隧洞進(jìn)口端變截面豎井正井法開(kāi)挖技術(shù)

文 林，郭廷凱

(中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310005)

0 引 言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外隨著水庫(kù)及供水工程建設(shè)的不斷發(fā)展，施工工作周?chē)h(huán)境多樣復(fù)雜，豎井結(jié)構(gòu)越來(lái)越多樣化，豎井的施工方法也隨之變化；選擇合適且高效的豎井開(kāi)挖施工方案越來(lái)越重要，故對(duì)豎井的施工提出了新要求。針對(duì)豎井的截面及開(kāi)挖深度，采取相應(yīng)的施工方法，許多研究者進(jìn)行了相關(guān)研究。

曲勝輝[1]等人針對(duì)豎井深為72.5 m的矩形斷面(12.2 m×10.45 m)豎井，提出采用“正井全斷面爆破法”進(jìn)行施工，在施工質(zhì)量上效果顯著。張峰[2]針對(duì)豎井深為283.92 m的圓形斷面(直徑5.5 m)豎井，提出采用“正井爆破法”和“反井鉆導(dǎo)井+人工鉆爆擴(kuò)挖法”相結(jié)合的施工方法，在施工進(jìn)度方法效果顯著。丁國(guó)斌[3]針對(duì)豎井深為292.5 m的圓形斷面(直徑5.8 m)豎井，提出采用“反井鉆導(dǎo)井+人工鉆爆擴(kuò)挖法”進(jìn)行施工，在施工效率和成本上效果顯著。對(duì)于圓形截面的豎井施工，彭愛(ài)華等人[4]針對(duì)開(kāi)挖深度小于100 m的排風(fēng)豎井；李艷[5]針對(duì)開(kāi)挖深度100～200 m的排風(fēng)豎井；吳登明等人[6_7]針對(duì)開(kāi)挖深度大于200 m的超深排風(fēng)豎井，均提出了采用“反井鉆導(dǎo)井+人工鉆爆擴(kuò)挖法”進(jìn)行施工，降低出碴強(qiáng)度﹐提升施工效率，施工應(yīng)用效果顯著。孟繼承[8]等人針對(duì)豎井深為188 m的圓形斷面(直徑7.8 m)豎井，提出采用“SBM開(kāi)挖法”進(jìn)行施工，大大提高了施工效率。Liu[9]針對(duì)超深豎井(800～1 000 m)的圓形斷面(直徑5.8 m)豎井，提出采用豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，降低施工成本，保護(hù)施工環(huán)境，縮短施工工期。

1 工程概況

浙江省溫州市泰順縣某隧洞進(jìn)口端的通風(fēng)豎井位于上游北側(cè)約33 m位置，豎井頂部為EL587 m平臺(tái)，豎井段長(zhǎng)度為84.2 m。由于豎井段存在上、下層取水隧洞及豎井段的截面形狀變化，豎井圍巖等級(jí)大多為Ⅲ、Ⅳ級(jí)，故將豎井段分為33 m和51.2 m兩段：豎井進(jìn)口至上層取水隧洞(EL587—EL554)，上層取水隧洞至下層取水隧洞(EL554—EL502.8)。

2 施工方案比選

目前豎井開(kāi)挖在施工過(guò)程中主要有3種施工方式，分別是正井鉆爆法、反井鉆導(dǎo)井+人工鉆爆擴(kuò)挖法和SBM開(kāi)挖法。正井鉆爆法是在豎井口布置提升吊掛等設(shè)備，采用人工鉆孔光面爆破，自上而下一次性全斷面開(kāi)挖；反井鉆導(dǎo)井+人工鉆爆擴(kuò)挖法是先采用反井鉆進(jìn)行施工導(dǎo)井，然后正向人工鉆爆進(jìn)行擴(kuò)挖[10_12]；SBM開(kāi)挖法主要采用豎井掘進(jìn)機(jī)自上到下一次性全斷面開(kāi)挖。

根據(jù)本工程的施工環(huán)境特點(diǎn)、施工工程量及施工成本等情況進(jìn)行綜合考慮，現(xiàn)針對(duì)3種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析，最終選擇適合本工程的施工方案——正井鉆爆法，主要原因如下：

(1)從施工開(kāi)挖流程上考慮(見(jiàn)圖1)，采用SBM是施工安全、施工效率最高的方法；但若本工程采用SBM施工，會(huì)大大增加施工成本，造成“大材小用”的現(xiàn)象。

(2)本工程目前上層取水隧洞還沒(méi)打通，不適用于“反井鉆導(dǎo)井+人工鉆爆擴(kuò)挖法”施工方案，不滿足反井開(kāi)挖出碴條件。若采用反井法施工需要先將下層取水隧洞打通，但這樣則無(wú)法滿足施工進(jìn)度節(jié)點(diǎn)及總進(jìn)度工期要求。

(3)根據(jù)本工程地質(zhì)監(jiān)測(cè)，豎井上游隧洞、豎井及漸變段為Ⅲ，Ⅳ類(lèi)圍巖，豎井開(kāi)挖主要為6 362.38 m3的石方工程量，相對(duì)工程量較小，工程造價(jià)成本低，正井法相比其他兩種施工方案的整體設(shè)備費(fèi)用較低、綜合經(jīng)濟(jì)效益較高。

3 正井鉆爆法施工技術(shù)

為確保豎井口范圍內(nèi)安全施工區(qū)域，開(kāi)挖支護(hù)前，將周?chē)吰潞推脚_(tái)外圍結(jié)構(gòu)防護(hù)施工全部完成；同時(shí)將風(fēng)、水、電等布置完成，為正井施工提供安全可靠的施工作業(yè)面。正井鉆爆法即采用人工鉆孔爆破，自上而下全斷面一次施工完成，在豎井上部布置35 t吊機(jī)用于人材的運(yùn)輸及石碴的出碴。

3.1 井位放樣

豎井每層開(kāi)挖前，測(cè)量人員精確放樣出開(kāi)挖輪廓線及爆孔布置點(diǎn)，為開(kāi)挖提供有利的施工條件。同時(shí)，布置2～4臺(tái)激光垂準(zhǔn)儀安裝在豎井的夾角上進(jìn)行成形井位的校核，從而保證豎井開(kāi)挖斷面滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 井口開(kāi)挖鎖護(hù)施工

豎井全斷面開(kāi)挖之前，為避免豎井基礎(chǔ)的振動(dòng)破壞，先井口開(kāi)挖鎖護(hù)進(jìn)行施工。井口開(kāi)挖時(shí)首先利用YT—28手風(fēng)鉆進(jìn)行人工造孔，采用光面爆破方法開(kāi)挖，最后反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行出碴，全斷面一次完成鎖口垂直段開(kāi)挖(EL587～EL586)。鎖口開(kāi)挖完成后在鎖口開(kāi)挖輪廓面上先打入錨桿(三級(jí)鋼22、L=4.5 m、間距1 m) ，然后及時(shí)施工鎖口圈混凝土；鎖口圈混凝土采用整體澆筑進(jìn)行鎖口防護(hù)。

為有效攔截豎井井口周?chē)?，確保鎖口段施工安全，鎖口頂部凸出50 cm ，即頂部標(biāo)高平臺(tái)為EL587.5，并采用C25混凝土澆筑鎖口。同時(shí)，為有效攔截豎井井口周?chē)辏瑢?duì)豎井10 m范圍內(nèi)地面采用C15混凝土進(jìn)行硬化，厚度為20 cm 。

3.3 豎井全斷面開(kāi)挖施工

完成井口開(kāi)挖鎖護(hù)施工后，在豎井上部布置35 t吊機(jī)等設(shè)備，完成調(diào)試后，方可對(duì)豎井進(jìn)行全斷面開(kāi)挖。

豎井均為異型斷面且分為兩段：豎井進(jìn)口至上層取水隧洞(EL587—EL554)長(zhǎng)33 m，斷面面積為83.4 m2，開(kāi)挖量為2 735.37 m3；上層取水隧洞至下層取水隧洞(EL554—EL502.8)長(zhǎng)51.2 m，斷面面積為69.2 m2，開(kāi)挖量為3 543.04 m3。變截面豎井全斷面開(kāi)挖嚴(yán)格按照正井爆破法施工工藝流程進(jìn)行。

豎井采用光面爆破開(kāi)挖，利用YT—28手風(fēng)鉆鉆孔，裝藥、聯(lián)線、起爆均按規(guī)范要求進(jìn)行操作。

出碴主要是利用平臺(tái)上已經(jīng)安裝調(diào)試好的昂機(jī)吊掛2.0 m3碴斗出碴，人工裝碴，吊機(jī)提升碴斗至井口臨時(shí)堆碴區(qū)，再用裝載機(jī)和自卸汽車(chē)出碴。

3.4 豎井支護(hù)施工

豎井采用“短掘進(jìn)+錨噴”聯(lián)合支護(hù)開(kāi)挖的循環(huán)方式。在豎井進(jìn)口至上層取水隧洞異型斷面一次掘進(jìn)2.3 m，在上層取水隧洞至下層取水隧洞異型斷面一次掘進(jìn)2.5 m。在完成人工爆破短掘進(jìn)開(kāi)挖后，及時(shí)采用初噴混凝土來(lái)保證圍巖穩(wěn)定，后采用插錨桿、掛鋼筋網(wǎng)，噴混凝土聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)。支護(hù)施工參數(shù)主要為：利用YT—28手風(fēng)鉆人工進(jìn)行鉆孔，插入長(zhǎng)為4.5 m的φ28 cm系統(tǒng)錨桿、梅花型布置(@1 500×1 500 mm)，錨桿掛鋼筋網(wǎng)(φ8@150 mm×150 mm)，噴15 cm厚混凝土，以穩(wěn)定井身圍巖不松散變形，來(lái)確保施工安全。

3.5 施工安全控制措施

3.5.1 懸掛安全標(biāo)識(shí)、做好防護(hù)措施。

在豎井口進(jìn)口平臺(tái)四周采用欄桿圍擋，圍擋高度不小于1.2 m，底部50 cm采用全封閉圍檔，在周?chē)鷳覓彀踩嵝褬?biāo)識(shí)。在豎井井口采用1 cm厚鋼板全覆蓋，鋼板下采用16a工字鋼支撐，防止石塊等落入井中對(duì)工作人員及施工設(shè)備造成傷害；豎井中間預(yù)留可開(kāi)關(guān)挖機(jī)、材料、碴料上下入口，平時(shí)關(guān)閉，上下運(yùn)輸時(shí)打開(kāi)；兩個(gè)邊角預(yù)留進(jìn)人孔和電纜線、風(fēng)管等進(jìn)品，分開(kāi)布置，保證施工安全(見(jiàn)圖2)。

圖1 3種施工方法的施工開(kāi)挖流程圖

圖2 防飛石、落石安全措施示意圖

3.5.2 施工人員保護(hù)

為確保井內(nèi)作業(yè)人員安全，在豎井口6 m范圍內(nèi)布置帶護(hù)籠的鋼質(zhì)折返梯用于施工人員上下攀爬，并在爬梯旁邊配備2套繩梯，由專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)并安裝。

另外，在靠近爬梯部位，依附爬梯做一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)棚，防護(hù)棚設(shè)計(jì)裝拆方便，隨入井深度進(jìn)行設(shè)置。

3.5.3 出碴安全保護(hù)

為保證出碴安全，采取以下措施:

(1)司機(jī)與裝碴施工人員之間用燈語(yǔ)信號(hào)聯(lián)系，指揮出碴作業(yè)。

(2)出碴方位靠豎井北側(cè)，當(dāng)裝完碴斗后，人員立即向豎井南側(cè)的人員進(jìn)口方位進(jìn)行休息，避免安全事故。

(3)碴斗在移動(dòng)期間不準(zhǔn)有人走動(dòng)，開(kāi)動(dòng)前施工人員與司機(jī)確定好信號(hào)，保證人員安全后方可啟動(dòng)碴斗。

(4)碴斗采用自制吊桶，裝運(yùn)時(shí)只裝整個(gè)容積的2/3 ，同時(shí)桶口采用安全網(wǎng)密封后，方可吊出。

3.5.4 通風(fēng)散煙及灑水除塵

爆破完成后及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)散煙及灑水除塵，等確認(rèn)豎井內(nèi)煙塵完全排凈后方可下井開(kāi)始施工；如井下環(huán)境發(fā)生變化，立即停止作業(yè)，施工人員盡快返回地面，等到環(huán)境有所好轉(zhuǎn)后方可施工。

3.5.5 爆破后施工安全

每次爆破完成后，均需專(zhuān)業(yè)安全檢查人員檢查作業(yè)面，并清除豎井四周巖壁上殘留的危石及碎塊，保證人員及設(shè)備的安全；出碴完成后，由專(zhuān)業(yè)人員再次進(jìn)行安全檢查，施工面絕對(duì)安全后繼續(xù)進(jìn)行下一道作業(yè)施工。

3.5.6 施工照明保護(hù)

為確保施工期間正常照明，施工人員應(yīng)定時(shí)檢查施工井內(nèi)照明設(shè)備，如有線路老舊或者磨損等問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行修理。

3.5.7 井上下應(yīng)急聯(lián)絡(luò)措施

井下安設(shè)聲光信號(hào)裝置，通過(guò)專(zhuān)用信號(hào)電纜與井口信號(hào)房進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，當(dāng)井下發(fā)生緊急情況，井下指揮員使用固定應(yīng)急電鈴?fù)ㄖ冢陧戔復(fù)瑫r(shí)應(yīng)急燈閃爍。提升機(jī)司機(jī)與井口信號(hào)工和井底信號(hào)工之間配置對(duì)講機(jī)，井底信號(hào)工配置口哨。

3.6 施工質(zhì)量控制措施

3.6.1 測(cè)量質(zhì)量控制

(1)由測(cè)量員利用全站儀等儀器進(jìn)行豎井放樣，并采用人工輔助挖掘機(jī)進(jìn)行豎井鎖口開(kāi)挖施工，達(dá)到指定位置后立即進(jìn)行開(kāi)挖井壁封閉、鎖口鋼筋綁扎及混凝土澆筑。

(2)豎井每次循環(huán)開(kāi)挖均以軸線控制放樣，因此需要在作業(yè)面上標(biāo)定中心位置，以此為參照設(shè)置豎井的輪廓線，進(jìn)行豎井的輪廓開(kāi)挖。

3.6.2 爆破開(kāi)挖質(zhì)量控制

(1)爆破開(kāi)挖嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行豎井施工，同時(shí)監(jiān)理做好監(jiān)督管理工作。

(2)爆破之前做好爆破試驗(yàn)，根據(jù)不同圍巖情況對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，盡最大限度保護(hù)豎井圍巖整體性。

(3)施工期間密切關(guān)注周?chē)鷩鷰r的穩(wěn)定情況，并做好其保護(hù)工作，避免對(duì)其破壞，對(duì)施工造成影響。

4 施工完成情況

隧洞進(jìn)口端變截面豎井成功運(yùn)用正井爆破開(kāi)挖施工方法，取得最大月成井30 m，不僅比原計(jì)劃整整提前完成10 d，而且還實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)豎井與取水隧洞同步施工，互不影響；大大減少了人力、物力的投入，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，取得了良好的施工效果。

整個(gè)施工過(guò)程處于安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的可控狀態(tài)，未發(fā)生一起質(zhì)量、安全事故，得到參建各方的一致好評(píng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，豎井開(kāi)挖需要根據(jù)具體的施工特點(diǎn)來(lái)選擇相適應(yīng)的施工方案，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)豎井安全高效的開(kāi)挖。本文依托的變截面豎井采用正井法開(kāi)挖施工，加快了施工效率，降低了施工成本；同時(shí)采用“短掘進(jìn)+錨噴”聯(lián)合支護(hù)等措施，確保了豎井的施工安全，取得了良好的施工效果。另外，施工人員要嚴(yán)格按照施工技術(shù)及要求，做好施工質(zhì)量控制以及安全控制管理工作，才能有效確保施工效果和施工質(zhì)量。