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矿山工程立井机械法施工技术在水工竖井中的应用

发表时间：2020/11/23 来源：《基层建设》2020年第22期作者：田磊李久源

[导读] 摘要：随着长距离调水工程越来越多，深埋长隧洞的施工越来越复杂，深竖井和超深竖井在水工中的应用越来越多，但水工竖井的施工工艺发展比较有限，多为反井法和正井钻爆法，施工限制条件较多，尤其是正井传统钻爆法，不但施工进度慢，而且投资成本高，安全质量问题多。

        中国水利水电第十四工程局有限公司云南昆明 650041
        摘要：随着长距离调水工程越来越多，深埋长隧洞的施工越来越复杂，深竖井和超深竖井在水工中的应用越来越多，但水工竖井的施工工艺发展比较有限，多为反井法和正井钻爆法，施工限制条件较多，尤其是正井传统钻爆法，不但施工进度慢，而且投资成本高，安全质量问题多。本文以新疆某调水工程超深竖井机械法快速施工为例，简要介绍了立井机械法的施工方案，为以后水工竖井的施工方法的选择提供依据。
        关键词：水工竖井；机械法；快速施工；矿山工程
        1 工程概况
        竖井位于新疆某调水工程主洞256+900m 桩号处，竖井井口标高1206.000m，与主洞交点高程539.586m，井深686.113m，净直径7.6m。井筒的主要技术特征见下表：
                                  井筒工程技术参数

        该竖井为主洞段的施工通道，与主洞桩号256+900m连接，竖井控制主洞桩号范围256+600~257+200m；待TBM段掘进完成后可作为衬砌混凝土施工的交通、运输通道，加快施工进度
        2施工机械化装备及凿井设备布置
        井筒布置两套单钩提升；伞钻凿岩，井内设1台中心回转式抓岩机出渣；井筒内压风管、供水管、排水管、风筒均采用钢丝绳悬吊的方式。井筒断面布置及地面稳绞布置见附图。井筒机械化装备见下表。
                      井筒主要施工机械化配备表

        井筒布置两套单钩提升，根据以往施工经验，采取以下措施可以实现该吊盘绳零磨损，具体措施如下：
        1、稳绳滑套采用尼龙结构，减轻滑套对钢丝绳的磨损；
        2、加强钢丝绳的检查和维护工作，并指定专人进行定期检查。
        3 施工方案及工艺
        3.1施工总体方案
        根据竖井井筒技术特征及设备配备，采用V型钢管井架、XFJD-6.10型伞钻凿岩、HZ-6型中心回转抓岩机装渣、JKZ-3.6×3提升机2台、配5m³（2个）吊桶座钩翻渣、有效高度4.0m整体下移式金属模板砌壁，进行短段掘砌混合作业的施工方案。
        井颈段洪积碎石土层采用挖掘机直接破土、装车，人工风镐、铁锹配合开挖修边；进入风化岩层挖掘机不能正常使用时采用钻爆法施工，主要采用YT-28型风钻钻孔和挖掘机装吊桶出渣，开挖段高不超过2.5m，开挖完成立即进行锚网喷支护施工，然后再进行钢筋混凝土砌筑，砌筑段高4.0m。井筒施工28m后进行井口永久封口盘及吊盘、中心回转抓岩机的悬挂等施工。
        井筒段进入基岩段采用钻爆法施工，主要采用XFJD-6.10型伞钻钻孔和HZ-6型中心回转抓岩机装渣入吊桶内出渣，井壁砌筑采用4.0m有效高度单缝伸缩式整体移动金属模板，竖井前400m采用专用输料管下料入仓，超过400m采用3.0m³底卸式吊桶下料入仓。
        提升设备：提升机选用2台JKZ-3.6×3型矿用提升机，配2个5m³吊桶座钩翻渣。井架设双侧溜渣槽，地面运渣采用自卸汽车将渣石运到指定弃渣场。
        3.2施工总体程序
        竖井井筒段围岩类别主要以II类、III类为主，井颈段主要以IV类、V类为主，施工程序为井颈段施工→井筒段施工→马头门施工。各围岩施工程序图如下：

              II、III类围岩掘砌施工程序示意图

               IV、V类围岩掘砌施工程序示意图
        3.3施工方案
        1、井颈段施工
        井颈锁口段施工，锁口段12m，在悬吊系统整体形成前，采用挖掘机配合人工风镐、铁锹开挖修边，挖掘机不能正常使用时采用钻爆法施工，每次开挖段高不超过2.5m，开挖完成立即进行锚网喷支护，及时封闭围岩，然后再进行钢筋绑扎和C30混凝土砌筑，砌筑段高4.0m。
        井颈锁口施工时，将挡洪墙1m高段与井颈段同时浇筑，然后采用渣石将井口范围以内回填至1207m高程，预埋封口盘工字钢梁窝。
        井颈段施工28m后，安装封口盘工字钢梁，并进行二次浇筑同标号混凝土，安装封口盘、吊盘、中心回转抓岩机，井筒施工悬吊系统整体形成。
        2、井筒段施工
        竖井井筒开挖直径为8.6m/8.7m，净直径7.6m，采用C30钢筋混凝土砌壁，厚度50cm/55cm。
        （1）掘进
        井筒段采用立井机械化快速施工工法组织施工。伞钻钻孔、中心回转抓岩机装渣、吊桶提升，根据围岩条件，采用一掘一砌的支护方式，辅助时间少，并能实现工种专业化，有利于提高工人的操作技术水平，实现正规循环，保证工程施工质量和进度。
        钻爆设备及材料为：采用XFJD-6.10型伞钻钻孔，B25×5000mm六角中空合金钢钎，配Φ55mm十字型合金钻头；岩石乳化炸药，导爆管和毫秒延期非电雷管，脚线长度6m。采用光面、弱震、弱冲深孔爆破技术，以井筒段设计开挖直径8.6m为例设计爆破图表，详见下表。
                               井筒段爆破原始条件

                                                                                     II、III类围岩爆破参数表

                        II、III类围岩预期爆破效果

        说明：根据施工经验，井筒段应根据岩性及时合理调整爆破参数，以便达到最佳爆破效果。

        II、III类围岩爆破炮眼布置图
        （2）出渣清底
        基岩段采用中心回转抓岩机和挖掘机出渣装罐，并采用人工配合挖掘机进行清底，以缩短清底时间。布置2套单钩提升，渣石上井后经溜渣槽落地后，再由铲车装车运至弃渣场。
        （3）钢筋制安
        利用井筒中心线以设计半径R=3.85m在工作面向下砸入400mm长，外露100～200mm左右的定位钢筋，在距离工作面100mm位置将一道环筋绑扎在定位钢筋上，从一边向四周按间排距200mm将每根竖筋绑扎牢固，确保钢筋竖直、间距均匀；竖筋调匀后，从下向上依次绑扎环筋，环筋采用20#扎丝绑扎连接，环筋搭接长度为钢筋直径的35d，环筋规格为Φ25@200mm、竖筋规格为Φ20@200mm。环筋层与层之间绑扎接头要相应措开不小于35d，在同一截面钢筋接头搭接数量不得超过钢筋搭接总数的50%。钢筋绑扎时，间排距要符合规范要求，并确保做到横平、竖直，每个接头绑扎不少于三道扎丝，钢筋保护层厚度不小于50mm。竖筋采用等强度的直螺纹套筒连接，接头处用牙钳紧固，并将下端接头保护好
        （4）衬砌混凝土
        模板：井身衬砌采用整体下滑式液压金属模板，该模板由地面4台JZ-16/1000型凿井提升机配合4条钢丝绳进行悬吊。将液压脱模机与模板上的4条液压油缸进行连接，开动脱模机，液压油缸回收，模板逐渐脱离混凝土衬砌面呈悬吊状态。由班组长通过对讲机与井口信号工进行联系，通过其操作稳车集中控制台将4台模板稳车下放钢丝绳，直到模板底部至井底基础面；然后下放井筒中心线，通过调整4条悬吊绳控制模板的水平和竖直，开启脱模机将液压油缸伸出将模板支撑至设计尺寸（井筒净半径3.8m）。
        混凝土拌制及运输：混凝土采用HZS90型搅拌机按照配合比进行拌制，竖井前400m：拌制完成后经井筒溜灰管至吊盘上的缓冲器内，然后经过分灰器和溜筒入模板合茬中导入模板；竖井井深超过400m：拌制完成后采用3.0m³底卸式吊桶将混凝土运输至吊盘上的分灰器内，经分灰器和溜筒入模。
        混凝土在模板上部14个合茬窗口。振捣器通过每个分块模板合茬窗口入模振捣，混凝土浇筑必须严格按分层、均匀、对称浇筑。混凝土正常施工按分层300mm一层进行，采用插入式振捣器振捣，避免直接振动钢筋及模板，振捣器插入深度不得超过下层混凝土内50mm。上一模混凝土浇筑完成后，下一模混凝土浇筑前，在落模板调平找正的时候，将模板与上模混凝土下沿重合100mm，混凝土浇筑到模板上口时，将第一个模板合茬窗口向上收缩，振捣器通过第二个合茬口进行振动。然后以此类推。按顺序逐个关闭模板合茬窗口，对混凝土接茬口浇筑振捣密实。
        4竖井掘砌施工进度分析
        竖井施工实行一掘一砌循环作业方式。将施工循环分为钻孔爆破、出渣清底、锚网喷支护、钢筋绑扎、混凝土砌壁五大工序，相应成立五个专业班组（II、III类围岩为四个专业班组），实行“滚班”制作业，竖井掘砌施工循环时间及月进度指标见下表。
                                                                          竖井掘砌施工循环时间及月进度表

        根据设计图纸，该竖井总深度为686m，其中V类围岩20m（考虑存在少量碎破带10m）、IV类围岩段30m（考虑存在少量破碎带10m），其余为II、III类围岩段636m。按照上表工序循环时间计算，考虑完成V类围岩段20m需要10天、IV类围岩段30m需要15天，二盘改造需要10天，II、III类围岩段636m需要240天，计算共计需要275天；考虑其它因素影响需要285天。
        5过程照片及取得的成绩
        5.1过程照片

        HZ-6型中心回转抓岩机装渣入吊桶内出渣      井口渣石转运

        XFJD-6.10型伞钻钻孔

                    钢筋制安                   整体移动金属模板

                    混凝土浇筑                   混凝土外观质量
        5.2取得的成绩
        1、在进度控制上，采用立井机械法快速施工工艺，开挖衬砌最高月进尺达116m，测量贯通误差为△X=-0.0205m、△Y=0.002m，满足规范及合同要求，本竖井实际完工日期较合同完工日期提前了2个多月。
        2、在质量控制上，竖井在开挖衬砌过程中，通过不断调整爆破参数，优化溜管设备，加高模板等措施，确保了竖井开挖期间的围岩稳定和混凝土浇筑的质量和强度。竖井正常浇筑一天一模，4m一段开挖衬砌循环时间约18个小时。
        3、在成本控制上，通过采用机械化作业，优化了设计阶段许多的支护工程量，降低了工人数量，加快了施工进度，大大降低了施工成本，为建筑工程业主方带来了较大的经济效益。
        4、在安全管理上，通过采取相应的安全技术措施，如在提升系统设计中考虑富余系数，在井口设置卸料平台、二层封口盘对井口进行全封闭，对罐笼运行通道设置井盖门，自动进行开合，避免井口人员和设备活动产生对内安全威胁；在工作面上方设置二层吊盘，给竖井内工作人员提供一道有效的安全屏障，防止井壁落物对施工员的伤害等，在实施过程中，制定了严格的安全管理制度并严格执行，保障了本工程的安全。
        由于矿山工程立井机械法施工技术在本水工竖井中的成功应用，收到了业主、设计和监理的一致好评，并要求在全线范围内推广使用。
        6总结及建议
        随着现代科技和水电开发的快速发展，类似超深竖井的在水利水电工程中的应用越来越广，建井速度也日益加快，在保证施工质量、安全的前提下，利用正井机械法施工，为高速建井和工程进度控制提供了有力保障；同时也大大降低了施工成本，为建筑工程业主方、施工方均带来较大的经济效益和社会效益。
        参考文献：
        [1]龙志阳，陆伦；立井快速施工技术的发展与应用[J]；煤炭科学技术；1999年03期
        [2]李俊良，姜利；立井混合作业机械化配套施工[J]；《建井技术》 1989年01期
        作者简介：
        田磊（1987-），男，湖南岳阳人，工程师，主要从事水利水电工程、公路工程等施工管理。
        李久源（1987-），男，河南南阳人，工程师，主要从事水利工程等施工管理。