节理裂隙发育围岩区小直径深竖井施工工艺

彭 丹，王 灏，汪庆桃，李 梁，王 标

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南长沙 410004；2.国防科技大学指挥军官基础教育学院， 湖南长沙 410007)

节理裂隙发育围岩区小直径深竖井施工工艺

彭 丹1，王 灏1，汪庆桃2，李 梁1，王 标1

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南长沙 410004；2.国防科技大学指挥军官基础教育学院， 湖南长沙 410007)

节理裂隙发育围岩地区80m深竖井的开挖过程存在着较大的困难。长沙市某森林防火监测站项目的竖井工程施工场地严重受限、大型机械设备无法上山、不能大面积破坏植被，针对施工条件的制约，制定了合适的深竖井的施工流程及工艺，采取了一系列保证竖井开挖质量及安全的措施。实践表明，该施工工艺安全可行，可为类似工程提供借鉴。

深竖井；施工流程；施工工艺；安全措施

1 工程概况

长沙市森林防火监测站项目位于长沙市大河西先导区岳麓山后山，隧道呈东西走向，中部(山顶)最高海拔达182m，隧道长约470m。项目设计深竖井5处，最大深度达80m，最小深度40m，竖井设计为开挖直径2.5m的圆形断面。

本工程所处场地为丘陵地貌，根据地勘报告及前期平洞开挖围岩揭露情况判断，基岩基本为全风化－微分化的极软岩或坚硬岩的砂岩或板岩，主要为Ⅲ－Ⅳ级围岩，岩石节理裂隙发育，局部含强风化石英砂岩夹层。场地所在范围内没有明显的含水地层，地表水主要为赋存于表层第四系土中的上层滞水及基岩的裂隙水，水量均较小。

2 工程特点及施工总体方案

2.1 工程特点

(1)由于岩石节理裂隙发育，局部含夹层，竖井开挖过程中，容易造成的安全问题。因此施工中要注意监察围岩类别、地质条件、节理裂隙、地下水渗漏等情况，进行必要的监测，及时记录并整理，同时，支护必须及时跟上。

(2)通风与除尘是竖井开挖的一个重要工序，它能有效排除炮烟粉尘及有害气体，对于改善施工环境，保障施工人员身体健康，缩短循环时间，加快施工速度有着重要意义。对于深达80m的深竖井，通风除尘问题将面临着极大的困难。

(3)深井出渣是施工中很重要的一环，对于高达80m的深井，出渣必然成为一个难点，而且由于此山为风景名胜区，不能对植被造成较大的破坏，所以渣土的转运或者堆放必然也成为一个困难点。

目前，对于深竖井施工，国内外常见工艺为人工配合小型机械进行的吊篮开挖法、反导洞法[1-6]；对于节理裂隙发育围岩地区深竖井施工可参照的施工工艺尚且较少。由于工程所在地条件受限，一般机械无法上山，设备只能拆解后采用骡马或人工通过修筑的简易便道分批装运上山后在山上重新拼装。工程存在工期紧、要求对当地植被破坏小等众多不利因素，因此决定采用反向施工工艺。

2.2 反向施工工艺的特点

(1)所用机械搭配简单，为传统简单机械，无须大规模破坏植被用于修筑便道方便大型机械上山；施工效率高，施工速度快、单循环进尺大。

(2)出渣方便，直接自平洞出渣，不需借助卷扬机设备进行人工装桶出渣；对山体植被破坏小，不会出现堆渣对周边环境产生破坏的情况，在竖井未转入正向开挖前，安全警戒相对较小，可有效减少因放炮对周边环境产生的干扰。

(3)安全风险较小，特别是通过通风孔(透气孔)能有效解决坑道内反道施工超过20m后缺氧的情况。

(4)无须众多材料设备上山，大部分材料都可由平洞转入，减少材料转运的时间及费用。

3 工艺流程及操作要点

施工顺序如图1所示，施工时，各阶段级级紧跟，在保证安全前提下控制好施工进度，确保施工安全与质量。

图1 深竖井反向掘进施工工艺流程

3.1 通风孔钻孔

深井钻孔采用地质钻机打通风孔。地质钻采用人工拆卸地质钻机，人工挑运上山，山上拼装完成后钻进Φ105mm通风孔，为减少因钻杆数量过多引起的累积误差，单根钻杆长度保证在5m以上，为规避由于竖井内围岩节理裂隙发育层状结构导致钻进过程中容易出现斜孔的问题，钻进开始前对钻机平台进行夯实处理，适当位置打设锚杆固定平台，钻进的过程中控制好钻进速度，并加强现场监控，每隔10m利用塑料布结合水银对倾斜度进行检测，发现倾斜角度过大将空孔进行回填部分后重新钻进，确保孔眼布设在竖井范围内。钻孔结束后在通风孔内插入Φ75PVC管，PVC管口高出原地面25～30 cm，管口处采用无纺布包裹。共钻3个通风孔，导洞开挖及通风孔位置如图2所示。利用通风孔钻孔的导向及上下两端位置的准确性，结合三角测量的方法，解决导洞内测量放样难以操作的问题。

3.2 马头门支护

马头门是竖井与平洞交接处的一段，竖井施工前须对该处进行加强支护，在靠近竖井位置立设4～6榀钢拱架加强，钢拱架间距0.5m，型钢拱架支护参数参考如下:250mm厚喷射砼；Φ20mm锚杆长度2.0m，横向间距1.0m，纵向间距0.5m；Φ8mm× 250mm×250mm钢筋网片。

3.3 反向开挖

(1)平台搭设。横洞底部平台:平洞底部采用I18工字钢结合方木作为底部支撑平台，平台采用Φ22mm×2.6m的锚杆固定，一侧留设宽度不小于50 cm进人通道。反向开挖过程中平台搭设:首先搭设固定锚杆，采用气腿式钻机，每隔2m打设横向8根长度Φ32mm×750mm的圆钢锚筋，锚孔内塞满锚固剂，外露部分焊接Φ20mm竖向钢筋用于固定松木；松木上下两层共4根，松木与松木之间采用Φ 6.5mm铁丝及马钉固定牢固，并与Φ32mm锚筋卡牢；在松木板上铺设厚度不小于5 cm厚的模板用于人工作业；为确保施工安全，在作业面以下2m位置设置另一道安全防护栏。

图2 导洞开挖及通风孔位置示意

(2)钻孔爆破。采用气腿式钻机GY450型进行钻孔，根据岩石破碎情况，孔深控制在1.2～1.8m，孔距0.4～0.6m。采用平行孔掏槽方式进行掏槽。炸药单耗为0.4～1.0 kg/m3。根据孔的深度和部位分别采用连续装药和间隔装药2种装药方式，炮口部采用黄泥进行填塞，为了控制爆破对周边围岩的扰动，采用毫秒微差导爆管起爆网路，连接方式采用簇连。

(3)排险。节理裂隙发育地区爆破后，两侧及顶部围岩很容易出现掉块及石方高处坠落等险情，故爆破后，一定要特别注意排险。要把松散的岩石排除彻底，以防止在下一个循环作业时出现石块掉落的现象。

(4)顶部防护台架的搭设。在施工过程中、尤其是钻孔时，极有可能出现掉块、小范围垮方事件，故在打钻开挖各道工序开始的过程中采用Φ48mm ×3.5mm钢管结合Φ10mm钢筋焊接成的网片搭建简易防护棚，打钻时钻杆通过钢筋网片间隙进行钻孔作业。

3.4 临时支护

由于竖井内初期支护为锚喷支护，考虑断面狭小，喷浆支护需要一定的安全距离且对通风要求很高，在竖井打通前，竖井内锚杆施工及钢筋网片能正常施工，但喷浆作业却很难进行。施工时，为确保竖井内安全，采用如下处理措施:围岩情况较好的情况下，采用SNS密闭金属网结合锚杆对竖井壁进行临时支护，围岩情况较差时，打设型钢拱架结合锚杆、钢筋网，进行临时加固。

3.5 正向开挖

考虑到岩石节理裂隙较为发育，表层风化严重，为了安全起见，在反向开挖到离地面15m处时停止，剩余段采用正向开挖。采用人工配小型卷扬机的方式出渣，并临时堆放在洞口周围，等洞口贯通以后再溜放到竖井内，从平洞出渣。

3.6 扩挖及支护

扩挖按照2m一级进行控制，分级扩挖，分级支护，由于喷浆高度很高，施工时，空压机风压要求较大，根据本工程经验，80m竖井单洞须1台7G/22m3、1台7G/11m3空压机同时供风才能保证喷浆所需风量。

3.7 监控量测

竖井监控量测每5m一个断面埋设两对收敛点，在开挖后立即埋设监测点，监测开挖过程中的岩层变形情况及支护结构的变化趋势，根据监测数据判断结构安全与否，量测频率见表1。

表1 竖井收敛观测频率

4 保证竖井开挖质量、安全的措施

(1)开挖施工前，由施工单位编写施工技术及组织方案，并由工程管理部门审核和批准。施工单位要组织技术交底和质量交底，使所有施工人员尤其是关键岗位上的施工人员，能明确了解各自的工作内容和相关的质量要求。

(2)在施工中应密切注意掌子面情况，要保护好测量控制点和监测设施，防止被破坏，并定期复核、检查，当发现异常，应及时封闭。

(3)在进行爆破作业前，必须放试验炮，对爆破参数进行检验，根据试验结果进行相关爆破参数设计。

(4)开挖时，要密切注意地质条件的变化，并根据爆破效果及监测结果，调整爆破参数、施工工序、支护型式等，以确保施工满足工程的质量、进度和安全要求。

(5)反向法施工时，虽然顶部有鼓风机送风，但不排除爬升通道中部分区段氧气供应不足的情况，故人员操作上升过程中，随身携带自空压机风炮头分出的小型送风管，施工人员进入工作面之前，必须先开动鼓风机通风5 h以上，确认工作面已将烟尘排除干净后，施工人员才能进入工作面。在施工人员撤出工作面之前，不得停止空压机(鼓风机)供风，以保证工作面有新鲜空气补给。当施工人员在进入工作面的途中，认为工作面烟尘尚未排除干净或无足够新鲜空气，可返回安全地带，延迟进入工作面的时间。

(6)爆破后，要开动空压机，向竖井工作面供风，以排除竖井内的烟尘，通风30min以上并确认已将下平洞内烟尘排除干净后，出渣人员才能进入出渣，竖井通风仍应继续进行5 h以上，以切实保证将洞内的烟尘排除干净，尤其当竖井施工至20m以上时，还要适当延长通风时间。

(7)由于竖井深度较大，进入竖井工作面进行施工时，必须有两人以上，否则不得进入工作面内进行施工，人员爬升竖井时须带好安全带，操作当天身体状况欠佳时，严禁带病上班。

(8)每排炮施工后，安全员要带领施工人员对已开挖段进行安全处理，清除松动岩石，当确认安全后，才能进行下道工作施工。

(9)反道施工人员需佩戴专业钢盔及防护用品进行作业施工，未穿戴好不可进入施工现场。

(10)施工时在竖井井圈周围设隔离带并悬挂醒目标志，井下有人员作业时安排专人管理井顶送风，夜间井圈附近设警示灯。

(11)在竖井井口四周挖排水沟，将竖井部位的地表水引向洞外，以防止雨水直接冲刷洞壁，恶化围岩的稳定。

(12)严禁向竖井内抛扔杂物，吊斗下严禁站人，进入施工场地必须正确佩带安全帽。

(13)电焊机使用前检查各部件是否完好，地线是否焊接。接电源时应注意电源电压与本机相符，必须装有漏电保护装置。正确使用焊钳，手不得触摸焊钳顶端，焊接时必须使用面罩，戴上电焊手套。在露天作业时必须加盖防雨设施以防受潮。作业结束后切断电源，收好电线并防止雨水。

(14)卷扬机作业前，检查卷扬机与地面固定情况，防护设施、电器线路、接地线、制动装置和钢丝绳等全部合格后方可使用，钢丝绳必须严格按照规范标准每次施工前进行检查，不得存在任何安全隐患。在操作杆行程范围内不得有障碍物。作业中，不得跨越钢丝绳，操作人员不得离开。作业完毕，应断开电源，锁好开关箱。

(15)因竖井内空间狭小，喷浆人员除佩戴正常的专用防护用品外，还需佩戴护目镜，避免伤害到眼睛。

(16)建立良好的通讯系统，每个施工队伍要配备对讲机或有线电话。

5 总结与体会

(1)该工艺不受大型机械设备无法上山的约束、对当地植被破坏小、工期履约压力较小。

(2)该施工工艺的相关人员和机械组合、具体施工工艺、监控量测等都能为类似工程提供参考。

(3)反向开挖至距离竖井顶部较近时，顶部围岩的变形带有突然性，必要时应该加强临时支护以及监控量测工作。

(4)本深竖井施工工艺适用于节理裂隙发育围岩地区深竖井反道施工，稍作调整，也可以应用于整体性较好的隧道40～90m竖井开挖。

[1]代昌福，高 峰，彭永铭，等.300m级深竖井反扩法挖井施工技术[J].四川水力发电，2007，26(S1):27-30.

[2]朱俊杰，李晓阳，王 军，等.白莲河抽水蓄能电站竖井开挖施工[J].水利水电技术，2008，39(12):64-67.

[3]李胜辉，康志强，叶会师，等.反井钻机技术在司家营铁矿溜井施工中的应用[J].矿业工程，2013，11(3):31-33.

[4]孙桂喜，魏日华，付廷伍.竖井爆破开挖控制技术[J].东北水利水电，2007，25(9):16-18.〛

[5]胡 斌.乌鞘岭隧道1号通风竖井设计与施工[J].铁道标准设计，2005(10)，92-94.

[6]金虎捐，周欢站.反井法处理阻塞钻孔的技术研究[J].2013，38(2):130-131.

2015-05-04)

彭 丹(1984－)，男，工程师，主要从事地下工程的施工与管理，Email:35016567＠qq.com。