节能降耗新技术在深大通风竖井施工中的应用

李丰果，徐 矫，贺国强

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001;2.中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳 518052)

0 引言

深大竖井施工方法一般有逆向开挖法、正向全断面法、正向分部法、正向导井超前后部扩挖法、先导井打通后扩挖法。其中，逆向开挖法是20世纪70年代左右的施工方法，采用木垛支架，人工由下向上打眼爆破，其安全风险极大，当前施工基本不允许采用。正向全断面法、正向分部法、导井超前后部扩挖法均为正打法，先在地面开挖一定深度(结合地层及设计图纸)的基坑并施作锁口圈，周边回填，利用锁口圈及周边场地修建大功率提升系统(绞车、稳车、井架等)。竖井自上而下开挖初期支护，需要将竖井内的渗涌水及时抽(风动抽水)排至地表污水处理池，将井内爆破石碴提升至井口倾倒在临时存碴场，将地面初期支护材料吊放至工作面对井壁进行支护，通风机将地面新鲜风送到井底等，井口临时存碴场的碴石要定期运至指定弃碴场。正打法需要征用大量井口及弃碴场，需安装大功率的提升卷扬设备，但装碴、提碴效率较低，钢丝绳使用频繁、提升重量大、更换频率高，有时井下作业环境较恶劣(地下水丰富时需在水中作业、喷射混凝土作业时空气质量差等)，爆破钻眼工作量大且炸药消耗量大、炮眼利用率不理想，通风管理困难、空中维修通风管难度大且存在一定风险，地下水丰富时有淹井的风险。

竖井衬砌模板有翻模、滑模2种。竖井二次衬砌有由上向下(逆作法)、由下向上(顺作法)2种，前者防水质量及接缝处密实度均难以保证。竖井均设计有壁座，以此将二次衬砌结构重量均匀地分布于岩壁上，避免重量集中导致将底部结构混凝土压碎的现象。中隔墙与二次衬砌施工步序有2种:1)同时浇筑;2)先二次衬砌，再二次衬砌预埋钢板或植筋、中隔墙后施工。

兰临高速公路新七道梁隧道171 m通风竖井采用了由上向下的正向全断面法开挖，衬砌采用了由下向上的翻模法施工［1］，中隔墙采用了先二次衬砌，再二次衬砌预埋钢板或植筋、中隔墙后施工的方法。新七道梁隧道1座通风竖井施工用时18个月，施工进度受地下水渗涌影响较大，其中约有2个月基本处于停工状态，配置了大型的IV型井架提升系统、风动抽排水系统、压入式通风系统。乌鞘岭隧道施工通道大台竖井深达516 m［2］，太古高速西山特长隧道竖井深达157 m［3］，施工方法同新七道梁隧道竖井。广东石牙山隧道竖井［4］、锦屏二级电站排水竖井［5］、台缙高速苍岭隧道通风竖井［6］均采用了先导井打通后扩挖的施工方法。

可以看到，国内竖井施工技术已经取得了很多经验，但对于竖井施工节能降耗新技术的开发并不多。经过大量的调查、考察、咨询、比选、论证，最终确定在宁武高速公路洞宫山隧道2座通风竖井修建过程中，采用“先导井打通后扩挖法开挖+滑模施工衬砌及不对称中隔墙”节能降耗新技术进行施工。实践证明，该技术在施工中得到了成功运用，取得了良好的经济、社会和环境效益。

1 工程概况

洞宫山隧道为特长公路隧道，位于福建省南平市洞宫山风景区，右洞长6 532 m，左洞长6 541 m，隧道设计纵坡为人字坡，隧道中部设排、送风竖井各1座，均位于右洞轴线右侧。排风竖井距右洞轴线26.2 m，井深145.34 m，净空直径6.2 m;送风竖井距右洞轴线36.2 m，井深143.69 m，净空直径6.6 m。隧道左右线的送、排风均采用单井，即在竖井内部采用中隔板对隧道左右线的送、排风进行分离。设计弃碴场距离井口20 km且全部为重车上坡，需新建8 km便道，利用当地既有乡村公路12 km。

竖井所在地有一大型水库与竖井直线最小距离仅400 m，且处于国家4A级风景区——白水洋风景区上游，预测竖井穿越地层富水，施工过程环保要求高。为确保安全，防止涌水，保护环境，经过长时间的调研、论证、经济比选，在隧道施工工期相对富余，地质条件相对较好的前提下，选用具有施工速度快、占用场地少、井口无污水及废弃碴处理方便等优点的反井钻机先导井后扩挖法进行施工。

2 反井钻机选型及施工流程

2.1 反井钻机选型

通过对工程地质(凝灰岩，抗压强度80～95 MPa，属中硬岩地层)、竖井深度、钻机提升力、动力头质量、扩孔钻头质量、钻杆质量、钻头压力、钻机扭矩、破岩阻力扭矩、摩擦阻力扭矩等参数的计算，按最大提升力不超过钻机设计最大提升力的60%、最大扭矩不超过钻机设计最大扭矩的70%为依据，选用了LM-200型反井钻机。本钻机可施工深为200 m、直径为250 mm的导孔和1.4 m的导井。钻机最大扭矩为40 kN·m，提升力为850 kN，推力为350 kN，功率为86 kW，钻杆直径为182 mm，适用于钻进软岩及中硬岩。

LM-200型反井钻机由液压马达驱动将扭矩传递给钻机系统，带动钻具旋转。破岩采用镶齿盘形滚刀，滚刀在钻压作用下沿井底滚动使其破碎。导孔(25 cm)钻进时岩屑沿钻杆与岩壁间的环形空间由洗井液提升到井口，扩孔(140 cm)时岩屑靠自重落到井底。

钻机配备90 kW的TBW-850/5A泥浆泵，在导孔钻进时迫使洗井液循环，采用泥浆作为洗井液，将岩屑带到孔外，同时对井壁有一定的支护作用。

2.2 施工流程

平整硬化场地—锁口圈施工—钻机精确就位(确保钻杆中心与竖井中心重合，且钻杆轴线垂直向下)—导孔开孔—正向钻导孔(25 cm，自上而下)—换钻头为反向刀盘—反向扩孔(140 cm，自下而上)—拆除钻机—安装简易提升系统—钻爆法扩挖、支护竖井(自上而下)—滑模对竖井二次衬砌及中隔墙进行整体施工(自下而上)。LM-200型反井钻机及其工作原理如图1所示。

2.2.1 导孔

导孔施工是导井施工的第1步，也是最重要的一步，导孔成孔的偏斜率将直接影响到导井施工的成功与否。为保证导孔的偏斜率控制在1%以内，分别在钻进到3，7，11，40，80 m 时加装稳定钻杆。稳定钻杆与普通钻杆的区别在于前者比后者外周多了4条均匀分布的3 cm厚的钢肋板，起导向与稳定的作用，防止钻杆随深度的增加，旋转产生过大的摆幅而引起弯曲，避免钻杆与孔壁的直接接触，减少磨损［7］。钻进过程中，遇小断层或裂隙发育地层发生卡钻或坍孔现象时，应将钻杆取出，灌注P·O 52.5水泥浆对围岩孔壁及裂隙进行加固。灌浆时浆液稠度逐渐增大，使其达到一定的扩散范围，待水泥浆凝固后再重新钻进导孔。导孔完成后测得实际垂直偏斜值为18.7 cm，偏斜率为1.29‰，效果非常好。

图1 LM-200型反井钻机及其工作原理Fig.1 LM-200 raise-boring machine and its work principle

2.2.2 导井扩孔

竖井与正洞联络通道以及导孔均施工至竖井底后，采用直径为1.4 m的反向刀盘替换φ250导孔钻头进行扩孔，扩孔时应低速钻进，钻压控制在10～13 MPa，并根据地层情况相应调整。在反向刀盘全部进入岩层时，为防止刀盘剧烈晃动而损坏钻具，应使用低钻压低速钻进，刀盘严禁反向旋转，避免发生重大机械事故。因反向刀盘自下而上掘进，井口钻杆需要逐根卸下，拆卸时应严格按照规定操作，否则会导致整个钻杆及刀盘掉落的事故发生［8］。扩孔停机前，应将扩孔钻具下降30～50 cm，关闭冷却水源，钻具卡在钻机底的卡座上，主机液压系统的压力调整到卸荷状态，关掉电机和电器柜开关，放好使用的工具，关闭操作车盖板。

刀盘自下向上工作时只需钻杆、刀盘的冷却水，且冷却水的水流量和扬程均不大，故将导孔施工时使用的泥浆泵更换为清水泵。稳定钻杆、反向刀盘、反向刀盘扩孔完成工况如图2—4所示。

3 滑模

3.1 滑模组成

滑模装置主要由液压系统、施工精度控制系统2大部分组成。液压系统主要由液压千斤顶、液压控制台、油路系统组成。施工精度控制系统指支承杆系统(即抓杆)，其支承作用于千斤顶的全部荷载，同时通过行程控制调整滑模垂直度(即精度)，在支承杆侧安装标尺进行控制。滑模装置主要由模板、围圈、提升架、操作平台、辅助盘、爬杆等部分组成一固定支架［9］，滑模高度取 1.25 m。

3.2 施工流程

施工准备—测量放线—组装滑模—调试定位—绑扎模板内筋—浇初升混凝土—初升后检查、调整—正常滑升、钢筋制作安装、浇筑混凝土—提升、吊活动平台—反复向上、直至井口—拆除模板。

3.3 混凝土浇筑及模板滑升

组装调试滑模完毕时，要求东、南、西、北4个方向提升架的垂直度允许偏差为2 mm，模板上、下口直径允许偏差为±2 mm，中隔墙上、下壁厚允许偏差为±1 mm;提升架前后位置允许偏差为5 mm，千斤顶中心轴线垂直度允许偏差为±1 mm，模板间接缝处平整度允许偏差为1 mm，千斤顶横梁标高允许偏差为3 mm，操作平台的平整度允许偏差为1 cm。

混凝土浇筑采用分层对称浇筑，分层厚度应小于30 cm。浇筑前必须进行混凝土固身试验，固身凝固时间为4～6 h(固身凝固是指混凝土达不到初凝状态，但又不流淌)。

1)初次滑升。第1层浇筑10 cm厚砂浆，然后按分层厚度小于30 cm浇筑第2层混凝土，当浇筑厚度达到70 cm时，模板开始向上滑升3～6 cm，检查滑模暴露出的混凝土表面质量是否达标。浇筑第4层后滑升5 cm，浇筑第5层后滑升11～16 cm，浇筑第6层后滑升19 cm，若无异常现象，便可进行正常浇筑和滑升。初次滑升要缓慢，同时要对液压装置、模板结构、有关设施在负载情况下做全面检查。

2)正常滑升。必须保持连续作业，由专人观察脱模混凝土表面质量，以此动态确定合理的滑升时间和速度。一般滑升速度为5 m/d左右，滑升过程中能够听到沙沙的声音，脱模的混凝土无流淌、无拉裂现象，手按较硬，并能留下1 mm左右深的指印，强度约0.1 MPa，表面能用抹子抹平。滑模及简易提升系统如图5和图6所示。

为方便开挖和初期支护施工，确保井壁壁座混凝土的密实度，将原设计的矩形壁座设计优化为直角三角形壁座(30°对应直角边在下方)，斜边与竖井壁重合。

4 实际进度

2座竖井实际施工进度见表1。

表1 2座竖井实际施工进度统计表Table 1 Construction schedules of 2 ventilation shafts

由表1的数据可以看出，与传统的正打法相比，采用“先导井打通后扩挖法开挖+滑模施工衬砌及不对称中隔墙”的施工方法，工期节约50%以上，且消除了施工过程中淹井的风险。

5 节能降耗及环保效益分析

采用新技术后2座竖井施工过程能源消耗情况见表2。

由表2的数据可以看出，与传统的正打法相比，采用“先导井打通后扩挖法开挖+滑模施工衬砌及不对称中隔墙”技术节约了大量的电、柴油、木板、炸药、雷管，节约能源型消耗材料60%以上。根据其他施工数据的统计，现场实测综合成本为2.1万元/m，较传统正打法(2.8万元/m)节约了0.7万元/m，2座竖井共节约202万元。另外，填表法调查统计表明，采用新技术后作业人员的劳动强度降低约60%。

表2 2座竖井施工能源型材料消耗统计表Table 2 Statistics of consumption of energy materials of 2 ventilation shafts

在环境保护方面基本做到了零破坏。井口地表占用土地最少;所有污水流入隧道正洞，经洞口污水处理池处理达标后排放;不用安装通风机，不用将碴石提升到井口，施工期间地面噪音很小;废弃石碴漏至联络通道，经联络通道、正洞运至洞口设计弃碴场;减少了新建便道8 km，缩短了废弃石碴运距约15 km(井口地表20 km，隧道内运出5 km)。

6 结论与讨论

洞宫山隧道深大通风竖井开挖采用了反井钻机完成导孔和导井，钻爆法自上而下开挖初期支护，二次衬砌及不对称中隔墙采用滑模整体施作技术。开挖采用反井钻机导井先行的前提条件有2个:1)隧道正洞开挖较快，竖井施工时隧道已开挖至井底;2)围岩级别为Ⅳ级且整体性较好地段。该方法占用了地表最少的土地，安装了较小的井架及数量较少的空压机，没有将污水抽至井口地面，没有将废弃碴石提升至井口，没有在风景区新建便道，进度较传统的正打法至少加快50%。以往二次衬砌及中隔墙均分开施作，滑模整体施作技术增强了中隔墙与二次衬砌的整体性，节约了大量的木板和止水带，基本没有施工缝，进度较传统的翻模至少加快60%。

“先导井打通后扩挖法开挖+滑模施工衬砌及不对称中隔墙”技术在洞宫山隧道2座深大通风竖井中的成功应用，主要是前期做了大量的调研、理论分析、专家论证，对施工全过程的每个细节做了充分的技术准备，施工过程才得以顺利、有序开展。今后深大竖井采用该新技术时，需进一步研究导井的合理尺寸、导井被碴石堵塞后的科学疏通方法、滑模高度及结构表面裂纹控制措施、滑模滑升混凝土合理强度指标范围、较破碎地层低成本导孔及导井的成孔方法、不均匀地层导孔垂直度控制措施、竖井井壁壁座的合理尺寸及形状等。

［1］ 李丰果.高原长大公路隧道通风竖井衬砌及中隔墙施工技术［J］.隧道建设，2009，29(6):72-75.(LI Fengguo.Construction technology for lining and separation wall of ventilation shaft of long highway tunnel on high plateau［J］.Tunnel Construction，2009，29(6):72-75.(in Chinese))

［2］ 仝金璞.竖井施工设备配套技术［J］.隧道建设，2005，25(S1):75-78.

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［9］ 孙建薇，王竹强，卫学文.竖井混凝土衬砌滑模施工法在引黄工程中的应用［J］.山西水利科技，2003(3):62-63.(SUN Jianwei，WANG Zhuqiang，WEI Xuewen.Application of slip form construction of shaft concrete in the YRDP［J］.Shanxi Hydrotechnics，2003(3):62-63.(in Chinese))