特長隧道大直徑通風(fēng)豎井綜合施工技術(shù)

大直徑富水通風(fēng)豎井綜合施工技術(shù)1工程概況中鐵XX集團有限公司于2011年承建了山西省高速公路網(wǎng)“三縱十二橫十二環(huán)”規(guī)劃中第七橫XX高速公路XX隧道的施工任務(wù)，該隧道位于山西省XX縣城東北5km處，設(shè)計為分離式隧道，隧道全長11408m，最大埋深743米。為解決XX隧道運營通風(fēng)問題,共設(shè)4處地下風(fēng)機房，三處為斜井通風(fēng)，一處為豎井通風(fēng)，1號豎井內(nèi)徑8.2m，最大開挖直徑9.78m,井深220.4m。豎井初期支護(hù)采用錨、（網(wǎng)）鋼、噴聯(lián)合支護(hù)形式，二襯采用C30模筑混凝土澆筑，同時采用鋼筋混凝土中隔板將送、排風(fēng)道分隔。2工藝原理隨著我國高速公路、高速鐵路的快速發(fā)展，我國特長隧道通風(fēng)豎井?dāng)?shù)量也隨之增多，我國豎井施工技術(shù)和施工機械水平也有很大提高，目前國內(nèi)豎井施工主要有正井法、反井法兩種施工方法，XX隧道1#豎井為盡早解決施工通風(fēng)所需，采取正井法與正洞同步進(jìn)行施工。3工藝流程豎井施工以實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速為目的，在確保施工安全的前提下做到設(shè)備的綜合利用、以新技術(shù)新工藝新理念進(jìn)行施工，以求得最大效益。豎井施工前先進(jìn)行設(shè)備選型，其涉及井架選型、提升設(shè)備、出渣設(shè)備和豎井爬升模板系統(tǒng)等，其后進(jìn)行鎖口圈施工，此時與井架基底同步施工，之后進(jìn)行豎井井架安裝，待所有就緒后進(jìn)入豎井20m～30m開挖施工，同時，利用絞車掛鉤吊桶進(jìn)行井筒開挖，開挖至30m深后，挖掘機進(jìn)入，工作盤、安全盤、封口盤的組裝與吊掛。籌備工作結(jié)束后，進(jìn)入井筒正式施工期。井筒施工采用短掘短支混合作業(yè)施工方法，掘支循環(huán)段高2米，錨網(wǎng)噴與井圈支護(hù)、出渣交叉進(jìn)行。在開挖爆破過程中，將小型挖掘機懸吊在雙層吊盤下的保護(hù)籠中，與工作面保持一定的安全距離。井筒掘進(jìn)落底后，工作盤升起同時進(jìn)行防排水工程施工。安裝豎井井壁二次襯砌及中隔板爬模，進(jìn)行井筒二襯與中隔墻的施工。明洞施工圖5.1.1封口盤、安全盤、挖掘機、工作盤位置示意圖時先拆除安全盤和封口盤、溜桿槽，再進(jìn)行明洞施工，最后進(jìn)行設(shè)備的拆除。圖5.1.2豎井施工工藝流程4關(guān)鍵技術(shù)4.1豎井機械化配套設(shè)備選型4.1.1井架選型：根據(jù)1#豎井凈直徑8.2米，選用煤礦IVG型井架。其特點：由鋼管桿件組成，單件質(zhì)量輕，便于裝、卸和運輸，井架復(fù)用率高，天輪平臺允許四面出繩，天輪和地面提升設(shè)備布置靈活。井架天輪平臺高20.68m，地腳跨度13.96m×13.96m。圖4.1.1.1豎井IVG改進(jìn)型井架圖4.1.1.2豎井IVG井架與穩(wěn)車布置圖4.1.2井下安全防護(hù)設(shè)施于井口處設(shè)封口盤，其是井內(nèi)施工作業(yè)時的重要安全防護(hù)設(shè)施。封口盤用型鋼作骨架，上鋪防滑鋼板，其型鋼骨架嵌在井口鎖口圈的混凝土中。封口盤上設(shè)有封口盤門和其他懸吊設(shè)備通過口，與提升安全盤、工作盤一一對應(yīng)。封口盤門采用卷揚機在吊桶通過前開啟，通過后關(guān)閉開合。安全盤用來進(jìn)一步保護(hù)井底作業(yè)人員的安全，拉緊吊桶提升穩(wěn)繩、懸吊設(shè)備和安全繩。設(shè)置于井內(nèi)距作業(yè)掌子面20米位置，由扁擔(dān)梁和型鋼及鋼圈焊成骨架，上鋪鋼板組成保護(hù)盤。圖4.1.2.1封口盤平面圖圖4.1.2.2保護(hù)盤平面圖4.2井壁座安全施工技術(shù)豎井馬頭門上部及井身設(shè)置井壁座,以作為支承上部井筒的基礎(chǔ)。井壁座每10米一道，尺寸由傳來荷重的大小確定。圖4.2.1豎井井筒一般構(gòu)造圖圖4.2.2相鄰井壁座間相對突出圍巖由于豎井二次襯砌待豎井井筒開挖支護(hù)完畢后，由下至上進(jìn)行澆筑。期間如若進(jìn)行井壁座開挖，在沒有支撐體系或者支持體系不牢固的情況下，其相鄰井壁座相對突出部位圍巖受自身圍巖破碎、松散、開挖爆破擾動、施工周期長、風(fēng)化、滲水等因素影響，極易發(fā)生掉塊甚至局部坍塌，造成嚴(yán)重質(zhì)量安全隱患，及時支撐加固體系完善，其投入資金成本也很大。為確保豎井施工安全，井壁座較常規(guī)正井法在開挖支護(hù)過程中暫不施工，均按正常段施工，待井身全部開挖支護(hù)完畢后澆筑二次襯砌混凝土?xí)r提前一模進(jìn)行井壁座開挖施工。充分利用井內(nèi)安全防護(hù)盤作為井壁座施工操作平臺及臨時放渣場地，施工時按嚴(yán)格控制爆破炸藥量進(jìn)行弱爆破，以爆松圍巖為目的，利用人工風(fēng)鎬進(jìn)行修整成型。圖4.2.2井壁座開挖圖4.2.2井壁座圍巖支撐系統(tǒng)井壁座開挖完成后及時噴射混凝土封閉巖面，按間距1m焊接Φ32螺紋鋼連接井壁座相鄰鋼拱架（或錨桿），內(nèi)側(cè)圍巖利用圓木加木楔進(jìn)行支撐防護(hù)，防止掉塊坍塌。二次襯砌緊跟快速完成井壁座混凝土澆筑。圖4.2.3井壁座圍巖支撐系統(tǒng)4.3井下快速排、堵水施工技術(shù)根據(jù)工程地質(zhì)報告，豎井通過的地層主要為石灰?guī)r、白云巖，部分地段夾泥巖、含有基巖裂隙水。由于豎井采用正井法進(jìn)行施工，且出水段多為圍層裂隙段或破碎段，其井內(nèi)排、堵水尤為關(guān)鍵，直接影響圍巖穩(wěn)定性，關(guān)系到施工質(zhì)量及后期運營安全。針對豎井正井法施工特性，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)情況及現(xiàn)場實際滲水、突水情況，在XX隧道1#豎井施工中采取兩套施工水處理技術(shù)。4.3.1滲水段水處理技術(shù)XX隧道1#通風(fēng)豎井開挖至K0+58時，井壁出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，隧道開挖深度增加，滲水面隨之增多，滲水受重力影響沿井壁匯聚至井底作業(yè)面，如不加處理，會越聚愈多，影響施工及圍巖穩(wěn)定性。為確保在排水有效的前提下不影響施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度，采取半導(dǎo)坑上下導(dǎo)開挖的作業(yè)方式。上下導(dǎo)按垂直間距1m逐次進(jìn)行開挖爆破，在上導(dǎo)坑施工時，相對下導(dǎo)坑為積水區(qū)，并在積水區(qū)上方開挖四分之一井壁座圍巖，沿井壁座焊寬度50cm,高為井壁座高度的環(huán)形水箱作為沉渣濾水池，水箱內(nèi)加設(shè)腹板，下方用木楔使之與巖面頂緊，并焊接Φ32螺紋鋼連接水箱外壁及井壁座相鄰鋼拱架，確保圍巖及支護(hù)穩(wěn)定性。利用低揚程水泵將井底會水抽至濾水池過濾后可作為高壓施工用水，多余過濾水由高揚程水泵排除井外。圖4.3.1.1井下滲水處理示意圖4.3.2突水段水處理技術(shù)豎井開挖至K0+112處時，井壁出現(xiàn)出水，最大達(dá)10.2m3/h，普通初期支護(hù)方法已無法對出水現(xiàn)象進(jìn)行遏制。為確保施工安全及工程質(zhì)量，采用對豎井K0+112以下地段采用壓力出水口快速封堵器焊接Φ42導(dǎo)管注雙液漿止水。圖4.3.2.1壓力出水口快速封堵引流裝置構(gòu)造示意圖圖中：1.巖壁2.水平地質(zhì)探孔巖壁3.金屬變形膨脹片4.螺母5.橡膠止水片6.鋼管7.喇叭口8.速凝封堵料9.控制閥門10.引流管注：該技術(shù)已獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利授權(quán)（專利號：ZL201010594146.5）快速封堵器安裝于巖壁孔部位，與Φ42導(dǎo)管焊接，導(dǎo)管長度2m、3m交錯布置，導(dǎo)管間距為100cm（環(huán)向）×100cm（縱向）進(jìn)行布孔，水泥一水玻璃雙液漿、單液水泥漿配比如下表。表4.3.2.1水泥一水玻璃雙液漿、單液水泥漿配比裂隙類型（涌水水量）水灰重量比水泥漿、水玻璃璃體積比大0.75:1..00~00.60::1.0001.0:0.33中1.00:1..00~00.75::1.0001.0:0.33小1.50:1..00~11.00::1.0001.0:0.55圖4.3.2.2應(yīng)用快速封堵器雙液漿止水施工在注漿時，當(dāng)涌水量很大時，為防止富水區(qū)水壓對雙液漿配比稀釋影響，先利用7、8#注漿管快速封堵器排水閥門排水降壓后再進(jìn)行注漿，如若水壓持續(xù)不降或者起伏不定，則視實際現(xiàn)場施工情況，持續(xù)開啟快速封堵器閥門進(jìn)行間孔注漿，待1~6#孔注漿封堵完畢后再依次對7、8#孔進(jìn)行注漿封堵。在注漿施工過程中要嚴(yán)格按配比進(jìn)行漿液配制，依據(jù)壁后圍巖進(jìn)漿及井壁漏漿情況及時調(diào)整漿液種類、濃度和凝膠時間。以確保注漿的質(zhì)量。經(jīng)現(xiàn)場實際應(yīng)用，較常規(guī)雙液漿注漿在注漿孔封堵、涌水壓控制、注漿質(zhì)量方面效果明顯。4.4正井法多臨空面水壓爆破技術(shù)豎井正井法全斷面爆破開挖施工采用導(dǎo)爆管起爆針遠(yuǎn)程起爆多臨空面水壓爆破技術(shù)，其在整個豎井爆破開挖施工中效果及其明顯，有效降低了爆破安全風(fēng)險、控制了炸藥用量、增加了循環(huán)進(jìn)尺及爆破效果、降低了爆破粉塵濃度。4.4.1導(dǎo)爆管起爆針遠(yuǎn)程起爆技術(shù)圖5.3.4.1.1起爆針+前置安全導(dǎo)爆管+傳爆導(dǎo)爆管雷管圖4.1.2一次性導(dǎo)爆管起爆針圖4.1.3高能脈沖起爆器4.4.2多臨空面爆破網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于正井法全斷面開挖過程中，受水平環(huán)向應(yīng)力影響，在以往豎井開挖施工中經(jīng)常出現(xiàn)欠挖、爆后出現(xiàn)石渣粒徑過大等現(xiàn)象。在XX隧道1#豎井開挖施工中充分應(yīng)用腳線長6m，滿足深孔起爆要求的1、3、5、7、9段非電毫秒雷管組合2、3段非電半秒雷管，形成多臨空面起爆網(wǎng)絡(luò)。表4.4.2.1秒延期導(dǎo)爆管雷管延期時間表段別/類型毫秒導(dǎo)爆管雷管管（ms）差值（ms）1段非電毫秒雷管管0503段非電毫秒雷管管50605段非電毫秒雷管管110907段非電毫秒雷管管2001109段非電毫秒雷管管3101902段非電半秒雷管管5005003段非電半秒雷管管1000圖4.4.2.1爆破網(wǎng)路布置及臨空面示意圖裝藥結(jié)構(gòu)及起爆順序掏槽眼、輔助眼、周邊眼采用反向裝藥結(jié)構(gòu)。起爆順序：從掏槽眼到輔助眼依次起爆，周邊眼最末起爆，雷管從內(nèi)向外逐次為1、3、5、7、9段非電毫秒雷管、2、3段非電半秒雷管起爆。在爆破過程中3、4、5排炮眼形成形成4組，每組含有內(nèi)向、兩側(cè)3個臨空面共計12個臨空面進(jìn)行爆破，且在爆破過程中對向組爆破出的巖石可對向碰撞、擠壓。4.4.3水壓爆破借鑒目前國內(nèi)成熟的水壓爆破技術(shù)進(jìn)行裝藥，先在炮孔內(nèi)放入1節(jié)水袋墊底（約20cm），然后根據(jù)設(shè)計的單孔裝藥量裝填炸藥，炸藥裝好后，再裝填4~3節(jié)水袋（60~80cm），最后裝填炮泥堵塞封口。圖4.4.3.1水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)圖圖4.4.3.2豎井井下開挖爆破作業(yè)4.5出渣設(shè)備選型目前豎井施工中大多采用HJ-6型中心回轉(zhuǎn)式抓巖機裝巖。本豎井前30m的施工過程中，采用中心回轉(zhuǎn)式抓巖機裝巖，發(fā)現(xiàn)此種方式無法實現(xiàn)快速、安全施工。后采用小型挖掘機進(jìn)行裝巖。并對這2種裝巖設(shè)備的各項指標(biāo)進(jìn)行了比較，得出挖掘機裝巖，無論是裝巖效率還是使用成本等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前者。圖4.5.1抓巖機與挖掘機工作圖表4.5.1裝巖設(shè)備比選比選項目裝巖設(shè)備HZ-6型中心心回轉(zhuǎn)式抓抓巖機CT45-7AA型小型挖挖掘機裝巖效率低為抓巖機的2倍倍設(shè)備故障率高低駕駛成本配備4名司機，月支出出4萬元配備2名司機，月支出出2萬元設(shè)備懸吊保護(hù)盤荷載增大大，使用穩(wěn)穩(wěn)車3臺地面增加穩(wěn)車22臺清底人工清底，抓巖巖機配合挖機清底鎖口盤及雙層保護(hù)盤直徑為9.1m．其盤面設(shè)置2個提升口，并相對盤中心對稱布置。鑒于盤的加工難度、提升穩(wěn)定性、挖掘機在井底的工作區(qū)域及吊桶的提升等要求，所選用的挖掘機長度不可超過6m，挖掘半徑不得小于5m。表4.5.2CT45-7A挖掘機外形尺寸參數(shù)中文名稱參數(shù)中文名稱參數(shù)動臂長度2650mmm尾部回轉(zhuǎn)半徑1600mmm斗桿長度1600mmm配重離地距離585mm平臺寬度1500mmm導(dǎo)向輪驅(qū)動輪軸軸距1710mmm底盤寬度1630mmm最小離地間隙350mm司機室高度2455mmm運輸長度5560mmm4.6節(jié)能環(huán)保型通風(fēng)機的選型根據(jù)井下供需求，通風(fēng)機選型應(yīng)滿足Q機＞Q供，H機＞H全壓選用6檔型雙機DSF-Ⅱ型隧道專用對流旋通風(fēng)機，其參數(shù)為電機功率為2×38kw，高效風(fēng)量為1333.3m3/min＞1264.2m3/min（需供風(fēng)率）；全壓為2320pa＞1522.9pa（需供風(fēng)壓），均滿足通風(fēng)需要；直徑選為1.0m的阻燃膠皮風(fēng)筒，采用壓入式通風(fēng)。在豎井正井法施工過程中，根據(jù)開挖累計進(jìn)尺深度，采取及時調(diào)整風(fēng)機檔位，合理、高效、節(jié)能的供風(fēng)方案。表4.6.1DSF-Ⅱ型通風(fēng)機工作檔位參數(shù)單機檔位開挖深度雙機檔位開挖深度一<40一<120二<80二<170三<100三<2405創(chuàng)新點5.1井架根據(jù)豎井直徑及施工場地情況采用重復(fù)率高的煤礦IVG改進(jìn)型井架，其天倫平臺、絞車鋼絲繩布設(shè)靈活便捷，由鋼管桿件組成，便于裝卸和運輸；5.2井壁座安全施工技術(shù)，井壁座在二次襯砌混凝土施工時提前一模進(jìn)行開挖施工。避免其在先開挖后施工過程中發(fā)生掉塊、坍塌的質(zhì)量安全隱患，減少臨時支撐資金成本投入；5.3井下快速排、堵水施工技術(shù)，針對豎井正井法施工特性，滲水段采取半導(dǎo)坑上下導(dǎo)開挖，利用下導(dǎo)坑作積水區(qū)，井壁座設(shè)置濾水箱，進(jìn)行環(huán)保節(jié)能排水；涌水段利用采用壓力出水口快速封堵器焊接Φ42導(dǎo)管注雙液漿止水，注漿過程中充分利用快速封堵器的特點，及時通過排、堵水調(diào)整圍巖富水區(qū)水壓，提高注漿質(zhì)量。5.4應(yīng)用正井法多臨空面水壓爆破技術(shù)，通過采取導(dǎo)爆管起爆針遠(yuǎn)程起爆多臨空面水壓爆破網(wǎng)絡(luò)，減小豎井開挖面水平環(huán)向應(yīng)力影響，避免欠挖、爆后渣粒徑大等現(xiàn)象。有效降低爆破安全風(fēng)險、控制炸藥用量、增加循環(huán)進(jìn)尺及爆破效果、降低爆破粉塵濃度，提高經(jīng)濟效益。5.5采用小型挖掘機裝巖，充分利用小型挖掘機在大直徑豎井中工作的優(yōu)勢，較中心回轉(zhuǎn)抓巖機提高工作效率、降低安全風(fēng)險；5.6選用合理、高效、節(jié)能供風(fēng)技術(shù)，根據(jù)正井法開挖深度所需供風(fēng)量（壓），及時調(diào)整多檔型通風(fēng)機工作檔位。6效益分析6.1井架采用重復(fù)用率高的煤礦IVG型井架改進(jìn)，便于裝、卸和運輸，減少設(shè)備資金投入；6.2井壁座安全施工技術(shù)，避免了掉塊、坍塌安全風(fēng)險，減少了臨時支撐資金設(shè)備投入；6.3井下快速排、堵水施工技術(shù)，采取半導(dǎo)坑上下導(dǎo)開挖，不影響整體施工進(jìn)度，利用井壁座設(shè)