隧道超深豎井設計施工技術研究現狀及展望

趙東平 吳 楠 李 華 涂懷宇

(1. 西南交通大學土木工程學院,成都 610031; 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031;3. 中鐵十七局集團第一工程有限公司,青島 266555)

豎井作為隧道工程建設中的重要組成部分,不僅是隧道施工的重要通道,還可以作為隧道通風豎井等永久性結構使用[1]。 近年來,隨著我國經濟快速發展和基礎設施建設不斷推進,隧道長度和埋深也越來越大,超深豎井在隧道工程中的應用也愈加廣泛[2]。2019 年9 月,大瑞鐵路高黎貢山隧道1 號豎井掘進到底,標志著我國隧道豎井開挖深度已達到764.74m。開挖深度的不斷增加,對豎井結構設計和施工技術提出新要求。 而隨著豎井建設的發展,豎井斷面不斷增大,所處地層也愈加復雜,目前既有研究成果已難以適應某些情況的豎井設計施工,尤其是針對深大斷面硬巖豎井方面的研究成果甚少。 從超深豎井的井型設計、襯砌井壁壓力理論、豎井施工方法等方面,對超深豎井設計及施工技術研究現狀進行討論和總結,從而提出超深豎井未來研究方向,以期為工程界及研究機構提供參考和借鑒。

1 超深豎井設計現狀

1.1 豎井井型研究現狀

豎井的組成部分主要有鎖口、井身、井窩、馬頭門及聯絡通道等部分,在進行豎井設計時,首要考慮合理選擇豎井斷面形式,從而確定豎井結構斷面尺寸及支護結構形式[3]。 通常情況下,豎井斷面形狀應綜合考慮地質條件、豎井服務年限、豎井深度和建設成本等因素[4-5]。 目前豎井斷面主要采用矩形、圓形、橢圓形及類橢圓形等形式[6-7],見圖1。

圖1 隧道豎井斷面形式

胡志耀通過數值計算并綜合考慮施工豎井平面布置、功能、井深、作用荷載、施工難度等因素對豎井斷面進行比較,給出各斷面形式所適用的工程情況建議[3];趙興東通過對國內外豎井斷面形式的調研,認為隨著豎井開鑿深度的增加,井壁圍巖承受的自重應力、附加應力和最大水平應力進一步增加,在矩形豎井斷面拐角處會產生高應力集中,誘致井壁圍巖產生破壞,矩形斷面設計因此逐漸被淘汰,代之采用圓形豎井斷面結構形式[6]。 對于深度達到數百米的超深豎井,其水平構造應力逐漸呈不均勻分布,采用圓形豎井斷面結構形式不能滿足要求,可根據水平構造主應力作用方向設計為橢圓形,以滿足高應力作用下井壁圍巖穩定及其合理的斷面利用。

總體來看,關于豎井井型方面的研究已有較多成果。 由于圓形和橢圓形豎井斷面結構受力較好,是目前豎井采用的主要斷面形式。 通過文獻調研發現,目前豎井結構的斷面尺寸多在10 m 以下,對于大斷面的超深豎井斷面形式尚無相關研究。

1.2 豎井襯砌井壁壓力研究現狀

豎井襯砌受圍巖壓力及水壓共同作用,圍巖巖性、施工方法及地下水賦存狀態不同,均會導致作用于襯砌結構的荷載發生變化,明確豎井襯砌井壁壓力的分布情況是進行結構設計的重要前提和基礎。 關于豎井襯砌井壁壓力計算理論的研究,最早開始于經典土壓力理論階段[8],即采用朗肯土壓力及庫侖土壓力理論對井壁側向壓力進行計算,這兩種理論側向壓力都是由土體垂直地應力與側壓力系數相乘得到,區別在于側壓力系數的取值和計算方法不同[9]。 隨著豎井開挖深度不斷增加,經典土壓力理論逐漸不適用于工程實際情況,隨后又發展出其他井壁壓力計算方法。

秦巴列維奇假定豎井周圍每層土體(或巖體)受到破壞時出現滑動棱柱體,將其上覆蓋層視為作用于破壞棱柱體上的均布荷載[10-11],得到的豎井圍巖壓力計算公式(簡稱“秦氏公式”),即

“秦氏公式”在硬質巖層超深豎井井壁壓力的計算上存在少量不合理處,郭繼林認為對于硬質巖層中的超深豎井,秦氏公式計算結果偏大,公式合理性還需進一步驗證和完善[12]。

別列贊采夫認為井壁周圍的滑動體是一個環狀的空心圓錐體[13-14],用解析法推導出作用于土體上的主動土壓力計算公式(簡稱“別氏公式”),即

“別氏公式”認為,土壓力隨深度呈冪函數曲線分布,在淺層土體時,壓力隨開挖深度的增加而增加,當開挖至一定深度后,土壓力將接近一個極限值,但該結論尚未被實際工程證實,且公式中未考慮地下水的影響等因素,故在計算豎井壁土壓力時沒有獲得實際應用[15]。

馬英明基于“別氏公式”提出夾心墻土壓力理論,其實質是將滑動空心圓錐體簡化為滑動圓筒體,通過體積等值法使滑動圓筒體積等于滑動圓錐體積,從而解出夾心墻土壓力計算公式[16],即

夾心墻土壓力公式計算結果的偏差隨井深增加逐漸增大,在300 m 時偏差值可達23%,故該公式僅適應于軟土地層淺埋豎井。

周健基于短段掘砌混合作業的施工方法提出了一種適用于該施工模式的硬巖豎井荷載理論[17],其計算公式為

由于上式在推導過程中,依據短段掘砌混合作業法進行前提假設,具有較強的針對性,其計算公式是否適用于其他施工方法還有待進一步驗證。

以上這些豎井井壁襯砌壓力計算理論均有局限性,或不適用于硬質巖層,或不適用于深部土層等。 而且在公式推導過程中,多忽略井壁與壁后土體間摩擦作用,故計算結果與工程實際有所偏差。 在應用式(2)～式(4)進行計算時,當豎井開挖至某一“極限深度”后,井壁壓力將趨于穩定值。 此結論的科學性及合理性仍需結合現場實測進行驗證。 因此,如何科學地考慮井壁摩擦力進行井壁荷載理論推導,并與現場實測驗證緊密結合是下一步研究的重點。

1.3 豎井支護結構研究現狀

在豎井施工過程中應及時進行井壁支護,以支承加固圍巖,維持井壁圍巖的穩定性。 在支護形式的選擇上,如果開挖地層圍巖穩定性良好,通常無需采用支護手段;如果開挖地層圍巖穩定性較差,則需采用相關的井壁加固措施保證井壁圍巖穩定性。 豎井支護方式取決于所處地層性質,目前在巖石地層中一般采用錨桿噴射混凝土技術,在土層中一般采用“圍護結構+內支撐”的支護方式(見圖2)[18]。

圖2 豎井主要襯砌支護形式

錨桿噴射混凝土技術由于其技術先進、經濟合理、質量可靠等優點,被廣泛應用于超深豎井的支護設計中[19]。 相較于傳統的豎井支護技術,錨噴支護可以顯著降低施工成本,加快施工速度,減輕勞動強度,為之后的支護機械化施工創造有利條件[20]。 隨著豎井開挖深度的增加,井壁承受荷載也不斷增大,采用素混凝土進行錨噴支護已不能滿足施工安全要求。 為保證豎井結構的穩定性需要提高井壁支護的強度,采用鋼筋混凝土支護方式由于增加了鋼筋綁扎工序,使得成井速度嚴重降低,故近年來開始研發新型鋼纖維混凝土[21]。 加入鋼纖維可提高混凝土抗裂韌性[22-23],以保證支護結構受力性能。

目前,在超深豎井的建設過程中,存在著井壁支護結構安全系數儲備不明確等問題。 支護強度過高,會導致資源的浪費;支護強度不足,則會使結構失穩,影響豎井正常使用。 造成上述問題的原因在于,國內尚未形成一套科學的計算理論供設計及施工單位參考使用,目前多采用經驗法或適用于淺部豎井開挖的理論公式進行豎井井壁支護結構設計,其設計結果偏于保守。 因此,在設計方法上仍需進一步優化。 出于計算簡便的目的,豎井支護通常按照自上而下采用同一厚度進行設計,這就導致上部井壁支護安全余量過大,針對此點不足,可以依據理論計算結果按照井壁深度進行變厚度支護襯砌研究,以節約建造成本。 除此之外,機械化鉆井施工對豎井支護技術也提出新要求,為提高施工效率和推進施工標準化,裝配式預制支護襯砌結構的參數研究也是未來研究重點之一。 因此,在對新建及在建豎井工程井壁圍巖變形及應力等參數的監測基礎上,提出一套適用于不同環境條件下的豎井支護設計理論來指導設計施工極其重要。

2 超深豎井施工技術研究現狀

相較于隧道施工,豎井施工由于其豎向施工且開挖斷面較小的特點,施工難度及危險性也有所增加,所以在豎井施工時,需要有專業團隊及設備來保證施工過程的安全性和可靠性[20]。 根據采用的機械、開挖方式及出砟方式不同,豎井施工方法各異[24-28]。 ①按施工機械種類可分為:鉆爆法、掘進機法及天井鉆機法等。 ②按開挖方式可分為:全斷面開挖法、導坑開挖法及中心擴孔法等。 ③按出砟方式可分為:正井法和反井法。 在豎井施工方案選擇上,通常按照施工出砟方式進行分類,即正井法和反井法兩種。 除以上常用施工方法外,還有在設計施工時依托具體工程所提出的新型改進施工技術。 隨著豎井施工行業的快速發展,除了施工技術的改進,也對豎井施工裝備提出更高的要求,目前眾多學者在新型鑿井設備開發方面也取得部分研究成果。

2.1 正井法

正井法是指采用機械化配套作業自上而下進行全斷面開挖的施工方法。 首先開挖至一定深度,施作鎖口圈;之后安設吊盤,進行輔助設施的安裝;最后進行井筒掘進施工。 井筒施工采用一次鑿巖爆破成井,抓巖機裝巖,吊桶出砟,砟石由井口運出井外(見圖3)。

圖3 正井法施工示意

正井法技術成熟,適用性廣泛,但其通常采用的傳統爆破開挖方式對場地要求較高,出砟效率低,存在一定的安全隱患[29]。 針對爆破法中存在的問題,提出全斷面機械化掘進方法[30-31],并在結合隧道掘進機技術的基礎上研發深井掘進裝備(即全斷面豎井掘進機)。豎井掘進機設備包括破巖系統、排砟系統、井壁支護系統等,可實現豎井結構的機械化、集成化施工,主要適用于地質條件較好的穩定地層中豎井施工[32]。 該方法的優點在于施工速度快,節約成本,對周邊環境影響較小,施工過程安全可控。 全斷面豎井掘進機的推廣應用,勢必會推進對裝配式豎井襯砌結構的研究,因此,裝配式豎井結構設計參數研究是未來的發展方向。

2.2 反井法

反井法又稱先導井后擴挖法,即先開挖溜砟井,然后自上而下將其擴挖成井的方法。 由于在擴挖過程中破碎的巖石和地層涌水會通過溜砟井落到豎井底部,故采用反井法施工的前提是豎井底部平洞已完成,開挖產生的砟石可從豎井底部運出(見圖4)。

圖4 反井法施工示意

常用的反井法主要有以下幾種[33]。 ①反井鉆爆法,此方法是采用鉆爆法沿豎井的設計軸線自上而下開挖直徑較小的導洞,之后再擴挖至設計尺寸,該方法出砟效率高,占用場地少。 ②爬罐法,該方法需要配合電動爬罐和鑿巖機具利用運輸車自下而上進行豎井施工,雖然爬罐法可用于深部豎井開挖,但對設備的要求較高,需要從國外引進。 ③反井鉆機法,該方法是先在地表利用鉆機自上而下鉆孔,之后再在井下平洞更換更大尺寸的鉆頭,反向擴挖豎井至設計尺寸。 反井鉆機法對施工場地要求不高,且能保證較高的安全性,但受豎井開挖深度和地層環境的限制。 總的來說,反井法施工具有安全性高、施工速度快及占用場地小等特點,被廣泛應用于深大豎井的建設工作中。

2.3 新型改進方法

除以上提到的豎井通用施工方法外,還有在其基礎上針對具體工程問題提出的新型改進建井技術。 例如,米倉山特長公路隧道豎井采用新型改進建井技術。該豎井工程開挖直徑大、開挖深度大且對周邊環境的環保要求極高,由于傳統豎井施工方法所采用的長段單行作業法工序復雜、施工速度慢,且反井法施工不具備先決條件,為保證施工效率,減少對環境的影響,在傳統正井法的基礎上對豎井的施工工法進行改進,采用短段掘進+單層模筑混凝土襯砌單井的混合作業法進行施工(見圖5)[34-36]。

圖5 短段掘進混合作業施工示意

郭繼林針對官田隧道通風豎井工程所處地層為硬質巖層且徑深較小的特點,對反井施工技術中的前導孔施工技術進行改進,將水井鉆機的普通鉆頭換成潛孔式沖擊鉆(見圖6),增設空氣壓縮機為鉆頭提供動力[12]。 該方法的特點在于,施工過程中可快速排砟,減小鉆頭損耗,加快施工進度;同時在鉆進過程中可對鉆具施加向上的拉力,以控制鉆具基本處于自然懸吊的姿態,保證鉆孔的垂直度。 采用該方法進行導孔施工,顯著提高了鉆孔施工速度和精度,為之后的反井施工創造有利條件。

除以上改進建井技術外,煤礦領域也針對超深豎井先后開發出凍-注-鑿平行作業及鉆-注平行作業等新型建井技術,對未來隧道超深豎井工程的建設有一定指導意義。

凍-注-鑿平行作業技術是指豎井上部松散層與風化帶的凍結作業、豎井掘進作業及下部含水層地面預注漿作業平行進行的綜合施工技術[20]。 相較于傳統順序豎井施工作業法,平行施工作業可通過對空間和時間上的合理利用顯著提高豎井施工效率。 凍-注-鑿平行作業技術的關鍵點在于需要高精度定向測斜與定向鉆進技術的應用,使鉆孔在地層中形成空間結構,注漿鉆孔落點靶域在指定范圍內,達到凍結、開挖、注漿作業互不影響,實現平行作業。 以淮南新集劉莊煤礦副井為例,其開挖深度為823 m,開挖直徑為6.7 m,在采用凍-注-鑿平行作業技術后可節約建設工期210 d。

鉆-注平行作業技術與凍-注-鑿平行作業技術類似[37],區別在于無需采用凍結法施工。 通過合理利用豎井開挖過程中沖積層段鉆井法與基巖段注漿法同時施工的時空關系,使二者可以同時平行施工,節約工期與成本。 安徽省亳州信湖煤礦主井井深1 009.5 m,開挖直徑6 m,采用鉆-注平行作業技術后明顯降低施工工作量,提高施工效率。

以上新型改進豎井施工技術經過工程實際的檢驗,在具體工程中的應用效果良好,其設計與施工配套技術可作為深大豎井建井新方法為今后建設類似豎井工程提供借鑒和參考。

2.4 豎井施工設備

相較于隧道工程,豎井工程施工具有工序復雜、工作面狹窄、危險性較高等特點,對施工人員的專業素質及施工設備的先進性提出更高要求。 隨著豎井工程的不斷發展,豎井開挖深度及斷面尺寸也在不斷增加,機械化施工是建井技術發展的必然趨勢,而豎井施工設備的技術水平對行業的發展具有十分重要的意義。

機械化鉆井施工主要分為以下兩類[38]。 ①地面鉆井系統,具有機械化程度較高及安全性較高等特點,其缺點在于施工效率較低且主要用于沖積層施工,不適用于硬質巖層。 ②豎井掘進機系統,具有機械化程度較高、施工效率較高、作業環境及安全性較高且適用范圍較廣的特點,但國內關于豎井掘進機系統的研究起步較晚,目前還未得到廣泛應用。

地面鉆井系統是我國目前應用較多的施工技術,在眾多超深豎井工程的研究實踐中,總結和完善短段掘砌綜合鑿井工藝,在此基礎上研發成熟的鑿井裝備(見圖7)[19]。 針對地面鉆井系統施工效率低的缺點,我國學者及專家通過理論分析、工藝研究和現場試驗等方法,對豎井鉆機、鉆頭及破巖滾刀進行優化改進(見圖8)[19],所研制出的分臺階“T”形鉆頭、“L” 形密封高耐壓破巖滾刀、新型破巖滾刀等新型設備顯著提高了鉆井施工效率。 針對地面鉆井技術目前不適用于硬質巖層施工的缺點,如何提高地面鉆井施工技術的適用性將是未來研究的重點內容。

圖8 改進豎井施工設備[19]

豎井掘進機的研究最早起源于20 世紀60 年代的美國[39],隨著豎井工程的建設需要,世界其他國家也開始進行豎井掘進機的研制。 美國羅賓斯公司研制采用機械排砟方式的241SB-184、20-24FT 型等豎井全斷面掘進機;前蘇聯研制采用混合排砟方式的CK-1Y 豎井掘進機組;近年來,德國海瑞克公司為滿足不同地層條件下豎井施工需要,研制了全斷面掘進機(SBC)、截削式豎井掘進機(SBR)、撐靴式豎井掘進機(SBM)及下沉式豎井掘進機(VSM)等豎井掘進機等。

下沉式豎井掘進機(VSM)是目前用于各類豎井施工的全新技術,該系統主要包括動力卷揚系統、回收卷揚系統、泥水分離系統、液壓動力系統、沉降系統、控制系統、掘進機主機等。 相較于現有設備,下沉式豎井掘進機具有安全高效、占地面積小、適用地層范圍廣等優點,在歐洲、美國及新加坡多個國家和地區的豎井建設中得到廣泛應用[40]。

豎井掘進機系統相關研究在我國起步較晚,但由于其施工機械化自動化程度較高、對井下作業人員數量需求較低、施工效率高及適用范圍廣的特點,無疑會成為未來豎井施工的發展趨勢。 近年來,我國也開始重點開展豎井掘進機的研制工作,并于“十二五”期間成功研制出我國首臺礦山豎井掘進機MSJ5.8/1.6D,見圖9[38],但目前尚未應用于具體工程中。 之后中鐵裝備、鐵建重工、中國煤科等企業相繼開展新型豎井掘進機的研制工作,其中,中國煤科北京中煤自主研發的國內首臺豎井掘進機“金沙江1 號”于2020 年在云南以禮河四級電站復建工程現場始發。 在此基礎上,對于豎井掘進機系統,未來將進一步針對現場試驗及工程應用進行深入研究。

圖9 MSJ5.8/1.6D 豎井掘進機

以上機械化施工設備的研制及優化改進,將對地下工程建設領域的發展有著重要意義,具有廣闊應用前景。

3 結論與建議

對超深豎井的設計理論和施工技術研究現狀進行調研,系統總結我國在隧道超深豎井設計與施工技術方面研究成果及所存在的不足,得出以下結論。

(1)隨著豎井開挖深度不斷增加,早期適用于淺埋豎井的矩形斷面形式由于會在拐角處產生高應力集中而被淘汰,取而代之所采用的圓形及橢圓形斷面,由于其良好的結構受力被選為目前主流設計形式。 目前,超深豎井的斷面尺寸多在10 m 以下,對于大斷面超深豎井,尚需綜合考慮結構受力及空間利用問題,其結構形式仍有待研究。

(2)目前國內外進行豎井結構設計所采用的井壁土壓力計算理論均有一定局限性,或不適用于硬質巖層,或不適用于深埋豎井,且公式推導中多未考慮井壁與土體間的摩擦作用。 故如何針對以上問題提出一種適用性廣泛的豎井壓力計算理論是進行超深豎井結構設計的當務之急。

(3)全斷面機械化施工方法的推廣應用對豎井支護結構提出了新的要求,即采用預制管片的方法進行裝配式豎井結構設計。 然而,豎井采用的拼裝式襯砌與常規盾構隧道管片有所不同,故有必要開展裝配式豎井襯砌結構設計參數研究。

(4)豎井施工方法按出砟方式可分為正井法和反井法。 在選擇超深豎井施工方法時,需綜合考慮場地環境、地質條件、開挖深度等因素。 在針對某些具體復雜工程時,還要根據工程實際和項目要求對以上兩種施工方法進行改進,以保證施工進度和質量。

(5)機械化鉆井施工是未來豎井施工發展的趨勢,目前兩種機械化鉆井施工技術均存在一定局限性。地面鉆井系統如何針對硬質巖層進行施工,擴大其工藝適用范圍;豎井掘進機系統在已研制樣機的基礎上如何進一步針對現場試驗及工程應用進行優化,將是未來重點研究內容。