隧道及地下工程豎井施工技術研究

段建強

（山西路橋第五工程有限公司,山西 太原 030006）

0 引言

相較于現有豎井混凝土內支撐現澆工藝，構件采用預制廠集中生產的形式，后通過運輸設備運輸至現場直接吊裝，施工效率提升顯著；同時采用預制生產安裝工藝，直接減少了大量的混凝土濕作業，直接帶來的好處就是減少對環境的污染以及施工成本的減少。總體而言此技術很好地解決了目前豎井開挖施工工期長的問題，達到了節約工期、綠色施工的目標，在國內外同類研究成果中處于領先地位[1]。

1 豎井裝配式內支撐施工技術

1.1 主要研究內容

（1）首先結合設計圖紙利用BIM 技術對豎井內支撐結構進行深化拆分，整環支撐結構拆分為8 個預制塊，共涉及10 個節點的現場加強連接。根據BIM 導出的深化圖紙，預制廠進行分塊預制，預制過程中需要進行連接鋼板以及鋼筋接駁器預埋，便于后續腰梁節點處連接固定以及預應力施加[2]。

（2）其次將制作好的成品預制塊進行編號后運輸至現場等待安裝，現場開挖一層安裝一層，安裝前需要提前在豎井底部沿內支撐結構豎向投影位置澆筑一層3 cm厚度的混凝土墊層，便于后續預制塊移動就位。預制塊現場安裝時先安裝4 個角點，后安裝腰梁位置。全部吊裝就位后進行節點間鋼筋連接并進行預應力施加，全部節點連接完成后支模進行混凝土澆筑，節點處混凝土采用比預制塊高一個標號以上的混凝土進行灌注。節點混凝土強度形成前采用上拉下托的方式對結構進行預加固，腰梁上部采用花籃螺栓連接拉結固定，下部采用工字鋼焊接制作的三角托架支撐[3]。

1.2 技術創新性分析

（1）該技術適用于開挖深度≥15 m 的混凝土結構豎井內支撐快速支護施工。創新采用BIM 技術對整環內支撐結構深化拆分，以預制裝配形式快速完成豎井混凝土內支撐結構布設。

（2）預制塊節點處通過鋼筋、工字鋼、澆筑高強灌漿料進行連接，同時采取上拉下托輔助措施對支護結構進行二次加固。

1.3 技術價值分析

1.3.1 經濟價值的分析

傳統豎井混凝土內支撐現澆工藝，施工一層內支撐結構需要7 d 時間，施工完成需養護28 d 待混凝土強度達到設計要求的100%后方可進行下道工序施工，累計每層施工需要35 d。應用該技術進行施工時，豎井混凝土內支撐構件采用提前預制、現場裝配安裝的方式，施工一層內支撐結構僅需4~5 d 時間，施工效率提升超7 倍，現結合兩種不同工藝間涉及的人工、材料、設備以及工期進行綜合分析累計產生經濟效益62 萬元。

1.3.2 社會價值分析

該技術相較于現有豎井混凝土內支撐現澆工藝，構件采用預制廠集中生產的形式，后通過運輸設備運輸至現場直接吊裝，施工效率提升顯著；同時采用預制生產安裝工藝，直接減少了大量的混凝土濕作業，直接帶來的好處就是減少對環境的污染以及施工成本的減少。總體而言該套工藝技術很好地解決了目前豎井開挖施工工期長的問題，達到了節約工期、綠色施工的目標，值得推廣應用于類似工程施工。

2 豎井反井式非爆破開挖施工技術

2.1 主要研究內容

（1）主要是改變了傳統自上而下全斷面開挖、孔口出渣的施工方式，采用旋挖鉆機鉆孔形成的貫通式漏渣孔進行開挖渣土的運輸以及洞內通風。貫通式漏渣孔自豎井開挖面垂直與已完成開挖的橫通道連通，開挖渣土經豎井開挖面洞口直接輸送至橫通道底部，后采用挖掘機配合渣土車出渣。非出渣階段基于豎井底部與井口的氣壓差產生的煙囪效應，可實現自然通風。

（2）豎井開挖采用非爆破式開挖工藝，遇硬質巖層結構時，采用網格式分塊切割破碎法，施工前將豎井開挖表面整平，后采用巖石切割機將開挖面按要求進行分塊切割，切割深度為0.3 m，分塊完成后再采用炮錘式挖機逐塊破碎，破碎塊最大直徑不得大于漏渣孔的1/3 直徑，破碎塊直接通過漏渣孔運輸清理。分塊大小根據切割效率與機械破碎效率經計算優化得出最佳分塊尺寸，豎井開挖所需時間最短。

2.2 技術創新性分析

（1）該技術適用于斷面面積大于30 m2、深度不低于20 m、地層結構為較硬巖且下部有出渣通道的城市豎井開挖。針對硬質巖層采用網格式分塊切割破碎法，通過實際切割效率與機械破碎效率比對不同分塊大小的總耗時，得出最佳分塊尺寸，有效地縮短了豎井破碎開挖的時間。

（2）主要漏渣孔施工期間收集漏渣孔渣料和鉆進時的鉆壓、鉆速及斜率等數據判斷相應位置的地質情況，綜合分析圍巖狀況和漏渣孔鉆進的各項參數，為下一步的豎井開挖設備選擇和開挖作業提出指導意見和措施。

2.3 技術價值分析

豎井反井式非爆破開挖施工技術難度主要在于對漏渣孔施工期間地質進行分析，判斷豎井的圍巖狀況及節理裂隙情況，為后續豎井開挖設備的選擇提供指導。針對較硬巖層，首先根據巖層的硬度及節理裂隙情況，選用具有自動調節沖擊頻率的設備，并控制破碎深度、動態調整釬桿長度和破碎點的間距；利用切割機進行網格式分塊時依據切割效率與機械破碎效率進行分塊尺寸優化。

2.3.1 經濟價值分析

該技術相較于傳統工法直接減少了渣土提升運輸費用，同時提升了施工工效，綜合人工、材料、設備機具及工期綜合分析如下：渣土提升運輸費用90 萬元，豎井開挖渣土需提升工程量約15 000 m3，綜合豎井深度考慮渣土提升單價為60 元/m3；減少通風、排水設備的布設及耗能費用20 萬元；工期節約60 d，經核算該工法通過現場應用后直接產生經濟效益達110 萬元。

2.3.2 社會價值分析

該技術利用漏渣孔實現豎井開挖渣土的快速清理，大幅提高了豎井開挖速度；同時針對豎井復雜巖層結構，采用網格式分塊切割破碎法實現非爆破開挖掘進，有效減少了對施工場地周圍既有建筑物的擾動，避免了周圍既有建筑物在施工期間出現沉降變形的問題，同時還減少了爆破施工產生的振動和噪音。

3 工程實例應用分析

某公路工程計劃工期2020 年9 月16 日至2022 年10 月30 日，共計25.5 個月。主要分項工程工期安排見表1~2。3 座隧道由3 個施工隊根據三座隧道的施工難易程度進行施工。

表1 總體工期安排表

表2 主要工程數量表

（1）1 號隧道計劃由進口開始，按兩個作業面進洞施工，在完成1 號隧道后，繼續掘進2 號隧道進口端左右洞各800 m 左右。施工任務安排見表3。

表3 1 號隧道實施表

（2）丁家灣2 號隧道計劃從出口端開始，按兩個作業面進洞施工，見表4。

表4 2 號隧道實施表

（3）3 號隧道計劃從進口端開始，按兩個作業面進洞施工。見表5。

表5 3 號隧道實施表

4 結語

綜上所述，通過技術應用，現場取得了顯著的經濟和社會效益。技術應用過程順利，無任何問題出現，很好地解決了目前豎井開挖施工工期長的問題，達到了節約工期、綠色施工的目標，值得推廣應用于類似工程施工。