一种竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法

摘要

本发明公开一种竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，包括如下步骤：a、施工准备；b、反井钻机安装；c、先导孔钻进施工。本发明先导孔钻进施工过程中，用料常规且价格低廉，同时不涉及需额外采购的器械，采用专业设备较少且整体的操作手法较为简便灵活，减少了施工费用及机具设备投入，大幅降低工程造价，有良好的经济效益的同时，能有效确保施工安全。简便的操作减小了对周边人民群众的影响，无环境有害物质的用料确保了对周边环境以及地下水的保护，该工艺工效高、操作性强、安全环保、质量优良、易推广，且节省投资，为先导孔过流砂层的处置方法增加了新的选项，推动了反井扩挖技术的发展，具有巨大的潜在社会效益。

权利要求

1.一种竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：a、施工准备，开挖循环池、沉淀池和反井钻机基坑，根据通风竖井井筒中心坐标对孔位精确放样后浇筑C20砼施工基座，基座需找平，基座尺寸为4m×3m×1m，基座上固定反井钻机处留置地锚螺栓槽，铺设专用轨道后反井钻机吊装就位；

b、反井钻机安装，反井钻机在井口安装，安装就位时，须检查反井钻机钻进方向是否符合设计要求，利用吊垂线放样钻孔顶角，待反井钻机精确定位后浇筑二期砼，3天后反井钻机调试试运转；

c、先导孔钻进施工，钻孔时采用短钻杆、低轴压、低转速和间断推进的方式，并用扶杆器扶住短钻杆；短钻杆钻入后，首先接稳定钻杆，稳定钻杆完全进入先导孔时，逐渐将轴压和转速增加到正常值，并改用连续推进；距第一个稳定钻杆7～8m时接入第二根稳定钻杆，之后每隔6～7根短钻杆装一根稳定钻杆；

在步骤c先导孔钻进过程中遇塌孔时，通过测量找到塌孔位置，判别塌孔位置岩层状况，使用空压机和洗井液进行扫孔、洗孔，将孔内残余岩渣吹净后停止扫孔，实施注浆，待凝固后进行钻孔；

注浆量按照下式计算：

2

Q＝π×R×L×n×k

其中：R为浆液扩散半径；L为注浆管长度；n为岩体孔隙率；k为填充系数，取值范围为

0.3～0.5，根据不同地质条件取值；

在步骤c先导孔钻进过程中遇二次塌孔时，使用空压机进行扫孔，吹出残余岩渣，搅拌C32.5水泥，并加入一定量速凝剂进行井口注浆，当注浆高度达到塌孔位置以上20米位置时停止注浆，12小时后，再次进行扫孔，直至达到坍塌位置，若不塌陷，则继续钻进；

若井口注浆方法未能达成预期注浆效果，则采用高压注浆处理；首先使用空压机进行洗孔处理，清出残余岩渣，清理完成后，将由拌合站提供的水泥素浆，从钻杆内部通风孔注入，到达井下坍塌位置，持续注浆直至达到塌孔位置以上20米，再由孔口处注入一定量加入一定量速凝剂的C32.5水泥，直至浆液高度达到距离塌孔位置50米，12小时凝固后继续钻进。

2.根据权利要求1所述的竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，其特征在于，在步骤c先导孔钻进过程中遇到断层、裂隙而产生振动或卡钻时，要减缓钻进压力，采用间断推进；随着钻孔深度的增加，换钻杆前的冲洗排渣时间要逐渐增加，并及时清除孔口附近的岩渣；钻深达到50m时开始启用液压减压钻进系统。

3.根据权利要求1所述的竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，其特征在于，在步骤c先导孔钻进过程中过流沙层时，需对反井钻机钻头进行调整，先导孔普通段施工使用牙轮钻头；先导孔过坚硬岩石段时采用球形或柱状合金块钻头；先导孔过较软岩石段时选用契型合金块钻头。

4.根据权利要求1或3所述的竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，其特征在于，在步骤c先导孔钻进过程中需进行泥浆护壁，先导孔通过流砂层段时泥浆护壁使用的泥浆为混合料泥浆。

5.根据权利要求4所述的竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，其特征在于，泥浆护壁完成后，对先导孔进行封孔加压深孔注浆，封孔加压深孔注浆前需对先导孔进行扫孔，开始扫孔的位置在钻头通过流砂层后六米。

6.根据权利要求1所述的竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，其特征在于，在步骤c先导孔钻进过程中出现钻杆断裂掉进先导孔时，需对钻杆进行打捞，完成打捞钻杆作业后继续钻进。

说明书

一种竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及竖井反井法施工技术领域，特别是涉及一种竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法。

背景技术

[0002] 近年来，我国隧道建设数量持续高位，隧道建设长度反超建设数量，“长、大、多、深”已成为隧道建设未来发展趋势。其中特长公路隧道为解决通风问题，一般在隧道中部设
置通风竖井，传统的隧道竖井施工,主要是通过由上而下的全断面开挖法，辅以钻爆等方
法，刷大立井直径，效率低，污染环境，人身安全得不到保障。随着技术不断发展，具有成井
质量好、凿井效率高、费用低廉、安全环保、可穿越复杂地层等优点的反井扩挖施工方式逐
渐成为竖井的主流施工方式。

[0003] 竖井在穿越较浅层的不稳定冲积层时一般采用导硐法、管棚法、金属棚背板法、锚网喷法作临时支护施工，当冲积层含水较大时采用冻结、帷幕、超前注浆、局部硬化等特殊
方法施工。先导孔施工是竖井施工的第一步，也是最重要的一步，先导孔成孔的效果直接决
定竖井施工的成功与否。而竖井先导孔在穿越含水流砂层施工过程中，会出现孔壁坍塌、埋
钻等现象，导致施工缓慢，安全风险大。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，以解决上述现有技术存在的问题，确保先导孔正常建设，缩短工期。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，包括如下步骤：

[0006] a、施工准备，开挖循环池、沉淀池和反井钻机基坑，根据通风竖井井筒中心坐标对孔位精确放样后浇筑C20砼施工基座，基座需找平，基座尺寸为4m×3m×1m，基座上固定钻
机处留置地锚螺栓槽，铺设专用轨道后反井钻机吊装就位；

[0007] b、反井钻机安装，反井钻机在井口安装，安装就位时，须检查钻机钻进方向是否符合设计要求，利用吊垂线放样钻孔顶角，待钻机精确定位后浇筑二期砼，3天后反井钻机调
试试运转；

[0008] c、先导孔钻进施工，钻孔时采用短钻杆、低轴压、低转速和间断推进的方式，并用扶杆器扶住钻杆；短钻杆钻入后，首先接稳定钻杆，稳定钻杆完全进入导孔时，逐渐将轴压
和转速增加到正常值，并改用连续推进；距第一个稳定钻杆7～8m时接入第二根稳定钻杆，
之后每隔6～7根钻杆装一根稳定钻杆。

[0009] 优选的，在步骤c先导孔钻进过程中遇到断层、裂隙而产生振动或卡钻时，要减缓钻进压力，采用间断推进；随着钻孔深度的增加，换钻杆前的冲洗排渣时间要逐渐增加，并
及时清除孔口附近的岩渣；钻深达到50m时开始启用液压减压钻进系统。

[0010] 优选的，在步骤c先导孔钻进过程中过流沙层时，需对反井钻机钻头进行调整，先导孔普通段施工使用牙轮钻头；先导孔过坚硬岩石段时采用球形或柱状合金块钻头；先导
孔过较软岩石段时选用契型合金块钻头。

[0011] 优选的，在步骤c先导孔钻进过程中需进行泥浆护壁，先导孔通过流砂层段时泥浆3
护壁使用的泥浆为混合料泥浆，所述混合料泥浆按照50kg膨润土、1m水、25kg木屑与粘性
土外加剂配比制成。

[0012] 优选的，泥浆护壁完成后，对先导孔进行封孔加压深孔注浆，封孔加压深孔注浆前需对先导孔进行扫孔，开始扫孔的位置在钻头通过流砂层后六米。

[0013] 优选的，在步骤c先导孔钻进过程中遇塌孔时，通过测量找到塌孔位置，判别塌孔位置岩层状况，使用空压机和洗井液进行扫孔、洗孔，将孔内残余岩渣吹净后停止扫孔，实
施注浆，待凝固后进行钻孔；

[0014] 注浆量按照下式计算：

[0015] Q＝π×R2×L×n×k

[0016] 其中：R为浆液扩散半径；L为注浆管长度；n为岩体孔隙率；k为填充系数，取值范围为0.3～0.5，根据不同地质条件取值。

[0017] 优选的，在步骤c先导孔钻进过程中遇二次塌孔时，使用空压机进行扫孔吹出残余岩渣，进行井口注浆，当注浆高度达到塌孔位置以上20米位置时停止注浆，12小时后，再次
进行扫孔，直至达到坍塌位置，若不塌陷，则继续钻进。

[0018] 优选的，在步骤c先导孔钻进过程中出现钻杆断裂掉进先导孔时，需对钻杆进行打捞，完成打捞钻杆作业后继续钻进。

[0019] 本发明公开了以下技术效果：

[0020] (1)对钻头形式进行优化调整，减少钻头对侧壁的扰动以及砂土在钻进过程中的流失，达到了节约成本、快速施工的效果。

[0021] (2)采用“膨润土+水+木屑+适量粘性土外加剂”调配特定泥浆，其中木屑填塞裂隙，防止泥浆流失，加强护壁效果，控制孔壁坍塌现象。

[0022] (3)局部塌孔位置采用注浆泵连接钻杆高压注浆，从井下坍塌位置处进行注浆稳定，稳定效果好，施工成本低。

[0023] (4)自行研发断裂钻杆、钻头打捞技术，处理方便快速，对施工器具损伤小。

[0024] (5)纵深推进标准化管理，安全质量整体可控、样板引路效果明显，实现了施工生产的快速有序。

附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

[0026] 图1为本发明中高压封孔注浆示意图；

[0027] 图2为本发明中塌孔时深孔注浆示意图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0030] 本发明提供一种竖井反井法先导孔过大面积流砂层的施工方法，包括如下步骤：

[0031] a、施工准备，开挖约8m3的循环池和沉淀池，以及约6m3的反井钻机基坑。根据通风竖井井筒中心坐标对孔位精确放样后浇筑C20砼施工基座，基座需找平，基座尺寸4m×3m×
1m，基座上固定钻机处留置地锚螺栓槽，铺设专用轨道后反井钻机吊装就位；

[0032] b、反井钻机安装，反井钻机在井口使用16T吊车配合安装。安装就位时，必须严格检查钻机钻进方向(钻孔顶角)是否符合设计要求，利用吊垂线放样钻孔顶角，待钻机精确
定位后浇筑二期砼，3天后反井钻机调试试运转；

[0033] c、先导孔钻进施工，开孔时要采用短钻杆、低轴压、低转速和间断推进的方式，并用扶杆器扶住钻杆；短钻杆钻入后，首先接稳定钻杆，稳定钻杆起导向作用，稳定钻杆完全
进入导孔时，才能逐渐将轴压和转速增加到正常值，并改用连续推进。距第一个稳定钻杆7
～8m时接入第二根稳定钻杆，以后每隔6～7根钻杆装一根稳定钻杆。

[0034] 碰到断层、裂隙而产生振动或卡钻时，要减缓钻进压力，亦可采用间断推进。随着钻深的增加，换钻杆前的冲洗排渣时间要逐渐增加，保证将孔内的岩渣排净再换钻杆，避免
在换钻杆过程中造成返渣埋钻事故。要及时清除集在孔口附近的岩渣，保证排渣通畅。钻深
达到50m时开始启用液压减压钻进系统。随着钻深的增加，加大减压压力，将施加在钻头上
的轴压维持在一个理想值。先导孔钻进时的钻压、转速和钻速表如表1所示：

[0035] 表1先导孔钻进时的钻压、转速和钻速表

[0036]

[0037] 先导孔钻进施工注意事项：

[0038] (1)流砂层钻头调整

[0039] 先导孔普通段施工使用牙轮钻头，配合高压空压机进行高压脉冲冲击前导孔钻进，其工作原理是通过钻杆轴向力和扭矩的作用,使钻头与岩体之间产生研磨作用,将研磨
下来的岩屑通过泥浆循环液从孔底带出。针对不同地层，应采用不同的钻头组合形式。坚硬
岩石钻头上采用球形或柱状合金块较合理,而较软的岩石宜选用契型合金块。

[0040] 针对流砂层具有塑性极低或无塑性、透水性强、压缩性低且压缩过程快、接近于流体状态的特点,首先对钻头唇面合金块的结构形式进行了改造,将原来圆柱形合金块更换
为契型合金块,使其从在岩层中的研磨作用原理更改为砂层中扰动较少的切削作用。其次
对合金块的数量、排列方式及切削角度进行调整,增加契型合金块数量,采用密布式排列方
式,增大与孔底砂土的切削面积,形成复合片钻头。采用压入回转连续平稳的切削方式破碎
岩石。在快速通过流砂层的同时，减少由于钻头的挤压作用造成的砂层扰动情况，同时也减
少钻头钻进以及下降、提拉过程中对流砂的扰动。

[0041] (2)流砂层泥浆配比调整

[0042] 由于岩体裂隙发育及流沙段水力作用，先导孔通过流砂层段时，浆液流失现象严重，使注入泥浆不断流失，泥浆高度无法达到井口，不满足泥浆循环要求。为实现泥浆达到
循环要求，并增强护壁效果，采用木屑作为泥浆混合料，使用木屑填塞裂隙，达到防止泥浆
3
流失目的，泥浆按照“50kg膨润土+1m水+25kg木屑+适量粘性土外加剂(现场采用泥浆王)”
配比，裂隙填塞以及护壁效果好。注入添加木屑的泥浆后，泥浆的流失情况开始好转，泥浆
高度重新达到井口位置，达到循环要求。而后开始进行钻进，注入泥浆几次反复循环后，发
现泥浆护壁情况良好，井孔坍塌现象明显好转，同时使打钻岩渣悬浮在泥浆中，无法沉淀埋
住钻杆，以此使钻机钻过坍塌底层。

[0043] (3)封孔加压深孔注浆

[0044] 如图1所示，为检查上一段的注浆效果和为下一段注浆提供资料，要沿着原来注浆孔位扫孔。高压注浆前开始扫孔，扫孔要与原孔位一致，采用轻压快转的方式，开始扫孔的
位置定在钻头通过流砂层后六米左右。

[0045] 扫孔完成后，现场准备好一段与孔内直径相仿的朽木或装有填充物的袋子，与足够长的绳子相连接，一端连接到井架上，以作为封堵井口时的下部支撑，准备一段足够长的
pvc管(大于封闭井口长度即可)，将位于封闭段的 高压注浆管装入其中，并使用稀释砂
浆填充注浆管与pvc管之间空隙，以达到保护及稳定注浆管的作用，将注浆管下放到井内，
并将提前准备好的朽木或装有填充物的袋子相互连接好，下放到井内相应位置，全部安装
完成后对封闭段进行注浆，注浆完成后，待强度达到要求，再进行钻孔工作。

[0046] (4)塌孔施工操作

[0047] 根据钻机钻进出渣以及钻杆的提拉情况判断是否塌孔。

[0048] 如有塌孔时，如图2所示，首先进行测量，找到塌孔位置，结合地质简图以及出渣质地等，判别塌孔位置岩层状况。根据现场情况，使用RAP‑1000E空压机和洗井液(十二烷基硫
酸钠溶液)进行扫孔、洗孔适当时长，将孔内残余岩渣吹出，待孔内岩渣吹净且不继续增加，
停止扫孔，实施第一次注浆，待凝固后进行钻孔。注浆量可按照下式计算：

[0049] Q＝π×R2×L×n×k

[0050] 其中：R为浆液扩散半径(m)；L为注浆管长度；n为岩体孔隙率；k为填充系数，取值范围为0.3～0.5，根据不同地质条件取值。

[0051] 若再次坍塌，则进行井口注浆处理，使用空压机进行洗孔处理，吹出残余岩渣。搅拌C32.5水泥，并加入一定量速凝剂，由井口直接注入，边注入边测量，测量注浆高度达到塌
孔位置以上20米位置左右，停止注浆。经过12小时凝固，进行二次扫孔，直至达到原坍塌位
置时，若不塌陷，则继续钻进。

[0052] 若井口注浆方法未能达成预期注浆效果，则采用高压注浆处理，注浆泵连接钻杆，将水泥浆由钻杆中心孔输送到达坍塌处，从井下坍塌位置处进行注浆。首先使用空压机进
行洗孔处理，清出残余岩渣，将井孔内清理完成后，使用由工人焊接的特质钻头和额定压力
为8兆帕(可根据实际情况调整)的注浆泵，将由拌合站提供的水泥素浆，从钻杆内部通风孔
注入，到达井下坍塌位置，持续注浆直至达到塌孔位置以上20米左右，再由孔口处再次注入
一定量加入一定量速凝剂的32.5水泥，直至浆液高度达到距离塌孔位置50米左右，12小时
凝固后继续钻进。

[0053] (5)钻杆断裂打捞

[0054] 流砂层段塌孔时，可能出现钻杆断裂掉进先导孔的情况。打捞钻杆的方法，选用直径大于钻杆的中空钢管，并在其端头焊接上约1cm长合金颗粒，制作成合金钻头，将合金钻
头连接到先导孔钻机上向下进行打磨，打磨至钻杆螺纹处停止，将合金钻头提拉上来，使用
丝锥换下合金钻头，由于丝锥为带螺纹倒锥形，且在下方混凝土的固定作用，较易旋进钻杆
内，旋紧丝锥后，对钻杆进行提拉，提拉上来后完成打捞钻杆作业。

[0055] 本发明用料常规且价格低廉，同时不涉及需额外采购的器械，采用专业设备较少且整体的操作手法较为简便灵活，减少了施工费用及机具设备投入，大幅降低工程造价，有
良好的经济效益的同时，能有效确保施工安全。简便的操作减小了对周边人民群众的影响，
无环境有害物质的用料确保了对周边环境以及地下水的保护，该工艺工效高、操作性强、安
全环保、质量优良、易推广，且节省投资，为先导孔过流砂层的处置方法增加了新的选项，推
动了反井扩挖技术的发展，具有巨大的潜在社会效益。在本发明的描述中，需要理解的是，
术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、
“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发
明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本发明的限制。

[0056] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。