浅谈特长隧道不良地质深大竖井施工技术 一郑秉忠 （福建省第二公路工程有限公司，福州 ３５０００７） 摘要公路隧道竖井，一般较多采用反井法施工，较少采用正井法施工，但在煤 矿、矿山竖井上正井法采用较多，竖井直径通常在７．０ｍ内，即使煤矿、矿山上直径一般 也不超过８．５ｍ。设计规范要求Ⅳ级围岩和直径大于７ｍ的竖井应作专项设计并采用特殊 的支护措施。本竖井处在Ⅳ级围岩地段，直径大于７ｍ，如此的Ⅳ级围岩地质情况下大 断面深竖井施工，目前国内暂无类似工程供借鉴参考。本文主要介绍竖井实施过程中为 何选择正井法施工．否定设计建议的常用的反井法施工方案，以及正井法掘砌施工工艺 及分段段高选择进行分析阐述。以供类似工程参考。 关键词 长隧道 大直径 竖井 正井法施工工艺 设备选用及注意事项 １ 工程概况 麻崖子隧道，位于甘肃省武罐高速公路Ｋ５５＋６８０一 Ｋ６４＋６８０，全长９．０ＫＭ，通风竖井位于隧道Ｋ６３＋０３１右 侧位置，近期作为隧道出口左右线隧道施工的送、排风 道，远期兼作左、右线隧道运营时的送、排风道、烟 道。竖井衬砌后净直径９．２ｍ，井深２１６．５ｍ。竖井井口明 挖段长３．０ｍ，采用现浇厚５０ｃｍ钢筋混凝土衬砌结构。 工期、适用条件方面，包括竖井设计地勘资料及设计参 数进行分析说明。 目前常用的施工方法有两种：一种是正井法，从井 口机械起吊出渣；另一种是反井法，是井底具备出渣通 道时，从井底自然坠落出渣。正井法是自上往下掘砌循 环交替下去。反井法施工是在竖井中心位置先施工 １～ ２ｍ导孔，然后通过爆破手段由上向下或由下向上反扩 至 ３～３．５ｍ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：但它的先决条件是井底具 井身段衬砌结构按新奥法原理设计，采用复合式衬砌结 构形式。初期支护以锚杆、钢筋网、格栅及喷射混凝土 组成联合支护体系，二次衬砌采用模注（钢筋）混凝土 结构。 备水平出碴通道。 通过有关文献查阅．正井法施工在煤矿、矿山竖井 普遍采用，也是传统做法，其直径大多介于６～８．５ｍ。反 井法在公路竖井较多采用，直径多在７ｍ内。为了全面 了解它们之间的优缺点，从正、反井法施工安全、成 本、效益、工期等方面进行分析比较（见表１）。 根据设计地勘资料，竖井自０￣２３ｍ为强风化碳质片 岩，节理发育，围岩稳定性差，开挖后易产生坍塌，围 岩级别为Ｖ级围岩，从２３ｍ以下为中～微风化薄层碳质 片岩，节理较发育，地下水为基岩裂隙水，富水性弱， 围岩稳定性一般，侧壁有时失稳。施工时洞壁潮湿或滴 水，围岩级别为Ⅳ级。实际开挖后围岩均比设计差，为 从表１比较可以看出，当地质条件和使用要求相同 时，正井法施工从井口出碴，工作量大，工艺工序复 强～中风化薄层碳质片岩，强度低，遇水易软化膨胀。 因竖井的垂直性，一旦出现地下水，自此以下均受水浸 害，给水稳定性差、吸水强、易膨胀的碳质片岩井壁造 杂，效率相对低下，设备投入费用大，安全生产隐患 多；反井法施工，从井底通道自然坠落出碴，便捷、经 济、安全，特别当竖井直径大于７ｍ。断面大。反井法 施工的安全、经济效率工期短优点更为突出。当地质条 件不同和使用要求（如利用竖井增辟工作面）不同时， 成巨大侧压力，极易造成初期支护失稳变形。 ２施工方案比选 本井设计建议采用一般常用的反井法施工方案。为 此在开工前，对反井法施工的可行性进行一番调查研 究，发现本井不适宜采用反井法施工，必须采用正井法 施工。为了阐述为何采用正井法不采用反井施工．从 正、反井法施工方法，以及各自施工安全、成本效益、 二者没有实质性的可比性。只有地质围岩好，满足反井 法施工中导孔、扩孔、全断面全井段开挖后全井壁安全 稳定时采用，即反井法施工只适用于竖井围岩级别较好 的地段。正井法可适用于任何地质，但当地质较好时， 而没有特别使用要求时，从成本效益、安全考虑，一般 福建交通科技２０１２年第２期囡 １ ２ ３ ４ ５ ６ 表１ 正井法与反井法比较 序号 施工方法 正井法 反井法 开挖方式 自上而下全断面开挖 自上而下，先井身中心小导孔到底，再扩孔、 再扩孔至全断面开挖 出渣方式 采用机械方式起吊从井口出碴 井碴依次通过导孔、扩孔自由坠落到井底出碴 通道，再装运出去 开挖支护分段段高 视地质情况及支护参数情况选择分段段高 自上往下全井段到底 衬砌分段段高 视地质情况及支护参数情况选择分段段高 自下而上衬砌到顶 通过测算，本竖井正井法施工比反井法施工增 成本效益 加施工费用约１０００万左右，经济效益差，投入 经济效益好，投入设备费用少 设备费用大 施工工期 ｌ９个月 １１个月 工艺工序复杂，施工过程中全部上下采用起吊 ７ 安全 高空作业，存在储多生产安全隐患，当选用合 洞碴全部通过自然坠落出碴，减少起吊出碴安 理段高分段施工，能根本上确保井壁的安全稳 全隐患，但当围岩有异常变化，突然变差，支 定 护不当，会危及井壁安全稳定 任何地质，但当地质条件好的情况下，除通过 适用于围岩级别好的，井壁基本上能自稳，或 ８ 适用地质条件 竖井为隧道增辟工作面外，公路竖井较少采用 通过适当支护后自稳能力较强的地段，不适用 正井法施工 于不良地质或地质较差地段 不宜采用正井法施工。当围岩地质不良情况下（在Ⅳ级 现严重变形侵限。后立即采取回填洞碴至己完二次衬砌 以下），考虑到井壁最基本的安全条件（紧跟开挖及时 位置，增加支护参数重新开挖换拱支护。通过这次失 永久支护），必须采用正井法施工。 败，总结经验教训。至此以后，全部采用短段掘砌单行 通过本竖井设计地勘资料详细核查，发现竖井缺乏 施工，即视地质情况，采用一掘一砌、二掘一砌或三掘 直接的井位或临近井位的地勘资料，设计图上竖井地质 一砌施工，确保了井壁根本安全，施工到底。第二次是 柱状图是Ⅳ、Ｖ级围岩。核对分析后竖井围岩地质在Ⅳ 施工到底且永久衬砌支护后，进入下道中隔墙施工时， 级以下，属较差，且无直接的井位地勘资料，意味着地 发现自井底以上５４米由圆形过渡至矩形的变截面段发生 质情况并不完全了解掌握。在竖井动工前，通过隧道出 开裂变形，圆形截面未发现变形开裂。经分析，也是由 口现场同样为Ⅳ级围岩地段开挖揭露的地质情况观察分 于在不良地质情况下，井壁侧压力大，圆形过渡至矩形 析判断，这种定为Ⅳ级围岩的碳质片岩，强度低，极易 的变截面受力比圆形截面差，永久支护参数不够．引起 遇水软化、膨胀。在无主动防护措施下，井壁侧压力会 的变形。在不良地质情况下，采用正井法施工，居然因 随着井深不断加大，稳定性随之减弱，直至坍塌。说明 支护参数不够，发生二次井壁变形开裂，更谈不上反井 这种Ⅳ级围岩地质无法满足反井法施工中导孔、扩孔， 法在这种地质情况下施工。 以及全断面开挖后全井段井壁的安全稳定。经研究分 总之，在不良地质或不明的情况下，首选正井法施 析，认为竖井为Ⅳ级不良地质围岩，级别低．且无直接 工，再视揭露的实际地质情况，选择合理段高，分段及 地质资料，同时直径大于７ｍ，根据设计规范要求，本 时永久支护到位，确保施工安全。 井应做专项设计和特殊支护，而设计意图恰似相反。为 ３正井法施工方法 了施工安全，决定放弃原设计建议方案——反井法施工 ３．１ 正井法施工工艺流程（见图１） 方法。选择设备投入大，生产安全隐患多，效率低下 ３＿２施工工艺 的，不很经济的保守施工方法——正井法施工。 ３．２．１锁口盘施工 实践证明，选择的正井法施工是正确的。在本井正 锁口盘０￣３．Ｏｍ段采用挖掘机配合自卸汽车开挖，立 井法施工过程中，也曾发生过二次因井壁支护参数不 钢模浇筑钢筋砼锁口圈。 足，导致井壁变形开裂侵限。第一次是为了减少二次衬 ３．２．２井口段施工 砌接茬数和接茬处平顺，采用长段分段掘砌单行作业， 井口段３．０－３６．５ｍＶ级围岩段采用全断面自上而下 计划段高为５０ｍ左右。当井口段（锁口盘及Ｖ级围岩段 普通钻爆法短尺掘进，并及时跟进支护和衬砌。挖掘机 合计３６．５ｍ）掘砌施工完毕，安装井架设备后，继续开 装渣，移动龙门架提升卷扬机将吊桶提升出井口，通过 挖至９０ｍＦ］￣，，围岩受水侵害膨胀．初期支护短时间内出 纵向移动将石渣运至自卸车上卸落，运至弃渣场。 园福建交通科技２０１２年第２期 平整场地 锁口盘开挖ｌ ｌ拼装井架及稳盘、井口盘加工准备 井口段（３６．５米）掘砌旌工Ｉ ｌ安装井架、天轮 ３６・５米 环施工 掘砌循 ———————＿ ｌｆＩ 磊 ＿ ＝：＝：： ：：：：： ＝：：夏 联络风道掘砌施工 中隔板井底自下而上施工 井口设备安装及其他 图１ 竖井施工总体工艺框图 ３．２．３井架、井盖板、稳盘安装 当井口段Ｖ级围岩段（深３６．５ｍ）开挖、衬砌施工 完成后，在井口设置井盖板（封口盘），搭设井架，搭 设卸渣台．安装提升机及凿井稳车，井内安装双层活动 稳盘作为操作平台及导向绳罐道。竖井井简设计直径比 通常的大（最大开挖直径达１０．４ｍ），施工时所需设备 多，大部分设备须利用井架或井壁悬挂，出碴、进料竖 直运输，开挖、支护、衬砌单工序作业，施工干扰大、 施工条件差、安全要求严等特点。以及井深要求综合选 取Ⅳ一Ｇ型型钢井架配２ＴＫ一２．０／２０３０（卷简提升机为提升 设备。 ３．２．４竖井掘砌施工 ３．２．４．１ 开挖 采用普通钻爆法全断面自上而下短尺掘进。竖井 井身段开挖Ｖ级围岩采用挖掘机挖装。个别较硬处采用 风镐挖松或手持凿岩机钻孔小药量炸松后挖掘机挖装； Ⅳ级围岩采用手持凿岩机打眼，非电毫秒雷管簇联，火 雷管起爆，周边眼采取小药卷间隔装药，以达到光面爆 破的效果。 ３．２．４．２出碴 采用ＰＣ１５０挖掘机配合两个３ｍ３的吊桶装碴提升， 提升卷扬机提升吊桶沿导向绳罐道将石渣运至井口上方 设置的卸渣平台与溜渣槽，将渣自动卸到自卸汽车上． 运至弃碴场。 ３．２．４．３初期支护 初期支护紧跟开挖工作面及时施作，以减少围岩暴 露时间，抑制围岩变位，防止围岩在短期内松弛剥落。 初期支护所用物料及人员通过吊桶升降运输来完成．喷 射机由井口稳车下放至工作面，结束施工后再提升备 用。 ３．２．４．４竖井衬砌施工 二衬采用整体式钢模板衬砌台车施工。安装双层移 动操作稳盘，以稳盘为操作平台从下至上进行分段二衬 福建交通科技２０１２年第２期围 施工，操作稳盘可使上下层同时施工的工人互不影响， 同时有效防止上层坠落物对下层操作工人造成危害。二 衬视开挖围岩地质情况，选择合理段高进行分段施工， 因为本竖井以碳质片岩为主，极易受地下水浸害软化膨 胀变形，前期选用的长段掘砌单行施工遭创失败，后期 全部采用短段掘砌单行施工，确保成功安全施工到底。 ４正井法竖井井架、提升、悬吊设备选型 竖井开凿时，为了满足掘井提升、翻卸渣石、砌筑 井壁和悬吊井内各种施工设施的需要，必须设置一系列 结构物，主要有井架、提升绞车、悬吊绞车、天轮平台 及天轮、卸渣台、井盖、运输轨道等设施。井架高度选 择、提升绞车选型、悬吊绞车选择在竖井施工中须认真 考虑和对待。 ４．１凿井井架部分 凿井井架作为提升渣石、下放物料、升降人员及吊 挂各种凿井设备的支撑架。主要视井身直径、卸渣台高 度、提升过卷高度、提升系统中吊桶、钩头、联接装 置、滑架所占的空间高度选用井架高度和井架天轮平台 尺寸。根据本井的特点、煤碳部定型产品型号适用范 围，选用Ⅳ一Ｇ型型钢井架，由各种加工槽钢、工字钢 经高强螺栓组合而成的空间框架结构。具有承载力高 （最大荷载４００ｔ），安装、拆卸方便的特点。井架基础采 用钢筋砼扩大基础独立结构，保证基础牢靠，确保使用 过程中不会产生沉降现象。 ４．２提升机 提升机作为提升渣石．升降人员、物料的垂直运输 设备，主要考虑井深和吊桶容量，所需的钢丝绳长度和 型号，再根据提升能力、容绳量选用绞车，绞车卷筒上 缠绕的钢丝绳层数须满足规范要求，这里按缠绕二层设 计。综合考虑后本井选用由洛阳矿山机械厂生产的 ２ＪＫ－２．０／２０ＴＡ卷筒提升机，其最在静张力为６０ｋＮ，最大 静张力差为４０ｋＮ，提升速度３￣６ｍ／ｓ。 提升机的主要部件主轴承、卷简、减速箱、电动机 等体积和重量都比较大，安装精度要求比较高，先行安 装，然后再安装其他部件，如电控系统、液压系统、制 动器、深度指示器、操纵台等。安装过程中认真检查钢 丝绳、制动器的质量和连接的牢固程度；安装后对提升 机进行调整试车，直至符合要求。 ４．３悬吊绞车 悬吊绞车又称稳车，是提升速度缓慢、平稳的一种 卷扬机。本工程共设置了４台ｌＯｔ￣ＪＺｌＯ／６ＯＯ，用以悬挂 吊盘、模板、装渣机及各种施工设备；设置了２台５ｔ的 卷扬机，用以悬吊压风管、吊泵；设置了４台３ｔ卷扬机 用以拉紧导向绳。 稳车，对称布置在井架的两侧，使井架受力平衡。 经过探索，借鉴其他单位的成功经验，采用多台稳车同 步集中控制技术，使四台吊盘稳车能够同步起落，并修 建一个稳车棚便于起落时统一指挥。 ４．４吊桶 高分段施工，若围岩较差，有水的情况下，尽量选用保 守一点。本井地质为碳质片岩，有水。多次出现坍方， 受地下水侵害膨胀，初期支护变形侵限，存在严重安全 隐患。为了安全，最后选用一掘一砌，段高为３ｍ。 ５．３变形塌方处理 当井口段３６．５ｍ段掘砌施工完毕，安装井架后，继 吊桶是用于出渣、排水、升降人员和物料的主要容 器。本工程采用容量３ｍ３坐钩式圆形吊桶，吊桶通过钩 头与提升钢丝连接，上方装有保护伞及滑架，沿吊桶两 侧导向绳上下升降，确保吊桶在升降过程中不出现晃动 现象。 ４．５自动卸渣装置 吊桶提出的渣石通过自动卸渣装置卸入运渣车上运 往弃渣场，本工程采用的是座钩式自动卸渣装置，安装 在井架第二层平台上。 这种装置主要是在活动溜渣槽上架设一个带钩子的 偏心托梁，吊桶偏心倾覆时，钩子钩住吊桶底空穴，使 吊桶实现自动卸渣，使得卸渣工作既快速又可靠省力。 ４．６吊盘 吊盘是竖井施工中井内重要的结构物。吊盘可在井 筒中上下移动，既可用来保护井底掘进工人、机械的安 全，拉紧吊桶导向绳和悬挂装渣机．还可作为井筒支护 的工作平台。 本工程采用双层吊盘，层间距３ｍ，为型钢结构， 由钢圈和钢梁作骨架，上铺防滑钢板，设计直径比井简 直径／Ｊ￣２ＯＯｍｍ，重量７．４６４ｔ。吊盘在地面组装，检查合 格后，平移至井口由四台稳车吊挂，然后放入井内，通 过全面检查和调整，进行试提升，达到了吊盘升降平 稳。 ５施工注意事项 ５．１做好设备安装、调试、日检 当所有设备安装完毕，先单机运行，后联动调试， 再通过试吊试运行，综合检查各设备机械性能，联动协 调性，机动性，各型号钢丝绳联接处是否牢靠安全，所 有绞车砼基座和连接是否安全牢靠，无变形，并做好相 应记录。日后的生产日检就以此为依据，当发现异常 时，立即停止，直至查出原因排除故障正常后，恢复施 一０ ５．２选择合理的段高分段施工 为了流水平行作业，创造多工作面，提高效率，往 往会选择长段施工，但是在不良地质中，围岩变化不确 定性，长段施工会大大增加危险；若段高选择小，显然 安全，但效率低下。所以应视地质情况，选择合理的段 续按拟定的长段掘砌单行施工方案施工至９０ｍ时，突然 在短时间内井壁初期支护发生变形侵限，危及井下作业 人员的生命安全。分析原因：自２０１１年四月中旬开始， 气温开始回暖，地表土开始解冻，雨季开始，地表水开 始大量渗透，地下水受补给丰富起来，碳质片岩受水浸 害后，急速软化膨胀，挤压初期支护变形侵限。经过讨 论研究对策，竖井属井下高空作业，采用回填洞碴至己 完二次衬砌位置，既简捷方便，又安全、费用低。利用 回填的洞碴做作业平台，按增加的支护参数重新逐环开 挖换拱支护。 ６结论 在Ⅲ级以上较好地质围岩的竖井施工一般采用反井 法，与正井法施工相比，经济、安全；但在地质较差 （Ⅳ级以下）的情况下，因反井法是无法保证施工时导 孔、扩孔及全断面全井深开挖后井壁稳定和安全，不宜 采用，必须采用正井法施工。虽然正井法施工比反井法 施工，吊碴难度大，增加设备投入、工艺复杂，生产安 全隐患多，成本高，施工工期长。但当围岩地质不良情 况下（在Ⅳ级以下），且直径大于７ｍ的深大竖井施工 时，必须考虑井壁施工最基本的安全条件，应严格按照 设计规范要求，采取必要的专项设计和特殊支护措施， 选择合理的支护参数，以确保施工安全。在目前施工条 件下。一般首选正井法施工；当选择正井法施工，可以 通过边开挖边根据不同的地质条件，不断调整支护参数 和施工工序等，以确保竖井施工安全；同时衬砌分段段 高还要根据实际开挖后的地质情况选择合理的段高进行 分段施工。 爹考文献 ［１】最新矿山井巷工程施工综合技术与标准规范实用手册．吉林电 子出版社．２００５． ［２］国家安全生产监督管理局和国家煤矿安全监察局．煤矿安全规 程．北京：煤炭工业出版社．２００４． 【３］王毅才．隧道工程（第二版）．北京：人民交通出版社，２００６．１． 目福建交通科技２０１２年第２期