豎井開挖施工技術(shù)與質(zhì)量控制研究

黃勝宏 吳巨雄 方濤

1.廣州開發(fā)區(qū)財政投資建設(shè)項目管理中心 廣東 廣州 510000 2.廣州市市政工程監(jiān)理有限公司 廣東 廣州 510000

隨著現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展和進步，豎井開挖施工技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用越來越廣泛。豎井作為一種特殊的基礎(chǔ)設(shè)施，其開挖施工的質(zhì)量對于整體工程的安全性和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。然而，豎井開挖施工受到多方面因素的影響，如地質(zhì)條件、施工設(shè)備、技術(shù)水平等，使得其施工難度較大。尤其在當前市政工程項目建設(shè)日益復(fù)雜且建設(shè)要求越來越高的背景下，以豎井開挖施工技術(shù)來解決項目建設(shè)中的一些難題，能夠形成更妥善的施工方案。因此，實踐中對豎井開挖施工技術(shù)與質(zhì)量控制進行不斷研究和探索，找到科學(xué)的施工技術(shù)路徑，對于提高豎井施工質(zhì)量和安全性具有重要的現(xiàn)實意義。

1 豎井開挖施工方案

1.1 正井開挖

豎井開挖技術(shù)在各類工程中應(yīng)用十分廣泛。正井開挖方案需要在井口地面布設(shè)好控制點，明確開挖位置和尺寸，采用自上而下的順序進行導(dǎo)井開挖，常用的開挖方式可分為人工和機械兩種類型。傳統(tǒng)的正井開挖方式為人工操作，采用手風(fēng)鉆機進行人工鑿巖爆破，并人工裝渣，采用吊桶將爆破渣運出施工場地，通常操作量大，施工速度慢，人工成本高，并且安全風(fēng)險高，需要采取復(fù)雜的安全保障措施。后來隨著科技發(fā)展，地質(zhì)鉆機等各類機械設(shè)備逐漸投入使用，代替人力完成鑿巖爆破及清渣工作，從人工開挖模式逐漸轉(zhuǎn)為機械化開挖模式。機械化施工過程中，清運裝卸爆破渣通常利用抓斗完成，但由于相應(yīng)的設(shè)備、技術(shù)仍有不足之處，清渣質(zhì)量有待提升，對爆破渣的處理不夠干凈。

1.2 反井開挖

反井開挖是當前豎井施工中較常用的技術(shù)方案，也就是自下而上的順序進行鑿井，主要包括鉆井法、爬罐法和吊罐法等類型，其中鉆井法是當前礦山、水電站等區(qū)域進行豎井施工時應(yīng)用最廣泛的反井開挖方式，主要借助反井鉆機自上而下挖出導(dǎo)孔，孔徑通常為216毫米，使孔洞與施工平洞聯(lián)通，然后再從下而上進行豎井擴寬施工，形成孔徑在1200毫米至1600毫米之間的豎井[1]。爬罐法則主要是通過爬罐方式自下而上進行鉆爆，并通過平洞機械將爆渣清運出去。這種技術(shù)具有開挖速度快、爆渣清運效率高等優(yōu)勢，但也存在明顯的不足之處，主要體現(xiàn)在導(dǎo)軌故障率高，在施工過程中容易被破壞，需要頻繁返修，導(dǎo)致維修成本增高，而且由于無需鉆導(dǎo)孔，爆破施工時產(chǎn)生的煙霧難以排出，導(dǎo)致工作環(huán)境比較惡劣[2]。吊罐法則主要是將鉆機置于吊籠中，自下而上進行鉆爆，并通過平洞機械進行爆渣清運，其主要優(yōu)勢在于開挖孔徑大，豎井直徑可達到2000毫米以上。

2 豎井開挖施工技術(shù)

2.1 施工機具

機械化是當前豎井開挖施工中的一個重要特點，不僅提高了施工效率，加快了工程進度，而且有效減輕了施工人員工作量和工作強度，人力要求較低，開挖施工的過程安全性也得到明顯提升，但大量機械設(shè)備的使用維護以及相關(guān)輔助技術(shù)的應(yīng)用，使得正井開挖的成本隨之增高，并且大型機械設(shè)備進場，對施工場地及周邊道路具有更高的要求，使得道路建設(shè)成本也有所增加。豎井開挖過程中使用到的機器設(shè)備較多，包括地質(zhì)鉆機、吊籠、卷揚機、交捻鋼絲繩、小型運輸設(shè)備等。由于吊籠需要兩人操作，操作人員要與井底值班人員保持溝通，因此還需配備低壓照明裝置、通訊裝置等。

吊籠由高強度鋼筋焊接而成，通常依據(jù)實際情況自行設(shè)計，選用直徑16厘米左右的鋼筋，格柵之間形成的孔洞面積要求不超過5平方厘米，吊籠頂部則設(shè)置厚度超過2.5毫米的保護鋼板，其上再鋪設(shè)一層膠墊，以防止鉆爆過程中掉落的石塊對吊籠內(nèi)的人員造成傷害[3]。為了保證施工安全，吊籠具有較高的強度要求，焊接成吊籠的骨架必須符合強度標準，還需高度重視焊接質(zhì)量，尤其在關(guān)鍵部位需要進行加固，以保障施工安全。此外，為了確保吊籠使用安全，在豎井中爆破前需將其移出豎井。卷揚機、小型運輸設(shè)備等主要用于對爆渣的清運工作，在傾倒、運送的過程中需注意保護周圍的各類機具。反井鉆機到金發(fā)采取反鉆進原理，以電機為動力，驅(qū)動液壓馬達，并傳導(dǎo)至鉆具系統(tǒng)，驅(qū)動鐮齒盤形滾刀發(fā)生旋轉(zhuǎn)、上下運動，對巖體進行沖擊、擠壓和剪切，達到破碎巖體的目的[4]。反井鉆機具有效率高、鉆進速度快的優(yōu)勢，且無需進行爆破操作，甚至無需施工人員長時間停留在豎井內(nèi)部，安全性更強，具有較高的應(yīng)用價值，目前在豎井開挖施工中應(yīng)用很廣泛。

2.2 導(dǎo)井施工技術(shù)

豎井開挖施工時極少采取全斷面正井法，所以大部分正井施工、反井施工技術(shù)都需要先打豎導(dǎo)井，施工過程中需要先挖出導(dǎo)孔，其作用主要有懸掛吊籠鋼絲繩、為施工區(qū)域通風(fēng)、排煙排粉塵等，并為后續(xù)擴孔施工做準備。需要采用地質(zhì)鉆機在豎井平臺上從上而下施工鉆孔，孔徑為150毫米，可在鉆導(dǎo)孔的同時進行水平洞施工，使其互相連通。為了保證導(dǎo)孔完全貫通，在施工完成后可通過泥漿泵向其中灌入洗井液，使其通過整條導(dǎo)井，然后由排水孔排出，既能檢驗導(dǎo)孔貫通情況，也能沖洗導(dǎo)井中的石渣，使其隨水流被排到排渣槽中。檢驗豎導(dǎo)井施工質(zhì)量合格后即可進行擴孔施工。

2.3 豎井擴挖施工技術(shù)

豎井擴挖施工對于施工人員專業(yè)技術(shù)和施工經(jīng)驗的要求較高，一旦鉆機開始工作，就很難直接測量到孔內(nèi)的各項參數(shù)，大部分需要依靠經(jīng)驗對孔內(nèi)偏差進行控制。在實際施工中，需充分考慮巖層特點，依據(jù)巖層類型不同，調(diào)整擴孔施工的操作方式，調(diào)整主泵、副泵的轉(zhuǎn)速、壓力等參數(shù)，以控制鉆機工作速度。如何安全、高效地清運爆渣是豎井開挖施工中面臨的一個重要問題，為了提高清渣效率，降低相關(guān)工作量，可在設(shè)計鉆孔工作面時設(shè)計35°的傾斜角度，利用重力作用將爆破產(chǎn)生的石渣引到水隧洞中。施工時需及時清理槽孔，保證槽孔與周邊孔之間的偏差控制在50毫米以內(nèi)，與其他炮孔的偏差則控制在100毫米內(nèi)[5]。若擴挖斷面達到100平方米，擴挖時可采用溜斗形狀的錯數(shù)臺擴挖方法，用火雷管進行爆破。由于豎井開挖施工中每層區(qū)域通常需要進行至少2次鉆爆，涉及許多機具，其工序繁瑣，施工時間長，效率低，為了加快進度，可安排多個鉆孔設(shè)備，同時進行擴挖施工，并在擴挖完成后及時完成支護工作[6]。爆破結(jié)束應(yīng)及時利用手風(fēng)鉆的供風(fēng)管進行排煙處理，并通過灑水方式降塵。若鉆井深度不足，可采用添加施工支洞的方式進行處理，但會導(dǎo)致成本增加。相對而言，豎井擴挖施工時采取人工爆破的方式最節(jié)省成本，但同時也具有效率低、速度慢的缺陷，施工時需要依據(jù)現(xiàn)場情況和實際需求進行合理選擇。

2.4 圍巖支護技術(shù)

在豎井開挖施工中，鉆爆操作可能對周圍巖體造成影響，為了保證豎井施工的安全穩(wěn)定，需做好支護工作。目前常用的支護方法有鋼拱架支護、噴射混凝土等方法，前者是采用預(yù)制鋼拱架進行支護，在施工現(xiàn)場采用螺栓將其連接成榀，依據(jù)擴挖進度采用錨桿、螺栓結(jié)合焊接等方式進行分段安裝固定；采用噴射混凝土的方式完成支護，則需要先清洗井壁作業(yè)面，確保表面平整潔凈，然后通過人工綁扎的形式安裝鋼筋網(wǎng)，使其貼緊巖石表面，并設(shè)置深度20厘米左右的插筋，然后采用噴射機在表面均勻噴射加了速凝劑的混凝土，依據(jù)由下往上、分片分層、先凹后凸的施工順序進行操作，使混凝土層厚度維持在5厘米左右。待混凝土終凝后2h，需進行噴水養(yǎng)護，若空氣濕度達到85%以上或氣溫低于5°的情況下可無須噴水，共養(yǎng)護7天以上。

3 豎井開挖施工質(zhì)量控制措施

3.1 工程測量質(zhì)量控制

測量是工程施工前的一項關(guān)鍵性工作，測量質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)施工能否順利推進，加強質(zhì)量控制非常有必要。應(yīng)由專業(yè)人員來到施工現(xiàn)場采用線錘、全站儀等測量裝置進行測量放樣，并采用軸線控制，準確定位施工區(qū)域和具體位置，做好井口鎖口和排水施工。利用挖掘機配合人工挖出井口，深度達標、質(zhì)量合格后及時封閉井壁，在井口位置綁扎鋼筋，支設(shè)模板，向其中澆筑混凝土。在井口位置設(shè)置4個觀測點，采用全站儀進行沉降、位移的觀測。豎井開挖施工過程中，每次爆破結(jié)束后都需要重新測量放樣，在作業(yè)面標定中心位置，參照中心位置標出擴挖輪廓線，然后再進行開挖作業(yè)。施工時每個循環(huán)進尺的距離應(yīng)在一個鋼架構(gòu)以內(nèi)，每個循環(huán)都需要做好支護工作，以保證周圍巖石的穩(wěn)定，并且加強對井身的安全觀測，以便于嚴格控制好孔深、孔徑、傾斜角度等，也便于及時發(fā)現(xiàn)異常問題。

3.2 爆破質(zhì)量控制

爆破是豎井開挖施工中非常常用的施工手段，也是一項十分危險的工作，做好爆破質(zhì)量控制直接關(guān)系到豎井開挖質(zhì)量、效率以及施工安全性。裝藥爆破過程中，必須嚴格按照設(shè)計圖紙和設(shè)計參數(shù)進行裝藥、爆破，監(jiān)理工程師必須在現(xiàn)場進行指導(dǎo)和監(jiān)督，確保爆破工作按計劃、按設(shè)計方案完成施工。鉆爆施工時需要充分考慮斷層破碎情況，調(diào)整進尺參數(shù)，控制火藥用量，此外還需依據(jù)實際情況設(shè)計周邊鉆眼、裝藥參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等，并對爆破設(shè)計進行嚴格的檢測和爆破試驗，不斷優(yōu)化調(diào)整各項參數(shù)，在保證安全的基礎(chǔ)上提升爆破質(zhì)量，并盡可能地保護豎井周邊巖層，降低爆破對巖層穩(wěn)固性的影響。填置時需堵塞好爆破孔，并加強對爆破網(wǎng)、引爆線的檢查，確保引爆線長度適宜，達到安全距離。爆破施工時每一個環(huán)節(jié)的操作都需要嚴格地進行檢查，不可為了爭搶進度而有所忽略，以免影響爆破質(zhì)量和施工安全。

3.3 導(dǎo)井施工質(zhì)量控制

導(dǎo)井施工過程中，若施工質(zhì)量不佳，容易出現(xiàn)導(dǎo)井堵塞問題，拖慢工程進度，增加施工人員工作量，因此需要做好質(zhì)量控制。首先需要對爆破粒徑進行嚴格控制，若粒徑過大，在導(dǎo)井中排出困難，就容易出現(xiàn)阻塞問題，因此需保證石渣粒徑在孔徑的三分之一以下。在擴挖施工時也需控制石渣粒徑和爆破規(guī)模，科學(xué)合理地設(shè)計爆破參數(shù)，嚴格控制微差爆破時的間隔時間，相鄰段間隔時間應(yīng)在50毫秒以上，遵循“多鉆孔、均裝藥、高單耗、低單響、短進尺”的原則進行擴挖作業(yè)。若出現(xiàn)導(dǎo)井堵塞，需立即封鎖通道，暫停一切施工作業(yè)，指派專人負責(zé)值班看守，直至查明阻塞部位、阻塞原因，并處理完成，確認導(dǎo)井暢通后再繼續(xù)展開作業(yè)。處理導(dǎo)井阻塞通常采用裸露爆破法或灌水沖刷法，較少使用鉆孔爆破的方法，若必須采取此法，需要先進行安全論證，做好安全可靠的防護措施。

3.4 施工安全控制措施

豎井開挖施工的環(huán)境較為惡劣，大部分操作需要在地下進行，安全隱患多，在進行施工質(zhì)量控制過程中，保障施工安全尤為重要，也是提高施工質(zhì)量的前提和基礎(chǔ)。在施工現(xiàn)場，無論是管理人員、操作人員，都需要強化安全生產(chǎn)意識的培養(yǎng)，使其始終對安全措施保持高度重視和高度警惕，嚴格做好保護措施，嚴格按照規(guī)范和標準要求進行操作。強化豎井開挖施工安全管理，可從以下角度進行規(guī)范：

第一是在重要位置設(shè)置醒目的安全標識。例如，井口需設(shè)置隔離帶，懸掛醒目的“正在施工”安全標識，提醒眾人下方正在作業(yè)，防止意外事故。在豎井上方應(yīng)搭建2米以上的安全棚，并在棚頂上方采用松軟物質(zhì)設(shè)置保護層，使安全棚將豎井完全遮蓋，以防落石墜入井中，對下方施工人員以及機械設(shè)備造成傷害。

第二是增強施工人員安全保護意識，使其自覺做好自身保護工作。施工作業(yè)時應(yīng)在井壁上設(shè)置插筋，便于懸掛安全繩。施工人員在作業(yè)前需反復(fù)地檢查安全繩的固定情況以及各類施工設(shè)備是否正常，若發(fā)現(xiàn)老舊、磨損情況需及時維修、更換，防止意外發(fā)生。

第三是加強爆破安全管理，每次爆破結(jié)束，都應(yīng)當先由專業(yè)人員進行安全檢查，處理掉作業(yè)面上松動的巖石和土坯。施工人員則在確保安全后再入場作業(yè)。

第四是做好排煙工作，為了改善豎井開挖時的施工環(huán)境，施工前需提前30分鐘對豎井進行排煙除塵，確保煙塵完全排出后再下井，施工作業(yè)的過程中也不可關(guān)閉排煙機器。若井下作業(yè)環(huán)境煙塵異常增多，需立即停止作業(yè)，返回地面，查看排煙機器是否出現(xiàn)問題，清除煙塵后再繼續(xù)下井作業(yè)。

第五是加強出碴安全防護，上導(dǎo)井出碴工作中需要在洞底設(shè)置安全棚，在上方2米左右的洞壁上置入插筋，鋪設(shè)保護板，以鐵絲固定，大小應(yīng)在洞的橫斷面的二分之一左右。作業(yè)時工作人員將土渣裝筐后需返回安全棚下，再將土渣運出，土渣裝填量也不可超過筐的容量的四分之三，以防出碴過程中土碴從空中掉落，砸傷下方操作人員。

4 結(jié)語

豎井開挖施工的作業(yè)環(huán)境較為惡劣，涉及的設(shè)備工具、施工技術(shù)也較為復(fù)雜，在實際施工時，還需要綜合考慮施工現(xiàn)場實際情況選擇適宜的技術(shù)方案，完善每一道施工工序的細節(jié)，明確施工技術(shù)的操作方法、注意事項，嚴格遵守相關(guān)標準要求進行施工，加強對爆破、測量、導(dǎo)井施工等方面的質(zhì)量控制和安全控制，如此提升豎井開挖施工的效率和質(zhì)量。然而該技術(shù)的應(yīng)用對工程建設(shè)人員也提出了較高要求，所以在未來的市政工程項目建設(shè)中，還需要進一步總結(jié)成功經(jīng)驗，并結(jié)合工程實際情況探索科學(xué)可行的施工技術(shù)方案，形成更有效的質(zhì)量控制措施，以不斷提升豎井開挖施工的整體技術(shù)水平，為現(xiàn)代市政工程項目建設(shè)提供更多技術(shù)支撐，輔助完成更高難度的市政工程建設(shè)。