豎井正井法與反井?dāng)U挖法施工適應(yīng)性分析與研究

熊子壹

關(guān)鍵詞 正井法;反井法;安全;環(huán)保;質(zhì)量;造價(jià)

中圖分類號(hào) TV554 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）04-0139-03

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)械化施工也逐步廣泛運(yùn)用于施工中，現(xiàn)階段常用的工藝主要包括豎向掘進(jìn)機(jī)法、正井法（鉆爆）、反井?dāng)U挖法等，不同工藝的選擇在不同地理環(huán)境、不同施工組織，以及豎井建設(shè)規(guī)模等條件下均有著極大差異，現(xiàn)以天山勝利隧道1號(hào)豎井為例，結(jié)合地理位置、豎井施工中的用途等方面，就正井法與反井?dāng)U挖法施工進(jìn)行適應(yīng)性分析與研究。

1 工程概況

天山勝利隧道（ZK75+680～ZK97+790/YK75+830～YK97+826）設(shè)計(jì)為分離式隧道，隧道全長(zhǎng)22.110 km（左洞）/21.996 km（右洞），為全世界最長(zhǎng)高速公路隧道。隧道進(jìn)口高程約2 770.2 m，出口高程2 900.2 m，洞身最大埋深約1 112.6 m，運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)置通風(fēng)豎井4處，其中1#豎井開(kāi)挖直徑D=12.4 m，海拔3 424 m。

根據(jù)施工整體部署，利用中導(dǎo)洞超前優(yōu)勢(shì)開(kāi)辟3個(gè)橫通道進(jìn)行施工組織，1#豎井僅作為通風(fēng)通道，不作為主洞開(kāi)辟新的作業(yè)面輔助通道。

2 施工工藝簡(jiǎn)述

2.1 豎井反井?dāng)U挖法工藝

目前國(guó)內(nèi)外最大擴(kuò)孔直徑5.5 m，在反井法施工中需要二次擴(kuò)孔。待主洞施工至豎井處且聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，采用定向地質(zhì)鉆機(jī)自上而下施工導(dǎo)孔，然后用反井鉆機(jī)自下而上進(jìn)行擴(kuò)孔，最后用自上而下鉆爆法刷大至設(shè)計(jì)斷面，豎井施工通過(guò)豎井底部出渣，待施工至井底后自下而上進(jìn)行井身襯砌施工[1]，如圖1。

2.2 正井法施工工藝

豎井可優(yōu)先施工，采用傘鉆、井架等設(shè)備自上而下進(jìn)行開(kāi)挖初支，豎井施工通過(guò)井口進(jìn)行出渣，待施工至井底后自下而上進(jìn)行井身襯砌施工[2]，如圖2。

3 適應(yīng)性分析

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外深大豎井施工方案的調(diào)研，豎井施工可分為正井法、反井法和豎向掘進(jìn)機(jī)法，正井法和反井法施工工藝、施工技術(shù)均較成熟，反井法施工用于煤礦、水利工程較多，豎向掘進(jìn)機(jī)法受施工設(shè)備的影響，目前正處于設(shè)備研發(fā)階段，尚無(wú)大直徑豎向掘進(jìn)機(jī)成功施工案例，正井法用于高速公路、鐵路、地鐵施工較多[3]。因此，結(jié)合目前設(shè)備研究情況以及豎井概況及特點(diǎn)，從正井鉆爆法、反井鉆機(jī)施工形成導(dǎo)井再鉆爆擴(kuò)挖法兩種施工方案的進(jìn)度、安全、質(zhì)量方面，對(duì)1#豎井施工工藝進(jìn)行適應(yīng)性分析。

3.1 工藝分析

3.1.1 正井法優(yōu)點(diǎn)

（1）不受下平段（聯(lián)絡(luò)通道、正洞）施工約束，上部施工面具備條件，即可施工。

（2）可全斷面直接由上至下貫通。

3.1.2 正井法缺點(diǎn)

（1）豎井施工高度大，沒(méi)有形成施工通風(fēng)的回路，施工通風(fēng)困難。

（2）出渣由井口提升，且豎井出渣量大，出渣工序的效率低。

（3）出渣人員長(zhǎng)時(shí)間井下作業(yè)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

3.1.3 反井+鉆爆擴(kuò)挖法優(yōu)點(diǎn)

（1）導(dǎo)井貫通后形成自然通風(fēng)回路，豎井施工通風(fēng)條件好。

（2）由于有反井的自由面存在，擴(kuò)大施工時(shí)爆破效率高，有利于實(shí)現(xiàn)深孔光面爆破。

（3）爆破下來(lái)的巖石直接落到下部隧道內(nèi)，提高了出渣和清底的速度，加快鑿井進(jìn)度。

（4）減小提升設(shè)備規(guī)模，節(jié)省吊泵等臨時(shí)排水設(shè)備，降低成本。

3.1.4 反井+鉆爆擴(kuò)挖法缺點(diǎn)

（1）只有主洞施工到豎井處才能開(kāi)始豎井施工，不能縮短主洞施工通風(fēng)距離。

（2）反井貫通后，仍需正井?dāng)U挖，上口仍需布置一套提升吊掛設(shè)施和設(shè)備。

（3）隨著豎井深度的增加，反井鉆孔容易產(chǎn)生偏斜，施工難度越來(lái)越大，速度越來(lái)越慢，相應(yīng)造價(jià)增加。

（4）導(dǎo)井溜渣可能發(fā)生堵井，堵井處理困難。

3.2 豎井進(jìn)度因素分析

3.2.1 工期安排

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，綜合現(xiàn)場(chǎng)工程特點(diǎn)，確定豎井施工進(jìn)度計(jì)劃，具體如表1。

3.2.2 正井法工期

考慮冬季施工：按照2020年5月1日開(kāi)工，計(jì)劃工期2020年5月1日—2022年4月12日豎井貫通（含聯(lián)絡(luò)通道）。

3.2.3 反井法工期

（1）中導(dǎo)洞擬定2019年12月1日開(kāi)始鉆爆法施工，2020年7月1日開(kāi)始TBM段施工。

（2）TBM施工至1#豎井+320 m處，工期為18個(gè)月（不含鉆爆段），時(shí)間為2022年4月13日。

（3）橫通道和聯(lián)絡(luò)通道施工工期為3個(gè)月，完成時(shí)間為2022年7月1日次襯砌及中隔板工期為3.3個(gè)月，完成時(shí)間為2023年11月4日，豎井工期19.3個(gè)月，完工時(shí)間為2023年11月4日。

3.2.4 工期分析

（1）采用正井法施工，1-1豎井及聯(lián)絡(luò)通道于2022年4月12日左右已施工完成，中導(dǎo)洞TBM施工至豎井聯(lián)絡(luò)通道處時(shí)間為2022年4月13日左右，即在2022年4月13日左右豎井與橫通道、與中導(dǎo)洞貫通，為中導(dǎo)洞和正洞提供排煙通道。

（2）采用反井法施工，中導(dǎo)洞施工至豎井聯(lián)絡(luò)通道處時(shí)間為2022年4月13日，再施工聯(lián)絡(luò)通道、豎井導(dǎo)孔、導(dǎo)井、擴(kuò)挖等，時(shí)間2019年3月，完成時(shí)間在2023年11月4日方可為中導(dǎo)洞、正洞提供排煙通道。

（3）因此，1#豎井采用正井法可提前約18.5月為中導(dǎo)洞、正洞提供排煙通道，解決隧道正洞排煙難題。采用正井法從工期角度、從為正洞和中導(dǎo)洞提供排煙通道，解決正洞及中導(dǎo)洞施工通風(fēng)技術(shù)難題大大優(yōu)于反井法。

（4）從整體施工進(jìn)度而言，反井法施工工期稍短于正井法施工工期，但考慮到反井法施工應(yīng)用先決條件是中導(dǎo)洞施工至聯(lián)絡(luò)通道位置，通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道提供條件進(jìn)行反井法施工。

（5）豎井施工方案比選重點(diǎn)參考因素：重點(diǎn)應(yīng)考慮豎井為正洞、中導(dǎo)洞提供排煙通道，解決中導(dǎo)洞、正洞施工通風(fēng)技術(shù)難題。通過(guò)整體工期計(jì)算，正洞進(jìn)口端施工至聯(lián)絡(luò)通道位置時(shí)，豎井采用正井法施工（含聯(lián)絡(luò)通道施工）已施工完畢;而豎井采用反井法施工，待中導(dǎo)洞TBM施工至聯(lián)絡(luò)通道后，才開(kāi)始施工豎井。因此，正井法施工豎井較反井法施工豎井可提前18.5月為中導(dǎo)洞、正洞施工提供通風(fēng)條件。

3.3 安全因素

綜合考慮正井法與反井法施工特點(diǎn)，確定其安全因素：

3.3.1 正井法

（1）由于豎井施工深度過(guò)大，沒(méi)有形成施工通風(fēng)的回路，施工前需要提前通風(fēng)，排除有害氣體，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）出渣需由上部吊運(yùn)，對(duì)起吊設(shè)備的安全控制較為嚴(yán)格。

（3）涌水的安全風(fēng)險(xiǎn)較反井法高，提前探知地下水源的能力相對(duì)較弱。

3.3.2 反井法

（1）混凝土等材料需從井口吊運(yùn)，對(duì)起吊設(shè)備的安全控制較為嚴(yán)格，豎井施工過(guò)程中需要對(duì)導(dǎo)井進(jìn)行防護(hù)，存在人員、材料等物體墜落安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）豎井涌水后，正洞反坡段排水困難，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

注：正井法施工可提前作為應(yīng)急救援通道。

3.4 環(huán)保因素

3.4.1 反井法

導(dǎo)孔施工時(shí)，在井口設(shè)置臨時(shí)泥漿池，用于泥漿護(hù)壁;

導(dǎo)井施工時(shí)，在井口設(shè)置水箱，作為鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿、鉆頭的冷卻，同時(shí)在井底設(shè)置三級(jí)沉淀池。

3.4.2 正井鉆爆法

正井鉆爆法施工中，僅在鉆孔過(guò)程中用水，產(chǎn)生污水量小，隨出渣可全部運(yùn)輸至井外。

在環(huán)保敏感區(qū)內(nèi)施工，正井法較反井法在環(huán)保方面較有優(yōu)勢(shì)。

3.5 質(zhì)量因素

正、反井的工法步驟類似，不同的是反井法鉆爆時(shí)可充分利用導(dǎo)井臨空面，爆破時(shí)裝藥量少，對(duì)井身周圍的巖層擾動(dòng)相對(duì)較小，有利于質(zhì)量控制[4]。

3.6 造價(jià)因素

項(xiàng)目對(duì)國(guó)內(nèi)在建個(gè)別項(xiàng)目的正井鉆爆法及反井?dāng)U挖法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，其正井法鉆爆法、反井?dāng)U挖法費(fèi)用主要由用電、炸藥、機(jī)械租賃、人工費(fèi)、臨建及便道、進(jìn)出場(chǎng)及春節(jié)停工、混凝土及鋼材費(fèi)用組成，正井法費(fèi)用約為10.5萬(wàn)元/延米，反井?dāng)U挖法費(fèi)用約為9.7萬(wàn)元/延米。調(diào)研項(xiàng)目如表2所示。

因此，正井法施工與反井法豎井施工造價(jià)相差不大。

3.7 電力需求調(diào)研

正井法與反井法施工豎井電力需求表3所示。

4 總結(jié)

通過(guò)正井法施工在天山勝利隧道中的運(yùn)用可以看出，正井法施工不受主洞施工影響而同時(shí)施工，且豎井優(yōu)先于服務(wù)隧道和主洞貫通，為豎井為主洞提供通風(fēng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，從而減少了主洞通風(fēng)壓力。相對(duì)反井法、豎向掘進(jìn)機(jī)法施工，正井法施工對(duì)隧道主洞施工通風(fēng)有著超前優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)于長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)有著較大意義，一方面改善了主洞通風(fēng)效果，同時(shí)也間接性提高了主洞施工進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)

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