隧洞进口端变截面竖井正井法开挖技术

文 林，郭廷凯

(中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310005)

0 引 言

当前，国内外随着水库及供水工程建设的不断发展，施工工作周围环境多样复杂，竖井结构越来越多样化，竖井的施工方法也随之变化；选择合适且高效的竖井开挖施工方案越来越重要，故对竖井的施工提出了新要求。针对竖井的截面及开挖深度，采取相应的施工方法，许多研究者进行了相关研究。

曲胜辉[1]等人针对竖井深为72.5 m的矩形断面(12.2 m×10.45 m)竖井，提出采用“正井全断面爆破法”进行施工，在施工质量上效果显著。张峰[2]针对竖井深为283.92 m的圆形断面(直径5.5 m)竖井，提出采用“正井爆破法”和“反井钻导井+人工钻爆扩挖法”相结合的施工方法，在施工进度方法效果显著。丁国斌[3]针对竖井深为292.5 m的圆形断面(直径5.8 m)竖井，提出采用“反井钻导井+人工钻爆扩挖法”进行施工，在施工效率和成本上效果显著。对于圆形截面的竖井施工，彭爱华等人[4]针对开挖深度小于100 m的排风竖井；李艳[5]针对开挖深度100～200 m的排风竖井；吴登明等人[6_7]针对开挖深度大于200 m的超深排风竖井，均提出了采用“反井钻导井+人工钻爆扩挖法”进行施工，降低出碴强度﹐提升施工效率，施工应用效果显著。孟继承[8]等人针对竖井深为188 m的圆形断面(直径7.8 m)竖井，提出采用“SBM开挖法”进行施工，大大提高了施工效率。Liu[9]针对超深竖井(800～1 000 m)的圆形断面(直径5.8 m)竖井，提出采用竖井掘进机进行施工，降低施工成本，保护施工环境，缩短施工工期。

1 工程概况

浙江省温州市泰顺县某隧洞进口端的通风竖井位于上游北侧约33 m位置，竖井顶部为EL587 m平台，竖井段长度为84.2 m。由于竖井段存在上、下层取水隧洞及竖井段的截面形状变化，竖井围岩等级大多为Ⅲ、Ⅳ级，故将竖井段分为33 m和51.2 m两段：竖井进口至上层取水隧洞(EL587—EL554)，上层取水隧洞至下层取水隧洞(EL554—EL502.8)。

2 施工方案比选

目前竖井开挖在施工过程中主要有3种施工方式，分别是正井钻爆法、反井钻导井+人工钻爆扩挖法和SBM开挖法。正井钻爆法是在竖井口布置提升吊挂等设备，采用人工钻孔光面爆破，自上而下一次性全断面开挖；反井钻导井+人工钻爆扩挖法是先采用反井钻进行施工导井，然后正向人工钻爆进行扩挖[10_12]；SBM开挖法主要采用竖井掘进机自上到下一次性全断面开挖。

根据本工程的施工环境特点、施工工程量及施工成本等情况进行综合考虑，现针对3种施工方案进行对比分析，最终选择适合本工程的施工方案——正井钻爆法，主要原因如下：

(1)从施工开挖流程上考虑(见图1)，采用SBM是施工安全、施工效率最高的方法；但若本工程采用SBM施工，会大大增加施工成本，造成“大材小用”的现象。

(2)本工程目前上层取水隧洞还没打通，不适用于“反井钻导井+人工钻爆扩挖法”施工方案，不满足反井开挖出碴条件。若采用反井法施工需要先将下层取水隧洞打通，但这样则无法满足施工进度节点及总进度工期要求。

(3)根据本工程地质监测，竖井上游隧洞、竖井及渐变段为Ⅲ，Ⅳ类围岩，竖井开挖主要为6 362.38 m3的石方工程量，相对工程量较小，工程造价成本低，正井法相比其他两种施工方案的整体设备费用较低、综合经济效益较高。

3 正井钻爆法施工技术

为确保竖井口范围内安全施工区域，开挖支护前，将周围边坡和平台外围结构防护施工全部完成；同时将风、水、电等布置完成，为正井施工提供安全可靠的施工作业面。正井钻爆法即采用人工钻孔爆破，自上而下全断面一次施工完成，在竖井上部布置35 t吊机用于人材的运输及石碴的出碴。

3.1 井位放样

竖井每层开挖前，测量人员精确放样出开挖轮廓线及爆孔布置点，为开挖提供有利的施工条件。同时，布置2～4台激光垂准仪安装在竖井的夹角上进行成形井位的校核，从而保证竖井开挖断面满足设计要求。

3.2 井口开挖锁护施工

竖井全断面开挖之前，为避免竖井基础的振动破坏，先井口开挖锁护进行施工。井口开挖时首先利用YT—28手风钻进行人工造孔，采用光面爆破方法开挖，最后反铲挖掘机进行出碴，全断面一次完成锁口垂直段开挖(EL587～EL586)。锁口开挖完成后在锁口开挖轮廓面上先打入锚杆(三级钢22、L=4.5 m、间距1 m) ，然后及时施工锁口圈混凝土；锁口圈混凝土采用整体浇筑进行锁口防护。

为有效拦截竖井井口周围水，确保锁口段施工安全，锁口顶部凸出50 cm ，即顶部标高平台为EL587.5，并采用C25混凝土浇筑锁口。同时，为有效拦截竖井井口周围石碴，对竖井10 m范围内地面采用C15混凝土进行硬化，厚度为20 cm 。

3.3 竖井全断面开挖施工

完成井口开挖锁护施工后，在竖井上部布置35 t吊机等设备，完成调试后，方可对竖井进行全断面开挖。

竖井均为异型断面且分为两段：竖井进口至上层取水隧洞(EL587—EL554)长33 m，断面面积为83.4 m2，开挖量为2 735.37 m3；上层取水隧洞至下层取水隧洞(EL554—EL502.8)长51.2 m，断面面积为69.2 m2，开挖量为3 543.04 m3。变截面竖井全断面开挖严格按照正井爆破法施工工艺流程进行。

竖井采用光面爆破开挖，利用YT—28手风钻钻孔，装药、联线、起爆均按规范要求进行操作。

出碴主要是利用平台上已经安装调试好的昂机吊挂2.0 m3碴斗出碴，人工装碴，吊机提升碴斗至井口临时堆碴区，再用装载机和自卸汽车出碴。

3.4 竖井支护施工

竖井采用“短掘进+锚喷”联合支护开挖的循环方式。在竖井进口至上层取水隧洞异型断面一次掘进2.3 m，在上层取水隧洞至下层取水隧洞异型断面一次掘进2.5 m。在完成人工爆破短掘进开挖后，及时采用初喷混凝土来保证围岩稳定，后采用插锚杆、挂钢筋网，喷混凝土联合支护方式进行系统支护。支护施工参数主要为：利用YT—28手风钻人工进行钻孔，插入长为4.5 m的φ28 cm系统锚杆、梅花型布置(@1 500×1 500 mm)，锚杆挂钢筋网(φ8@150 mm×150 mm)，喷15 cm厚混凝土，以稳定井身围岩不松散变形，来确保施工安全。

3.5 施工安全控制措施

3.5.1 悬挂安全标识、做好防护措施。

在竖井口进口平台四周采用栏杆围挡，围挡高度不小于1.2 m，底部50 cm采用全封闭围档，在周围悬挂安全提醒标识。在竖井井口采用1 cm厚钢板全覆盖，钢板下采用16a工字钢支撑，防止石块等落入井中对工作人员及施工设备造成伤害；竖井中间预留可开关挖机、材料、碴料上下入口，平时关闭，上下运输时打开；两个边角预留进人孔和电缆线、风管等进品，分开布置，保证施工安全(见图2)。

图1 3种施工方法的施工开挖流程图

图2 防飞石、落石安全措施示意图

3.5.2 施工人员保护

为确保井内作业人员安全，在竖井口6 m范围内布置带护笼的钢质折返梯用于施工人员上下攀爬，并在爬梯旁边配备2套绳梯，由专业厂家生产并安装。

另外，在靠近爬梯部位，依附爬梯做一个钢结构防护棚，防护棚设计装拆方便，随入井深度进行设置。

3.5.3 出碴安全保护

为保证出碴安全，采取以下措施:

(1)司机与装碴施工人员之间用灯语信号联系，指挥出碴作业。

(2)出碴方位靠竖井北侧，当装完碴斗后，人员立即向竖井南侧的人员进口方位进行休息，避免安全事故。

(3)碴斗在移动期间不准有人走动，开动前施工人员与司机确定好信号，保证人员安全后方可启动碴斗。

(4)碴斗采用自制吊桶，装运时只装整个容积的2/3 ，同时桶口采用安全网密封后，方可吊出。

3.5.4 通风散烟及洒水除尘

爆破完成后及时进行通风散烟及洒水除尘，等确认竖井内烟尘完全排净后方可下井开始施工；如井下环境发生变化，立即停止作业，施工人员尽快返回地面，等到环境有所好转后方可施工。

3.5.5 爆破后施工安全

每次爆破完成后，均需专业安全检查人员检查作业面，并清除竖井四周岩壁上残留的危石及碎块，保证人员及设备的安全；出碴完成后，由专业人员再次进行安全检查，施工面绝对安全后继续进行下一道作业施工。

3.5.6 施工照明保护

为确保施工期间正常照明，施工人员应定时检查施工井内照明设备，如有线路老旧或者磨损等问题，及时进行修理。

3.5.7 井上下应急联络措施

井下安设声光信号装置，通过专用信号电缆与井口信号房进行联络，当井下发生紧急情况，井下指挥员使用固定应急电铃通知井口，井口响铃同时应急灯闪烁。提升机司机与井口信号工和井底信号工之间配置对讲机，井底信号工配置口哨。

3.6 施工质量控制措施

3.6.1 测量质量控制

(1)由测量员利用全站仪等仪器进行竖井放样，并采用人工辅助挖掘机进行竖井锁口开挖施工，达到指定位置后立即进行开挖井壁封闭、锁口钢筋绑扎及混凝土浇筑。

(2)竖井每次循环开挖均以轴线控制放样，因此需要在作业面上标定中心位置，以此为参照设置竖井的轮廓线，进行竖井的轮廓开挖。

3.6.2 爆破开挖质量控制

(1)爆破开挖严格按照设计图纸进行竖井施工，同时监理做好监督管理工作。

(2)爆破之前做好爆破试验，根据不同围岩情况对爆破参数进行合理调整，尽最大限度保护竖井围岩整体性。

(3)施工期间密切关注周围围岩的稳定情况，并做好其保护工作，避免对其破坏，对施工造成影响。

4 施工完成情况

隧洞进口端变截面竖井成功运用正井爆破开挖施工方法，取得最大月成井30 m，不仅比原计划整整提前完成10 d，而且还实现了通风竖井与取水隧洞同步施工，互不影响；大大减少了人力、物力的投入，降低了施工风险，取得了良好的施工效果。

整个施工过程处于安全、稳定、优质的可控状态，未发生一起质量、安全事故，得到参建各方的一致好评。

5 结 语

综上所述，竖井开挖需要根据具体的施工特点来选择相适应的施工方案，这样才能够实现竖井安全高效的开挖。本文依托的变截面竖井采用正井法开挖施工，加快了施工效率，降低了施工成本；同时采用“短掘进+锚喷”联合支护等措施，确保了竖井的施工安全，取得了良好的施工效果。另外，施工人员要严格按照施工技术及要求，做好施工质量控制以及安全控制管理工作，才能有效确保施工效果和施工质量。