大直径富水通风竖井开挖施工技术

张 治 荣

(中铁十七局集团第五工程有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

随着我国高速公路、高速铁路的高速发展，我国特长隧道通风竖井设置数量也随之增多。目前，国内外绝大部分竖井采取正井法进行施工。和榆高速公路云山隧道全长11.4 km，为确保云山隧道后期运营洞内通风质量,共设置四处地下风机房，其中斜井通风三处，竖井通风一处。通风竖井内径8.2 m，最大开挖直径9.78 m,井深220.4 m。竖井送、排风道通过采用钢筋混凝土中隔板进行分隔，根据地质勘探资料显示，该竖井段围岩主要以石灰岩及白云岩为主，部分井段围岩为夹泥岩并含有基岩裂隙水。

和榆高速公路云山隧道1号竖井为尽早解决正洞施工通风所需，根据工期及现场情况，采取正井法施工。通常在竖井施工过程中，岩石爆破采用正井法全断面正向爆破掘进，其施工难度大、功效低。本文着重根据公路隧道的特殊要求，借鉴以往竖井开挖施工技术，在确保施工安全的前提下，以新技术、新工艺、新理念进行施工。

1 关键技术原理

1.1 井下快速高效排、堵水施工技术

主要通过对井下渗水段采取半导坑上下导开挖，下导坑作积水区，井壁座设置过滤水箱进行环保节能排水；涌水段采用快速封堵器封堵后进行双液浆注浆封堵，注浆过程中充分利用快速封堵器的特点及时通过排、堵水措施调整围岩富水区水压，提高注浆质量。

1.2 正井法多临空面水压爆破技术

在竖井爆破掘进过程中，通过充分应用满足深孔起爆要求的1段、3段、5段、7段、9段非电毫秒雷管组合2段、3段非电半秒雷管，形成多临空面起爆网络，从而对作业面提供多临空面爆破的技术措施，在减小开挖面水平环向应力影响的同时，有效降低爆破安全风险、炸药用量、粉尘浓度，提高循环进尺、爆破效果，避免欠挖、渣粒径过大等现象。

2 关键技术操作要点

2.1 井下快速高效排、堵水施工

云山隧道1号竖井井段围岩主要以石灰岩及白云岩为主，部分围岩为夹泥岩并含有基岩裂隙水。由于采用正井法施工，且出水段多为围层裂隙段或破碎段，水治理的效果将直接影响施工质量及后期运营安全。针对井段地质情况及实际渗水、涌水情况，结合竖井正井法施工的特点，云山隧道竖井施工过程中根据渗、涌水特性，分别采取两套水处理方案。

2.1.1渗水段排水处理

云山隧道1号竖井开挖至井下58 m时，井壁出现渗水，隧道开挖深度增加，渗水面随之增多，渗水受重力沿井壁汇聚至井底作业面，如不加处理，会越聚越多，严重影响施工及围岩稳定性。

为保证排水有效且不影响正常施工，采取半导坑上下导掘砌方式。上下导按垂直间距1 m逐次进行掘砌，下导坑为积水区，在其上方开挖1/4井壁座围岩，沿井壁座焊宽度为50 cm高为井壁座高度环形沉渣滤水箱，水箱内加设腹板，下方用木楔使之与井壁座岩面顶紧，焊接Φ32螺纹钢连接水箱外壁及井壁座相邻钢拱架，确保围岩及支护稳定性。利用水泵将井底积水抽至滤水箱过滤后作为高压施工用水，多余过滤水由高扬程水泵排除井外，见图1。

2.1.2涌水段双液浆封堵水处理

竖井开挖掘进至井下112 m时，井壁围岩出现涌水，经测定其最大涌水量达10.2 m3/h。设计初期支护参数已无法对涌水进行有效封闭及隔离。为确保施工质量安全，对该地段采用压力出水口快速封堵器焊接φ42导管注双液浆进行止水，见图2。

快速封堵器安装于岩壁孔部位，与φ42导管焊接，导管长度2 m,3 m交错布置，导管间距为100 cm(环向)×100 cm(竖向)进行布孔，注浆配比如表1所示。

表1 单液水泥浆、水泥一水玻璃双液浆配比

双液浆注浆施工时，涌水量过大段落时，为有效防止富水区域水压对双液浆配比稀释的影响，先利用7号、8号注浆管快速封堵器阀门排水降压后再进行注浆，当出水口水压持续不降或者起伏不定，则根据现场实际排水降压情况，采取持续开启快速封堵器阀门7号、8号排水并进行上部间孔注浆，直至1号～6号孔全部注浆且封堵完毕后，再依次进行7号、8号孔的注浆与封堵，见图3。

为保证注浆的质量和堵水效果，在注浆施工过程中必须严格控制浆液配比及进行充分配制，且需根据涌水段落壁后围岩的进浆量、漏浆情况、排水孔水压等因素及时调整浆液的各项配比参数，确保浆液凝胶时间及质量符合现场实际要求。经现场实际应用效果体现，采用该技术较常规双液浆注浆工艺，在注浆孔的有效封堵、涌水水压的控制、注浆质量的保障等方面均效果明显。

2.2 正井法多临空面水压爆破施工

传统竖井正井法全断面爆破开挖施工受水平环向应力等因素影响，往往循环进尺量、爆破的效果不佳。云山隧道1号竖井通过采取多临空面水压爆破网络进行开挖掘进爆破，经现场实际应用开挖爆破质量、爆破炸药用量、粉尘浓度控制效果极其明显。

2.2.1凿眼设备

人工钻眼，采用YT28型风钻打眼。

2.2.2爆破器材

根据水压爆破在竖井施工中应用的特殊性及安全要求，结合施工中常用爆破器材的种类情况，选用导爆管起爆针远程起爆爆破器材，见图4。

2.2.3多临空面水压爆破网络设计

由于正井法全断面开挖过程中，受水平环向应力影响，在以往竖井爆破开挖施工中经常出现欠挖、爆后出现渣粒径过大等现象。

云山隧道1号竖井爆破开挖施工中充分应用脚线长6 m，满足深孔起爆要求的1段、3段、5段、7段、9段非电毫秒雷管组合2段、3段非电半秒雷管，形成多临空面起爆网络，见表2。

表2 毫秒延期导爆管雷管延期时间表 ms

多临空面水压爆破网络起爆顺序为从掏槽眼到辅助眼依次进行起爆，周边眼最后起爆。

雷管段位设置如图5所示，雷管按炮眼从中心向外侧逐次设置，依次为1段、3段、5段、7段、9段非电毫秒雷管及2段非电半秒雷管、周边眼3段非电半秒雷管起爆。在爆破过程中3排、4排、5排炮眼优先爆破，形成4组含有内向、两侧3个临空面共计12个临空面，形成临空面后爆破中对向组爆破出的岩石对向碰撞、挤压，有效降低了石渣粒径及提高了爆破开挖面质量。

1)爆破参数。

掏槽眼：掏槽眼采用8个间距54 cm炮孔。

周边眼间距E：周边眼布置在竖井开挖断面轮廓线上，当爆孔直径D为42 mm时，周边孔间距E选取(10～14)D，Ⅲ级围岩周边眼间距宜取500 mm。周边眼个数及间距在实际施工过程中需根据围岩的软硬程度结合爆破效果进行适当调整。

光爆层厚度W：由于竖井开挖断面小，光爆层厚度相对要小，且其受岩石的性质和地质构造有关，根据现场实际围岩情况经验确定。

孔深L：Ⅲ级围岩结合钻孔技术难易及安全施工的要求，每循环进尺宜为2 m。周边眼、辅助眼炮孔深度控制在2.5 m，掏槽眼采用垂直掏槽，炮孔深度宜为2.8 m。

炮眼数量：根据现场施工的条件，在保证爆破出的碎渣无大块、挖掘机好装渣的情况下，满足下个工作断面的平整性，为下个循环的钻眼施工创造条件。本竖井炮眼根据围岩情况数量在Ⅲ级围岩时达到180个～210个。

装药量Q：根据现场实际施工经验及理论周边眼光面爆破装药量的计算公式Q=qEW，确定周边眼装药量取0.24 kg/m。

装药结构：为确保爆破质量和控制炸药用量，竖井周边眼的装药结构需采用径向不偶合间隔装药，间隔药卷用导爆索连接后接导爆管连接至起爆网路。

2)水压爆破设计。

借鉴目前国内成熟的水压爆破技术进行装药，先在炮孔内放入1节水袋垫底(约20 cm)，然后根据设计的单孔装药量装填炸药，炸药装好后，再装填4节～3节水袋(60 cm～80 cm)，最后装填炮泥堵塞封口，见图6。

2.2.4钻眼爆破作业

在钻眼爆破作业中，严格按竖井正井法多临空面水压爆破设计方案进行组织施工，确保钻眼、装药、联线、起爆各个环节的施工质量。并根据现场实际围岩情况及爆破整体效果，及时调整爆破相关参数。

下井稳钻打眼：钻工下井，按事先已划好的区域打眼。

收钻升井：全部炮眼打完后，把钻孔设备全部装入吊桶中提到地面。

水压爆破装药连线：爆破用高压风将炮孔中的岩粉及水吹出，防止水袋容易被孔内残渣破损。清孔完成后，根据已设定的水压爆破设计方案进行装药。

全面炮眼装药封孔后，联线方式采用闭合对称全并联爆破网络，在工作面要安设木桩，连接起爆导爆管固定在木桩上，将起爆针两个脚线扭在一起连接起爆管后连接高能脉冲起爆器爆破母线，撤出工作面的全部工具，材料、设备撤到规定的安全高度后起爆。

2.2.5出渣、排渣作业

井下采用小型挖掘机将渣石装入出渣吊桶内，经竖井作业提升绞车吊运至井外，井内井壁部位虚渣的排险采用机械人工配合形式，确保施工安全。

3 结语

该技术在云山隧道1号竖井施工中实践及运用中效果良好。通过与常规竖井施工相比，其富水段排堵水效果、开挖循环进尺度、爆破效果、安全措施等方面都有明显的提高，达到了良好的效果，其经济、社会、环境效益显著。本技术的研究开发为大直径富水通风竖井施工提供了可靠的依据和有力的借鉴，在目前国内特长隧道通风竖井数量不断增长形势下，其在今后类似施工有很好的借鉴作用，具有很好的推广应用价值。