隧洞豎井開挖施工工藝的選擇及運用

(施甸縣水務局, 云南 寶山 678200)

隧洞豎井開挖施工工藝的選擇及運用

楊在華尹自萍

(施甸縣水務局, 云南 寶山 678200)

在水利水電工程隧洞的施工過程中，經常會遇到豎井開挖的情況。而豎井開挖施工中的出渣環節，往往是決定掘進速度快慢的關鍵。本文就“先導井后擴挖”施工工藝在紅谷田水庫中的應用進行了闡述，并介紹了具體的施工工藝。在底部平洞具備出渣的條件下，通過采用“先導井后擴挖”施工工藝，既有利于出渣，又節約了施工成本。同時還加快了施工進度，經濟和社會效益顯著。

隧洞豎井； 先導井后擴挖； 施工工藝

1 概 況

紅谷田水庫位于云南省保山市施甸縣境內，怒江一級支流施甸河中游。壩址以上徑流面積50.5km2，壩址高程1593.80m，地理坐標為東經99°12′44″、北緯24°49′01″。水庫總庫容1190.3萬m3，工程規模中型，工程等別Ⅲ等。主要功能是解決農村人畜飲水和農業灌溉供水，農村供水人口4.79萬、牲畜6.46萬頭，設計灌溉面積2.68萬畝。水庫樞紐工程由大壩、輸水隧洞、溢洪道組成。

輸水隧洞布置于左岸，輸水隧洞與導流隧洞采用兩洞結合的方式布置，輸水隧洞全長751.154m。設計輸水流量3.0m3/s，最大泄流量50.6m3/s(P=5%)。豎井斷面為矩形，高53.96m，縱向長9.9m,橫向寬7.7m。

輸水隧洞穿越低中山山脊，坡度10°～30°，地形起伏不平，屬構造侵蝕、剝蝕地貌。豎井出露地層為奧陶系下統老尖山組(O1l)，巖性主要為頁巖、石英砂巖、砂巖，巖層產狀N25°～50°E，NW∠50～83°。受斷層影響，局部夾陡傾泥化軟弱夾層，全風化底界埋深36m，強風化底界埋深45m。地下水為裂隙水，主要受大氣降水補給，地下水位埋深25m。巖體完整性較差，自地面以下52m圍巖類別為Ⅴ級， 52m至井底圍巖類別為Ⅳ～Ⅲ級。設計開挖初期支護為?井口至全風化底界采用鋼筋混凝土倒掛井襯砌支護，每循環段襯砌完成后布置φ22mm系統錨桿錨固，L=3m，@1.5m；?全風化底界至強風化底界采用砂漿錨桿掛網支護，(φ22mm鋼筋，L=3m@1.5m)+掛網(φ6.5mm@200mm)+噴C20混凝土厚10cm；?弱風化巖體采用隨機錨桿支護，(φ22mm鋼筋，L=3m隨機錨桿)+噴C20混凝土厚5cm。

2 施工方案及工藝流程

2.1 施工方案

在水利水電工程隧洞的施工過程中,經常會遇到豎井開挖,尤其是深豎井開挖，而豎井開挖施工中的出渣這一環節,往往是決定掘進速度快慢的關鍵。豎井施工方法一般有全斷面開挖、導井開挖兩種方法。全斷面開挖方法鑿井是從上部或下部掘進工作面的施工方法。導井施工是先施工小斷面導井，以平洞作為出渣的通道。使其起到溜渣、通風、排水作用，然后再擴挖至設計斷面的施工方法。導井又分為上導井和下導井兩種,上導井采用鉆爆提渣,下導井采用反井鉆機等方式。

紅谷田水庫地下水位埋深25m，巖體完整性較差，自地面以下52m圍巖類別為Ⅴ級，全斷面開挖存在較大安全隱患。導井法施工由于出渣方式的變化可以節約施工成本, 與全斷面開挖的施工工藝相比, 采用導井施工在安全、工期和投資方面效果明顯。綜合考慮安全、進度、投資等因素, 紅谷田水庫豎井選擇“先導井后擴挖”的上導井施工工藝。

2.2 施工工藝

紅谷田水庫豎井開挖設計斷面為矩形，縱向長9.9m,橫向寬7.7m。導井直徑1.5m，采用自上而下“先導井后擴挖”的方法施工。

2.2.1 鎖口

a. 鎖口基坑采用機械開挖，開挖完成后，及時進行鎖口鋼筋混凝土澆筑，鎖口高3.0m。

b. 鎖口C20混凝土采用拌和機拌和，斗車運輸。

c. 鎖口混凝土高出地面40cm，并設排水溝，以防止地表水進入井孔內。

2.2.2 豎井施工工藝

豎井施工工藝流程如圖1所示。

圖1 豎井施工工藝流程框圖

3 導井施工方法及技術措施

3.1 放樣

開工前先建立施工控制網，完成鎖口后,復核控制網,并建立臨時控制點。導井施工時，為控制導井軸線，在鎖口頂部測設四個控制點(用錨筋錨入基巖形成)，分別用型鋼將兩對角線連接，兩對角線連接交點即為豎井中心點，施工時，掛重錘于該中心點，即可放出掌子面處的閘室井中心點。高程控制時在洞壁上設高程點，用鋼卷尺丈量的方法進行傳遞。

3.2 導井施工

3.2.1 注意事項

a. 導井第一倉混凝土臨時襯砌高出地面20cm，以防地面水流入井內或雜物落入井內。井口邊1m范圍內不得有任何雜物，堆土應在井口邊1.0m以外。

b. 施工前工后檢查卷揚機、鋼絲繩、掛鉤(保險鉤)、提桶等設施運行及安全狀況，并對井壁、混凝土臨時襯砌的外觀進行檢查，發現問題及時采取措施。

c. 井下施工工具，采用提升設備遞送，禁止向井內拋擲。

d. 井孔上、下有可靠的通話聯絡，如對講機等。

e. 現場施工人員佩帶安全帽、安全帶，安全帶接繩由孔上人員負責隨作業而加長，井下有人操作時，井上配合作業人員堅守崗位，不得擅離職守。

f. 井底如需抽水時，在井下作業人員上地面后進行。

g. 現場用電均須安裝漏電保護裝置。

3.2.2 開挖

a. 根據巖層情況可以采用人工風鎬鑿挖，如遇硬巖采用爆破開挖，循環進尺2.0m。

b. 棄渣采用卷揚機配裝渣筒吊運至井口外3.0m，再采用洞外運輸的方式運至棄渣場。

c. 每開挖2.0m，及時進行臨時襯砌，當井壁層穩定性差時，縮短開挖進尺，以確保施工安全。

d. 施工過程中在開挖面挖集水坑, 采用潛水泵將水抽至井口排水溝。

e. 豎井開挖時觀察并描繪周邊圍巖狀況，隨時分析巖層的穩定性，繪地質柱狀圖,保證施工安全。

3.2.3 臨時支護

a. 導井每開挖2.0m及時進行臨時支護，臨時支護采用C15混凝土，厚10cm。

b. 臨時支護采用普通鋼模板。

c. 混凝土澆筑采用斗車運輸,溜筒灌入，振搗采用插入式搗固棒。

d. 臨時支護混凝土強度達到75%以上方可拆模,繼續開挖下一段井身，直至閘室井底部。

4 豎井擴挖及支護施工

4.1 擴挖

a. 擴挖前將直徑2.0m的鋼筋防護網(間距約15cm×15cm)鋪蓋于導井口，以防踩踏，施工人員須系安全繩。

b. 采用人工風鎬鑿挖，根據巖層情況也可采用鉆爆開挖，循環進尺2.0m。

c. 利用已貫通的導井，由底部平洞出渣。

d. 井身每開挖2.0m，按設計擴挖完成后，及時進行支護，當井壁圍巖穩定性較差時,縮短井身擴挖高度，必要時加強初期支護，以確保施工安全。

e. 豎井開挖時觀察并描繪周邊圍巖狀況，隨時分析巖層的穩定性，繪地質柱狀圖，保證施工安全。

4.2 混凝土倒掛井襯砌支護

a. 施工程序為巖面沖洗→斷面校核→鋼筋綁扎→立模→混凝土澆筑→拆模→擴挖。

b. 倒掛井鎖口混凝土襯砌豎向鋼筋必須穿過施工縫與下一澆筑段豎向鋼筋焊接牢固，施工縫面采取措施盡量澆筑飽滿密實。

c. 每擴挖循環段不超過3m，具體可根據圍巖情況，在確保井壁穩定的前提下進行調整，襯砌支護采用C20混凝土，厚度為30cm。

d. 襯砌支護采用普通鋼模板。

e. 混凝土澆筑采用斗車運輸,泵管輸入，振搗采用插入式搗固棒。

f. 襯砌支護混凝土強度達到75%以上方可拆模。

4.3 鋼筋掛網噴混凝土襯砌支護

a. 施工程序為巖面沖洗→初噴混凝土→錨桿→掛鋼筋網→標識噴混凝土厚度→第二次噴混凝土至設計厚度。

b. 豎井砂漿錨桿直徑為22mm的Ⅱ級螺紋鋼。

c. 水泥砂漿采用粒徑不大于2.5mm的中細砂，其強度等級不低于20MPa，水泥砂漿配合比在以下范圍內通過試驗確定：水泥∶砂子為1∶1～1∶2(重量比)；水泥∶水為1∶0.38～1∶0.45。

d. 錨桿孔位偏差不超過10cm，孔深偏差不得大于5cm，鉆頭直徑大于錨桿桿體直徑1.5cm。

e. 錨桿桿體插入孔內長度不小于設計規定的95%，桿體露出巖面的長度不大于噴射混凝土的厚度，并與鋼筋網片牢固連接。

f. 錨桿安裝后，在水泥砂漿凝固前不得隨意敲擊、碰撞和拉拔錨桿。

g. 噴射混凝土強度等級為C20，施工機具選擇符合要求(密封性能良好，輸料連續均勻，生產率大于5m3/h，允許骨料最大粒徑為15mm，機旁粉塵小于10mg/m3等)的噴射混凝土機。

豎井擴挖混凝土襯砌支護施工示意圖如圖2所示。

圖2 豎井擴挖混凝土襯砌支護施工示意圖

4.4 鉆爆布置

4.4.1 主炮孔爆破參數

a. 孔徑d的確定：一般鉆頭的直徑為42mm。

b. 孔距a、排距b的選定：一般孔深在1.5m以下取a=1.0m、b=0.8m；孔深在1.5m以上取a=2.0m、b=1.0m。保護層一次性開挖取a=1.0m、b=0.8m。

c. 單位耗藥量q：q=0.4kg/m3，每米裝藥量1.0kg。豎井爆破參數見下表。

豎井爆破參數表

d. 孔深H：結合開挖分層情況，最大孔深控制在3m以內。

e.單孔裝藥量Q：計算公式為

Q=abqH

4.4.2 周邊預裂孔爆破參數的選定

a. 孔距：預裂孔的孔距，根據鉆孔機械的性能和施工經驗，可根據下式計算：

a=(1～12)D

式中D——成孔的孔徑，此處為淺孔預裂爆破取a=0.5m。

在實際施工中，預裂孔的孔距可結合開挖進行實地試驗逐步調整，以獲得最佳孔距。

b. 線裝藥密度：線裝藥密度是指預裂孔的每米裝藥量(堵塞長度除外)，其公式為

Qx=0.042σ0.63a0.60(g/m)=200g/m

c.堵塞長度：根據工程經驗取L2=0.5m。

5 施工總工期及工程成效

5.1 施工總工期

紅谷田水庫工程豎井總消耗時間為6個月，其中：鎖口及導井1個月，井身擴挖2個月，襯砌施工3個月。

5.2 工程成效

紅谷田水庫工程采用 “先導井后擴挖”施工工藝，與自上而下的全斷面開挖工藝相比,主要優點包括：?導井貫通后，形成自然通風系統，加快了擴挖爆破作業循環；?擴挖時爆破石渣不用提升，直接滑到豎井底部，由平洞出渣，提高了出渣效果；?導井施工對各類圍巖條件的適用性好，施工安全；?節省勞動力，有利于降低工程造價；?增加了平行作業機會,加快了豎井施工速度。

“先導井后擴挖”的施工，導井有效排泄或降低地下水位,解決了水文地質條件差等不利因素，排除了安全隱患，保證了工程的安全，加快了施工進度，節約了投資，經濟和社會效益顯著。

Selectionandapplicationoftunnelshaftexcavationconstructiontechnology

YANG Zaihua, YIN Ziping

(ShidianCountyWaterAuthority,Baoshan678200,China)

Tunnel shaft excavation is frequently encountered in the construction process of water conservancy and water resources project tunnel. The slagging link in the tunnel shaft excavation construction is the key to determine tunneling speed. In the paper, the application of construction technology ‘excavation following pilot shaft’ in Honggutian Reservoir is described. Concrete construction technology is introduced. The construction technology ‘excavation following pilot shaft’ is beneficial for slagging, and the construction cost is further saved when the bottom flat tunnel has slagging condition. Meanwhile, the construction progress is also accelerated with significant economic and social benefits.

tunnel shaft; excavation following pilot shaft; construction technology

TV52

：A

：1005-4774(2017)09-0009-04

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.09.003