高速公路长大隧道深大竖井施工工法
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一、?前言?
竖井工程自从1878年开滦煤矿建立第一对机械提升矿井到现在，在煤碳行业已经有130历史，技术较为成熟，而在高速公路施工中是近几年才出现的，根据公路的特殊要求借鉴煤矿竖井进行技术改进。沪蓉西高速公路龙潭隧道是我国在建第三长公路隧道，国家重点工程建设项目，该隧道左、右线在距出口端约3km处分别设3号、4号竖井进行通风。3号竖井净径7.0m，深335m；4号竖井净径5.3m，深349m。为增加井身混凝土的摩擦力每隔20设一壁座，共设30个壁座；井身由30cm厚钢筋混凝土中隔板隔开送风道与排风道。因目前竖井在高速公路中还较少，为下步竖井施工中达到安全快速施工的效果，以3号竖井为例(井内排水以4号井为例)，经总结和提高形成本工法。
?二、?工法特点?
1．综合利用悬吊钢丝绳，减少稳车投入。?
2．根据工期要求，开挖采用人工钻爆法进行施工，避免投入伞钻，减少设备投资。
?3．衬砌混凝土分别采用3.5m整体下滑模板、井身上部1.0m一组钢模板、1.1m一组（三组为一板）中隔板模板，进行施工。?
4．井口30m以下井身采用衬砌紧跟开挖面，保证施工安全。?
三、?适用范围?
??适合公路长大隧道中5.0m～7.0m净径，深度在200m以上的的深大竖井工程，且地下水流量＜1.5m3/h，无瓦斯等不良地段。?
四、?工艺原理?
根据现有设备，在保证安全的前提下做到设备的综合利用，尽可能提高开挖、衬砌施工工序衔接，以求得最大效益。施工流程?见图1?
五、?施工工艺及要点?
1.?设备安装?
井架安装：竖井施工中对井架的基底采用混凝土浇注成形。基底混凝土先铺垫底座混凝土找平再用木模做四周外模，底为2.5m×2.5m，顶为1m×1m，高为2.3米且顶面沿井架四支柱交叉轴线方向倾斜11°，并在混凝土内预留直径15cm四个二次浇注孔。井架先小局部组装，在地平面采用自制三管支撑辅助倒链进行起吊，再将井架两侧进行拼装，并在二层平台焊接钢管上设工字钢螺栓连接点，并预先将两根工20平台工字钢安装，全部采用国标M24高强螺栓，拼装完成后用25t吊车将井架两部分进行拼接。拼接完成后将顶帽“日”字梁与井架连接。立井架采用两台25t吊车两侧起吊、两台10t稳车牵引点在井架“日”字梁中间配合架立，立后吊车进行调整位置，将高强螺栓栽与井架基座预留孔内，并浇注混凝土。?
绞车安装：井筒中心距绞车卷筒中心48米，钢丝绳倾斜31°25′(一般不应小于30°)，安装时要根据绞车基础图纸在现场挖出基坑，再用白线定出所要预留二次浇注的孔位(卷筒基础、减速器、电机预留孔，预留孔用木板订成方块状并在内侧设支撑防止混凝土挤压变形，小预留孔可用钢管)，浇注时要保证混凝土的密实度，浇注一定深度后要检查预留孔的位置是否准确。绞车卷筒安装时，因与基座为一体，故采用三根钢管制作的简易支架，配合10t倒链进行调整，保证卷筒的轴线水平位置(因需与减速器进行对接)。然后进行减速器和电机安装，先用单根［40槽钢四侧拼接做底座，电机两侧两根［40槽钢对拼做底座，浇注二次混凝土用φ48圆钢上部车丝用高强螺帽连接基础。分别安装电阻组、控制柜、控制台，因绞车控制台控制整个绞车房内设备的运转，需将所有电缆(包括控制柜、控制台、电机、小发电机、液压站、回油电机)均一一用号码进行标识、量测，必须达到万无一失，电缆铺设需设电缆沟及电缆穿管，保证电缆的顺直及接地的良好。
2.?井口段施工?
井口段先进行锁口盘开挖，根据图纸要求在地面画出放坡开挖轮廓，用挖掘机进行开挖，对于岩石部分实行爆破作业，并对坡面进行初期支护，井身部分往锁口盘底下挖2米，回填碴石，平整锁口盘底进行绑扎钢筋、立模、混凝土浇注作业，待混凝土达到强度后将开挖空间进行回填夯实。井口段开挖采用人工6人钻孔，一人装药，钻孔深度为2米(实际掘进1.8米)，井口设一28kw通风机，爆破后对井内进行通风，视掘进深度不同而通风时间不同。自制1m3吊桶，人工装碴(四人负责一个吊桶)，在井身两侧各设一自制摇头拔杆，每个拔杆转向采用两根摆绳人工操作，10t稳车提升，提升后由挖掘机配合自卸车出碴。摇头拔杆高7米，用一根φ150钢管和一根φ80钢管，两钢管底部与上部有φ80钢管进行连接，其余部分用Φ25钢筋每50cm设一连接点；外伸旋转部用3米工20a
工字钢；底部用δ20钢板，做成1m×1.5m底座，埋深0.6米固定。见图6
3.?井身段施工?
井身段施工采用双层吊盘、井口盘、抓岩机装碴、2.0m3吊桶出碴进行。抓岩系统是由一台JZ2T10/600型稳车、抓岩机、钢丝绳、低压控制系统。由于抓岩机是位于井下施工，稳车位于地面，由钢丝绳通过天轮悬吊，由井下一人操纵提升、开闭抓斗，五人负责推拉使抓斗置于碴石上，钢丝绳与井口盘交点距井中心80cm，保证井壁周边都能顾及。下层吊盘与开挖面距离约30米，抓岩机提升后距工作面15米。因抓岩机升降较频繁，在井口盘穿口扩大并设木块对接，防止钢丝绳与钢板摩擦，保护钢丝绳。井身开挖采用不耦合装药单位耗药，Ⅲ类岩石为0.99kg/m3，钻孔104个，其中9个掏槽眼，54个辅助眼、周边眼42个，具体爆破参数见表1、炮眼布置图见图7
每板混凝土用两卷（实践证明，施工效率较高），防水板间用爬焊机进行焊接，因是水平焊接，施工质量较易控制。?
井身混凝土施工是关键工序，步骤如下：?
⑴下放吊盘：防水板与止水条安装完毕后进行下放吊盘，准备脱模。吊盘用五台稳车悬吊，其中三根主绳，两根稳绳，因各稳车的缠绕层数与卷筒直径不一致，所以只能将稳车编号由吊盘工用对讲机指挥地面人员操作稳车依次进行下放，下放吊盘一般为1小时即可完成。?
⑵收绳收模：将吊盘上的三根悬吊模板的钢丝绳用倒链（倒链均为20t，模板重为14.6t）进行收紧，之后将撑模板用的千斤顶缷下安装倒链进行收模（倒链在模板顶与模板底各安装一个），模板顶与底的倒链要同时进行，防止拉偏模板造成变形，当混凝土表面与模板面板之间有1-2cm空隙后停止收模。?
⑶下放模板：人员在下层吊盘操作倒链，下放模板时也要三个倒链同时进行，模板平台上留专人进行随时检查下放情况，防止卡板现象发生，同时将井中心钢丝绳放下，用30kg重垂球悬挂（垂球放于一机油桶中，防止摆动及转动），准备检查模板的偏差情况。待模板距底碴还有约50cm时，将模板底木模放于平整好的碴石上（防水板呈“L”形置于木模底），下放最后这段模板时要随时检查模板的偏差。安放木模的目的是为了提供混凝土平整面，安装止水条槽麻绳方便。?
⑷调模板：待模板全部座于木模上后用三台千斤顶（每台为10t）放在撑模座处，用木块作支撑垫，撑模板时要力求同步（在工作平台上专人检查模板与混凝土的间距，防止把混凝土压坏），当最上一台千斤顶与混凝土表面紧密接触时即停止张模，检查模板就位情况，若发现有个别模板尺寸与设计值偏差较大时可用倒链进行收紧或用钢管配合千斤顶进行撑模，进行强行调模（此方法对模板损害较大）保证混凝土满足设计尺寸。调整好模板后用钢丝球将模板表面粘贴的混凝土进行打磨同时将麻绳订于木模上，作为止水条的安装槽，并用新机油对模板涂油。?
(5)下放溜灰管：混凝土下放采用地面拌和经溜灰管送至工作面，因竖井较深混凝土冲击力较大极易使混凝土发生离析，为防止离析在距模板顶10米处设一缓冲器，缓冲器上接钢管下连特制橡胶管(定制十层纱)减小冲击力，溜灰管为φ160钢管，长度分3.5米和7米两种，专门由一台稳车负责悬挂溜灰管。钢丝绳与溜灰管之间用扁钢包裹钢管并用螺栓卡住钢丝绳（上下法兰盘均固定），每两节3.5米换一节7米溜灰管，减小法兰盘数量（为减轻溜灰管重量）。
4.?井底段施工?
井底15米为加强段，设衬砌钢筋，并有送排风口与井身相交，相交口处称为马头门。马头门施工(伸入联络风道5米)采用井身开挖到马头门起拱线处后，停止井身开挖，用重垂将马头门顶中心线、起拱线及马头门顶标高测出后用“五寸台”法放样出拱部开挖轮廓，井身最后一排炮碴石不出，并堆于井中间作为风枪气腿支撑，周边眼间距定为40cm，?
14?
用导爆管引爆，保证周边轮廓。马头门段开挖每排炮均需放样，拱部开挖3米后暂停施工，改为井身施工，将井底施工至设计标高，进行马头门底部开挖，再利用底部碴开挖上拱部，直至开挖完成5米距离。?
马头门段混凝土施工采用钢模与要木模相接合，因马头门与井身模板相交线为三维曲线，马头门用钢模无法保证与井身模板的密贴接触，易漏浆，故采用底部直墙段采用钢模，拱部曲线段采用20厘米宽木板根据与井身模板的实际情况进行加工。拱部利用拱形工字钢支撑于木板底部，直墙用钢管三排双层进行支撑，防止跑模。?
5.?中隔板施工?
竖井中隔板施工采用自下而上进行施工，为保证下一步联络风道混凝土施工方便，采用中隔板底部（高于联络风道高度）利用工字钢支撑暂不施工，自风道顶开始施工。模板1.1米为一组，三组为一板，为保证混凝土的厚度，每隔一米设30厘米长钢筋作为标尺，直线段模板为1.5米一块，每块模板顶部中间70厘米设两根防跑模连接杆（外套PVC塑料管利于操作），外部用钢管支撑于井壁。衬砌钢筋与井壁连接采用将井壁预先埋设的钢筋拉直、焊接，使中隔板钢筋与井壁混凝土连接为一体。模板悬吊于下层吊盘底，用四根10t倒链连接，连接杆螺丝松开后，四人同时拉倒链，保证同时提升。一板衬砌钢筋分两段绑扎，模板升一半后继续绑上段钢筋，在模板上、下端均设工作平台。因中隔板两端为喇叭形，设一滑块模板，保证在井壁尺寸不一致时也能与其紧贴。因喇叭口两侧为活动滑块，混凝土浆易进入夹缝，必须每板脱模后对其进行清理以减小错台。混凝土浇注前先将井壁凿毛面进行冲洗，使中隔板混凝土与井壁混凝土连接紧密。?
6.?井内止排水处理?
此排水处理是依照四号井排水方案进行总结。因考虑到井深300余米，故在离井口40m处设一水仓，开挖水仓需先掏一洞室，四周及底部用混凝土进行抹面在水仓口用砖进行砌筑，顶部用双层圆木并排堆放阻挡顶部落石，成形后尺寸为高1.5m，长1.5m，宽2m。根据开挖深度的加深，?140m以内由扬程110m污水泵提升到水仓；此后排水系统由水仓向下50m设一管道泵，向下100m安另一管道泵；140m至320m由吊盘多级泵经两处管道泵提升到水仓，开挖面积水由一66m扬程污水泵提升至在下层吊盘做水箱暂时蓄水，设置自动开关装置。对于井壁流水可隔一段距离在井壁混凝土施工时模板顶特意留出约30cm不施工，在混凝土防水层背后用PVC塑料管进行预埋，使水由截水沟经混凝土背后的预埋管进行向下连接，使水流至开挖面集水坑，避免淋水，改善施工条件。方案见图11
7.?场地配电?
竖井用电自1万伏高压电变压至380V，由配电房分别引至两井井口配电箱、空压机房。见框图12?
8.?设备选用公式验算?
????根据安全规程的规定钢丝绳的安全系数为钢丝绳所有钢丝破断力之和与最大静负荷之比并大于规定值，规定单绳摩擦提升钢丝绳的安全系数为：?A.?专为升降人员用的不得低于9；?B.?升降人员和物料用的不得低于7.5；?C.?专为升降物料用的不得低于6.5；?
多绳轮提升安全系数为：?A.?升降人员物料的不得低于8；?B.?专为升降物料的不得低于7。?
3号竖井主提升用钢丝绳为双旋φ31mm，吊盘采用三根主绳φ25?mm、两根稳绳φ20?mm共同悬吊，溜灰管钢丝绳为φ31mm。依规定，主提升钢丝绳(单绳摩擦)升降人员、?16?
碴石，采用专为升降人员的安全系数9；吊盘三根主绳(多绳摩擦)升降人员和物料，采用安全系数8。验算安全系数公式为：
六、?劳动力组织?
竖井平整场地以挖掘机和自卸车为主，相对工作主要任务是临建。井架拼装与设备的安装有专门的施工队伍，井口开挖时因是人工出碴，循环时间较长，风枪班投入6人，出碴班12人，井口卸碴1人，绞车工1人，自卸车司机1人，挖掘机司机1人，摆绳操作工2人；井身施工时风枪班9人，初期支护班16人，混凝土班7人，出碴班9人；中隔板施工混凝土班7人，钢筋班3人。?七、?施工机具设备配置(见表3)?八、?质量要求?
竖井开挖控制采用在井口放出的中心用30kg垂球自然下垂来确定井中心，实践证明：依靠重垂球自然下垂即可控制井中心的施工精度。?
开挖采用打干风枪（因竖向钻孔，水风枪无法将石粉吹出），防护工作必须到位，并将风筒连接到开挖面，周边钻杆角度外倾3°，由技术熟练风枪工进行钻孔，为防止碎石落入孔内，需边打孔边装药；因有少许地下水，为方便钻孔与排水，将开挖面形成中间低四周高。提碴时，因抓岩机升降由井下通过380V变36V进行控制，一人负责控制升降?与张开、关闭，五人负责推送、定位抓头，对于熟练程度有较大关系，直接影响到出碴速度。?
混凝土施工时，要控制混凝土的坍落度，一般在10～14取较大值，混凝土的堵管较容易发生在缓冲器处。为防止混凝土直接冲击防水板而造成损坏，在浇注窗口设一阻混凝土钢板，使混凝土先冲击钢板，由钢板阻挡后再落入模板内，可大幅度减小防水板的破损。混凝土浇注的难点在于封口，因自上而下进行施工不易振捣密实，上板混凝土底部表面为里侧低、外侧高倾斜表面，并将混凝土配比适当减少大石子比重（约减少50%），保证混凝土能够密实。?
中隔板施工混凝土时，为方便联络风道和井底工程监理的施工，底部一段距离暂不施工(视联络风道高度而定)，在施工井壁混凝土时将中隔板的预埋钢筋做成对称的“L”型，待中隔板施工时将钢筋伸直。预留时需每板都校正钢筋中心的位置，防止偏位便于中隔板钢筋的连接。
九、?安全措施?
1．?竖井的安全重点为提升悬挂系统，在购置钢丝绳时要验算预购钢丝绳的安全系数(提人安全系数不低于8，提物料安全系数不低于6)，并绞车钢丝绳为双向反旋钢丝绳，稳车基础用锚杆进行锚固。?
2．?风枪班钻孔、喷混凝土、衬砌混凝土施工和高空作业时都必须配戴防护口罩、安全带等劳保用品。?
3．?井下施工主要在下层吊盘施工，不得在上层吊盘进行操作。?
4．?绞车工、维修工、信号工、电焊工、安全员、爆破工等特殊工种都必须持有上岗证才可进行工作，并且对绞车、稳车、空压机等特种设备都必须由安检合格后才可使用。?5．?井壁危石在出碴的同时及时做到排险。?
6．?定期对设备进行检查维护，绞车工每工班做好运转记录。并对井口、绞车配电柜、高压变电器、空压机房等危险处所做好警示标记。?十、?环保措施?1．?噪声?
竖井开挖施工期间主要的噪声来源是发电机、卸碴、自卸车等，衬砌施工期间为拌合机噪音。采取的控制措施为：?
(1)施工现场噪声按《建筑施工场界噪声限值》的要求。?
(2)采取措施，保证在各施工阶段尽量选用低噪声的机械设备，并且在满足施工要求的条件下，尽量选择低噪声的机具。?
(3)确定施工场地合理布局，优化作业方案和运输方案，尽量减少施工对周围居民生活的影响，减小噪声的强度。建立必要的噪声控制设施，如隔声屏障等。
?(4)自备发电机时将作隔声处理，在有电力供应时不使用自备发电机。?
2．?工区生态?
(1)对山区绿化，在施工范围内严格按有关法规执行。临时占用地要报批并及时恢复。?(2)施工照明灯的悬挂高度和方向要考虑不影响居民夜间休息；?
(3)在施工筹划时考虑减少施工占地的措施和方法，严格履行各类用地手续，按划定的施工场地组织施工，不乱占地.不多占地。
(4)?在施工工地场界处设实体围栏，不得在围栏外堆放物料、废料。?
3．?水污染?
(1)在工程开工前完成工地排水和废水处理设施的建设，并保证工地排水和废水处理设施在整个施工过程的有效性，做到现场无积水、排水不外溢、不堵塞、水质达标。?(2)生产废水包括砂石料冲洗与开挖土石方排水。含砂、石废水则先沉淀其中固体物料，严禁任意排放。进行水沉淀处理措施为：施工场地的生产废水，经过滤网过滤，通过污水管输入池中沉淀。?
(3)根据施工实际，考虑湖北降雨特征，制定雨季.特别是暴雨期，避免废水无组织排放方案，并在需要时实施。?
(4)施工现场设置专用油料库，库房地面做防渗漏处理，储存、使用、保管专人负责，防止油料跑、冒、滴、漏污染土壤、水体。
?4．?大气污染?
大气的主要污染来源有：运输、开挖等。采取的控制措施：?
对易产生粉尘、扬尘的作业面和装卸、运输过程，制定操作规程和洒水降尘制度，在旱季和大风天气适当洒水，保持湿度。
对运碴车行驶的便道进行洒水，防止扬尘。
?5．?固体废弃物?
固体废弃物的主要来源是工程弃土、建筑废料。会对山区环境卫生造成影响。采取的控制措施：?
(1)减少开挖土石方的堆放时间和堆放量，堆土场周围加护墙护板。?
(2)制定泥碴的处理、处置方案，及时清运施工弃土和余泥渣土，建立登记制度，防止中途倾倒事件发生。?
(3)运土车辆严禁多装、超载，并有专人管理，需由棚布覆盖后方能上路，防止运输途中撤落。?监理工程师论坛http://bbs.job2299.com/
(4)剩余料具、包装及时回收、清退。对可再利用的废弃物尽量回收利用。各类垃圾及时清扫、清运，不得随意倾倒，尽量做到每班清扫、每日清运。?
(5)施工现场内无废弃砂浆和混凝土，运输道路和操作面落地料及时清运??
十一、?效益分析?
对竖井的施工投入资金较大的主要是设备，钻孔使用人工钻孔，减少伞钻与稳车投入；电缆利用吊盘钢丝绳连接到吊盘，减少稳车；模板悬吊在下层吊盘，减少稳车投入；因此本工法所用稳车已缩少到最少，对于电缆、抓岩机、水泵等需投入新设备，以减少以后因维修而影响施工。
?十二、?工程实例?
龙潭隧道3号竖井距隧道出口3公里处，地处湖北省宜昌市长阳县贺家坪镇堡镇村，距318国道1公里山沟处，岩石以页岩为主井底25米为灰岩，开挖总方量为27161m3。竖井在无成熟施工经验的情况下积极通过各种途径进行施工方案、施工技术搜集，自2005年设备进场进行平整场地、安装设备，7月正式进行井身段开挖，2006年12月25日井身段开挖完毕，至2007年9月29日井身混凝土完成，有效改善了隧道内的通风情况。
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