節(jié)能降耗新技術(shù)在深大通風(fēng)豎井施工中的應(yīng)用

李豐果，徐 矯，賀國強

(1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001;2.中鐵隧道集團三處有限公司，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挖法、先導(dǎo)井打通后擴挖法。其中，逆向開挖法是20世紀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)計圖紙)的基坑并施作鎖口圈，周邊回填，利用鎖口圈及周邊場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，需要將豎井內(nèi)的滲涌水及時抽(風(fēng)動抽水)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存碴場，將地面初期支護材料吊放至工作面對井壁進行支護，通風(fēng)機將地面新鮮風(fēng)送到井底等，井口臨時存碴場的碴石要定期運至指定棄碴場。正打法需要征用大量井口及棄碴場，需安裝大功率的提升卷揚設(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，有時井下作業(yè)環(huán)境較惡劣(地下水豐富時需在水中作業(yè)、噴射混凝土作業(yè)時空氣質(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，地下水豐富時有淹井的風(fēng)險。

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)量及接縫處密實度均難以保證。豎井均設(shè)計有壁座，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18個月，施工進度受地下水滲涌影響較大，其中約有2個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豎井深達516 m［2］，太古高速西山特長隧道豎井深達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］、錦屏二級電站排水豎井［5］、臺縉高速蒼嶺隧道通風(fēng)豎井［6］均采用了先導(dǎo)井打通后擴挖的施工方法。

可以看到，國內(nèi)豎井施工技術(shù)已經(jīng)取得了很多經(jīng)驗，但對于豎井施工節(jié)能降耗新技術(shù)的開發(fā)并不多。經(jīng)過大量的調(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)豎井修建過程中，采用“先導(dǎo)井打通后擴挖法開挖+滑模施工襯砌及不對稱中隔墻”節(jié)能降耗新技術(shù)進行施工。實踐證明，該技術(shù)在施工中得到了成功運用，取得了良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

1 工程概況

洞宮山隧道為特長公路隧道，位于福建省南平市洞宮山風(fēng)景區(qū)，右洞長6 532 m，左洞長6 541 m，隧道設(shè)計縱坡為人字坡，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)部采用中隔板對隧道左右線的送、排風(fēng)進行分離。設(shè)計棄碴場距離井口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與豎井直線最小距離僅400 m，且處于國家4A級風(fēng)景區(qū)——白水洋風(fēng)景區(qū)上游，預(yù)測豎井穿越地層富水，施工過程環(huán)保要求高。為確保安全，防止涌水，保護環(huán)境，經(jīng)過長時間的調(diào)研、論證、經(jīng)濟比選，在隧道施工工期相對富余，地質(zhì)條件相對較好的前提下，選用具有施工速度快、占用場地少、井口無污水及廢棄碴處理方便等優(yōu)點的反井鉆機先導(dǎo)井后擴挖法進行施工。

2 反井鉆機選型及施工流程

2.1 反井鉆機選型

通過對工程地質(zhì)(凝灰?guī)r，抗壓強度80～95 MPa，屬中硬巖地層)、豎井深度、鉆機提升力、動力頭質(zhì)量、擴孔鉆頭質(zhì)量、鉆桿質(zhì)量、鉆頭壓力、鉆機扭矩、破巖阻力扭矩、摩擦阻力扭矩等參數(shù)的計算，按最大提升力不超過鉆機設(shè)計最大提升力的60%、最大扭矩不超過鉆機設(shè)計最大扭矩的70%為依據(jù)，選用了LM-200型反井鉆機。本鉆機可施工深為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，適用于鉆進軟巖及中硬巖。

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

鉆機配備90 kW的TBW-850/5A泥漿泵，在導(dǎo)孔鉆進時迫使洗井液循環(huán)，采用泥漿作為洗井液，將巖屑帶到孔外，同時對井壁有一定的支護作用。

2.2 施工流程

平整硬化場地—鎖口圈施工—鉆機精確就位(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—反向擴孔(140 cm，自下而上)—拆除鉆機—安裝簡易提升系統(tǒng)—鉆爆法擴挖、支護豎井(自上而下)—滑模對豎井二次襯砌及中隔墻進行整體施工(自下而上)。LM-200型反井鉆機及其工作原理如圖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)，分別在鉆進到3，7，11，40，80 m 時加裝穩(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］。鉆進過程中，遇小斷層或裂隙發(fā)育地層發(fā)生卡鉆或坍孔現(xiàn)象時，應(yīng)將鉆桿取出，灌注P·O 52.5水泥漿對圍巖孔壁及裂隙進行加固。灌漿時漿液稠度逐漸增大，使其達到一定的擴散范圍，待水泥漿凝固后再重新鉆進導(dǎo)孔。導(dǎo)孔完成后測得實際垂直偏斜值為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)孔鉆頭進行擴孔，擴孔時應(yīng)低速鉆進，鉆壓控制在10～13 MPa，并根據(jù)地層情況相應(yīng)調(diào)整。在反向刀盤全部進入巖層時，為防止刀盤劇烈晃動而損壞鉆具，應(yīng)使用低鉆壓低速鉆進，刀盤嚴禁反向旋轉(zhuǎn)，避免發(fā)生重大機械事故。因反向刀盤自下而上掘進，井口鉆桿需要逐根卸下，拆卸時應(yīng)嚴格按照規(guī)定操作，否則會導(dǎo)致整個鉆桿及刀盤掉落的事故發(fā)生［8］。擴孔停機前，應(yīng)將擴孔鉆具下降30～50 cm，關(guān)閉冷卻水源，鉆具卡在鉆機底的卡座上，主機液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)整到卸荷狀態(tài)，關(guān)掉電機和電器柜開關(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只需鉆桿、刀盤的冷卻水，且冷卻水的水流量和揚程均不大，故將導(dǎo)孔施工時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、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，同時通過行程控制調(diào)整滑模垂直度(即精度)，在支承桿側(cè)安裝標尺進行控制。滑模裝置主要由模板、圍圈、提升架、操作平臺、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

施工準備—測量放線—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、吊活動平臺—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，要求東、南、西、北4個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，千斤頂橫梁標高允許偏差為3 mm，操作平臺的平整度允許偏差為1 cm。

混凝土澆筑采用分層對稱澆筑，分層厚度應(yīng)小于30 cm。澆筑前必須進行混凝土固身試驗，固身凝固時間為4～6 h(固身凝固是指混凝土達不到初凝狀態(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)澆筑厚度達到70 cm時，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)量是否達標。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，若無異?，F(xiàn)象，便可進行正常澆筑和滑升。初次滑升要緩慢，同時要對液壓裝置、模板結(jié)構(gòu)、有關(guān)設(shè)施在負載情況下做全面檢查。

2)正常滑升。必須保持連續(xù)作業(yè)，由專人觀察脫?；炷帘砻尜|(zhì)量，以此動態(tài)確定合理的滑升時間和速度。一般滑升速度為5 m/d左右，滑升過程中能夠聽到沙沙的聲音，脫模的混凝土無流淌、無拉裂現(xiàn)象，手按較硬，并能留下1 mm左右深的指印，強度約0.1 MPa，表面能用抹子抹平?；＜昂喴滋嵘到y(tǒng)如圖5和圖6所示。

為方便開挖和初期支護施工，確保井壁壁座混凝土的密實度，將原設(shè)計的矩形壁座設(shè)計優(yōu)化為直角三角形壁座(30°對應(yīng)直角邊在下方)，斜邊與豎井壁重合。

4 實際進度

2座豎井實際施工進度見表1。

表1 2座豎井實際施工進度統(tǒng)計表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)井打通后擴挖法開挖+滑模施工襯砌及不對稱中隔墻”的施工方法，工期節(jié)約50%以上，且消除了施工過程中淹井的風(fēng)險。

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)井打通后擴挖法開挖+滑模施工襯砌及不對稱中隔墻”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，現(xiàn)場實測綜合成本為2.1萬元/m，較傳統(tǒng)正打法(2.8萬元/m)節(jié)約了0.7萬元/m，2座豎井共節(jié)約202萬元。另外，填表法調(diào)查統(tǒng)計表明，采用新技術(shù)后作業(yè)人員的勞動強度降低約60%。

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

在環(huán)境保護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標后排放;不用安裝通風(fēng)機，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、正洞運至洞口設(shè)計棄碴場;減少了新建便道8 km，縮短了廢棄石碴運距約15 km(井口地表20 km，隧道內(nèi)運出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完成導(dǎo)孔和導(dǎo)井，鉆爆法自上而下開挖初期支護，二次襯砌及不對稱中隔墻采用滑模整體施作技術(shù)。開挖采用反井鉆機導(dǎo)井先行的前提條件有2個:1)隧道正洞開挖較快，豎井施工時隧道已開挖至井底;2)圍巖級別為Ⅳ級且整體性較好地段。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，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，進度較傳統(tǒng)的翻模至少加快60%。

“先導(dǎo)井打通后擴挖法開挖+滑模施工襯砌及不對稱中隔墻”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，對施工全過程的每個細節(jié)做了充分的技術(shù)準備，施工過程才得以順利、有序開展。今后深大豎井采用該新技術(shù)時，需進一步研究導(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梁侠韽姸戎笜朔秶?、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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