竖井正井法在严寒地区400米级小断面的施工策略.pdf

施 工 安 全水上安全 2023 年 第 7 期176第一作者简介：廖有林，男，本科，工程师，研究方向为水利水电工程管理与工程造价。竖井正井法在严寒地区 400 米级小断面的施工策略廖有林1，胡洪菊2（1.华电金沙江上游水电开发有限公司拉哇分公司，成都 610041；2.四川职业技术学院，四川遂宁 629000）摘要：本文以新疆某水利工程某施工标段为研究对象，结合地质复杂、环境恶劣等情况，研究小断面深竖井在严寒地区采用正井法一次成井的施工策略，在施工过程中极大提升了施工效率，该工程在施工过程中所采取的施工方法及相关措施希望对以后类似工程有所帮助。关键词：严寒；小断面；深竖井；正井法0 引言随着国家水利水电建设的持续快速发展，竖井已被广泛应用于取水、引水、通风等工程中1，并根据国内竖井施工现场调研来看，正井法施工应用较为普遍2-3。就目前在水利工程方面，开挖深度超 400m的竖井工程已是极为少见，而在严寒地区开挖小断面深竖井更是极其困难的。面对本工程的地质情况及环境因素，在无类似工程经验可借鉴的条件下，以项目为依托采取竖井正井法施工方案能够有效保证开挖的顺利实施4。通过合理安排开挖、支护、衬砌之间的关系，采取有效的保温防寒措施，在确保安全、工期目标的前提下尽可能有效缩短施工周期5，并选择适合小断面施工的机械设备，有效缓解各工序施工影响，减少衔接时间，极大提升了正井法全断面深竖井施工速度，提高经济效益，为类似工程的施工提供技术参考。1 工程概况新疆某水利工程某施工标段隧道开挖工程，主洞采用 TBM 施工，为保证施工通风，在隧洞中部主洞右侧设立一座深度约 429m 的竖井，内径为 3.5m。工程区范围内由于蒸发量远大于降水量，且地下径流不畅，地下水矿化度一般都比较高，地下水为基岩裂隙水，水量小，估算竖井总涌水量 5.4 32.2m3/h。围岩类别分布情况：0 4.6m 为第四系全新统洪积含砾粉土层，干燥、较松散，为类围岩；4.6 13.0m为泥盆系上统凝灰岩，强风化层，岩体多呈碎块状，节理裂隙较发育，为类围岩；13 59.6m 为泥盆系上统凝灰岩，为基岩弱风化及微风化层，岩体较完整，局部呈碎块状，以类围岩为主；59.6 448m 为泥盆系上统凝灰岩，基岩微风化及新鲜基岩，岩体完整，以类围岩为主。该区域冬季寒冷，长达 5 个月之多，极端最低气温-49.8，最大冻土深度 175cm，冻结厚度大6，最大积雪深度 88cm，冬季施工条件艰难，防寒保温已成为整个工程的重难点。2 正井法施工2.1 锁口圈施工针对严寒地区 400 米级小断面施工，具有深度深，施工难度大，工期紧，在质量管控、安全防护上要求极高7，为保证井口土体不被剪切破坏，防止井口塌方，竖井井口段采用双层钢筋混凝土作为锁口，壁厚50cm，深度 1.0m。开挖前按照尺寸进行测量放样，采取全断面一次挖至设计标高以上保留 10cm 原基坑土后人工清理至设计标高，将加工制作完成的锁口钢筋按照设计图纸进行安装，使用组合模板架立，浇筑锁口圈混凝土。2.2 风化层施工锁口圈施工完成后，开始使用挖掘机下挖+吊车出渣的施工方式，下挖至基岩部位后再采取“短进尺、弱爆破”逐步循环掘进衬砌。因井颈段岩层风化破碎，稳定性差，施工过程中每循环应控制进尺不宜过施 工 安 全Maritime Safety 水上安全177大，尽量保持在 0.8 1.2m 之间，开挖总体深度控制在 13m 左右（13m 以下为类围岩，岩性较好）。考虑到井架及相关附属设备暂时未安装，整个作业空间有限，出渣采用人力装罐、吊车提升。在井颈段挖至13m，进行井架、吊盘、固定盘、封口盘及各种管线安装后，正式进入井筒施工。2.3 基岩段施工为保证设备安装能安全快速施工，在进行基岩段施工前，完成对井架提升系统、井内供电、供水、照明及模板液压系统等调试，以及完成相关设备的承重、抗冲击能力试验测试。依据井筒的施工条件，本着安全、快速、高效的原则，采取正井法全断面一次成型技术对基岩段进行施工。2.3.1壁座施工因竖井深度超 400m，为防止竖井下挖深度过大，上部支撑结构荷载过高，导致井筒整体下沉，在井身段设置井壁座，以支承上部井筒受力。首先，充分利用井内安全防护盘作为井壁座施工操作平台及临时放渣场地；其次，严格控制爆破炸药量进行弱爆破，以爆松围岩为目的，利用人工配合风镐修整成型；再次，井壁座开挖完成后及时进行初期支护，并快速完成衬砌壁座混凝土浇筑。2.3.2爆破施工因竖井开挖断面小，不适合大型机械设备开挖，本工程井身段采用人工手持 YT28 型凿岩机钻孔，斜眼掏槽，全断面光面爆破，对于欠挖部分采用 G10 风镐修边。由于正井法施工过程中，会受水平环向应力影响，导致出现爆破欠挖、渣粒径过大等现象，开挖中装药用量及布置尤为重要，将 1、3、5、7 段非电毫秒雷管与非电半秒雷管组合使用，形成多临空面起爆网络，这样可有效减少欠挖及渣粒径过大问题，提高开挖面一次成型效果。竖井爆破孔如图 1 所示。图 1 竖井开挖爆破孔布置图2.3.3出渣排渣先仔细排查爆破后是否存在残炮、瞎炮，再次检查吊盘等设备是否存在损坏现象，待确认工作面安全后。采用长绳悬吊抓岩机并采取人工配合清底，使用绞车提升勾式吊桶进行出渣，经特制溜槽倒渣，由自卸汽车运至指定渣场。2.3.4支护施工开挖清理后，立即采取井圈钢拱架+锚杆+钢筋网片+喷混凝土方式进行支护。严格按照“一掘一护”施工，做到支护紧跟开挖。1）喷射混凝土。喷射混凝土采用潮喷工艺，喷射混凝土紧跟工作面，先整平浮渣，下放输料管，检查管路有无损坏，连接输料管及喷枪，用高压风吹洗岩壁后对井壁进行初喷砼封闭岩面，待锚杆+钢筋网片施工后再喷至设计厚度，拆除软管和喷枪，把输料管路提离工作面 10 15m。2）锚杆施工。混凝土初喷后，在井壁相应位置布锚杆孔，采用 YT28 手风钻钻孔。为保证支护质量，采取先注浆后插杆的方式进行锚杆施工，待锚杆插入后，再在孔口安装锚垫板。3）钢筋网片、钢拱架施工。将钢筋网片沿开挖轮廓线进行焊接，局部调整，使钢筋网紧贴开挖岩壁，并与砂浆锚杆或钢架连接牢固，形成整体。钢拱架在加工厂区分节加工试拼装后，采用座勾式吊桶下放至工作盘，然后人工按编号顺序进行安装，并与锁脚锚杆焊接牢固。2.3.5衬砌施工当竖井掘进至 IV、V 类围岩时，为保证竖井施工安全及竖井成型使用效果，该围岩段采取钢筋混凝土衬砌，考虑竖井空间受限、施工进度及衬砌混凝土的浇筑质量等问题8，采用液压整体式下移钢模，单独由稳车系统吊放并采取人工配合定位安装。混凝土由井口附近拌和站供应，骨料最大粒径控制在 40mm，混凝土坍落度控制范围 80 120mm。采用溜灰管+缓冲器+软胶管的方式入模浇筑，在浇筑过程中，混凝土下料必须对称均匀，铺筑按 30cm控制。混凝土振捣过程中，设备应与钢筋、模板保持一定距离，插入深度不超过下层混凝土内 5cm。因本项目随着竖井开挖深度的增加围岩类别逐渐变好，混凝土衬砌施工基本在井筒上部，混凝土下放过程中未出现骨料分离现象。液压模板安装及拆模应缓慢进行，为保证混凝土浇筑的顺利进行，模板在每次使用前应对液压装置、模体结构以及液压装置进行全面检查，避免出现漏浆、胀模、错层等现象。3 施工策略采取有限空间的设备应用、冬季时段的合理利用、设施保温及机械防寒等施工策略，竖井工程从锁口圈混凝土浇筑正式开始，直至 429m 深竖井全部施工完施 工 安 全水上安全 2023 年 第 7 期178成。施工高峰强度达 40m/月，历时 514d，约 17.1 个月，合同工期 610d，较合同工期提前 96d，提前约3.2 个月。3.1 有限空间的设备应用小断面竖井开挖，伞形钻机等大型设备使用较为困难，正确选择小巧灵活的 YT-28 手风钻配合抓岩机+吊桶的方式进行开挖出渣，选择液压整体式下移钢模进行模板安装，选择溜灰管+缓冲器+软胶管的方式进行洞内混凝土衬砌，整体灵活机动性强，风、水、电等管线紧密顺排于岩壁，有效缓解空间作业干扰问题。通过施工过程中的精心组织，科学合理的设备应用，有效提升各工序之间衔接时间，改善因作业干扰而引起的“工序打架”，提高施工效率。3.2 冬季时段的合理利用在极为寒冷的冬季，一般情况是暂停施工，待来年温度起来后再正常施工，这样将损失约 5 个月的有效施工时间，降低整个工程的施工效率。为合理利用冬季施工时段，采取有效策略使其在寒冬正常开展竖井工程施工，减少总施工周期，提升整体施工效率。首先，在冬季即将来临之前，对井架、稳车操作间及锅炉房等进行全方位的检查；其次，提前启动锅炉房供暖供应，竖井通风采用室内热风供应；再次，已加工的半成品材料、水泥、骨料、外加剂等均放置在保温棚内。作业人员下井后，关闭井盖门，减缓绞车下放速度，保证洞内温度稳定；出渣时，抓岩机将石渣放入吊桶从井底提出，打开井架旁安装的出渣口侧门（一次一开关），通过出渣口将石渣放至井架外停放好的自卸车上拉走。总体保证施工区内施工作业环境温度稳定，防止人员、机械、材料、设备等受其影响，使其顺利开展施工。3.3 设施保温及机械防寒通过对机械加工车间、材料库房、拌和站、空压机房、发电机房、厕所、调度室、信号房、稳车操作间及生活区等进行提前考虑，提前谋划、统一布置保温措施。根据营地及工区大小，选取合适的水暖锅炉进行供暖，拌和站保温棚内四周边墙安设暖气管路保温，并在室内砂石料仓底部埋设 20 暖气管进行加热取暖，生产区其余房屋均安设暖气管路保温。封闭水池四周孔洞，池内放置发热管，采用温控开关控制，保证水温控制在 0 5，确保水池内不结冰。供水主管路采用玻璃棉包裹，深埋地下 1m 以上，其上覆盖土层，主供水管路进入拌和站大棚，地面以上至水箱部位采用缠绕发热带，外裹保温材料。布置在室外的风、水管线为保障冬季的正常使用，采用 2cm厚的海绵板制品材料进行包裹，并在表层再次采用沥青带缠绕，防止冻结。井架使用彩钢保温板（阻燃材料）统一覆盖密封，井架内部采用暖风机加温。冬季施工前，对机械设备进行一次全面的检查、维护、保养，保证入冬时设备具有良好的工作性能，平时采用的柴油、机油、防冻液、润滑油、变压器油等常用消耗品均更换为极寒抗冻型材料，在机械设备合适位置上安装预热、保温装置，并对发动机使用低温启动液。储备足够数量的喷灯、内燃机、起动设备、辅助电瓶、防滑链条等防寒预热设施。在施工过程中，尽量让各类施工机械停放至具有保温效果的停放区域内。4 结束语本工程坐落于新疆极寒地区，地质条件复杂，岩层风化破碎，稳定性差，施工难度大、作业条件艰苦3。通过科学安排、合理组织、因地制宜、灵活应用等手段，采取有效保温防寒措施，保证了严寒冬季的正常施工，极大缩短了施工总工期，选择适合空间小的机械设备，有效缓解各工序施工影响，减少衔接时差，极大提升了正井法全断面深竖井施工速度，提高了工程经济效益，并在工程实践中得到了应用，该工程所采取的施工方法及相关措施希望对以后类似水利工程有所帮助。5 参考文献1 濮奇浩,骆晓锋,徐磊,等.复杂支护结构软弱地层深竖井施工过程仿真分析 J.人民黄河,2022,44(3):144-148,159.2 唐雄,代强.500m 级超深竖井开挖方案的比选与施工 J.四川水力发电,2019,38(3):49-51,70.3 李广科.500m 级超深竖井井身开挖工法比选研究 J.建筑机械,2020(8):17-19.4 林伟明,袁赟,谢剑波,等.水利工程超深竖井工作面涌水高压预注浆施工技术 J.四川水力发电,2019,38(4):76-79,91.5 蔡荣生刘永胜张坤.复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工工法 J.水利建设与管理,2011,31(10):16-18.6 赵红刚,李亚隆,毛锦波.天山胜利隧道竖井施工进度组织方案比选研究 J.黑龙江交通科技,2019,42(3):143-144.7 王林俊.超大断面超深公路隧道通风竖井施工技术 J.铁道建筑技术,2021(3):131-135.8 孙臣生.藏山隧道竖井施工技术研究与实践.现代隧道技术,2019,56(4):149-153.