豎井正井法與反井擴挖法施工適應性分析與研究

熊子壹

關鍵詞 正井法;反井法;安全;環保;質量;造價

中圖分類號 TV554 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0139-03

0 引言

隨著國內經濟的快速發展，機械化施工也逐步廣泛運用于施工中，現階段常用的工藝主要包括豎向掘進機法、正井法（鉆爆）、反井擴挖法等，不同工藝的選擇在不同地理環境、不同施工組織，以及豎井建設規模等條件下均有著極大差異，現以天山勝利隧道1號豎井為例，結合地理位置、豎井施工中的用途等方面，就正井法與反井擴挖法施工進行適應性分析與研究。

1 工程概況

天山勝利隧道（ZK75+680～ZK97+790/YK75+830～YK97+826）設計為分離式隧道，隧道全長22.110 km（左洞）/21.996 km（右洞），為全世界最長高速公路隧道。隧道進口高程約2 770.2 m，出口高程2 900.2 m，洞身最大埋深約1 112.6 m，運營通風設置通風豎井4處，其中1#豎井開挖直徑D=12.4 m，海拔3 424 m。

根據施工整體部署，利用中導洞超前優勢開辟3個橫通道進行施工組織，1#豎井僅作為通風通道，不作為主洞開辟新的作業面輔助通道。

2 施工工藝簡述

2.1 豎井反井擴挖法工藝

目前國內外最大擴孔直徑5.5 m，在反井法施工中需要二次擴孔。待主洞施工至豎井處且聯絡通道施工完成后，采用定向地質鉆機自上而下施工導孔，然后用反井鉆機自下而上進行擴孔，最后用自上而下鉆爆法刷大至設計斷面，豎井施工通過豎井底部出渣，待施工至井底后自下而上進行井身襯砌施工[1]，如圖1。

2.2 正井法施工工藝

豎井可優先施工，采用傘鉆、井架等設備自上而下進行開挖初支，豎井施工通過井口進行出渣，待施工至井底后自下而上進行井身襯砌施工[2]，如圖2。

3 適應性分析

通過對國內外深大豎井施工方案的調研，豎井施工可分為正井法、反井法和豎向掘進機法，正井法和反井法施工工藝、施工技術均較成熟，反井法施工用于煤礦、水利工程較多，豎向掘進機法受施工設備的影響，目前正處于設備研發階段，尚無大直徑豎向掘進機成功施工案例，正井法用于高速公路、鐵路、地鐵施工較多[3]。因此，結合目前設備研究情況以及豎井概況及特點，從正井鉆爆法、反井鉆機施工形成導井再鉆爆擴挖法兩種施工方案的進度、安全、質量方面，對1#豎井施工工藝進行適應性分析。

3.1 工藝分析

3.1.1 正井法優點

（1）不受下平段（聯絡通道、正洞）施工約束，上部施工面具備條件，即可施工。

（2）可全斷面直接由上至下貫通。

3.1.2 正井法缺點

（1）豎井施工高度大，沒有形成施工通風的回路，施工通風困難。

（2）出渣由井口提升，且豎井出渣量大，出渣工序的效率低。

（3）出渣人員長時間井下作業，施工安全風險高。

3.1.3 反井+鉆爆擴挖法優點

（1）導井貫通后形成自然通風回路，豎井施工通風條件好。

（2）由于有反井的自由面存在，擴大施工時爆破效率高，有利于實現深孔光面爆破。

（3）爆破下來的巖石直接落到下部隧道內，提高了出渣和清底的速度，加快鑿井進度。

（4）減小提升設備規模，節省吊泵等臨時排水設備，降低成本。

3.1.4 反井+鉆爆擴挖法缺點

（1）只有主洞施工到豎井處才能開始豎井施工，不能縮短主洞施工通風距離。

（2）反井貫通后，仍需正井擴挖，上口仍需布置一套提升吊掛設施和設備。

（3）隨著豎井深度的增加，反井鉆孔容易產生偏斜，施工難度越來越大，速度越來越慢，相應造價增加。

（4）導井溜渣可能發生堵井，堵井處理困難。

3.2 豎井進度因素分析

3.2.1 工期安排

結合現場調研結果，綜合現場工程特點，確定豎井施工進度計劃，具體如表1。

3.2.2 正井法工期

考慮冬季施工：按照2020年5月1日開工，計劃工期2020年5月1日—2022年4月12日豎井貫通（含聯絡通道）。

3.2.3 反井法工期

（1）中導洞擬定2019年12月1日開始鉆爆法施工，2020年7月1日開始TBM段施工。

（2）TBM施工至1#豎井+320 m處，工期為18個月（不含鉆爆段），時間為2022年4月13日。

（3）橫通道和聯絡通道施工工期為3個月，完成時間為2022年7月1日次襯砌及中隔板工期為3.3個月，完成時間為2023年11月4日，豎井工期19.3個月，完工時間為2023年11月4日。

3.2.4 工期分析

（1）采用正井法施工，1-1豎井及聯絡通道于2022年4月12日左右已施工完成，中導洞TBM施工至豎井聯絡通道處時間為2022年4月13日左右，即在2022年4月13日左右豎井與橫通道、與中導洞貫通，為中導洞和正洞提供排煙通道。

（2）采用反井法施工，中導洞施工至豎井聯絡通道處時間為2022年4月13日，再施工聯絡通道、豎井導孔、導井、擴挖等，時間2019年3月，完成時間在2023年11月4日方可為中導洞、正洞提供排煙通道。

（3）因此，1#豎井采用正井法可提前約18.5月為中導洞、正洞提供排煙通道，解決隧道正洞排煙難題。采用正井法從工期角度、從為正洞和中導洞提供排煙通道，解決正洞及中導洞施工通風技術難題大大優于反井法。

（4）從整體施工進度而言，反井法施工工期稍短于正井法施工工期，但考慮到反井法施工應用先決條件是中導洞施工至聯絡通道位置，通過聯絡通道提供條件進行反井法施工。

（5）豎井施工方案比選重點參考因素：重點應考慮豎井為正洞、中導洞提供排煙通道，解決中導洞、正洞施工通風技術難題。通過整體工期計算，正洞進口端施工至聯絡通道位置時，豎井采用正井法施工（含聯絡通道施工）已施工完畢;而豎井采用反井法施工，待中導洞TBM施工至聯絡通道后，才開始施工豎井。因此，正井法施工豎井較反井法施工豎井可提前18.5月為中導洞、正洞施工提供通風條件。

3.3 安全因素

綜合考慮正井法與反井法施工特點，確定其安全因素：

3.3.1 正井法

（1）由于豎井施工深度過大，沒有形成施工通風的回路，施工前需要提前通風，排除有害氣體，存在安全風險。

（2）出渣需由上部吊運，對起吊設備的安全控制較為嚴格。

（3）涌水的安全風險較反井法高，提前探知地下水源的能力相對較弱。

3.3.2 反井法

（1）混凝土等材料需從井口吊運，對起吊設備的安全控制較為嚴格，豎井施工過程中需要對導井進行防護，存在人員、材料等物體墜落安全風險。

（2）豎井涌水后，正洞反坡段排水困難，施工安全風險較大。

注：正井法施工可提前作為應急救援通道。

3.4 環保因素

3.4.1 反井法

導孔施工時，在井口設置臨時泥漿池，用于泥漿護壁;

導井施工時，在井口設置水箱，作為鉆進過程中鉆桿、鉆頭的冷卻，同時在井底設置三級沉淀池。

3.4.2 正井鉆爆法

正井鉆爆法施工中，僅在鉆孔過程中用水，產生污水量小，隨出渣可全部運輸至井外。

在環保敏感區內施工，正井法較反井法在環保方面較有優勢。

3.5 質量因素

正、反井的工法步驟類似，不同的是反井法鉆爆時可充分利用導井臨空面，爆破時裝藥量少，對井身周圍的巖層擾動相對較小，有利于質量控制[4]。

3.6 造價因素

項目對國內在建個別項目的正井鉆爆法及反井擴挖法進行了現場實地調研，其正井法鉆爆法、反井擴挖法費用主要由用電、炸藥、機械租賃、人工費、臨建及便道、進出場及春節停工、混凝土及鋼材費用組成，正井法費用約為10.5萬元/延米，反井擴挖法費用約為9.7萬元/延米。調研項目如表2所示。

因此，正井法施工與反井法豎井施工造價相差不大。

3.7 電力需求調研

正井法與反井法施工豎井電力需求表3所示。

4 總結

通過正井法施工在天山勝利隧道中的運用可以看出，正井法施工不受主洞施工影響而同時施工，且豎井優先于服務隧道和主洞貫通，為豎井為主洞提供通風奠定了堅實基礎，從而減少了主洞通風壓力。相對反井法、豎向掘進機法施工，正井法施工對隧道主洞施工通風有著超前優勢，同時對于長大隧道施工通風有著較大意義，一方面改善了主洞通風效果，同時也間接性提高了主洞施工進度。

參考文獻

[1]熊曉杰， 陳文杰. ?斜井一次擴挖成型工藝在海蓄電站的應用[J]. 廣東水利水電， 2020（10）： 50-52+65.

[2]張朝澤， 楊耀. 淺豎井一次擴挖成型工藝在梅蓄電站的應用[J]. 廣東水利水電， 2020（10）： 38-42.

[3]周雄華， 許圣祥， 冷希喬. 深大豎井正井法施工圍巖與結構力學特性分析[J]. 現代隧道技術， 2019（S2）： 325-331.

[4]趙志凌. 反井鉆機法在豎井施工中的應用[J]. 智能城市， 2019（20）： 180-181.

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