李豐果，徐 矯，賀國(guó)強(qiáng)

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001;2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

深大豎井施工方法一般有逆向開挖法、正向全斷面法、正向分部法、正向?qū)Ь昂蟛繑U(kuò)挖法、先導(dǎo)井打通后擴(kuò)挖法。其中，逆向開挖法是20世紀(jì)70年代左右的施工方法，采用木垛支架，人工由下向上打眼爆破，其安全風(fēng)險(xiǎn)極大，當(dāng)前施工基本不允許采用。正向全斷面法、正向分部法、導(dǎo)井超前后部擴(kuò)挖法均為正打法，先在地面開挖一定深度(結(jié)合地層及設(shè)計(jì)圖紙)的基坑并施作鎖口圈，周邊回填，利用鎖口圈及周邊場(chǎng)地修建大功率提升系統(tǒng)(絞車、穩(wěn)車、井架等)。豎井自上而下開挖初期支護(hù)，需要將豎井內(nèi)的滲涌水及時(shí)抽(風(fēng)動(dòng)抽水)排至地表污水處理池，將井內(nèi)爆破石碴提升至井口傾倒在臨時(shí)存碴場(chǎng)，將地面初期支護(hù)材料吊放至工作面對(duì)井壁進(jìn)行支護(hù)，通風(fēng)機(jī)將地面新鮮風(fēng)送到井底等，井口臨時(shí)存碴場(chǎng)的碴石要定期運(yùn)至指定棄碴場(chǎng)。正打法需要征用大量井口及棄碴場(chǎng)，需安裝大功率的提升卷?yè)P(yáng)設(shè)備，但裝碴、提碴效率較低，鋼絲繩使用頻繁、提升重量大、更換頻率高，有時(shí)井下作業(yè)環(huán)境較惡劣(地下水豐富時(shí)需在水中作業(yè)、噴射混凝土作業(yè)時(shí)空氣質(zhì)量差等)，爆破鉆眼工作量大且炸藥消耗量大、炮眼利用率不理想，通風(fēng)管理困難、空中維修通風(fēng)管難度大且存在一定風(fēng)險(xiǎn)，地下水豐富時(shí)有淹井的風(fēng)險(xiǎn)。

豎井襯砌模板有翻模、滑模2種。豎井二次襯砌有由上向下(逆作法)、由下向上(順作法)2種，前者防水質(zhì)量及接縫處密實(shí)度均難以保證。豎井均設(shè)計(jì)有壁座，以此將二次襯砌結(jié)構(gòu)重量均勻地分布于巖壁上，避免重量集中導(dǎo)致將底部結(jié)構(gòu)混凝土壓碎的現(xiàn)象。中隔墻與二次襯砌施工步序有2種:1)同時(shí)澆筑;2)先二次襯砌，再二次襯砌預(yù)埋鋼板或植筋、中隔墻后施工。

蘭臨高速公路新七道梁隧道171 m通風(fēng)豎井采用了由上向下的正向全斷面法開挖，襯砌采用了由下向上的翻模法施工［1］，中隔墻采用了先二次襯砌，再二次襯砌預(yù)埋鋼板或植筋、中隔墻后施工的方法。新七道梁隧道1座通風(fēng)豎井施工用時(shí)18個(gè)月，施工進(jìn)度受地下水滲涌影響較大，其中約有2個(gè)月基本處于停工狀態(tài)，配置了大型的IV型井架提升系統(tǒng)、風(fēng)動(dòng)抽排水系統(tǒng)、壓入式通風(fēng)系統(tǒng)。烏鞘嶺隧道施工通道大臺(tái)豎井深達(dá)516 m［2］，太古高速西山特長(zhǎng)隧道豎井深達(dá)157 m［3］，施工方法同新七道梁隧道豎井。廣東石牙山隧道豎井［4］、錦屏二級(jí)電站排水豎井［5］、臺(tái)縉高速蒼嶺隧道通風(fēng)豎井［6］均采用了先導(dǎo)井打通后擴(kuò)挖的施工方法。

可以看到，國(guó)內(nèi)豎井施工技術(shù)已經(jīng)取得了很多經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于豎井施工節(jié)能降耗新技術(shù)的開發(fā)并不多。經(jīng)過(guò)大量的調(diào)查、考察、咨詢、比選、論證，最終確定在寧武高速公路洞宮山隧道2座通風(fēng)豎井修建過(guò)程中，采用“先導(dǎo)井打通后擴(kuò)挖法開挖+滑模施工襯砌及不對(duì)稱中隔墻”節(jié)能降耗新技術(shù)進(jìn)行施工。實(shí)踐證明，該技術(shù)在施工中得到了成功運(yùn)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

1 工程概況

洞宮山隧道為特長(zhǎng)公路隧道，位于福建省南平市洞宮山風(fēng)景區(qū)，右洞長(zhǎng)6 532 m，左洞長(zhǎng)6 541 m，隧道設(shè)計(jì)縱坡為人字坡，隧道中部設(shè)排、送風(fēng)豎井各1座，均位于右洞軸線右側(cè)。排風(fēng)豎井距右洞軸線26.2 m，井深145.34 m，凈空直徑6.2 m;送風(fēng)豎井距右洞軸線36.2 m，井深143.69 m，凈空直徑6.6 m。隧道左右線的送、排風(fēng)均采用單井，即在豎井內(nèi)部采用中隔板對(duì)隧道左右線的送、排風(fēng)進(jìn)行分離。設(shè)計(jì)棄碴場(chǎng)距離井口20 km且全部為重車上坡，需新建8 km便道，利用當(dāng)?shù)丶扔朽l(xiāng)村公路12 km。

豎井所在地有一大型水庫(kù)與豎井直線最小距離僅400 m，且處于國(guó)家4A級(jí)風(fēng)景區(qū)——白水洋風(fēng)景區(qū)上游，預(yù)測(cè)豎井穿越地層富水，施工過(guò)程環(huán)保要求高。為確保安全，防止涌水，保護(hù)環(huán)境，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研、論證、經(jīng)濟(jì)比選，在隧道施工工期相對(duì)富余，地質(zhì)條件相對(duì)較好的前提下，選用具有施工速度快、占用場(chǎng)地少、井口無(wú)污水及廢棄碴處理方便等優(yōu)點(diǎn)的反井鉆機(jī)先導(dǎo)井后擴(kuò)挖法進(jìn)行施工。

2 反井鉆機(jī)選型及施工流程

2.1 反井鉆機(jī)選型

通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)(凝灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度80～95 MPa，屬中硬巖地層)、豎井深度、鉆機(jī)提升力、動(dòng)力頭質(zhì)量、擴(kuò)孔鉆頭質(zhì)量、鉆桿質(zhì)量、鉆頭壓力、鉆機(jī)扭矩、破巖阻力扭矩、摩擦阻力扭矩等參數(shù)的計(jì)算，按最大提升力不超過(guò)鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大提升力的60%、最大扭矩不超過(guò)鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大扭矩的70%為依據(jù)，選用了LM-200型反井鉆機(jī)。本鉆機(jī)可施工深為200 m、直徑為250 mm的導(dǎo)孔和1.4 m的導(dǎo)井。鉆機(jī)最大扭矩為40 kN·m，提升力為850 kN，推力為350 kN，功率為86 kW，鉆桿直徑為182 mm，適用于鉆進(jìn)軟巖及中硬巖。

LM-200型反井鉆機(jī)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)將扭矩傳遞給鉆機(jī)系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)。破巖采用鑲齒盤形滾刀，滾刀在鉆壓作用下沿井底滾動(dòng)使其破碎。導(dǎo)孔(25 cm)鉆進(jìn)時(shí)巖屑沿鉆桿與巖壁間的環(huán)形空間由洗井液提升到井口，擴(kuò)孔(140 cm)時(shí)巖屑靠自重落到井底。

鉆機(jī)配備90 kW的TBW-850/5A泥漿泵，在導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)迫使洗井液循環(huán)，采用泥漿作為洗井液，將巖屑帶到孔外，同時(shí)對(duì)井壁有一定的支護(hù)作用。

2.2 施工流程

平整硬化場(chǎng)地—鎖口圈施工—鉆機(jī)精確就位(確保鉆桿中心與豎井中心重合，且鉆桿軸線垂直向下)—導(dǎo)孔開孔—正向鉆導(dǎo)孔(25 cm，自上而下)—換鉆頭為反向刀盤—反向擴(kuò)孔(140 cm，自下而上)—拆除鉆機(jī)—安裝簡(jiǎn)易提升系統(tǒng)—鉆爆法擴(kuò)挖、支護(hù)豎井(自上而下)—滑模對(duì)豎井二次襯砌及中隔墻進(jìn)行整體施工(自下而上)。LM-200型反井鉆機(jī)及其工作原理如圖1所示。

2.2.1 導(dǎo)孔

導(dǎo)孔施工是導(dǎo)井施工的第1步，也是最重要的一步，導(dǎo)孔成孔的偏斜率將直接影響到導(dǎo)井施工的成功與否。為保證導(dǎo)孔的偏斜率控制在1%以內(nèi)，分別在鉆進(jìn)到3，7，11，40，80 m 時(shí)加裝穩(wěn)定鉆桿。穩(wěn)定鉆桿與普通鉆桿的區(qū)別在于前者比后者外周多了4條均勻分布的3 cm厚的鋼肋板，起導(dǎo)向與穩(wěn)定的作用，防止鉆桿隨深度的增加，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過(guò)大的擺幅而引起彎曲，避免鉆桿與孔壁的直接接觸，減少磨損［7］。鉆進(jìn)過(guò)程中，遇小斷層或裂隙發(fā)育地層發(fā)生卡鉆或坍孔現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)將鉆桿取出，灌注P·O 52.5水泥漿對(duì)圍巖孔壁及裂隙進(jìn)行加固。灌漿時(shí)漿液稠度逐漸增大，使其達(dá)到一定的擴(kuò)散范圍，待水泥漿凝固后再重新鉆進(jìn)導(dǎo)孔。導(dǎo)孔完成后測(cè)得實(shí)際垂直偏斜值為18.7 cm，偏斜率為1.29‰，效果非常好。

圖1 LM-200型反井鉆機(jī)及其工作原理Fig.1 LM-200 raise-boring machine and its work principle

2.2.2 導(dǎo)井?dāng)U孔

豎井與正洞聯(lián)絡(luò)通道以及導(dǎo)孔均施工至豎井底后，采用直徑為1.4 m的反向刀盤替換φ250導(dǎo)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時(shí)應(yīng)低速鉆進(jìn)，鉆壓控制在10～13 MPa，并根據(jù)地層情況相應(yīng)調(diào)整。在反向刀盤全部進(jìn)入巖層時(shí)，為防止刀盤劇烈晃動(dòng)而損壞鉆具，應(yīng)使用低鉆壓低速鉆進(jìn)，刀盤嚴(yán)禁反向旋轉(zhuǎn)，避免發(fā)生重大機(jī)械事故。因反向刀盤自下而上掘進(jìn)，井口鉆桿需要逐根卸下，拆卸時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定操作，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鉆桿及刀盤掉落的事故發(fā)生［8］。擴(kuò)孔停機(jī)前，應(yīng)將擴(kuò)孔鉆具下降30～50 cm，關(guān)閉冷卻水源，鉆具卡在鉆機(jī)底的卡座上，主機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)整到卸荷狀態(tài)，關(guān)掉電機(jī)和電器柜開關(guān)，放好使用的工具，關(guān)閉操作車蓋板。

刀盤自下向上工作時(shí)只需鉆桿、刀盤的冷卻水，且冷卻水的水流量和揚(yáng)程均不大，故將導(dǎo)孔施工時(shí)使用的泥漿泵更換為清水泵。穩(wěn)定鉆桿、反向刀盤、反向刀盤擴(kuò)孔完成工況如圖2—4所示。

3 滑模

3.1 滑模組成

滑模裝置主要由液壓系統(tǒng)、施工精度控制系統(tǒng)2大部分組成。液壓系統(tǒng)主要由液壓千斤頂、液壓控制臺(tái)、油路系統(tǒng)組成。施工精度控制系統(tǒng)指支承桿系統(tǒng)(即抓桿)，其支承作用于千斤頂?shù)娜亢奢d，同時(shí)通過(guò)行程控制調(diào)整滑模垂直度(即精度)，在支承桿側(cè)安裝標(biāo)尺進(jìn)行控制。滑模裝置主要由模板、圍圈、提升架、操作平臺(tái)、輔助盤、爬桿等部分組成一固定支架［9］，滑模高度取 1.25 m。

3.2 施工流程

施工準(zhǔn)備—測(cè)量放線—組裝滑?！{(diào)試定位—綁扎模板內(nèi)筋—澆初升混凝土—初升后檢查、調(diào)整—正?；?、鋼筋制作安裝、澆筑混凝土—提升、吊活動(dòng)平臺(tái)—反復(fù)向上、直至井口—拆除模板。

3.3 混凝土澆筑及模板滑升

組裝調(diào)試滑模完畢時(shí)，要求東、南、西、北4個(gè)方向提升架的垂直度允許偏差為2 mm，模板上、下口直徑允許偏差為±2 mm，中隔墻上、下壁厚允許偏差為±1 mm;提升架前后位置允許偏差為5 mm，千斤頂中心軸線垂直度允許偏差為±1 mm，模板間接縫處平整度允許偏差為1 mm，千斤頂橫梁標(biāo)高允許偏差為3 mm，操作平臺(tái)的平整度允許偏差為1 cm。

混凝土澆筑采用分層對(duì)稱澆筑，分層厚度應(yīng)小于30 cm。澆筑前必須進(jìn)行混凝土固身試驗(yàn)，固身凝固時(shí)間為4～6 h(固身凝固是指混凝土達(dá)不到初凝狀態(tài)，但又不流淌)。

1)初次滑升。第1層澆筑10 cm厚砂漿，然后按分層厚度小于30 cm澆筑第2層混凝土，當(dāng)澆筑厚度達(dá)到70 cm時(shí)，模板開始向上滑升3～6 cm，檢查滑模暴露出的混凝土表面質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。澆筑第4層后滑升5 cm，澆筑第5層后滑升11～16 cm，澆筑第6層后滑升19 cm，若無(wú)異常現(xiàn)象，便可進(jìn)行正常澆筑和滑升。初次滑升要緩慢，同時(shí)要對(duì)液壓裝置、模板結(jié)構(gòu)、有關(guān)設(shè)施在負(fù)載情況下做全面檢查。

2)正?；?。必須保持連續(xù)作業(yè)，由專人觀察脫?；炷帘砻尜|(zhì)量，以此動(dòng)態(tài)確定合理的滑升時(shí)間和速度。一般滑升速度為5 m/d左右，滑升過(guò)程中能夠聽到沙沙的聲音，脫模的混凝土無(wú)流淌、無(wú)拉裂現(xiàn)象，手按較硬，并能留下1 mm左右深的指印，強(qiáng)度約0.1 MPa，表面能用抹子抹平?；＜昂?jiǎn)易提升系統(tǒng)如圖5和圖6所示。

為方便開挖和初期支護(hù)施工，確保井壁壁座混凝土的密實(shí)度，將原設(shè)計(jì)的矩形壁座設(shè)計(jì)優(yōu)化為直角三角形壁座(30°對(duì)應(yīng)直角邊在下方)，斜邊與豎井壁重合。

4 實(shí)際進(jìn)度

2座豎井實(shí)際施工進(jìn)度見表1。

表1 2座豎井實(shí)際施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Construction schedules of 2 ventilation shafts

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，與傳統(tǒng)的正打法相比，采用“先導(dǎo)井打通后擴(kuò)挖法開挖+滑模施工襯砌及不對(duì)稱中隔墻”的施工方法，工期節(jié)約50%以上，且消除了施工過(guò)程中淹井的風(fēng)險(xiǎn)。

5 節(jié)能降耗及環(huán)保效益分析

采用新技術(shù)后2座豎井施工過(guò)程能源消耗情況見表2。

由表2的數(shù)據(jù)可以看出，與傳統(tǒng)的正打法相比，采用“先導(dǎo)井打通后擴(kuò)挖法開挖+滑模施工襯砌及不對(duì)稱中隔墻”技術(shù)節(jié)約了大量的電、柴油、木板、炸藥、雷管，節(jié)約能源型消耗材料60%以上。根據(jù)其他施工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)綜合成本為2.1萬(wàn)元/m，較傳統(tǒng)正打法(2.8萬(wàn)元/m)節(jié)約了0.7萬(wàn)元/m，2座豎井共節(jié)約202萬(wàn)元。另外，填表法調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，采用新技術(shù)后作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度降低約60%。

表2 2座豎井施工能源型材料消耗統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of consumption of energy materials of 2 ventilation shafts

在環(huán)境保護(hù)方面基本做到了零破壞。井口地表占用土地最少;所有污水流入隧道正洞，經(jīng)洞口污水處理池處理達(dá)標(biāo)后排放;不用安裝通風(fēng)機(jī)，不用將碴石提升到井口，施工期間地面噪音很小;廢棄石碴漏至聯(lián)絡(luò)通道，經(jīng)聯(lián)絡(luò)通道、正洞運(yùn)至洞口設(shè)計(jì)棄碴場(chǎng);減少了新建便道8 km，縮短了廢棄石碴運(yùn)距約15 km(井口地表20 km，隧道內(nèi)運(yùn)出5 km)。

6 結(jié)論與討論

洞宮山隧道深大通風(fēng)豎井開挖采用了反井鉆機(jī)完成導(dǎo)孔和導(dǎo)井，鉆爆法自上而下開挖初期支護(hù)，二次襯砌及不對(duì)稱中隔墻采用滑模整體施作技術(shù)。開挖采用反井鉆機(jī)導(dǎo)井先行的前提條件有2個(gè):1)隧道正洞開挖較快，豎井施工時(shí)隧道已開挖至井底;2)圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)且整體性較好地段。該方法占用了地表最少的土地，安裝了較小的井架及數(shù)量較少的空壓機(jī)，沒有將污水抽至井口地面，沒有將廢棄碴石提升至井口，沒有在風(fēng)景區(qū)新建便道，進(jìn)度較傳統(tǒng)的正打法至少加快50%。以往二次襯砌及中隔墻均分開施作，滑模整體施作技術(shù)增強(qiáng)了中隔墻與二次襯砌的整體性，節(jié)約了大量的木板和止水帶，基本沒有施工縫，進(jìn)度較傳統(tǒng)的翻模至少加快60%。

“先導(dǎo)井打通后擴(kuò)挖法開挖+滑模施工襯砌及不對(duì)稱中隔墻”技術(shù)在洞宮山隧道2座深大通風(fēng)豎井中的成功應(yīng)用，主要是前期做了大量的調(diào)研、理論分析、專家論證，對(duì)施工全過(guò)程的每個(gè)細(xì)節(jié)做了充分的技術(shù)準(zhǔn)備，施工過(guò)程才得以順利、有序開展。今后深大豎井采用該新技術(shù)時(shí)，需進(jìn)一步研究導(dǎo)井的合理尺寸、導(dǎo)井被碴石堵塞后的科學(xué)疏通方法、滑模高度及結(jié)構(gòu)表面裂紋控制措施、滑?；炷梁侠韽?qiáng)度指標(biāo)范圍、較破碎地層低成本導(dǎo)孔及導(dǎo)井的成孔方法、不均勻地層導(dǎo)孔垂直度控制措施、豎井井壁壁座的合理尺寸及形狀等。

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