。在导孔钻进过程中，对破碎带、泥岩等地层进行必要的处理，根据钻进过程观察，导孔钻进到这些地层时，加大循环量，将断层中泥质部分冲洗干净后，提钻进行灌浆处理，灌浆时由稀浆逐渐增大稠度，使其达到一定的扩散范围。然后重新钻进导孔，当通过全部影响带后，再将钻具提出，用稀泥浆进行全孔灌浆，主要是增强地层稳定性和封堵部分地层涌水，然后继续钻进直到和排风洞贯通。图3钻机,图4成孔照片

图3钻机

图4导孔照片

4.3预防导孔偏斜措施

导孔施工是导井施工的第一步,也是最重要的一步,导孔成孔的偏斜率直接影响导井施工的成功与否。秀村隧道通风竖井为垂直竖井，在垂直的导向孔钻进中,钻孔开孔时钻杆不会弯曲,因此不会出现因钻压引起的钻头偏转,但随着钻井深度的增加,钻压的增大,钻杆就会逐渐弯曲,由弯曲的钻杆产生的非垂直载荷导致了钻进方向角度的变化,致使钻具的下部(即从弯曲点到钻头)偏离钻孔的预定路线，造成导孔偏斜。

结合本竖井情况，施工中从以下几方面采取措施控制导孔成孔的偏斜率。

4.3.1控制钻压

反井钻进控制偏斜的方法之一是调整钻压。钻压过大,很容易导致钻孔偏斜；过小则会降低钻机的工作效率。合适的钻压需要根据岩石硬度、钻杆自重、钻孔倾斜角度及钻机能力等有关数据计算。

结合本竖井情况，选用经验丰富的操作人员，在开孔时采用小钻压；待稳定钻杆全部进孔后,恢复正常钻压，并根据地质情况及钻孔深度实时控制、调整。

4.3.2控制转速

在钻进导孔时,保持恒定的钻进速度是控制偏斜最常用的方法。钻压和转速的调整结合地质情况试验确定。秀村隧道通风竖井埋深较深，为较小和控制导孔的偏斜率，选用经验丰富的操作人员，实时调整、控制钻压和转速。注意随着钻压的增加,转速应减小；反之,钻压减小时,转速应增加。

4.3.3合理布置稳定钻杆

稳定钻杆是避免钻孔偏斜最有效的工具。稳定钻杆的抗斜效果与稳定段的直径和长度有着密切关系。如果稳定钻杆直径小于导孔直径,钻头在钻孔内将发生轻微晃动,导致孔径增大,从而使稳定钻杆与孔壁间距加大,直至使稳定钻杆作用减小。但稳定钻杆的直径也不能过大,因为这样会增大钻进摩擦阻力。

结合本竖井深度及围岩情况,施工中每10～20m设置一根稳定钻杆。详见图5稳定钻杆。

图5稳定钻杆

4.3.4合理选择钻井洗井液

秀村隧道通风竖井，埋深316米，自施工场地地面线下近110米范围内，为Ⅳ、Ⅴ级围岩，岩体较破碎，节理裂隙发育，为减小钻杆低端岩屑聚集对钻杆偏斜产生的影响，选用携带岩屑能力较强的泥浆，配合泥浆泵进行洗井。剩余的206余米导孔，所处地质围岩较好，但因井位深度不断增加，故不考虑清水洗井，仍选用一定浓度的泥浆作为洗井液。

4.3.5加强测斜工作

秀村通风竖井井深较深，加强测斜工作，及时发现偏斜问题，并及时纠偏，有利于控制最终的钻孔偏斜率。采用Fle-ITG型测斜仪作为监测仪器，导孔钻进过程中，前206米，每钻进60～80米测量一次，后110米，每钻进50～60米测量一次，及时测量，如有偏斜及时采取纠偏措施。

4.4导井扩孔

导孔贯通后，卸下导孔钻头，将1.4m扩孔钻头与钻杆进行丝扣连接，提起钻具，完成整个扩孔钻头的安装。当扩孔钻头接好后，慢速上提钻具。直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用低转速旋转，慢慢给进，保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，给进一些停下，等刀齿把凸出的岩石破碎掉，再继续给进。开始扩孔时，下水平要有人观察，将情况及时通知操作人员，等钻头全部均匀接触岩石，才能正常扩孔钻进。在扩孔钻进过程中，当岩石硬度较大时，可适当增加钻压，反之可以减少钻压。扩孔时，LM-400钻机平均每小时出碴量为2.3m³，要选择合适的出碴系统，及时出碴，防止堵孔。扩孔过程，也是拆钻杆的过程，拆下的钻杆要进行必要的清理，上油带好保护帽，做好防护工作。当钻头扩孔至距离基础2.5m时，要降低钻压慢速钻进，并且要认真观察基础周围是否有异常现象，直至钻头露出地面（图6、7）。

图6钻机

图7导井照片

5结束语

反井钻机施工竖井在秀村隧道隧道通风竖井施工时，不管是导孔施工或是扩孔施工，均超出了预期目标，取得了良好的效果，同时满足了安全、环保等施工过程中不易解决的问题。作为本隧道316.2m的竖井采用反井钻机法导孔施工用时6.5天，平均日进尺48.65m，III级围岩日最高进尺75m；导井施工用时36天，平均日进尺8.78m，V级围岩日最高进尺53m。反井钻机施工与传统的竖井施工截然不同，反井钻机施工，很大程度上降低了施工难度。具有设备投入少、占地少（无需另征用弃渣场），施工安全风险小，整体工期短等特点。同时大大提高了工作效率，减少投入成本，对于长大隧道更好的解决了正洞通风问题，为正洞施工创造良好的施工条件。