深大水工竖井掘支同步施工技术研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:郑红亮()男河南许昌人高级工程师主要从事隧道工程施工技术研究方面的工作:.引文格式:郑红亮.深大水工竖井掘支同步施工技术研究.铁道建筑技术():.深大水工竖井掘支同步施工技术研究郑红亮(中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南长沙)摘 要:传统竖井井径小多需建设高大井架并规划专用场地布设稳车车间通过不同提升系统分别控制稳盘和渣斗为井内提供作业面并构建垂向运输通道 对于深大水工竖井而言竖井跨度和出渣量远大于传统竖井传统建井方式在施工安全、效率和经济性上难以满足生产需求 本文以四川省向家坝灌区北总干渠下穿岷江倒虹吸竖井施工为背景深入阐述深大水工竖井掘支同步施工技术和相配套开发的工程装备建井效率得到有效提升综合效益显著对于同类工程具有重要指导意义关键词:大直径竖井 掘进 支护 同步施工 工程装备中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言随着国家水利工程建设规模的不断发展大型跨流域调水工程层出叠现倒虹吸成为解决水工结构下穿江河或重要建筑物的主要类型其中进出水口竖井随着过水流量和规模需求的日益增长向大、深、难的趋势发展在竖井施工方面国内已有许多专家和学者对其展开了多方面研究和实践 如唐协对米仓山隧道通风竖井施工工艺进行研究 梁胜国以渭河隧道为依托对竖井地层进行分析根据上软下硬的地质情况优化竖井施工工艺和工序确保了竖井的快速化开挖作业 武方圆在浦西桥水电站泄洪冲砂隧洞闸室竖井开挖中运用正井全断面施工法实现竖井掘进过程的安全高效 郭坤对竖井反向多层爆破技术进行了研究 刘旭刚、陈松、宋现斌通过对竖井施工技术优化以提高建井效率 在对现有竖井施工质量和方法探讨研究后王林俊等人进一步将深大竖井的开挖步距和施工组织进行了创新调整现有的研究成果大都围绕正井法和反井法而开展 断面大、深度深的竖井正井法所需井架的规模随竖井直径的增大而急剧增长在成本和工效上难以达到平衡反井法则需先行施作下导洞无法用于以竖井兼做接收井的隧洞且泄渣孔成孔孔径有限难以满足大直径竖井出渣效率需求铁道建筑技术 ()郑红亮:深大水工竖井掘支同步施工技术研究 工程概况.项目简介向家坝灌区北总干渠下穿岷江倒虹吸隧洞位于四川省宜宾市全长.采用盾构法施工 隧洞出水口竖井开挖深度.开挖直径.初支采用钢支撑和挂网锚喷衬砌后内径 该竖井还兼做盾构机接收井为永久性结构(见图)图 工程平面及地质.地质情况竖井主要穿越砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩并存在软弱互层围岩类别等级为 级 其中粉砂质泥岩无侧限饱和抗压强度为.均为极软 软岩泥质粉砂岩、砂岩无侧限饱和抗压强度为.为中硬岩 掘支同步施工.整体方案本工程竖井地质分布以软岩为主硬岩局部分布整体掘进方案采用机械开挖为主辅以区域化浅孔松动爆破并配置 级龙门吊用以出渣作业 初支与掘进交叉同步 初支作业面由本项目开发的悬臂式稳盘系统提供 井壁安设逆作笼梯用以提供作业人员的上下通道(见图)图 掘支同步工艺示意.竖井开挖对于及软岩和软岩宜采用鹰嘴钩机进行软岩破碎及井身修边清理对于中硬岩和硬岩采用松动爆破方式开挖.挖掘装备选型及配置装备性能需根据岩体力学性能选择合适的破碎力确保对岩体进行有效破碎 鹰嘴钩机挖掘过程是合金弯尖部分对岩层的挤压和劈裂破坏当其作用于岩石表面的压力超过其表面抗压强度时刀刃下方岩石破碎鹰嘴钩侵入岩石内部随着鹰嘴钩的持续贯入岩石内部侧向裂纹扩展通过鹰嘴钩的拉拽作用带动岩块剥落完成破岩(见图)图 鹰嘴钩破岩机理鹰嘴钩破岩过程主要受到三个方向的作用力对破岩起主导作用的是法向作用力 图 中刀刃端挤压岩石产生的作用力为 鹰嘴钩两侧面在推进过程中铁道建筑技术 ()郑红亮:深大水工竖井掘支同步施工技术研究对两侧岩石的作用力为 和 岩石破碎区域分为挤压破碎块和剪切破碎块:区为鹰嘴正下方受挤压破碎形成的岩石密实核 区为鹰嘴两侧侧向力形成的剪切破坏块 其中 是刀刃与岩石的接触面 为剪切破坏面 为岩石表面 基于前述岩体破碎机理利用摩尔 库伦破坏准则可得到破碎力 与岩石力学性能指标的关系:()()()()当/时取 /式中:为刃体与岩石的摩擦角可用其摩擦系数换算:本文 取为.则 为剪切作用下的破坏面与水平面夹角其值与岩石破碎角有关本地质情况取 为岩石黏聚力对于本工程极软岩及软岩取 为岩石内摩擦角对于极软岩及软岩取 为岩体破坏临界角本工程根据参数计算得 为鹰嘴钩刃角的一半本工程鹰嘴钩取 已大于 的一半根据式().上述参数代入式()并考虑岩石最最不利情况可得鹰嘴钩作用于岩石的合力 为:.(.).将鹰嘴钩前端简化成半径为 的圆形端面可换算出推力为:.由于上述分析中并未考虑岩体中节理裂隙发育对于破碎的有利作用因此本工程选择需具备 以上挖掘力的设备驱动鹰嘴钩进行破岩即可满足极软岩及软岩的破碎要求装备尺寸选型方面本工程竖井开挖直径.设备在井下挖掘和修边的最小作业跨度不宜大于直径的一半取 选取的作业半径过大则在井下难以回旋影响成井效率(见图)综合上述装备性能与工况选取 鹰嘴钩机用于井下挖掘修边配套 挖机负责转运渣土和清理工作面具体配置如表 所示表 竖井施工资源配置主要机械设备数量型号或参数用途挖机 台装渣、清理基面鹰嘴钩机 台开挖、修边门式起重机 台 出渣设备自翻转渣斗 台 装渣转运悬臂式稳盘系统 套初支作业、防护图 竖井开挖及支护作业.分区松动爆破在进行井内爆破时挖掘设备停放于井底而无需转移至井口通过分区爆破来保证井下设备的安全因此需准确把握好爆破参数 本工程爆破设计结合断裂力学和工艺试验综合确定爆破参数有效弥补了传统经验公式参数依赖经验变异性大的不足()装药密度单孔线装药密度与炸药密度及炮孔的不耦合系数有关:()式中:为单孔线装药密度(/)为炮孔半径本工程取.为药卷半径本工程取.为炸药密度经试验测定取值为 /通过式()计算出装药密度为./()布孔间距松动爆破依靠爆轰波在岩体内致裂并沿周边切向扩展至相互贯通以达到与周边岩体剥离目的因此孔位布置的间距与致裂半径存在以下关系:()/()()t()式中:为应力波初始径向应力峰值 为岩体泊松比本工程取.为应力波衰减值按 /()计算为岩体抗拉强度对于中硬岩经试验测定取值为.为炸药爆速经试验测定取值为铁道建筑技术 ()郑红亮:深大水工竖井掘支同步施工技术研究 /为爆生气体撞碰岩壁时压力增大系数试验测定取值为 t为炮孔的切向布置间距()经计算得出炮孔间距为.由于上述分析中并未考虑岩体中节理裂隙发育对于破碎的有利作用实际工程中按.进行控制()起爆时差当一个孔位起爆时应力波传递至相邻层圈孔位瞬间裂缝尚未发展至贯穿下一层圈孔位此时引爆下一层圈孔位效果为最优 其最佳起爆时差为:()式中:为炮孔引爆时差考虑雷管生产标准其最小取值为 为炮孔径向布置间距当 t时则取t为为纵波波速试验测定取值为 /为为横波波度试验测定取值为 /当按 最小取值 计算时取值为.t.表明采用径 环向等距布孔配以 段位差的雷管即可达到最佳起爆效果()爆破施工由于井底采取分区域爆破因此挖掘装备可先行停放于井底非爆破位置 当爆破区作业完成后设备再转移至下一处非爆破位置直至井底全部区域爆破完成.出渣装备选型及配置深大竖井施工时出渣效率是制约工效的关键因素因此有必要针对出渣装备的载重、提升速率、成本进行优化选型研究表 各类双梁龙门起重机参数起重量/起升速率/(/)重载空载成本/万元.由于本工程总量和单循环掘进出渣量固定单循环进尺.共需 个循环完成掘进单循环出渣量 对于表 中不同型号起重设备其相应的总出渣时间为:()式中:为第 类吊车总吊装时间为第 循环时竖井深度为第 类吊车最大起重量为第 类吊车重载起吊速率为第 类吊车空载起吊速率以完成掘进为目标值则吊装设备平均出渣速率 和延米设备成本 可表示为:()将表 数据代入式()和式()计算可得到 与的关系如图 所示图 关系曲线由图 可知设备的平均出渣速率和延米成本呈正相关且无收敛趋势 为进一步挖掘最优的投入 产出选型考查 和 间的增长率以延米成本增量不显著增加的前提下平均出渣速率得到显著提升作为控制目标则此时设备性能和经济性为最优 考虑采用边际成本方法评估设备性价指标 当 为最小时设备选型为最优 ()利用式()对图 数据进行计算结果见表 表 设备性能指标计算结果起重量/.由表 可知当起重设备为 时可在效率和经济性上取得最优.竖井支护.悬臂式稳盘系统为实现井下作业人员安全和支护同步作业本工程开发并应用了悬吊式稳盘系统如图 所示稳盘系统由 台 卷扬机提供牵引动力并由 控制系统实现各台卷扬机之间牵引同步和各股钢缆的均匀受力 为避免在井口上方搭设井架本工程采用悬臂托架取代了传统井架的天轮平台从而大大降低了稳盘牵引系统的建造规模 稳盘主体由直径 钢桁铁道建筑技术 ()郑红亮:深大水工竖井掘支同步施工技术研究架平台构成并设有 个吊点与卷扬机钢缆连接 稳盘与井壁设有 间隙并采用柔性遮板进行封闭在确保稳盘自由活动的同时避免了高空坠物 稳盘上方布置有初支作业的空压机、湿喷机、风水气电各类管路及延伸装置在竖井开挖和支护同步施作时为井下提供安全的施工环境图 悬吊式稳盘系统.竖井支护作业防护盘距竖井开挖面的高度由井下开挖机械设备及出渣工况确定 挖机在装渣过程中主臂垂直时高度最大为 故平台停留高度为 为宜 竖井开挖出渣过程中在上部防护平台可同步进行初支作业具备条件后工人开始钻孔打锚杆由稳盘空压机供风然后进行拱架安装和喷射混凝土施工 单个循环及支护时间平均在 值得注意的是本工程在喷锚作业时采用了多级连续缓冲落料管道输送喷射混凝土(见图)实现了混凝土输送的独立从而使稳盘中央的垂向运输通道和起吊设备能更好服务于开挖作业从而有效提升了工效图 多级连续缓冲落料管道 应用效果.工效对比传统竖井掘进技术由于需在爆破前将井下设备吊离至井口未能充分应用好稳盘作为中继作业平台且混凝土运输需占用垂向运输的设备和空间资源因此未能真正意义上实现掘支同步单循环开挖及初支周期为 采用掘支同步施工技术在出渣过程中可同步进行作业面的清理和初支钻孔作业各工序之间实现交叉施工爆破和出渣工序几乎与立架工序实现了完全同步大大提高了出渣及初支效率单循环开挖及初支完成约.各工序作业时间对比如图 所示图 竖井施工工效对比.经济对比采用掘支同步进行竖井施工单个作业循环节省约 较传统竖井开挖施工方式岩石炸药单耗量可节约以上 表 为火工品、人工、机械等因素的对比情况表 竖井施工经济对比施工方式炸药/人工/工时机械/万元工期/成本/万元反井法正井法.掘支同步.(下转第 页)铁道建筑技术 ()邹华:铁路隧道受机场跑道规划影响应对措施研究方采用强夯法洞顶 、中线两侧各 范围内强夯能级不得超过 以上可采用不高于 能级的夯锤进行强夯作业强夯时每层松铺厚度不得大于 夯击采用 方格布置点夯单点击数 收锤标准为不少于规范击数且最后两击的平均夯沉量不大于 最后一层强夯填筑层应满夯处理 结束语()受机场第四跑道规划变更影响隧道原出洞位置被机场填方体覆盖对此采取加长明洞措施将 段由路基改为、型明洞衬砌并制定结构参数()受机场第四跑道规划变更影响 段隧道上方增加 填方将原、衬砌分别改为、型加强明洞衬砌并确定结构参数()为避免高回填土后期固结沉降给机场跑道带来的不利影响同时减少回填对明洞结构的影响提出边墙采用 片石混凝土回填、拱顶 至拱腰两侧的弧形区域采用级配较好的碎石人工回填、拱顶 范围内采用 厚分层土石碾压回填、洞顶 以上范围采用土石强夯回填等控制措施参考文献 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