節理裂隙發育圍巖區小直徑深豎井施工工藝

彭 丹，王 灝，汪慶桃，李 梁，王 標

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南長沙 410004；2.國防科技大學指揮軍官基礎教育學院， 湖南長沙 410007)

節理裂隙發育圍巖區小直徑深豎井施工工藝

彭 丹1，王 灝1，汪慶桃2，李 梁1，王 標1

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南長沙 410004；2.國防科技大學指揮軍官基礎教育學院， 湖南長沙 410007)

節理裂隙發育圍巖地區80m深豎井的開挖過程存在著較大的困難。長沙市某森林防火監測站項目的豎井工程施工場地嚴重受限、大型機械設備無法上山、不能大面積破壞植被，針對施工條件的制約，制定了合適的深豎井的施工流程及工藝，采取了一系列保證豎井開挖質量及安全的措施。實踐表明，該施工工藝安全可行，可為類似工程提供借鑒。

深豎井；施工流程；施工工藝；安全措施

1 工程概況

長沙市森林防火監測站項目位于長沙市大河西先導區岳麓山后山，隧道呈東西走向，中部(山頂)最高海拔達182m，隧道長約470m。項目設計深豎井5處，最大深度達80m，最小深度40m，豎井設計為開挖直徑2.5m的圓形斷面。

本工程所處場地為丘陵地貌，根據地勘報告及前期平洞開挖圍巖揭露情況判斷，基巖基本為全風化－微分化的極軟巖或堅硬巖的砂巖或板巖，主要為Ⅲ－Ⅳ級圍巖，巖石節理裂隙發育，局部含強風化石英砂巖夾層。場地所在范圍內沒有明顯的含水地層，地表水主要為賦存于表層第四系土中的上層滯水及基巖的裂隙水，水量均較小。

2 工程特點及施工總體方案

2.1 工程特點

(1)由于巖石節理裂隙發育，局部含夾層，豎井開挖過程中，容易造成的安全問題。因此施工中要注意監察圍巖類別、地質條件、節理裂隙、地下水滲漏等情況，進行必要的監測，及時記錄并整理，同時，支護必須及時跟上。

(2)通風與除塵是豎井開挖的一個重要工序，它能有效排除炮煙粉塵及有害氣體，對于改善施工環境，保障施工人員身體健康，縮短循環時間，加快施工速度有著重要意義。對于深達80m的深豎井，通風除塵問題將面臨著極大的困難。

(3)深井出渣是施工中很重要的一環，對于高達80m的深井，出渣必然成為一個難點，而且由于此山為風景名勝區，不能對植被造成較大的破壞，所以渣土的轉運或者堆放必然也成為一個困難點。

目前，對于深豎井施工，國內外常見工藝為人工配合小型機械進行的吊籃開挖法、反導洞法[1-6]；對于節理裂隙發育圍巖地區深豎井施工可參照的施工工藝尚且較少。由于工程所在地條件受限，一般機械無法上山，設備只能拆解后采用騾馬或人工通過修筑的簡易便道分批裝運上山后在山上重新拼裝。工程存在工期緊、要求對當地植被破壞小等眾多不利因素，因此決定采用反向施工工藝。

2.2 反向施工工藝的特點

(1)所用機械搭配簡單，為傳統簡單機械，無須大規模破壞植被用于修筑便道方便大型機械上山；施工效率高，施工速度快、單循環進尺大。

(2)出渣方便，直接自平洞出渣，不需借助卷揚機設備進行人工裝桶出渣；對山體植被破壞小，不會出現堆渣對周邊環境產生破壞的情況，在豎井未轉入正向開挖前，安全警戒相對較小，可有效減少因放炮對周邊環境產生的干擾。

(3)安全風險較小，特別是通過通風孔(透氣孔)能有效解決坑道內反道施工超過20m后缺氧的情況。

(4)無須眾多材料設備上山，大部分材料都可由平洞轉入，減少材料轉運的時間及費用。

3 工藝流程及操作要點

施工順序如圖1所示，施工時，各階段級級緊跟，在保證安全前提下控制好施工進度，確保施工安全與質量。

圖1 深豎井反向掘進施工工藝流程

3.1 通風孔鉆孔

深井鉆孔采用地質鉆機打通風孔。地質鉆采用人工拆卸地質鉆機，人工挑運上山，山上拼裝完成后鉆進Φ105mm通風孔，為減少因鉆桿數量過多引起的累積誤差，單根鉆桿長度保證在5m以上，為規避由于豎井內圍巖節理裂隙發育層狀結構導致鉆進過程中容易出現斜孔的問題，鉆進開始前對鉆機平臺進行夯實處理，適當位置打設錨桿固定平臺，鉆進的過程中控制好鉆進速度，并加強現場監控，每隔10m利用塑料布結合水銀對傾斜度進行檢測，發現傾斜角度過大將空孔進行回填部分后重新鉆進，確保孔眼布設在豎井范圍內。鉆孔結束后在通風孔內插入Φ75PVC管，PVC管口高出原地面25～30 cm，管口處采用無紡布包裹。共鉆3個通風孔，導洞開挖及通風孔位置如圖2所示。利用通風孔鉆孔的導向及上下兩端位置的準確性，結合三角測量的方法，解決導洞內測量放樣難以操作的問題。

3.2 馬頭門支護

馬頭門是豎井與平洞交接處的一段，豎井施工前須對該處進行加強支護，在靠近豎井位置立設4～6榀鋼拱架加強，鋼拱架間距0.5m，型鋼拱架支護參數參考如下:250mm厚噴射砼；Φ20mm錨桿長度2.0m，橫向間距1.0m，縱向間距0.5m；Φ8mm× 250mm×250mm鋼筋網片。

3.3 反向開挖

(1)平臺搭設。橫洞底部平臺:平洞底部采用I18工字鋼結合方木作為底部支撐平臺，平臺采用Φ22mm×2.6m的錨桿固定，一側留設寬度不小于50 cm進人通道。反向開挖過程中平臺搭設:首先搭設固定錨桿，采用氣腿式鉆機，每隔2m打設橫向8根長度Φ32mm×750mm的圓鋼錨筋，錨孔內塞滿錨固劑，外露部分焊接Φ20mm豎向鋼筋用于固定松木；松木上下兩層共4根，松木與松木之間采用Φ 6.5mm鐵絲及馬釘固定牢固，并與Φ32mm錨筋卡牢；在松木板上鋪設厚度不小于5 cm厚的模板用于人工作業；為確保施工安全，在作業面以下2m位置設置另一道安全防護欄。

圖2 導洞開挖及通風孔位置示意

(2)鉆孔爆破。采用氣腿式鉆機GY450型進行鉆孔，根據巖石破碎情況，孔深控制在1.2～1.8m，孔距0.4～0.6m。采用平行孔掏槽方式進行掏槽。炸藥單耗為0.4～1.0 kg/m3。根據孔的深度和部位分別采用連續裝藥和間隔裝藥2種裝藥方式，炮口部采用黃泥進行填塞，為了控制爆破對周邊圍巖的擾動，采用毫秒微差導爆管起爆網路，連接方式采用簇連。

(3)排險。節理裂隙發育地區爆破后，兩側及頂部圍巖很容易出現掉塊及石方高處墜落等險情，故爆破后，一定要特別注意排險。要把松散的巖石排除徹底，以防止在下一個循環作業時出現石塊掉落的現象。

(4)頂部防護臺架的搭設。在施工過程中、尤其是鉆孔時，極有可能出現掉塊、小范圍垮方事件，故在打鉆開挖各道工序開始的過程中采用Φ48mm ×3.5mm鋼管結合Φ10mm鋼筋焊接成的網片搭建簡易防護棚，打鉆時鉆桿通過鋼筋網片間隙進行鉆孔作業。

3.4 臨時支護

由于豎井內初期支護為錨噴支護，考慮斷面狹小，噴漿支護需要一定的安全距離且對通風要求很高，在豎井打通前，豎井內錨桿施工及鋼筋網片能正常施工，但噴漿作業卻很難進行。施工時，為確保豎井內安全，采用如下處理措施:圍巖情況較好的情況下，采用SNS密閉金屬網結合錨桿對豎井壁進行臨時支護，圍巖情況較差時，打設型鋼拱架結合錨桿、鋼筋網，進行臨時加固。

3.5 正向開挖

考慮到巖石節理裂隙較為發育，表層風化嚴重，為了安全起見，在反向開挖到離地面15m處時停止，剩余段采用正向開挖。采用人工配小型卷揚機的方式出渣，并臨時堆放在洞口周圍，等洞口貫通以后再溜放到豎井內，從平洞出渣。

3.6 擴挖及支護

擴挖按照2m一級進行控制，分級擴挖，分級支護，由于噴漿高度很高，施工時，空壓機風壓要求較大，根據本工程經驗，80m豎井單洞須1臺7G/22m3、1臺7G/11m3空壓機同時供風才能保證噴漿所需風量。

3.7 監控量測

豎井監控量測每5m一個斷面埋設兩對收斂點，在開挖后立即埋設監測點，監測開挖過程中的巖層變形情況及支護結構的變化趨勢，根據監測數據判斷結構安全與否，量測頻率見表1。

表1 豎井收斂觀測頻率

4 保證豎井開挖質量、安全的措施

(1)開挖施工前，由施工單位編寫施工技術及組織方案，并由工程管理部門審核和批準。施工單位要組織技術交底和質量交底，使所有施工人員尤其是關鍵崗位上的施工人員，能明確了解各自的工作內容和相關的質量要求。

(2)在施工中應密切注意掌子面情況，要保護好測量控制點和監測設施，防止被破壞，并定期復核、檢查，當發現異常，應及時封閉。

(3)在進行爆破作業前，必須放試驗炮，對爆破參數進行檢驗，根據試驗結果進行相關爆破參數設計。

(4)開挖時，要密切注意地質條件的變化，并根據爆破效果及監測結果，調整爆破參數、施工工序、支護型式等，以確保施工滿足工程的質量、進度和安全要求。

(5)反向法施工時，雖然頂部有鼓風機送風，但不排除爬升通道中部分區段氧氣供應不足的情況，故人員操作上升過程中，隨身攜帶自空壓機風炮頭分出的小型送風管，施工人員進入工作面之前，必須先開動鼓風機通風5 h以上，確認工作面已將煙塵排除干凈后，施工人員才能進入工作面。在施工人員撤出工作面之前，不得停止空壓機(鼓風機)供風，以保證工作面有新鮮空氣補給。當施工人員在進入工作面的途中，認為工作面煙塵尚未排除干凈或無足夠新鮮空氣，可返回安全地帶，延遲進入工作面的時間。

(6)爆破后，要開動空壓機，向豎井工作面供風，以排除豎井內的煙塵，通風30min以上并確認已將下平洞內煙塵排除干凈后，出渣人員才能進入出渣，豎井通風仍應繼續進行5 h以上，以切實保證將洞內的煙塵排除干凈，尤其當豎井施工至20m以上時，還要適當延長通風時間。

(7)由于豎井深度較大，進入豎井工作面進行施工時，必須有兩人以上，否則不得進入工作面內進行施工，人員爬升豎井時須帶好安全帶，操作當天身體狀況欠佳時，嚴禁帶病上班。

(8)每排炮施工后，安全員要帶領施工人員對已開挖段進行安全處理，清除松動巖石，當確認安全后，才能進行下道工作施工。

(9)反道施工人員需佩戴專業鋼盔及防護用品進行作業施工，未穿戴好不可進入施工現場。

(10)施工時在豎井井圈周圍設隔離帶并懸掛醒目標志，井下有人員作業時安排專人管理井頂送風，夜間井圈附近設警示燈。

(11)在豎井井口四周挖排水溝，將豎井部位的地表水引向洞外，以防止雨水直接沖刷洞壁，惡化圍巖的穩定。

(12)嚴禁向豎井內拋扔雜物，吊斗下嚴禁站人，進入施工場地必須正確佩帶安全帽。

(13)電焊機使用前檢查各部件是否完好，地線是否焊接。接電源時應注意電源電壓與本機相符，必須裝有漏電保護裝置。正確使用焊鉗，手不得觸摸焊鉗頂端，焊接時必須使用面罩，戴上電焊手套。在露天作業時必須加蓋防雨設施以防受潮。作業結束后切斷電源，收好電線并防止雨水。

(14)卷揚機作業前，檢查卷揚機與地面固定情況，防護設施、電器線路、接地線、制動裝置和鋼絲繩等全部合格后方可使用，鋼絲繩必須嚴格按照規范標準每次施工前進行檢查，不得存在任何安全隱患。在操作桿行程范圍內不得有障礙物。作業中，不得跨越鋼絲繩，操作人員不得離開。作業完畢，應斷開電源，鎖好開關箱。

(15)因豎井內空間狹小，噴漿人員除佩戴正常的專用防護用品外，還需佩戴護目鏡，避免傷害到眼睛。

(16)建立良好的通訊系統，每個施工隊伍要配備對講機或有線電話。

5 總結與體會

(1)該工藝不受大型機械設備無法上山的約束、對當地植被破壞小、工期履約壓力較小。

(2)該施工工藝的相關人員和機械組合、具體施工工藝、監控量測等都能為類似工程提供參考。

(3)反向開挖至距離豎井頂部較近時，頂部圍巖的變形帶有突然性，必要時應該加強臨時支護以及監控量測工作。

(4)本深豎井施工工藝適用于節理裂隙發育圍巖地區深豎井反道施工，稍作調整，也可以應用于整體性較好的隧道40～90m豎井開挖。

[1]代昌福，高 峰，彭永銘，等.300m級深豎井反擴法挖井施工技術[J].四川水力發電，2007，26(S1):27-30.

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[4]孫桂喜，魏日華，付廷伍.豎井爆破開挖控制技術[J].東北水利水電，2007，25(9):16-18.?

[5]胡 斌.烏鞘嶺隧道1號通風豎井設計與施工[J].鐵道標準設計，2005(10)，92-94.

[6]金虎捐，周歡站.反井法處理阻塞鉆孔的技術研究[J].2013，38(2):130-131.

2015-05-04)

彭 丹(1984－)，男，工程師，主要從事地下工程的施工與管理，Email:35016567＠qq.com。