地下水封洞庫豎井施工的技術(shù)與經(jīng)濟性對比分析

劉龍衛(wèi)

(中國中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 400000)

1 工程概況

某500 萬m3地下水封洞庫，由10 條平行主洞庫組成，每條主洞均設一條工藝豎井與地面設施連接，洞庫施工期間豎井可兼做通風排煙通道，因此為改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量，應盡早完成豎井施工。

2 反井+擴挖法與正井法施工方法及適用范圍

2.1 反井+擴挖施工法

1)反井+擴挖施工法施工前期準備工作。

a.地下滲漏水的控制。在豎井地質(zhì)勘察時期，需對豎井鉆探孔進行分段壓水試驗，確定巖石滲透系數(shù)，并大致推算各段出水情況。反井鉆司鉆導孔期間分段(一般為5 m～8 m 為宜)進行滲漏水測量，確定導井施工期間滲水分布情況。通過以上兩個步驟進行地表超前預注漿以及井下豎直向上預注漿的深度，對出水量較大的位置進行注漿封堵，減小導井施工期間的地下水流失。

b.反井鉆反提預留深度的確定。地下水封洞庫選址均位于含水量豐富、地質(zhì)圍巖情況較好的圍巖中，但地表覆蓋層一般含水量較大且風化較為嚴重，本項目地表覆蓋層為強(全)風化花崗巖，為防止反井鉆反提導井時地表出現(xiàn)坍塌溜井現(xiàn)象，反井鉆反提高度確定在地表覆蓋層以下1.5 m～2 m 左右，預留部分應采用正井法進行施工。

c.反井鉆導井直徑的確定。本項目豎井直徑為6 m，井內(nèi)需開挖楔形封塞、預埋管道支架等其他輔助設施，通過技術(shù)、經(jīng)濟對比發(fā)現(xiàn)直接采用反井鉆施工6 m 直徑豎井造價較高，且由于輔助設施的施工仍需借助于井架及托盤，因此采用反井+擴挖的方式更為合理，為保證導井溜渣暢通確定采用1.4 m 直徑反井鉆進行反提施工。

2)超前預注漿。

首先對地表覆蓋層進行固結(jié)，防止施工期間地表濕陷，注漿壓力應控制在0.5 MPa 以內(nèi)，若出現(xiàn)漏漿或壓力持續(xù)不上升時可采用水泥漿+水玻璃雙液漿進行注漿固結(jié)。

地表固結(jié)注漿完成后，進行超前堵水注漿，鉆孔深度應根據(jù)地質(zhì)勘察報告確定，注漿壓力應控制在0.5 MPa～1.0 MPa。

由于豎井長度一般在50 m 以上，可利用鑿巖臺車由井下向上垂直鉆孔，對井底與井下巷道交叉口進行固結(jié)以及堵水注漿。

3)反井鉆施工準備。

當?shù)乇砀采w預注漿完成后，進行反井鉆基礎的施作，為防止鉆機施工時發(fā)生傾覆現(xiàn)象，基礎承載力需要足夠強，反井鉆機基礎尺寸為400 cm×220 cm×70 cm，采用C25 混凝土澆筑，澆筑時需預埋爆破孔，以方便基礎拆除。

在鉆機基礎附近，挖一循環(huán)水池，使鉆機的冷卻水和孔口反出水能自然流進池內(nèi)。循環(huán)水池的容量不宜小于10 m3，并能滿足人工或挖掘機等清理沉淀泥漿的作業(yè)。循環(huán)水池一般是臨時的，當距離豎井口較近時在反井鉆機施工完成后應回填。

4)反井鉆施工。

a.導孔施工。導孔鉆進是反井鉆機施工的關(guān)鍵，鉆桿傾斜、孔位偏差均會導致豎井偏離原設計位置，因此選擇匹配的導孔鉆頭與鉆桿非常關(guān)鍵，本項目采用反井鉆導孔鉆頭直徑為216 mm，鉆桿直徑選用186 mm 單根鉆桿長1 m，鉆機就位后進行導孔施工，由豎井井口自上而下與巷道或主洞頂相貫通，由于導孔施工時將穿過全、強風化層，可能出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，為防止塌孔后的石屑將鉆桿抱死，塌孔后不得繼續(xù)鉆孔，應將鉆桿全部提出，進行灌漿施工固結(jié)孔壁，然后繼續(xù)進行鉆孔，導孔施工時應預備備用電源，防止突然停電導致鉆桿抱死造成較大損失。

b.導井施工。在導孔鉆至井底巷道內(nèi)時，在巷道內(nèi)拆下導孔鉆頭，更換反向刀盤，然后慢速提鉆桿，當?shù)侗P上的滾刀接觸到巖面時，用5 r/min～9 r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動鉆桿，并慢速上提加力。待刀盤全部接觸巖面時，才能正常上提擴孔，但一般的系統(tǒng)壓力限制不宜超過18 MPa，導井反提時必須嚴格遵循已確定的反提高度，嚴禁超提導致導井周邊地表覆蓋層發(fā)生坍塌。

5)豎井擴挖施工。

反井鉆導井施工完成后，拆除反井鉆基礎，架設擴挖井架，對導井進行擴挖，石渣由導井溜至井下巷道，由傳統(tǒng)出渣設備裝載機或挖掘機配合出渣大車將石渣倒運至洞外指定堆渣場。擴挖時應進行爆破試驗，防止由于爆破孔間距過大導致石渣塊頭過大，堵塞導井。擴挖施工期間井內(nèi)遇較大滲水量或滲水量超過設計標準時，采用徑向后注漿堵水的方法進行封堵。

6)反井+擴挖法施工豎井的使用范圍。

地下水封洞庫反井+擴挖法施工豎井的方法適用于地表覆蓋層較薄，基巖含水量較小，且穩(wěn)定性較好的地質(zhì)結(jié)構(gòu)層。

2.2 正井法施工方法

1)地表加固。若地表覆蓋層為砂質(zhì)或粉砂質(zhì)泥巖、流砂、砂巖、泥質(zhì)砂巖或粉砂巖、礫巖、煤層、巖漿巖、灰?guī)r等均可能發(fā)生井壁不穩(wěn)定的情況，因此豎井正挖施工前要對應覆蓋層厚度進行加固注漿。

2)正挖施工。架設正挖井架(要求井架基礎牢固)，對豎井進行鉆爆法正挖，由于正挖法施工豎井時井內(nèi)滲水、施工用水等均需通過井口排出，施工期間應準備高揚程水泵兩臺，一用一備。爆破后石渣由人工裝至吊桶，并利用提升系統(tǒng)提至井口，由軌道運輸小車運輸至臨時棄渣廠，再由裝載機配合渣車轉(zhuǎn)運至指定棄渣場，施工時必須進行爆破試驗，防止爆破后石渣塊度過大，導致人工裝渣困難。

3)正井法施工豎井的使用范圍。以正井開挖爆破的施工方法進行豎井的施工，是傳統(tǒng)施工工藝，該方法適用于所有豎井工程。

3 反井鉆+擴挖與正挖施工豎井各項指標對比

1)安全環(huán)保方面。

優(yōu)點:

a.豎井施工當中機械化程度得以提高;b.豎井擴挖時爆破后的石渣直接由導井溜至井底巷道減少了豎井提升系統(tǒng)的運行次數(shù)，大大降低了安全事故的發(fā)生率;c.導井與洞內(nèi)巷道相通保證了井下的通風，改善了作業(yè)環(huán)境;d.由于導井凌空面的存在使得擴挖時單段火工品用量降低，降低了爆破震動，降低了對圍巖的擾動。

缺點與對策:

a.反井鉆施工井下必須提供凌空面;b.擴挖時導井存在人員墜落的風險，井下施工必須佩帶安全帶;c.導井施工時地表軟弱層存在失陷的可能，因此反井鉆反提高度必須根據(jù)地質(zhì)勘察資料提前確定，并在地表進行固結(jié)注漿;d.井下存在發(fā)生物體打擊事件的可能，因此反井鉆反提施工以及豎井擴挖時必須在井下進行可靠的安全防護。

2)質(zhì)量方面。

a.反井鉆機采用滾刀機械破巖，對圍巖破壞小，井壁光滑，有利于擴挖溜渣、通風、排水;b.擴挖時用藥量小，爆破震動小，圍巖穩(wěn)定性好;c.導孔司鉆完成后井下凌空面已基本確定豎井中心，不存在測量放樣錯誤導致豎井開挖位置錯位。

3)進度方面。

傳統(tǒng)正挖法與反井+擴挖法施工豎井進度對比表見表1。

表1 傳統(tǒng)正挖法與反井+擴挖法施工豎井進度對比表

a.反井鉆反提后擴挖施工時由于導井的存在爆破鉆孔數(shù)量減少，使得鉆孔時間縮短;b.鉆孔期間由于鉆孔施工用水由導井直接排除，減少了傳統(tǒng)正挖時的抽排水時間;c.反井鉆反提后擴挖施工時由于(導井)凌空面的存在，可加深爆破孔深度，單炮進尺一般在2.3 m 以上，傳統(tǒng)正挖基本在1.5 m 以內(nèi);d.擴挖施工較正挖施工施工工序減少、爆破施工循環(huán)數(shù)減少，各工序轉(zhuǎn)換期間的通風排煙時間減少、出渣期間的抽排水時間忽略，使得施工進度得以較大提高。

4)成本費用方面。

傳統(tǒng)正挖與反井+擴挖法施工豎井經(jīng)濟對比表見表2。

表2 傳統(tǒng)正挖與反井+擴挖法施工豎井經(jīng)濟對比表 元/m

4 結(jié)語

1)通過技術(shù)對比可知，在地下水封洞庫豎井施工當中，若地表覆蓋層較薄、豎井區(qū)域地下圍巖完整性較好、反井鉆施工導井時不會出現(xiàn)較大滲水量導致地下水形成滲水漏斗，從而威脅到洞庫的水封，可以采用反井+擴挖法進行施工。與正井法相比較，反井+擴挖法施工流程較多，施工組織相對復雜一些，但施工時機械化程度較高、安全性較好、施工進度較快。

2)通過經(jīng)濟預算對比可知，在地下水封洞庫豎井施工當中，反井+擴挖法較傳統(tǒng)正井法更為經(jīng)濟，但地表覆蓋層與強(全)風化層厚度占豎井井深的比例超過2/3 時，由于設備進退場費用、設備安裝及拆卸等原因宜采用正井法施工。

［1］郭得福，張 慧.豎井反井鉆井法在地下水封洞庫工程中的應用［J］.隧道建設，2012(5) :709-712.

［2］史天生.深立井井筒施工技術(shù)與裝備［J］.建井技術(shù)，1995(6) :23-27.