谈长大隧道竖井施工技术的探讨分析

1 工程概况

1.1 雪峰山隧道3#竖井为垂直竖井，井深373m，衬砌后竖井净径为φ6.5m，从上井口至下部约5m处为节理裂隙极发育，呈碎石状松散结构的全、强风化硅化砂质板岩，再往下约15m为节理裂隙发育，呈块碎石镶嵌结构的弱风化硅化砂质板岩，其余均为节理裂隙不发育，呈大块状砌体结构的微风化硅化砂质板岩。

1.2 终南山3#竖井井深400m，衬砌后竖井净径为φ11.5m，位于秦岭南坡大东沟中游左侧约50m.上部43m为崩积块石土（Q4c），块石岩性为混合片麻岩，松散，潮湿，土质不均，Ⅱ类围岩；下部为混合片麻岩（MiGn），灰白色，大块状砌体结构，Ⅴ类围岩。

2 施工方案比选

煤矿、矿山竖井开挖传统采用正井法施工，其直径大多介于6～8m。而直径为13.1m大断面竖井开挖国内无成功经验可以借鉴。

2.1 竖井开挖施工方法现阶段常用的有两种：一种是正井法，另一种是反井法。正井法国内采用最多，但效率相对较低，也存在一些安全隐患，当需要利用竖井来开挖主洞时这种方法是必须的。反井法施工是在竖井中心位置施工Φ1～2m导孔，然后通过爆破手段由上向下或由下向上反扩至Φ3～3.5m导孔、再由上而下、由内圈向外圈层层扩孔，最后形成开挖设计断面。煤矿、矿山竖井开挖直径大多介于6～8m，在水平通道具有出碴条件下，应多采用反井法施工，特别当竖井直径大于8m，反井法施工的优点更为突出。

2.2 竖井衬砌工艺有翻模施工及滑模施工两种。翻模施工适用的条件是：适用于竖井深度较浅，工艺简单，适用于随掘随砌，对竖井衬砌砼质量要求不高，工期相对较长。而滑模工艺适用条件为对竖井深度不受限制，尤其对异性断面、设置有一道或者多道中隔板等竖井衬砌，优点突出，确保砼质量，工期有保证，缺点是前期投入大。

结合以上特点终南山竖井和雪峰山竖井最后都采用反井法施工，二衬决定采用滑模工艺施工。 这种施工方法的最大优点是施工费用较低，山上施工场地以及机械设备相对较少，不需要在山上弃渣，节约施工时间，缩短工期，有利于环境保护

3 施工方法

3.1 反井法施工工艺流程

φ27cm导孔 φ140cm反扩孔 φ350cm扩孔 全断面扩挖 衬砌施工。

3.2 φ27cm导孔和φ140cm扩孔施工

3.2.1 钻孔设备性能参数

钻孔设备根据竖井的深度选定钻孔设备，以确保钻孔的精度。根据实际选用不同型号钻机进行施工。

3.2.2 工艺流程

基础施工 钻机安装与调试 导孔钻进 扩孔反钻 钻机拆卸。

3.2.2.1 基础施工

为保证钻孔的精确性，钻机的基础须置于稳定的基岩上。当地表经实测承载力达到设计要求时，通过爆破手段，机械配合平整基础；当地表承载力不足时，可采用桩基、承台方式达到承载力要求。以3#竖井施工为例，地表段围岩为崩积块石土，围岩极差，距离基岩40m，施工钻孔桩施工至基岩，其中两根为受力桩，桩径Φ1.2m，一根桩径Φ2m（为1.4m钻头的穿透桩），在桩顶施工作业平台，取得了良好的效果。

3.2.2.2 钻机安装与调试

根据钻机使用说明书和竖井设计要求，按照机器参数和竖井设计精度对钻机进行安装与调试。

3.2.2.3 导孔钻进与扩孔反钻

调正：钻机立好后，保证钻机本身的垂直度才能保证钻孔的垂直度，钻机的垂直度控制在1‰以内。

开孔：开孔是确保钻孔精度的关键，开孔时须以低转速、小钻压开动钻机。

操作：挑选技术水平高和责任心强操作者施工，随时观察泛渣、返水及岩石状况控制钻进速度，岩石破碎时快速通过，岩石完整坚硬时降低进尺速度，以确保导孔的精度。

φ27cm导孔施工完毕后，组织人员对导孔精度进行测量，若精度符合要求，可安装Φ1.4m反扩钻头。否则,将导孔封堵，重新施钻。采用反井钻机在秦岭终南山围岩相对较好的情况下施工，平均日进尺13m，竖井深392.8m，偏差3.64m，偏斜率0.93%,控制在1%精度要求，完全满足施工需要。

3.2.2.4 钻机拆卸

按照安全是第一原则要求拆卸钻机，准备下到工序。

3.3 φ350cm扩孔

φ1.4m导孔施工完后,导孔队伍根据钻孔提供的地质资料,当围岩相对较好情况下，验孔后对地表段进行必要处理后，为防止大断面爆破漏碴时堵孔，可采用φ3.5m从下向上反扩孔工艺施工，当钻孔资料比较差，无法验孔或者验孔后受断面制约无法采取措施的情况下，为确保施工安全，φ3.5m扩挖采用从上向下扩孔工艺施工。同样要保证实事求是原则，例如雪峰山隧道竖井净直径6.5米，不需φ3.5m扩孔，直接进行下一道工序：全断面开挖。

3.4 全断面扩挖

3.4.1 验孔

根据竖井地质资料,第一当围岩相对较好情况下，第二竖井净径小于8米，这是直接考虑验孔，准备全断面开挖；同样验孔后对地表段进行必要处理后，竖井净径大于8米为防止大断面爆破漏碴时堵孔，可采用φ3.5m从下向上反扩孔工艺施工，终南山3#竖井施工采用上述方案取得了平均日进尺达6m的好成绩。

3.4.2 全断面开挖

开挖施工仅有打眼、装药爆破两个工序施工，对于竖井净径达到11.5米时，这时候要考虑部分开挖施工。然后考虑全断面开挖。如终南山3#竖井φ9.5m开挖施工，φ9.5m开挖施工仅有打眼、装药爆破两个工序施工。根据工期情况来决定工作盘的层数、人员及机具配置，资源配置可参照φ3.5m扩孔施工。φ3.5m扩孔完成后，通过试验情况，采用三层吊盘,层高1.8m，每层盘安排三台风枪施钻，钻杆套打的方式，眼深3m，间距42cm，排距0.9m，梅花型布置， 装药、爆破用时3小时，平均日进尺7m，效果良好。

3.4.3 资源配置

在原有钻孔设备上新增设备:Ⅳ型井架，15T稳车， 20m3空压机，PZ-5型喷浆机。

4 施工通讯信号与风水供应

4．1 施工通讯与信号

施工信号是竖井施工安全的头等大事，必须形成系统专机专设专人使用，统一管理与维修，做到信息灵通及时有效，拟将敷设14芯通讯电缆，分布各机房与井下对口联系，并建立联系规则与严格的管理制度，确保准确无误，通讯电缆通过由专设14芯稳车悬吊和升降。根据施工需要可补充其他通讯及信号设施，如步话机、电铃等。例如：终南山竖井井上、下通讯：井下吊盘上设1台GB-21隔爆电话机与井口HD262J磁式电话机作为井上、下联系。地面上装1台直拨电话保证通讯畅通。井上、下信号：井口和掘进工作面采用声光信号(如打铃机械信号)，井口到绞车房采用16门内部电话沟通，井口到凿井稳车房采用声光灯打点信号。

施工通讯与信号是竖井施工安全的重要环节，施工通讯的选择由竖井施工环境决定的。

4.２ 风水供应

掘进施工用风用水分别由地面压风站与高压水池供给，下井管路由井口稳车悬吊，管路下口配置分风（水）阀供钻机使用，接长管路时靠稳车升降配合人工来完成。

5 施工运输

5.1 出碴运输

竖井炮碴经卸碴孔放入井底，装载机装碴，自卸汽车运输达弃碴场。装碴作业必须待扩挖炮碴全部清除并盖上孔口防护盖时方可进行，并与主隧道施工统一运输调度减少相互干扰。

5.2 人员及物料升降运输

竖井施工期内人员及物料运输采用井口设置的罐笼及提升机进行升降作业，由于罐笼最低点距工作面有一定高差（控制在5米以内） 之间采用绳索软梯、溜槽等下放到工作面。

6 二次衬砌

竖井衬砌工艺有翻模施工及滑模施工两种。翻模施工适用的条件是：适用于竖井深度较浅，工艺简单，适用于随掘随砌，对竖井衬砌砼质量要求不高，工期相对较长。而滑模工艺适用条件为对竖井深度不受限制，尤其对异性断面、设置有一道或者多道中隔板等竖井衬砌，优点突出，确保砼质量，工期有保证，缺点是前期投入大。3#竖井衬砌经方案必选，最终决定采用滑模工艺施工。竖井衬砌工艺另作介绍。

7 施工注意事项

7.1 竖井井口旁的高边坡防护处理

如3#竖井为偏压地形，场地平整完后，为确保竖井施工安全，竖井靠山侧的边坡采用边开挖边防护的方案，方案如下：土层采用R32N迈式锚杆(钻进、注浆一体化)，孤石采用φ22砂浆锚杆，间距1m×1m，梅花型布置，深度6m/根，结合钢筋网、喷砼及时按设计要求进行了封闭支护，确保了竖井井口施工安全。

7.2 钻机基础处理

3#竖井安装钻机地基承载力不足。为能满足反井钻机施工过程中荷载，最终确保钻孔精度，在地基承载力通过换填承载力仍然不足，又无法通过开挖至基岩满足承载力的情况下，需对地基进行加固处理。处理措施如下：采用3根钻孔桩一字型布置，施工至基岩，其中两根为受力桩，桩径Φ1.2m，一根桩径Φ2m（为Φ1.4m钻头的穿透桩，除与承台连接处埋设钢筋外，桩径内部不设钢筋），桩顶施工1.5m厚的承台作为钻机作业平台，为钻机钻孔精度奠定了基础。

7.3 反井钻机钻进过程中不良地层处理

在地表段与基岩过度段钻进过程中，遇到孤石滑动、漏浆现象，为防止钻孔方向受到影响，及时采用灌注水泥浆的办法固结地层和充填裂隙，取得了预期的效果。25.4m及61m深处灌浆情况见下表。

岩层灌浆情况处理情况表

深度（m）	水泥用量（t）	浆液密度（t·m-3）	凝固时间（h）
25.4	4	1.6～1.7	72
61	2.5	1.7～1.9	72

7.4 井口锁口圈施工

为确保竖井施工安全，在开挖φ3.5m及全断面开挖前分别对井口作临时锁口处理，锁口采用砼施作或浆砌材料施工，并设置锁口盘，防止坠物掉入井内。

锁口圈标高比地面高出1m，防止雨水进入，确保竖井施工安全。

7.5 地表段开挖

因地表段43m围岩为崩积块石土，Ⅱ类围岩，加上紧靠大东沟河床，地表段开挖采用了人工开挖，遇到孤石时采用爆破的方法，遵照“少装药、弱爆破”的原则，尽量减少对周边围岩的扰动，开挖1m，强支护1m，支护采用喷锚网结合型钢加强支护的方法，稳扎稳打，根据围岩情况不断调整支护参数，安全顺利地通过了地表段。

7.6 塌方处理

当Φ1.4m导孔贯通后，在井口下32m处靠河侧因裂隙水发育，围岩差，造成塌方，造成Φ1.4m导孔堵孔，堵孔原因为，因围岩中的大块孤石被水冲刷卡住导孔，小块及泥沙冲填缝隙造成彻底堵孔。采用冲击钻锤击、地质钻机钻孔清孔及爆破等各种办法都进行了尝试，最终决定将Φ1.4m导孔正向扩挖至直径3.5m直到将堵孔清空，满足小型施工设备及人员操作的需要。开挖时设置积水坑采用阶梯抽水的办法将水抽至地表，塌腔施工时，采用沙袋堆码，型钢钢架做骨架、喷砼钢筋网锚杆安全通过。

7.7 爆破纵波处理

竖井开挖过程中为减少爆破纵波对施工影响，施工时除加强安全警戒撤人至安全地带外，还要注意爆破后负压对井口锁口盘及安全盘的影响，所以在锁口盘及安全盘上预留部分空洞，空洞部分做好安全防范措施，确保施工安全，同样，井下风道的各种施工门，爆破前处于开启状态，3#竖井开挖爆破在这方面进行了有效尝试，取得了良好的效果。

7.8 扩挖

开挖采用钻爆法分层开挖或环向分段拉槽开挖，支护采取一掘一支环环紧跟，循环进尺与格栅钢架间距相对应，钢筋网片、锚杆、钢架等均采用预制送达工作面安装，喷砼采用机械拌合，手推车运输，人工送入喷射机进料斗完成喷射作业。防止扩挖炮碴堵塞卸碴孔的技术措施：1）加密炮眼缩小炮眼间距，将炮碴最大块度控制在40cm以下。2）增加导爆管的段别，将各段起爆时间延长利用起爆时间差分批抛掷落入卸碴孔。3）采用台阶开挖，利用台阶存碴再经人工清碴进入卸碴孔。4)发生堵孔现象采用电力爆破清通堵孔石碴。

8 安全保证措施

竖井工程为爆破、高空、带电高危作业，安全工作必须放在首要地位。在开工前必须制定各项安全管理措施，逐层签订安全责任合同，横向到边、纵向到底，不留死角，保证施工安全。如竖井开挖，严格按爆破设计和《爆破安全规程》操作施工，加强监测，根据监测的地质情况及时调整爆破参数，保证爆破安全。

9 结论

9.1 施工工艺方面

通过竖井开挖实践，笔者认为，在总体方案确定的情况下，工序上可以再进一步的优化.如终南山3#竖井即在Φ1.4m导孔开挖完成后，正向开挖至Φ3.5m断面至堵孔部分，遵照“弱爆破、强支护”的原则，将Φ3.5m堵孔断面开挖完，然后反向开挖Φ3.5m断面，最后由上向下施工至全断面。若按上述方案施工，工期可缩短达3个月以上。如终南山1#竖井在围岩相对较好的情况下，Φ1.4m导孔开挖完成后，直接反扩Φ3.5m断面，然后正向全断面开挖至设计尺寸，取得了良好的效果。

9.2 经济效益方面

采用反井法优点就是漏碴,相比正井法吊碴,大大减少了设备投入、降低了工人劳动强度，经济效益取得了明显改观。拿3#竖井开挖为例，就设备投入一项减少500万左右，大大减轻了前期资金压力。

9.3 导孔开挖方面

竖井的开挖方式要根据竖井的深度、工期及成本方面来确定采用反井钻井法或正向开挖导孔施工方式。实践证明对于围岩差，节理发育，层间粘结力差的岩层，采用反井钻机施工工艺是不适合的。终南山1#、3#竖井采用反井钻机施工导孔方式是成功的，节约了成本和工期。

9.4 竖井衬砌方面

竖井二衬采用滑膜施工，比传统施工工艺大大缩短施工工期，提高了混凝土外观质量。节约成本。而滑模工艺适用条件为对竖井深度不受限制，尤其对异性断面、设置有一道或者多道中隔板等竖井衬砌，优点突出，确保砼质量，工期有保证，缺点是前期投入大。 所以具有反井法施工条件时，优先选用反井法。

综上所述：采用反井法优点就是漏碴,相比正井法吊碴,即节约工期,又减少了设备投入、降低了工人劳动强度，经济效益取得了明显改观。拿3#竖井开挖为例，同比情况下开挖工期可节约4个月，设备投入减少1000万左右，所以具有反井法施工条件时，优先选用反井法.随着社会的进步，科技的发展，竖井采用反井法施工将会逐步推广。

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