隧洞豎井開挖施工

魏立鴻

（山西省水利建筑工程局 山西太原030006）

1 某隧洞工程情況概述

某長(zhǎng)隧洞工程線路總長(zhǎng)度22955m。豎井包括：通風(fēng)豎井、施工豎井和調(diào)壓井，調(diào)壓井距隧洞進(jìn)口約103m，具體施工概況見表1。

表1 豎井開挖施工概況表

2 施工布置

豎井施工現(xiàn)場(chǎng)布置主要包括施工風(fēng)、水、電系統(tǒng)布置。

2.1 風(fēng)系統(tǒng)

2.1.1 施工供風(fēng)

豎井鉆爆法施工段開挖主要采用手風(fēng)鉆造孔，施工用風(fēng)主要為手風(fēng)鉆開挖用風(fēng)和支護(hù)施工用風(fēng)。

調(diào)壓井供風(fēng)結(jié)合隧洞石方開挖統(tǒng)一考慮，施工豎井和通風(fēng)井?dāng)M配備24m3空壓機(jī)二臺(tái)。供風(fēng)采用DN100鋼管作為供風(fēng)主管引至工作面附近，主管路末端設(shè)置小風(fēng)包，鉆機(jī)用風(fēng)通過1.5英寸高壓風(fēng)管從小風(fēng)包中直接取用。

2.1.2 施工通風(fēng)

調(diào)壓井深52.8m，直徑18m，采用先導(dǎo)井后擴(kuò)挖法施工，鉆孔孔徑370 mm，導(dǎo)井直徑5.0 m，故不需要通風(fēng)。通風(fēng)井、施工豎井通風(fēng)量按下式計(jì)算：

擬采用壓入式通風(fēng)，取φ0.6m。

式中：Q—同時(shí)爆破的最大炸藥量，kg；

t—爆破后的通風(fēng)時(shí)間，min；

VW—豎井通風(fēng)量，m3/min；

H—井筒最終深度，m；

S—井筒斷面面積，m2；

K1—修正系數(shù)，井深小于200 m時(shí)K1=1；

經(jīng)計(jì)算，風(fēng)機(jī)選擇 SDF（A）-№5.611×2kW,該風(fēng)機(jī)主要參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)表

2.2 水系統(tǒng)

2.2.1 供水方案

施工供水主要包括生產(chǎn)用水和生活用水兩部分。施工用水主要為開挖用水、考慮后期混凝土拌和用水、噴射混凝土用水、混凝土、砌體養(yǎng)護(hù)用水、灌漿用水以及生活區(qū)用水等。

通風(fēng)豎井用水量不大，擬從附近施工區(qū)拉水至現(xiàn)場(chǎng)水池；施工豎井?dāng)M采用打井取水（擬定井深均為100 m，施工時(shí)根據(jù)實(shí)際情況打井），修筑一座50 m3高位蓄水池，先用潛水泵從水井中抽水至現(xiàn)場(chǎng)高位蓄水池內(nèi)；調(diào)壓井施工用水與進(jìn)口段共用，采用高揚(yáng)程泵抽水至豎井施工區(qū)。

抽水至生活區(qū)，解決工程項(xiàng)目部及現(xiàn)場(chǎng)施工人員的生活用水。

2.2.2 排水方案

豎井施工排水主要包括基坑日常滲水，施工用水、一般涌水，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)要求，擬將潛水泵放在基坑底部，用高揚(yáng)程泵排到豎井外面的污水處理廠，處理達(dá)標(biāo)后排放或回收利用。調(diào)壓豎井采用導(dǎo)井法施工，利用進(jìn)口排水設(shè)施即可滿足要求。

對(duì)于豎井開挖，可能出現(xiàn)許多不確定的地質(zhì)情況。我們?cè)谑┕み^程中計(jì)劃加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，提前發(fā)現(xiàn)地下水富集區(qū)并及時(shí)處理，排水應(yīng)考慮萬一發(fā)生大規(guī)模涌水時(shí)的排水能力儲(chǔ)備。

2.3 供電系統(tǒng)

施工用電主要考慮后期混凝土及砂漿拌和機(jī)械用電、混凝土澆筑設(shè)備用電、支護(hù)和灌漿設(shè)備用電、各加工場(chǎng)區(qū)機(jī)具設(shè)備用電、照明用電以及其他零星用電等，用電量相對(duì)較小。

根據(jù)隧洞施工機(jī)械設(shè)備的配置，調(diào)壓井供電設(shè)備全部利用進(jìn)口段設(shè)備。

施工豎井和通風(fēng)井?dāng)M配備300 kW移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)一臺(tái)，滿足洞內(nèi)、洞外施工用電需求。另外，各施工點(diǎn)配備50 kW柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。

豎井外設(shè)置一個(gè)配電柜，供豎井施工設(shè)備、豎井照明用電及生活照明用電。

2.4 臨時(shí)火工材料庫

豎井開挖方量相對(duì)小，所需炸藥結(jié)合隧洞石方開挖統(tǒng)一考慮。

3 豎井施工工藝

3.1 調(diào)壓井施工

調(diào)壓井為圓形斷面，成型直徑18m，由于斷面大，擬采用先導(dǎo)井后擴(kuò)大開挖法施工，導(dǎo)井開挖采用吊罐法，先用鉆機(jī)鉆鋼絲繩孔（孔徑370 mm），加固井口，安裝50 t提升設(shè)備，下放鋼絲繩吊吊罐進(jìn)行鉆孔爆破作業(yè)，石渣從導(dǎo)井內(nèi)卸入井底。視圍巖穩(wěn)定情況，支護(hù)跟著開挖面進(jìn)行，根據(jù)進(jìn)度安排，平均每3天施工進(jìn)尺2m，渣料均從主洞運(yùn)轉(zhuǎn)出去，進(jìn)口段設(shè)備滿足豎井施工要求。

根據(jù)該部位石方開挖特點(diǎn)，導(dǎo)井為直徑5.0 m的圓形斷面，以滿足出渣要求，導(dǎo)井施工單循環(huán)進(jìn)尺控制在2.0 m，每天2個(gè)循環(huán)；擴(kuò)大開挖擬采用鉆爆法分層進(jìn)行開挖，選擇手風(fēng)鉆鉆孔爆破，主炮孔先爆，光爆孔后爆，擴(kuò)大開挖參考明挖參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)，人工輔助挖機(jī)將渣料卸至導(dǎo)井后通過主洞運(yùn)出，開挖導(dǎo)井示意圖1、自上而下擴(kuò)挖示意圖2。

先導(dǎo)井后擴(kuò)大法施工程序：井頂開挖、支護(hù)→進(jìn)口提升設(shè)施架設(shè)→導(dǎo)井開挖（下部施工通道）→進(jìn)口擴(kuò)大及鎖口混凝土→進(jìn)口機(jī)架平臺(tái)→擴(kuò)大開挖及安全支護(hù)→混凝土模板及混凝土下料系統(tǒng)→井身混凝土澆筑→井身灌漿→清理驗(yàn)收。

圖1 開挖導(dǎo)井示意圖圖

2 自上而下擴(kuò)挖示意圖

3.2 通風(fēng)豎井施工

通風(fēng)豎井為圓形斷面，成型直徑6.8m，由于斷面小，擬采用全斷面開挖一次成型法施工，先加固井口，安裝提升設(shè)備，進(jìn)行鉆孔爆破作業(yè)。支護(hù)跟著開挖面進(jìn)行，人工將渣料裝至吊桶內(nèi)，通過10 t起吊設(shè)備將渣料運(yùn)至豎井口，自卸汽車二次倒運(yùn)至洞挖棄渣場(chǎng)。根據(jù)進(jìn)度安排，平均每天施工進(jìn)尺2m。選擇手風(fēng)鉆鉆孔小斷面爆破，主炮孔先爆，光爆孔后爆。

3.3 施工豎井施工

施工豎井為圓形斷面，成型直徑5.0 m，上部13.8m為壤土、砂礫碎石含黏性土，擬采用挖機(jī)開挖，支護(hù)緊跟開挖面進(jìn)行施工，開挖至巖石面進(jìn)行土洞段二次襯砌，總耗時(shí)約41d；下部31.3m為灰?guī)r，人工輔助挖機(jī)將渣料裝至吊桶內(nèi)，通過10 t起吊設(shè)備將渣料運(yùn)至豎井口，自卸汽車二次倒運(yùn)至洞挖棄渣場(chǎng)，支護(hù)跟著開挖面進(jìn)行。根據(jù)進(jìn)度安排，平均每天施工進(jìn)尺2m，總耗時(shí)約21d。

通風(fēng)井、施工豎井全斷面開挖示意圖3。全斷面開挖法施工程序：井口明挖、井口段開挖→鎖口→井架提升設(shè)備安裝→井身開挖→井身混凝土→灌漿，井身開挖一段襯砌一段。

圖3 全斷面開挖示意圖

4 爆破設(shè)計(jì)

總爆破網(wǎng)絡(luò)采用電雷管起爆，導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)毫秒微差爆破。采用楔形掏槽，周邊預(yù)裂、光面爆破的方法，以形成光滑平整的最終開挖斷面，爆破后視圍巖情況進(jìn)行支護(hù)施工。根據(jù)各爆破參數(shù)的計(jì)算方法計(jì)算圍巖開挖的各爆破參數(shù)，所得參數(shù)施工時(shí)根據(jù)實(shí)際情況可修正。

周邊孔采用導(dǎo)爆索進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，掏槽孔及崩落孔（輔助孔）采用塑料導(dǎo)爆管聯(lián)網(wǎng)。從內(nèi)到外分段先后逐段起爆。其起爆順序?yàn)橄绕鸨筒叟诳祝又鸨缆淇?，然后是光爆孔?/p>

爆破指揮人員要確認(rèn)安全警戒工作完成，并發(fā)布起炮信號(hào)后，方可發(fā)出起爆命令。

5 主要資源配置

根據(jù)循環(huán)時(shí)間計(jì)算分析，調(diào)壓井、通風(fēng)井及施工豎井開挖支護(hù)時(shí)間分別為100 d、46d和61d，資源配置如下：

每臺(tái)手風(fēng)鉆實(shí)際耗風(fēng)量約4m3/min，通風(fēng)井、施工豎井分別配備10臺(tái)手風(fēng)鉆即可滿足要求，考慮混凝土噴射機(jī)施工實(shí)際耗風(fēng)量約8m3/min，另外需考慮其他小型設(shè)備用風(fēng)，同時(shí)必須考慮一定的供風(fēng)損耗。

調(diào)壓井所需設(shè)備全部利用進(jìn)口段設(shè)備,另配150型地質(zhì)鉆機(jī)一臺(tái)。

施工豎井?dāng)M配備3m3側(cè)卸裝載機(jī)一臺(tái)，10 t門式起重機(jī)一臺(tái)，15t自卸汽車3臺(tái)，0.6m3液壓反鏟挖掘機(jī)一臺(tái)。

通風(fēng)井?dāng)M配備10 t門式起重機(jī)一臺(tái)，15t自卸汽車二臺(tái)。

6 豎井施工注意事項(xiàng)

6.1 防物體墜落

井口設(shè)臨時(shí)安全護(hù)欄，護(hù)欄下設(shè)封閉擋渣板或攔渣坎；豎井井口應(yīng)設(shè)全封閉蓋板（除必須的施工預(yù)留孔處），出渣孔設(shè)自動(dòng)開啟封閉門。

6.2 提升設(shè)備

防止過卷、過速，設(shè)過電流和失電壓等保險(xiǎn)裝置及可靠的制動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)置防滑裝置，防止斷繩車（桶）；建立制度，定期檢查提升及出渣設(shè)備，以及鋼絲繩斷絲情況；建立可靠的通信和信號(hào)系統(tǒng)，信號(hào)聲光兼?zhèn)洹?/p>

6.3 人員交通

設(shè)置人行爬梯，豎井爬梯應(yīng)設(shè)護(hù)欄，每隔8～10 m設(shè)休息平臺(tái)；每隔一定距離設(shè)安全網(wǎng)。

6.4 其他

為了保護(hù)支護(hù)及前期襯砌，擬控制最大單響起爆裝藥量，以降低爆破的瞬間能量過大帶來的地震效應(yīng)；爆破施工中，合理設(shè)置和人為開創(chuàng)自由面來減小巖體過大的夾制作用，以免造成地面的震動(dòng)和飛石；采用微差網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用先爆孔爆破后造成附近巖體破碎和松裂為后爆孔開創(chuàng)內(nèi)部自由面來達(dá)到降振目的；嚴(yán)格控制鉆孔超深，過大的超深會(huì)增加爆破的振動(dòng)。

防導(dǎo)井堵塞，控制爆破后石渣塊度不大于導(dǎo)井井徑的1/3，加大各段雷管間隔時(shí)間；通風(fēng)、排水，建立可靠的通風(fēng)和排水系統(tǒng)；防人員墜落，井內(nèi)作業(yè)人員必須系安全帶；臨時(shí)支護(hù)必須與開挖同時(shí)進(jìn)行；對(duì)不利的巖層結(jié)構(gòu)面，節(jié)理裂隙段，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行錨固；爆破后應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行危石撬除。

豎井施工期間還有注意防雨洪工作。

7 結(jié)語

水利施工豎井一般包括施工豎井、通風(fēng)豎井和調(diào)壓豎井，長(zhǎng)隧洞施工中,供電距離長(zhǎng)，通風(fēng)難度大，特別是穿過煤系地層有瓦斯危害地段的長(zhǎng)隧洞,在隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度長(zhǎng)、斷面相對(duì)較小、且在上坡施工情況下,解決施工通風(fēng)、瓦斯排放、洞內(nèi)出渣進(jìn)料運(yùn)輸干擾等都是迫切需要解決的問題。豎井在長(zhǎng)隧洞施工中發(fā)揮著“一井多用”的作用。選擇豎井施工方法時(shí)，須考慮圍巖的類別、交通條件、斷面尺寸等諸多因素。