陳國(guó)政 CHEN Guo-zheng；孟陳祥 MENG Chen-xiang；張城 ZHANG Cheng

（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著國(guó)家道路交通網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，公路隧道朝著長(zhǎng)度更長(zhǎng)、斷面更大方向發(fā)展。就這類長(zhǎng)大隧道往往需要設(shè)置通風(fēng)豎井從而保證隧道開挖過(guò)程及運(yùn)營(yíng)期間的通風(fēng)。目前國(guó)內(nèi)建設(shè)的長(zhǎng)大隧道地質(zhì)條件十分復(fù)雜，不同巖層地質(zhì)受力復(fù)雜也是其施工難點(diǎn)，自然環(huán)境十分惡劣。同時(shí)豎井井口位于山頂，其施工場(chǎng)地范圍較小，不便于施工棄碴運(yùn)輸。豎井施工設(shè)備配置較多、布置范圍較大，豎井井口位置選擇時(shí)要考慮施工設(shè)備運(yùn)輸便道和井口開闊的設(shè)備布置空間。[1]

豎井位于隧道平導(dǎo)和正洞之間，豎井的設(shè)置有利于縮短洞內(nèi)送、排風(fēng)距離，有利于隧道掌子面開挖支護(hù)施工有效通風(fēng)排煙，避免有毒氣體損害洞內(nèi)作業(yè)人員身體健康。因而研究更加安全、高效且保證施工作業(yè)過(guò)程對(duì)周圍環(huán)境無(wú)公害的豎井施工技術(shù)對(duì)長(zhǎng)大公路隧道的發(fā)展有著重大意義。

目前我國(guó)已完工的豎井施工案例多數(shù)采用從上至下的正井法全斷面開挖方法為主，伴隨著新興機(jī)械不斷升級(jí)改造，機(jī)械化施工效率不斷提高，在長(zhǎng)大公路隧道施工中反井法的應(yīng)用也逐漸增多。與傳統(tǒng)正井法施工相比較，反井法施工工藝能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行施工。如金山隧道首次將反井法技術(shù)引入到鐵路隧道大直徑深豎井工程中，形成了反井鉆機(jī)一次成井的鑿井新工藝。[2]反井鉆井工藝根據(jù)其工藝主要有2 大類：一類是反井鉆機(jī)設(shè)置在井筒，擴(kuò)挖主要采用傳統(tǒng)鉆爆法由上向下進(jìn)行擴(kuò)挖和支護(hù)；另一類是利用地下巷道空間，布置反井機(jī)械設(shè)備，采用反井鉆機(jī)直接鉆到井孔的設(shè)計(jì)直徑，再根據(jù)工程需求進(jìn)行支護(hù)，最終形成井筒。反井鉆機(jī)利用下部巷道的空間和生產(chǎn)系統(tǒng)，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)巖碴依靠自重下落，不需要采用流體或機(jī)械輔助排碴，實(shí)現(xiàn)了大體積破巖和無(wú)重復(fù)破碎的高效鉆進(jìn)。[3]

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

興業(yè)快線（北段）南起梅華路，北至唐家。起點(diǎn)位于香洲區(qū)興業(yè)路，道路沿線為城市住宅及生活區(qū)。利用現(xiàn)狀地形高差將合并段隧道分為西、東線兩個(gè)隧道。東線隧道下穿雞山村，中山大學(xué)，終點(diǎn)接港灣大道與唐樂(lè)路交叉口；西線隧道出鳳凰山后上跨金唐東路，終點(diǎn)接哈工大路。西線隧道全長(zhǎng)約5761m，屬于公路特長(zhǎng)隧道。[4]

本工程1#通風(fēng)豎井內(nèi)徑11.0m，其中兩個(gè)排風(fēng)道凈空面積為22.55m2，周長(zhǎng)為18.415m；送風(fēng)道凈空面積為43.97m2，周長(zhǎng)為27.007m，井深86.0m；豎井通過(guò)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與地下風(fēng)機(jī)房連接，風(fēng)道需跨越左線隧道與右線隧道相連。

1.2 工程重難點(diǎn)

興業(yè)快線（北段）1#通風(fēng)豎井位于鳳凰山腹地，鳳凰山山高林密，無(wú)上山道路，設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、材料進(jìn)場(chǎng)、碴土運(yùn)輸都比較困難。通過(guò)一些小型專用履帶車輛才能運(yùn)輸小型設(shè)備和材料，大型設(shè)備運(yùn)輸困難，只能單向行駛，每天運(yùn)量有限，長(zhǎng)度約2.3km。

該通風(fēng)豎井風(fēng)下穿Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖，采用反井法施工，先在豎井中部采用反井鉆機(jī)施工出碴導(dǎo)洞，利用導(dǎo)洞將開挖土體落入下方風(fēng)道中，然后通過(guò)主線隧道將碴土運(yùn)送至場(chǎng)外。豎井是個(gè)豎直向下的結(jié)構(gòu)[5]，需對(duì)具有高空墜物風(fēng)險(xiǎn)施工區(qū)域有針對(duì)性地作出警示和防范措施。

2 施工方案選擇

正井法需采用抓巖機(jī)裝碴，吊桶提升運(yùn)輸巖碴和材料，并選擇合適的棄碴場(chǎng)地堆碴。[6]

3.1.5 體位改變 對(duì)照組機(jī)械通氣的患兒床頭抬高15°，而觀察組機(jī)械通氣的患兒床頭抬高30°。王文秋等［15］研究表明，平臥位患者VAP發(fā)生率最高，床頭升高25°者可明顯降低呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎的發(fā)生率。有研究顯示，對(duì)于機(jī)械通氣尤其伴有腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)的患者，除非有禁忌證，如頸椎、骨盆骨折及血液動(dòng)力學(xué)極不穩(wěn)定的患者，否則均將其床頭抬高超過(guò)30°～45°，可以有效地預(yù)防誤吸及胃內(nèi)容物反流［16］。減少口咽部細(xì)菌定植和誤吸的發(fā)生，從而降低VAP的發(fā)生率。

反井法結(jié)合先前施工的導(dǎo)井作為棄碴的便利通道，無(wú)需額外增添出碴設(shè)備和合適棄碴場(chǎng)地。

隨著鉆井技術(shù)進(jìn)步，反井法在降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低施工成本，提高機(jī)械化施工水平方面的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越明顯，工程應(yīng)用逐年增多。[7]

趙順義，趙學(xué)禮[8]以杭州市紫之隧道工程土建第Ⅱ標(biāo)段1#豎井與2#豎井為工程實(shí)例給出了鉆孔爆破方法，炸藥用量計(jì)算方法及孔洞分布位置設(shè)計(jì)原則。采用鉆機(jī)反井法無(wú)需很大的山上施工場(chǎng)地、施工設(shè)備相對(duì)較少、機(jī)械化程度高、施工人員少、勞動(dòng)強(qiáng)度低。[9]

目前國(guó)內(nèi)在特長(zhǎng)公路隧道的施工中所面臨的挑戰(zhàn)逐漸增加，越發(fā)需要施工工藝成熟的同時(shí)，相應(yīng)的施工機(jī)械設(shè)備也在不斷迭代改進(jìn)，在面對(duì)各種復(fù)雜施工條件下的適用性也逐漸增強(qiáng)。國(guó)內(nèi)研發(fā)的系列反井鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了由人工鉆鑿、鉆孔爆破到機(jī)械化破巖鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)變，初步實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化或少人化、機(jī)械化和信息化礦山豎井鉆井。[10]綜合興業(yè)快線（北段）1#通風(fēng)豎井現(xiàn)有的施工條件，對(duì)其進(jìn)行安全、場(chǎng)地、工期、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)方面綜合評(píng)估分析最終采用反井法進(jìn)行施工。

3 反井法開挖施工技術(shù)

3.1 施工主要設(shè)備

施工選用ZFY2.0/200D 煤礦用反井鉆機(jī)進(jìn)行施工，其主要參數(shù)如表1 所示，該反井鉆機(jī)采用清水鉆進(jìn)工藝，利用泥漿泵壓入清水將鉆進(jìn)中產(chǎn)生的巖屑返至地面。被破碎的巖屑在導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)被正循環(huán)的洗井液沖洗，巖屑沿著鉆桿與孔壁間的環(huán)形空間由洗井液提升到鉆孔外。在擴(kuò)孔時(shí)將導(dǎo)孔鉆頭卸下，安裝反擴(kuò)滾刀，巖屑靠自重直接落到下水平巷道內(nèi)，采用裝載機(jī)和運(yùn)輸設(shè)備及時(shí)清理運(yùn)出。

表1 ZFY2.0/200D 鉆機(jī)主要參數(shù)表

3.2 反井法施工工藝流程

反井鉆機(jī)法的豎井施工共分為3 步，即：正鉆導(dǎo)孔、反擴(kuò)導(dǎo)井及人工擴(kuò)挖一次成形。[11]反井鉆機(jī)鉆進(jìn)工藝主要包括導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)2 個(gè)部分，施工工藝流程如圖1所示。

圖1 反井鉆施工工藝流程圖

4 反井法施工方案

4.1 27cm 導(dǎo)向孔鉆孔

反井鉆機(jī)開孔根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，先采用短鉆桿、低鉆壓和低鉆速的方法間斷性往下掘進(jìn)。鉆孔作業(yè)時(shí)，為確保導(dǎo)向孔的垂直度，采用輔助設(shè)備扶正鉆桿保證鉆桿的垂直度，見(jiàn)圖2。

圖2 ZFY2.0/200D 煤礦用反井鉆機(jī)工藝圖

鉆孔過(guò)程中遇到節(jié)理發(fā)育和破碎或軟弱圍巖時(shí)，鉆機(jī)容易產(chǎn)生振動(dòng)、卡鉆現(xiàn)象，需要安置穩(wěn)定鉆桿，并減緩鉆壓、轉(zhuǎn)速，間斷鉆進(jìn)。

4.2 直徑200cm 導(dǎo)碴孔擴(kuò)挖

在豎井導(dǎo)向孔施工前，主洞和聯(lián)絡(luò)通道已經(jīng)貫通至豎井底部，擴(kuò)孔施工所需更換的滾輪刀盤通過(guò)運(yùn)載工具運(yùn)送至豎井底部后，按照以下程序進(jìn)行導(dǎo)碴孔施工（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用見(jiàn)圖3 所示）：

圖3 反井鉆機(jī)施工圖

①安裝直徑200cm 擴(kuò)孔滾輪刀盤。

②孔口接入水管，以冷卻滾輪刀盤、消塵用。

③將回轉(zhuǎn)變速裝置調(diào)為慢速擋。

④調(diào)試擴(kuò)孔滾輪刀盤，同時(shí)對(duì)擴(kuò)孔巖面進(jìn)行刮平。

⑤待擴(kuò)孔滾輪刀盤與巖面均勻接觸后，滾輪刀盤全部進(jìn)入基巖前，采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速進(jìn)行擴(kuò)孔開挖。

⑥待滾輪刀盤全部進(jìn)入豎井圍巖后，調(diào)整鉆機(jī)的鉆壓、鉆速進(jìn)行正常擴(kuò)孔開挖，在豎井底部將道碴運(yùn)輸至洞外棄碴場(chǎng)。[12]

⑦擴(kuò)孔施工注意事項(xiàng)。

1）擴(kuò)孔鉆進(jìn)前利用探傷檢查承載接頭是否完好。及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否存在微裂紋，以便決定是否更換。

2）導(dǎo)孔鉆透后，在下巷道卸下導(dǎo)孔鉆頭，接上擴(kuò)孔鉆頭，擴(kuò)孔鉆頭必須旋緊，螺紋端面不能留有縫隙。防止擴(kuò)孔鉆頭順著螺紋反向自動(dòng)滑落。

3）擴(kuò)孔作業(yè)中根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況調(diào)節(jié)擴(kuò)孔施加的壓力，巖石的強(qiáng)度越高，在保持穩(wěn)定鉆速的前提下增加鉆進(jìn)壓力；反之，巖石的強(qiáng)度降低，控制鉆速，減少鉆進(jìn)壓力；根據(jù)不同巖石強(qiáng)度，保持鉆機(jī)均勻的擴(kuò)孔開挖速度，使鉆機(jī)在平穩(wěn)狀態(tài)下作業(yè)。

5 結(jié)論及總結(jié)

5.1 爆破擴(kuò)孔效率更高

爆破作業(yè)前通過(guò)合理布置炮眼已達(dá)到最佳爆破效率，擴(kuò)孔作業(yè)中因?qū)Ь拇嬖诳梢赃厰U(kuò)孔，邊完成碎碴通過(guò)導(dǎo)井溜至底部進(jìn)行清碴。使得工序銜接更加緊湊，機(jī)械化連續(xù)作業(yè)，相比傳統(tǒng)擴(kuò)孔開挖方式需要上個(gè)工序完成后再進(jìn)行下一道工序，其施工效率要提高5-10 倍。通風(fēng)豎井的快速施工為后期主洞施工提供諸多便利，其綜合效益十分顯著。

通過(guò)與傳統(tǒng)隧道通風(fēng)豎井施工方法相比，反井鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔既使得機(jī)械化施工效率大大增加，同時(shí)降低傳統(tǒng)人工作業(yè)施工風(fēng)險(xiǎn)，滿足城市道路發(fā)展特長(zhǎng)公路隧道豎井工程技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

5.2 出碴速度快

豎井出碴是影響豎井開挖支護(hù)成環(huán)速度的重要工序，破碎出碴往往耗時(shí)較多，效率較低。采用反井法施工時(shí)利用導(dǎo)井使爆破后產(chǎn)生的石碴通過(guò)導(dǎo)井順溜到導(dǎo)井底部，之后再由裝載機(jī)裝車轉(zhuǎn)至場(chǎng)外。

5.3 無(wú)需臨時(shí)通風(fēng)和排水設(shè)施

相比正井法施工需要在豎井頂部設(shè)置臨建設(shè)施，如臨時(shí)通風(fēng)設(shè)施和臨時(shí)排水設(shè)施，反井法施工則恰好利用導(dǎo)井連通豎井頂部和底部，解決豎井掘進(jìn)過(guò)程中爆破產(chǎn)生的有害氣體及煙塵排放問(wèn)題，極大改善豎井底部掌子面的空氣質(zhì)量。施工中產(chǎn)生的廢水和豎井開挖過(guò)程中的涌水及時(shí)從導(dǎo)井順流至導(dǎo)井底部后通過(guò)主洞的排水流至洞外，不用增設(shè)抽水泵來(lái)完成積水抽排，如此既降低工程成本，同時(shí)提高掘進(jìn)效率。

5.4 安全性更好

充分利用反井法施工技術(shù)在特長(zhǎng)公路隧道應(yīng)用的特點(diǎn)，并成功在興業(yè)快線（北段）工程中實(shí)施，為隧道洞身開挖及時(shí)輸送掌子面所需新鮮空氣，極大降低洞身段掌子面有限空間作業(yè)缺氧及有害氣體中毒的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)反井鉆機(jī)采用液壓傳動(dòng)進(jìn)行控制，機(jī)械作業(yè)操作簡(jiǎn)單，有效降低人員作業(yè)強(qiáng)度。

5.5 經(jīng)濟(jì)環(huán)保

豎井采用由上而下進(jìn)行鉆爆擴(kuò)孔開挖，所需乳化炸藥由龍門吊從溜碴孔底部提升至開挖掌子面，從而有效避免炸藥因山路崎嶇運(yùn)輸至山頂增加運(yùn)距，降低施工成本。施工作業(yè)產(chǎn)生的廢水、棄碴通過(guò)導(dǎo)井轉(zhuǎn)移至豎井底部后從主洞洞身往外輸送，因而使得豎井開挖棄碴可以完全通過(guò)溜碴孔封閉外運(yùn)，減少?gòu)呢Q井頂部出碴給環(huán)境帶來(lái)的影響。