隧道超深豎井設(shè)計(jì)施工技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

趙東平 吳 楠 李 華 涂懷宇

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031; 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031;3. 中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司,青島 266555)

豎井作為隧道工程建設(shè)中的重要組成部分,不僅是隧道施工的重要通道,還可以作為隧道通風(fēng)豎井等永久性結(jié)構(gòu)使用[1]。 近年來,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn),隧道長(zhǎng)度和埋深也越來越大,超深豎井在隧道工程中的應(yīng)用也愈加廣泛[2]。2019 年9 月,大瑞鐵路高黎貢山隧道1 號(hào)豎井掘進(jìn)到底,標(biāo)志著我國(guó)隧道豎井開挖深度已達(dá)到764.74m。開挖深度的不斷增加,對(duì)豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)提出新要求。 而隨著豎井建設(shè)的發(fā)展,豎井?dāng)嗝娌粩嘣龃?所處地層也愈加復(fù)雜,目前既有研究成果已難以適應(yīng)某些情況的豎井設(shè)計(jì)施工,尤其是針對(duì)深大斷面硬巖豎井方面的研究成果甚少。 從超深豎井的井型設(shè)計(jì)、襯砌井壁壓力理論、豎井施工方法等方面,對(duì)超深豎井設(shè)計(jì)及施工技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行討論和總結(jié),從而提出超深豎井未來研究方向,以期為工程界及研究機(jī)構(gòu)提供參考和借鑒。

1 超深豎井設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 豎井井型研究現(xiàn)狀

豎井的組成部分主要有鎖口、井身、井窩、馬頭門及聯(lián)絡(luò)通道等部分,在進(jìn)行豎井設(shè)計(jì)時(shí),首要考慮合理選擇豎井?dāng)嗝嫘问?從而確定豎井結(jié)構(gòu)斷面尺寸及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式[3]。 通常情況下,豎井?dāng)嗝嫘螤顟?yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、豎井服務(wù)年限、豎井深度和建設(shè)成本等因素[4-5]。 目前豎井?dāng)嗝嬷饕捎镁匦?、圓形、橢圓形及類橢圓形等形式[6-7],見圖1。

圖1 隧道豎井?dāng)嗝嫘问?/p>

胡志耀通過數(shù)值計(jì)算并綜合考慮施工豎井平面布置、功能、井深、作用荷載、施工難度等因素對(duì)豎井?dāng)嗝孢M(jìn)行比較,給出各斷面形式所適用的工程情況建議[3];趙興東通過對(duì)國(guó)內(nèi)外豎井?dāng)嗝嫘问降恼{(diào)研,認(rèn)為隨著豎井開鑿深度的增加,井壁圍巖承受的自重應(yīng)力、附加應(yīng)力和最大水平應(yīng)力進(jìn)一步增加,在矩形豎井?dāng)嗝婀战翘帟?huì)產(chǎn)生高應(yīng)力集中,誘致井壁圍巖產(chǎn)生破壞,矩形斷面設(shè)計(jì)因此逐漸被淘汰,代之采用圓形豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)形式[6]。 對(duì)于深度達(dá)到數(shù)百米的超深豎井,其水平構(gòu)造應(yīng)力逐漸呈不均勻分布,采用圓形豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)形式不能滿足要求,可根據(jù)水平構(gòu)造主應(yīng)力作用方向設(shè)計(jì)為橢圓形,以滿足高應(yīng)力作用下井壁圍巖穩(wěn)定及其合理的斷面利用。

總體來看,關(guān)于豎井井型方面的研究已有較多成果。 由于圓形和橢圓形豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)受力較好,是目前豎井采用的主要斷面形式。 通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前豎井結(jié)構(gòu)的斷面尺寸多在10 m 以下,對(duì)于大斷面的超深豎井?dāng)嗝嫘问缴袩o相關(guān)研究。

1.2 豎井襯砌井壁壓力研究現(xiàn)狀

豎井襯砌受圍巖壓力及水壓共同作用,圍巖巖性、施工方法及地下水賦存狀態(tài)不同,均會(huì)導(dǎo)致作用于襯砌結(jié)構(gòu)的荷載發(fā)生變化,明確豎井襯砌井壁壓力的分布情況是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提和基礎(chǔ)。 關(guān)于豎井襯砌井壁壓力計(jì)算理論的研究,最早開始于經(jīng)典土壓力理論階段[8],即采用朗肯土壓力及庫(kù)侖土壓力理論對(duì)井壁側(cè)向壓力進(jìn)行計(jì)算,這兩種理論側(cè)向壓力都是由土體垂直地應(yīng)力與側(cè)壓力系數(shù)相乘得到,區(qū)別在于側(cè)壓力系數(shù)的取值和計(jì)算方法不同[9]。 隨著豎井開挖深度不斷增加,經(jīng)典土壓力理論逐漸不適用于工程實(shí)際情況,隨后又發(fā)展出其他井壁壓力計(jì)算方法。

秦巴列維奇假定豎井周圍每層土體(或巖體)受到破壞時(shí)出現(xiàn)滑動(dòng)棱柱體,將其上覆蓋層視為作用于破壞棱柱體上的均布荷載[10-11],得到的豎井圍巖壓力計(jì)算公式(簡(jiǎn)稱“秦氏公式”),即

“秦氏公式”在硬質(zhì)巖層超深豎井井壁壓力的計(jì)算上存在少量不合理處,郭繼林認(rèn)為對(duì)于硬質(zhì)巖層中的超深豎井,秦氏公式計(jì)算結(jié)果偏大,公式合理性還需進(jìn)一步驗(yàn)證和完善[12]。

別列贊采夫認(rèn)為井壁周圍的滑動(dòng)體是一個(gè)環(huán)狀的空心圓錐體[13-14],用解析法推導(dǎo)出作用于土體上的主動(dòng)土壓力計(jì)算公式(簡(jiǎn)稱“別氏公式”),即

“別氏公式”認(rèn)為,土壓力隨深度呈冪函數(shù)曲線分布,在淺層土體時(shí),壓力隨開挖深度的增加而增加,當(dāng)開挖至一定深度后,土壓力將接近一個(gè)極限值,但該結(jié)論尚未被實(shí)際工程證實(shí),且公式中未考慮地下水的影響等因素,故在計(jì)算豎井壁土壓力時(shí)沒有獲得實(shí)際應(yīng)用[15]。

馬英明基于“別氏公式”提出夾心墻土壓力理論,其實(shí)質(zhì)是將滑動(dòng)空心圓錐體簡(jiǎn)化為滑動(dòng)圓筒體,通過體積等值法使滑動(dòng)圓筒體積等于滑動(dòng)圓錐體積,從而解出夾心墻土壓力計(jì)算公式[16],即

夾心墻土壓力公式計(jì)算結(jié)果的偏差隨井深增加逐漸增大,在300 m 時(shí)偏差值可達(dá)23%,故該公式僅適應(yīng)于軟土地層淺埋豎井。

周健基于短段掘砌混合作業(yè)的施工方法提出了一種適用于該施工模式的硬巖豎井荷載理論[17],其計(jì)算公式為

由于上式在推導(dǎo)過程中,依據(jù)短段掘砌混合作業(yè)法進(jìn)行前提假設(shè),具有較強(qiáng)的針對(duì)性,其計(jì)算公式是否適用于其他施工方法還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

以上這些豎井井壁襯砌壓力計(jì)算理論均有局限性,或不適用于硬質(zhì)巖層,或不適用于深部土層等。 而且在公式推導(dǎo)過程中,多忽略井壁與壁后土體間摩擦作用,故計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際有所偏差。 在應(yīng)用式(2)～式(4)進(jìn)行計(jì)算時(shí),當(dāng)豎井開挖至某一“極限深度”后,井壁壓力將趨于穩(wěn)定值。 此結(jié)論的科學(xué)性及合理性仍需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。 因此,如何科學(xué)地考慮井壁摩擦力進(jìn)行井壁荷載理論推導(dǎo),并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證緊密結(jié)合是下一步研究的重點(diǎn)。

1.3 豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

在豎井施工過程中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行井壁支護(hù),以支承加固圍巖,維持井壁圍巖的穩(wěn)定性。 在支護(hù)形式的選擇上,如果開挖地層圍巖穩(wěn)定性良好,通常無需采用支護(hù)手段;如果開挖地層圍巖穩(wěn)定性較差,則需采用相關(guān)的井壁加固措施保證井壁圍巖穩(wěn)定性。 豎井支護(hù)方式取決于所處地層性質(zhì),目前在巖石地層中一般采用錨桿噴射混凝土技術(shù),在土層中一般采用“圍護(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐”的支護(hù)方式(見圖2)[18]。

圖2 豎井主要襯砌支護(hù)形式

錨桿噴射混凝土技術(shù)由于其技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于超深豎井的支護(hù)設(shè)計(jì)中[19]。 相較于傳統(tǒng)的豎井支護(hù)技術(shù),錨噴支護(hù)可以顯著降低施工成本,加快施工速度,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,為之后的支護(hù)機(jī)械化施工創(chuàng)造有利條件[20]。 隨著豎井開挖深度的增加,井壁承受荷載也不斷增大,采用素混凝土進(jìn)行錨噴支護(hù)已不能滿足施工安全要求。 為保證豎井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需要提高井壁支護(hù)的強(qiáng)度,采用鋼筋混凝土支護(hù)方式由于增加了鋼筋綁扎工序,使得成井速度嚴(yán)重降低,故近年來開始研發(fā)新型鋼纖維混凝土[21]。 加入鋼纖維可提高混凝土抗裂韌性[22-23],以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能。

目前,在超深豎井的建設(shè)過程中,存在著井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)儲(chǔ)備不明確等問題。 支護(hù)強(qiáng)度過高,會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi);支護(hù)強(qiáng)度不足,則會(huì)使結(jié)構(gòu)失穩(wěn),影響豎井正常使用。 造成上述問題的原因在于,國(guó)內(nèi)尚未形成一套科學(xué)的計(jì)算理論供設(shè)計(jì)及施工單位參考使用,目前多采用經(jīng)驗(yàn)法或適用于淺部豎井開挖的理論公式進(jìn)行豎井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)結(jié)果偏于保守。 因此,在設(shè)計(jì)方法上仍需進(jìn)一步優(yōu)化。 出于計(jì)算簡(jiǎn)便的目的,豎井支護(hù)通常按照自上而下采用同一厚度進(jìn)行設(shè)計(jì),這就導(dǎo)致上部井壁支護(hù)安全余量過大,針對(duì)此點(diǎn)不足,可以依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果按照井壁深度進(jìn)行變厚度支護(hù)襯砌研究,以節(jié)約建造成本。 除此之外,機(jī)械化鉆井施工對(duì)豎井支護(hù)技術(shù)也提出新要求,為提高施工效率和推進(jìn)施工標(biāo)準(zhǔn)化,裝配式預(yù)制支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的參數(shù)研究也是未來研究重點(diǎn)之一。 因此,在對(duì)新建及在建豎井工程井壁圍巖變形及應(yīng)力等參數(shù)的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上,提出一套適用于不同環(huán)境條件下的豎井支護(hù)設(shè)計(jì)理論來指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工極其重要。

2 超深豎井施工技術(shù)研究現(xiàn)狀

相較于隧道施工,豎井施工由于其豎向施工且開挖斷面較小的特點(diǎn),施工難度及危險(xiǎn)性也有所增加,所以在豎井施工時(shí),需要有專業(yè)團(tuán)隊(duì)及設(shè)備來保證施工過程的安全性和可靠性[20]。 根據(jù)采用的機(jī)械、開挖方式及出砟方式不同,豎井施工方法各異[24-28]。 ①按施工機(jī)械種類可分為:鉆爆法、掘進(jìn)機(jī)法及天井鉆機(jī)法等。 ②按開挖方式可分為:全斷面開挖法、導(dǎo)坑開挖法及中心擴(kuò)孔法等。 ③按出砟方式可分為:正井法和反井法。 在豎井施工方案選擇上,通常按照施工出砟方式進(jìn)行分類,即正井法和反井法兩種。 除以上常用施工方法外,還有在設(shè)計(jì)施工時(shí)依托具體工程所提出的新型改進(jìn)施工技術(shù)。 隨著豎井施工行業(yè)的快速發(fā)展,除了施工技術(shù)的改進(jìn),也對(duì)豎井施工裝備提出更高的要求,目前眾多學(xué)者在新型鑿井設(shè)備開發(fā)方面也取得部分研究成果。

2.1 正井法

正井法是指采用機(jī)械化配套作業(yè)自上而下進(jìn)行全斷面開挖的施工方法。 首先開挖至一定深度,施作鎖口圈;之后安設(shè)吊盤,進(jìn)行輔助設(shè)施的安裝;最后進(jìn)行井筒掘進(jìn)施工。 井筒施工采用一次鑿巖爆破成井,抓巖機(jī)裝巖,吊桶出砟,砟石由井口運(yùn)出井外(見圖3)。

圖3 正井法施工示意

正井法技術(shù)成熟,適用性廣泛,但其通常采用的傳統(tǒng)爆破開挖方式對(duì)場(chǎng)地要求較高,出砟效率低,存在一定的安全隱患[29]。 針對(duì)爆破法中存在的問題,提出全斷面機(jī)械化掘進(jìn)方法[30-31],并在結(jié)合隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)深井掘進(jìn)裝備(即全斷面豎井掘進(jìn)機(jī))。豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)備包括破巖系統(tǒng)、排砟系統(tǒng)、井壁支護(hù)系統(tǒng)等,可實(shí)現(xiàn)豎井結(jié)構(gòu)的機(jī)械化、集成化施工,主要適用于地質(zhì)條件較好的穩(wěn)定地層中豎井施工[32]。 該方法的優(yōu)點(diǎn)在于施工速度快,節(jié)約成本,對(duì)周邊環(huán)境影響較小,施工過程安全可控。 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)的推廣應(yīng)用,勢(shì)必會(huì)推進(jìn)對(duì)裝配式豎井襯砌結(jié)構(gòu)的研究,因此,裝配式豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)研究是未來的發(fā)展方向。

2.2 反井法

反井法又稱先導(dǎo)井后擴(kuò)挖法,即先開挖溜砟井,然后自上而下將其擴(kuò)挖成井的方法。 由于在擴(kuò)挖過程中破碎的巖石和地層涌水會(huì)通過溜砟井落到豎井底部,故采用反井法施工的前提是豎井底部平洞已完成,開挖產(chǎn)生的砟石可從豎井底部運(yùn)出(見圖4)。

圖4 反井法施工示意

常用的反井法主要有以下幾種[33]。 ①反井鉆爆法,此方法是采用鉆爆法沿豎井的設(shè)計(jì)軸線自上而下開挖直徑較小的導(dǎo)洞,之后再擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)尺寸,該方法出砟效率高,占用場(chǎng)地少。 ②爬罐法,該方法需要配合電動(dòng)爬罐和鑿巖機(jī)具利用運(yùn)輸車自下而上進(jìn)行豎井施工,雖然爬罐法可用于深部豎井開挖,但對(duì)設(shè)備的要求較高,需要從國(guó)外引進(jìn)。 ③反井鉆機(jī)法,該方法是先在地表利用鉆機(jī)自上而下鉆孔,之后再在井下平洞更換更大尺寸的鉆頭,反向擴(kuò)挖豎井至設(shè)計(jì)尺寸。 反井鉆機(jī)法對(duì)施工場(chǎng)地要求不高,且能保證較高的安全性,但受豎井開挖深度和地層環(huán)境的限制。 總的來說,反井法施工具有安全性高、施工速度快及占用場(chǎng)地小等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于深大豎井的建設(shè)工作中。

2.3 新型改進(jìn)方法

除以上提到的豎井通用施工方法外,還有在其基礎(chǔ)上針對(duì)具體工程問題提出的新型改進(jìn)建井技術(shù)。 例如,米倉(cāng)山特長(zhǎng)公路隧道豎井采用新型改進(jìn)建井技術(shù)。該豎井工程開挖直徑大、開挖深度大且對(duì)周邊環(huán)境的環(huán)保要求極高,由于傳統(tǒng)豎井施工方法所采用的長(zhǎng)段單行作業(yè)法工序復(fù)雜、施工速度慢,且反井法施工不具備先決條件,為保證施工效率,減少對(duì)環(huán)境的影響,在傳統(tǒng)正井法的基礎(chǔ)上對(duì)豎井的施工工法進(jìn)行改進(jìn),采用短段掘進(jìn)+單層模筑混凝土襯砌單井的混合作業(yè)法進(jìn)行施工(見圖5)[34-36]。

圖5 短段掘進(jìn)混合作業(yè)施工示意

郭繼林針對(duì)官田隧道通風(fēng)豎井工程所處地層為硬質(zhì)巖層且徑深較小的特點(diǎn),對(duì)反井施工技術(shù)中的前導(dǎo)孔施工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),將水井鉆機(jī)的普通鉆頭換成潛孔式?jīng)_擊鉆(見圖6),增設(shè)空氣壓縮機(jī)為鉆頭提供動(dòng)力[12]。 該方法的特點(diǎn)在于,施工過程中可快速排砟,減小鉆頭損耗,加快施工進(jìn)度;同時(shí)在鉆進(jìn)過程中可對(duì)鉆具施加向上的拉力,以控制鉆具基本處于自然懸吊的姿態(tài),保證鉆孔的垂直度。 采用該方法進(jìn)行導(dǎo)孔施工,顯著提高了鉆孔施工速度和精度,為之后的反井施工創(chuàng)造有利條件。

除以上改進(jìn)建井技術(shù)外,煤礦領(lǐng)域也針對(duì)超深豎井先后開發(fā)出凍-注-鑿平行作業(yè)及鉆-注平行作業(yè)等新型建井技術(shù),對(duì)未來隧道超深豎井工程的建設(shè)有一定指導(dǎo)意義。

凍-注-鑿平行作業(yè)技術(shù)是指豎井上部松散層與風(fēng)化帶的凍結(jié)作業(yè)、豎井掘進(jìn)作業(yè)及下部含水層地面預(yù)注漿作業(yè)平行進(jìn)行的綜合施工技術(shù)[20]。 相較于傳統(tǒng)順序豎井施工作業(yè)法,平行施工作業(yè)可通過對(duì)空間和時(shí)間上的合理利用顯著提高豎井施工效率。 凍-注-鑿平行作業(yè)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于需要高精度定向測(cè)斜與定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,使鉆孔在地層中形成空間結(jié)構(gòu),注漿鉆孔落點(diǎn)靶域在指定范圍內(nèi),達(dá)到凍結(jié)、開挖、注漿作業(yè)互不影響,實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)。 以淮南新集劉莊煤礦副井為例,其開挖深度為823 m,開挖直徑為6.7 m,在采用凍-注-鑿平行作業(yè)技術(shù)后可節(jié)約建設(shè)工期210 d。

鉆-注平行作業(yè)技術(shù)與凍-注-鑿平行作業(yè)技術(shù)類似[37],區(qū)別在于無需采用凍結(jié)法施工。 通過合理利用豎井開挖過程中沖積層段鉆井法與基巖段注漿法同時(shí)施工的時(shí)空關(guān)系,使二者可以同時(shí)平行施工,節(jié)約工期與成本。 安徽省亳州信湖煤礦主井井深1 009.5 m,開挖直徑6 m,采用鉆-注平行作業(yè)技術(shù)后明顯降低施工工作量,提高施工效率。

以上新型改進(jìn)豎井施工技術(shù)經(jīng)過工程實(shí)際的檢驗(yàn),在具體工程中的應(yīng)用效果良好,其設(shè)計(jì)與施工配套技術(shù)可作為深大豎井建井新方法為今后建設(shè)類似豎井工程提供借鑒和參考。

2.4 豎井施工設(shè)備

相較于隧道工程,豎井工程施工具有工序復(fù)雜、工作面狹窄、危險(xiǎn)性較高等特點(diǎn),對(duì)施工人員的專業(yè)素質(zhì)及施工設(shè)備的先進(jìn)性提出更高要求。 隨著豎井工程的不斷發(fā)展,豎井開挖深度及斷面尺寸也在不斷增加,機(jī)械化施工是建井技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì),而豎井施工設(shè)備的技術(shù)水平對(duì)行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

機(jī)械化鉆井施工主要分為以下兩類[38]。 ①地面鉆井系統(tǒng),具有機(jī)械化程度較高及安全性較高等特點(diǎn),其缺點(diǎn)在于施工效率較低且主要用于沖積層施工,不適用于硬質(zhì)巖層。 ②豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng),具有機(jī)械化程度較高、施工效率較高、作業(yè)環(huán)境及安全性較高且適用范圍較廣的特點(diǎn),但國(guó)內(nèi)關(guān)于豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的研究起步較晚,目前還未得到廣泛應(yīng)用。

地面鉆井系統(tǒng)是我國(guó)目前應(yīng)用較多的施工技術(shù),在眾多超深豎井工程的研究實(shí)踐中,總結(jié)和完善短段掘砌綜合鑿井工藝,在此基礎(chǔ)上研發(fā)成熟的鑿井裝備(見圖7)[19]。 針對(duì)地面鉆井系統(tǒng)施工效率低的缺點(diǎn),我國(guó)學(xué)者及專家通過理論分析、工藝研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法,對(duì)豎井鉆機(jī)、鉆頭及破巖滾刀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)(見圖8)[19],所研制出的分臺(tái)階“T”形鉆頭、“L” 形密封高耐壓破巖滾刀、新型破巖滾刀等新型設(shè)備顯著提高了鉆井施工效率。 針對(duì)地面鉆井技術(shù)目前不適用于硬質(zhì)巖層施工的缺點(diǎn),如何提高地面鉆井施工技術(shù)的適用性將是未來研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

圖8 改進(jìn)豎井施工設(shè)備[19]

豎井掘進(jìn)機(jī)的研究最早起源于20 世紀(jì)60 年代的美國(guó)[39],隨著豎井工程的建設(shè)需要,世界其他國(guó)家也開始進(jìn)行豎井掘進(jìn)機(jī)的研制。 美國(guó)羅賓斯公司研制采用機(jī)械排砟方式的241SB-184、20-24FT 型等豎井全斷面掘進(jìn)機(jī);前蘇聯(lián)研制采用混合排砟方式的CK-1Y 豎井掘進(jìn)機(jī)組;近年來,德國(guó)海瑞克公司為滿足不同地層條件下豎井施工需要,研制了全斷面掘進(jìn)機(jī)(SBC)、截削式豎井掘進(jìn)機(jī)(SBR)、撐靴式豎井掘進(jìn)機(jī)(SBM)及下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)(VSM)等豎井掘進(jìn)機(jī)等。

下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)(VSM)是目前用于各類豎井施工的全新技術(shù),該系統(tǒng)主要包括動(dòng)力卷揚(yáng)系統(tǒng)、回收卷揚(yáng)系統(tǒng)、泥水分離系統(tǒng)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、沉降系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)主機(jī)等。 相較于現(xiàn)有設(shè)備,下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)具有安全高效、占地面積小、適用地層范圍廣等優(yōu)點(diǎn),在歐洲、美國(guó)及新加坡多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的豎井建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[40]。

豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)相關(guān)研究在我國(guó)起步較晚,但由于其施工機(jī)械化自動(dòng)化程度較高、對(duì)井下作業(yè)人員數(shù)量需求較低、施工效率高及適用范圍廣的特點(diǎn),無疑會(huì)成為未來豎井施工的發(fā)展趨勢(shì)。 近年來,我國(guó)也開始重點(diǎn)開展豎井掘進(jìn)機(jī)的研制工作,并于“十二五”期間成功研制出我國(guó)首臺(tái)礦山豎井掘進(jìn)機(jī)MSJ5.8/1.6D,見圖9[38],但目前尚未應(yīng)用于具體工程中。 之后中鐵裝備、鐵建重工、中國(guó)煤科等企業(yè)相繼開展新型豎井掘進(jìn)機(jī)的研制工作,其中,中國(guó)煤科北京中煤自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)豎井掘進(jìn)機(jī)“金沙江1 號(hào)”于2020 年在云南以禮河四級(jí)電站復(fù)建工程現(xiàn)場(chǎng)始發(fā)。 在此基礎(chǔ)上,對(duì)于豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng),未來將進(jìn)一步針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

圖9 MSJ5.8/1.6D 豎井掘進(jìn)機(jī)

以上機(jī)械化施工設(shè)備的研制及優(yōu)化改進(jìn),將對(duì)地下工程建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展有著重要意義,具有廣闊應(yīng)用前景。

3 結(jié)論與建議

對(duì)超深豎井的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研,系統(tǒng)總結(jié)我國(guó)在隧道超深豎井設(shè)計(jì)與施工技術(shù)方面研究成果及所存在的不足,得出以下結(jié)論。

(1)隨著豎井開挖深度不斷增加,早期適用于淺埋豎井的矩形斷面形式由于會(huì)在拐角處產(chǎn)生高應(yīng)力集中而被淘汰,取而代之所采用的圓形及橢圓形斷面,由于其良好的結(jié)構(gòu)受力被選為目前主流設(shè)計(jì)形式。 目前,超深豎井的斷面尺寸多在10 m 以下,對(duì)于大斷面超深豎井,尚需綜合考慮結(jié)構(gòu)受力及空間利用問題,其結(jié)構(gòu)形式仍有待研究。

(2)目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的井壁土壓力計(jì)算理論均有一定局限性,或不適用于硬質(zhì)巖層,或不適用于深埋豎井,且公式推導(dǎo)中多未考慮井壁與土體間的摩擦作用。 故如何針對(duì)以上問題提出一種適用性廣泛的豎井壓力計(jì)算理論是進(jìn)行超深豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急。

(3)全斷面機(jī)械化施工方法的推廣應(yīng)用對(duì)豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了新的要求,即采用預(yù)制管片的方法進(jìn)行裝配式豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 然而,豎井采用的拼裝式襯砌與常規(guī)盾構(gòu)隧道管片有所不同,故有必要開展裝配式豎井襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)研究。

(4)豎井施工方法按出砟方式可分為正井法和反井法。 在選擇超深豎井施工方法時(shí),需綜合考慮場(chǎng)地環(huán)境、地質(zhì)條件、開挖深度等因素。 在針對(duì)某些具體復(fù)雜工程時(shí),還要根據(jù)工程實(shí)際和項(xiàng)目要求對(duì)以上兩種施工方法進(jìn)行改進(jìn),以保證施工進(jìn)度和質(zhì)量。

(5)機(jī)械化鉆井施工是未來豎井施工發(fā)展的趨勢(shì),目前兩種機(jī)械化鉆井施工技術(shù)均存在一定局限性。地面鉆井系統(tǒng)如何針對(duì)硬質(zhì)巖層進(jìn)行施工,擴(kuò)大其工藝適用范圍;豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)在已研制樣機(jī)的基礎(chǔ)上如何進(jìn)一步針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化,將是未來重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。