大直径通风竖井综合施工技术.docx
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大直径通风竖井综合施工技术
大直径富水通风竖井
综合施工技术
1工程概况
中铁十七局集团有限公司于2011年承建了山西省高速公路网“三纵十二横十二环”规划中第七横和榆高速公路云山隧道的施工任务,该隧道位于山西省左权县城东北5km处,设计为分离式隧道,隧道全长11408m,最大埋深743米。
为解决云山隧道运营通风问题,共设4处地下风机房,三处为斜井通风,一处为竖井通风,1号竖井内径8.2m,最大开挖直径9.78m,井深220.4m。
竖井初期支护采用锚、(网)钢、喷联合支护形式,二衬采用C30模筑混凝土浇筑,同时采用钢筋混凝土中隔板将送、排风道分隔。
2工艺原理
随着我国高速公路、高速铁路的快速发展,我国特长隧道通风竖井数量也随之增多,我国竖井施工技术和施工机械水平也有很大提高,目前国内竖井施工主要有正井法、反井法两种施工方法,云山隧道1#竖井为尽早解决施工通风所需,采取正井法与正洞同步进行施工。
3工艺流程
竖井施工以实现安全、优质、快速为目的,在确保施工安全的前提下做到设备的综合利用、以新技术新工艺新理念进行施工,以求得最大效益。
竖井施工前先进行设备选型,其涉及井架选型、提升设备、出渣设备和竖井爬升模板系统等,其后进行锁口圈施工,此时与井架基底同步施工,之后进行竖井井架安装,待所有就绪后进入竖井20m~30m开挖施工,同时,利用绞车挂钩吊桶进行井筒开挖,开挖至30m深后,挖掘机进入,工作盘、安全盘、封口盘的组装与吊挂。
筹备工作结束后,进入井筒正式施工期。
井筒施工采用短掘短支混合作业施工方法,掘支循环段高2米,锚网喷与井圈支护、出渣交叉进行。
在开挖爆破过程中,将小型挖掘机悬吊在双层吊盘下的保护笼中,与工作面保持一定的安全距离。
井筒掘进落底后,工作盘升起同时进行防排水工程施工。
安装竖井井壁二次衬砌及中隔板爬模,进行井筒二衬与中隔墙的施工。
明洞施工
图5.1.1封口盘、安全盘、挖掘机、工作盘位置示意图
时先拆除安全盘和封口盘、溜杆槽,再进行明洞施工,最后进行设备的拆除。
图5.1.2竖井施工工艺流程
4关键技术
4.1竖井机械化配套设备选型
4.1.1井架选型:
根据1#竖井净直径8.2米,选用煤矿IVG型井架。
其特点:
由钢管杆件组成,单件质量轻,便于装、卸和运输,井架复用率高,天轮平台允许四面出绳,天轮和地面提升设备布置灵活。
井架天轮平台高20.68m,地脚跨度13.96m×13.96m。
图4.1.1.1竖井IVG改进型井架图4.1.1.2竖井IVG井架与稳车布置图
4.1.2井下安全防护设施
于井口处设封口盘,其是井内施工作业时的重要安全防护设施。
封口盘用型钢作骨架,上铺防滑钢板,其型钢骨架嵌在井口锁口圈的混凝土中。
封口盘上设有封口盘门和其他悬吊设备通过口,与提升安全盘、工作盘一一对应。
封口盘门采用卷扬机在吊桶通过前开启,通过后关闭开合。
安全盘用来进一步保护井底作业人员的安全,拉紧吊桶提升稳绳、悬吊设备和安全绳。
设置于井内距作业掌子面20米位置,由扁担梁和型钢及钢圈焊成骨架,上铺钢板组成保护盘。
图4.1.2.1封口盘平面图图4.1.2.2保护盘平面图
4.2井壁座安全施工技术
竖井马头门上部及井身设置井壁座,以作为支承上部井筒的基础。
井壁座每10米一道,尺寸由传来荷重的大小确定。
图4.2.1竖井井筒一般构造图图4.2.2相邻井壁座间相对突出围岩
由于竖井二次衬砌待竖井井筒开挖支护完毕后,由下至上进行浇筑。
期间如若进行井壁座开挖,在没有支撑体系或者支持体系不牢固的情况下,其相邻井壁座相对突出部位围岩受自身围岩破碎、松散、开挖爆破扰动、施工周期长、风化、渗水等因素影响,极易发生掉块甚至局部坍塌,造成严重质量安全隐患,及时支撑加固体系完善,其投入资金成本也很大。
为确保竖井施工安全,井壁座较常规正井法在开挖支护过程中暂不施工,均按正常段施工,待井身全部开挖支护完毕后浇筑二次衬砌混凝土时提前一模进行井壁座开挖施工。
充分利用井内安全防护盘作为井壁座施工操作平台及临时放渣场地,施工时按严格控制爆破炸药量进行弱爆破,以爆松围岩为目的,利用人工风镐进行修整成型。
图4.2.2井壁座开挖图4.2.2井壁座围岩支撑系统
井壁座开挖完成后及时喷射混凝土封闭岩面,按间距1m焊接Φ32螺纹钢连接井壁座相邻钢拱架(或锚杆),内侧围岩利用圆木加木楔进行支撑防护,防止掉块坍塌。
二次衬砌紧跟快速完成井壁座混凝土浇筑。
图4.2.3井壁座围岩支撑系统
4.3井下快速排、堵水施工技术
根据工程地质报告,竖井通过的地层主要为石灰岩、白云岩,部分地段夹泥岩、含有基岩裂隙水。
由于竖井采用正井法进行施工,且出水段多为围层裂隙段或破碎段,其井内排、堵水尤为关键,直接影响围岩稳定性,关系到施工质量及后期运营安全。
针对竖井正井法施工特性,结合相关地质情况及现场实际渗水、突水情况,在云山隧道1#竖井施工中采取两套施工水处理技术。
4.3.1渗水段水处理技术
云山隧道1#通风竖井开挖至K0+58时,井壁出现渗水现象,隧道开挖深度增加,渗水面随之增多,渗水受重力影响沿井壁汇聚至井底作业面,如不加处理,会越聚愈多,影响施工及围岩稳定性。
为确保在排水有效的前提下不影响施工质量、安全、进度,采取半导坑上下导开挖的作业方式。
上下导按垂直间距1m逐次进行开挖爆破,在上导坑施工时,相对下导坑为积水区,并在积水区上方开挖四分之一井壁座围岩,沿井壁座焊宽度50cm,高为井壁座高度的环形水箱作为沉渣滤水池,水箱内加设腹板,下方用木楔使之与岩面顶紧,并焊接Φ32螺纹钢连接水箱外壁及井壁座相邻钢拱架,确保围岩及支护稳定性。
利用低扬程水泵将井底会水抽至滤水池过滤后可作为高压施工用水,多余过滤水由高扬程水泵排除井外。
图4.3.1.1井下渗水处理示意图
4.3.2突水段水处理技术
竖井开挖至K0+112处时,井壁出现出水,最大达10.2m3/h,普通初期支护方法已无法对出水现象进行遏制。
为确保施工安全及工程质量,采用对竖井K0+112以下地段采用压力出水口快速封堵器焊接Φ42导管注双液浆止水。
图4.3.2.1压力出水口快速封堵引流装置构造示意图
图中:
1.岩壁2.水平地质探孔岩壁3.金属变形膨胀片4.螺母5.橡胶止水片6.钢管
7.喇叭口8.速凝封堵料9.控制阀门10.引流管
注:
该技术已获得国家知识产权局发明专利授权(专利号:
ZL201010594146.5)
快速封堵器安装于岩壁孔部位,与Φ42导管焊接,导管长度2m、3m交错布置,导管间距为100cm(环向)×100cm(纵向)进行布孔,水泥一水玻璃双液浆、单液水泥浆配比如下表。
表4.3.2.1水泥一水玻璃双液浆、单液水泥浆配比
裂隙类型(涌水量)
水灰重量比
水泥浆、水玻璃体积比
大
0.75:
1.00~0.60:
1.00
1.0:
0.3
中
1.00:
1.00~0.75:
1.00
1.0:
0.3
小
1.50:
1.00~1.00:
1.00
1.0:
0.5
图4.3.2.2应用快速封堵器双液浆止水施工
在注浆时,当涌水量很大时,为防止富水区水压对双液浆配比稀释影响,先利用7、8#注浆管快速封堵器排水阀门排水降压后再进行注浆,如若水压持续不降或者起伏不定,则视实际现场施工情况,持续开启快速封堵器阀门进行间孔注浆,待1~6#孔注浆封堵完毕后再依次对7、8#孔进行注浆封堵。
在注浆施工过程中要严格按配比进行浆液配制,依据壁后围岩进浆及井壁漏浆情况及时调整浆液种类、浓度和凝胶时间。
以确保注浆的质量。
经现场实际应用,较常规双液浆注浆在注浆孔封堵、涌水压控制、注浆质量方面效果明显。
4.4正井法多临空面水压爆破技术
竖井正井法全断面爆破开挖施工采用导爆管起爆针远程起爆多临空面水压爆破技术,其在整个竖井爆破开挖施工中效果及其明显,有效降低了爆破安全风险、控制了炸药用量、增加了循环进尺及爆破效果、降低了爆破粉尘浓度。
4.4.1导爆管起爆针远程起爆技术
图5.3.4.1.1起爆针+前置安全导爆管+传爆导爆管雷管
图4.1.2一次性导爆管起爆针图4.1.3高能脉冲起爆器
4.4.2多临空面爆破网络技术
由于正井法全断面开挖过程中,受水平环向应力影响,在以往竖井开挖施工中经常出现欠挖、爆后出现石渣粒径过大等现象。
在云山隧道1#竖井开挖施工中充分应用脚线长6m,满足深孔起爆要求的1、3、5、7、9段非电毫秒雷管组合2、3段非电半秒雷管,形成多临空面起爆网络。
表4.4.2.1秒延期导爆管雷管延期时间表
段别/类型
毫秒导爆管雷管(ms)
差值(ms)
1段非电毫秒雷管
0
50
3段非电毫秒雷管
50
60
5段非电毫秒雷管
110
90
7段非电毫秒雷管
200
110
9段非电毫秒雷管
310
190
2段非电半秒雷管
500
500
3段非电半秒雷管
1000
图4.4.2.1爆破网路布置及临空面示意图
装药结构及起爆顺序掏槽眼、辅助眼、周边眼采用反向装药结构。
起爆顺序:
从掏槽眼到辅助眼依次起爆,周边眼最末起爆,雷管从内向外逐次为1、3、5、7、9段非电毫秒雷管、2、3段非电半秒雷管起爆。
在爆破过程中3、4、5排炮眼形成形成4组,每组含有内向、两侧3个临空面共计12个临空面进行爆破,且在爆破过程中对向组爆破出的岩石可对向碰撞、挤压。
4.4.3水压爆破
借鉴目前国内成熟的水压爆破技术进行装药,先在炮孔内放入1节水袋垫底(约20cm),然后根据设计的单孔装药量装填炸药,炸药装好后,再装填4~3节水袋(60~80cm),最后装填炮泥堵塞封口。
图4.4.3.1水压爆破装药结构图
图4.4.3.2竖井井下开挖爆破作业
4.5出渣设备选型
目前竖井施工中大多采用HJ-6型中心回转式抓岩机装岩。
本竖井前30m的施工过程中,采用中心回转式抓岩机装岩,发现此种方式无法实现快速、安全施工。
后采用小型挖掘机进行装岩。
并对这2种装岩设备的各项指标进行了比较,得出挖掘机装岩,无论是装岩效率还是使用成本等都远远优于前者。
图4.5.1抓岩机与挖掘机工作图
表4.5.1装岩设备比选
比选项目
装岩设备
HZ-6型中心回转式抓岩机
CT45-7A型小型挖掘机
装岩效率
低
为抓岩机的2倍
设备故障率
高
低
驾驶成本
配备4名司机,月支出4万元
配备2名司机,月支出2万元
设备悬吊
保护盘荷载增大,使用稳车3台
地面增加稳车2台
清底
人工清底,抓岩机配合
挖机清底
锁口盘及双层保护盘直径为9.1m.其盘面设置2个提升口,并相对盘中心对称布置。
鉴于盘的加工难度、提升稳定性、挖掘机在井底的工作区域及吊桶的提升等要求,所选用的挖掘机长度不可超过6m,挖掘半径不得小于5m。
表4.5.2CT45-7A挖掘机外形尺寸参数
中文名称
参数
中文名称
参数
动臂长度
2650mm
尾部回转半径
1600mm
斗杆长度
1600mm
配重离地距离
585mm
平台宽度
1500mm
导向轮驱动轮轴距
1710mm
底盘宽度
1630mm
最小离地间隙
350mm
司机室高度
2455mm
运输长度
5560mm
4.6节能环保型通风机的选型
根据井下供需求,通风机选型应满足Q机>Q供,H机>H全压
选用6档型双机DSF-Ⅱ型隧道专用对流旋通风机,其参数为电机功率为2×38kw,高效风量为1333.3m³/min>1264.2m³/min(需供风率);全压为2320pa>1522.9pa(需供风压),均满足通风需要;直径选为1.0m的阻燃胶皮风筒,采用压入式通风。
在竖井正井法施工过程中,根据开挖累计进尺深度,采取及时调整风机档位,合理、高效、节能的供风方案。
表4.6.1DSF-Ⅱ型通风机工作档位参数
单机
档位
开挖深度
双机
档位
开挖深度
一
<40
一
<120
二
<80
二
<170
三
<100
三
<240
5创新点
5.1井架根据竖井直径及施工场地情况采用重复率高的煤矿IVG改进型井架,其天伦平台、绞车钢丝绳布设灵活便捷,由钢管杆件组成,便于装卸和运输;
5.2井壁座安全施工技术,井壁座在二次衬砌混凝土施工时提前一模进行开挖施工。
避免其在先开挖后施工过程中发生掉块、坍塌的质量安全隐患,减少临时支撑资金成本投入;
5.3井下快速排、堵水施工技术,针对竖井正井法施工特性,渗水段采取半导坑上下导开挖,利用下导坑作积水区,井壁座设置滤水箱,进行环保节能排水;涌水段利用采用压力出水口快速封堵器焊接Φ42导管注双液浆止水,注浆过程中充分利用快速封堵器的特点,及时通过排、堵水调整围岩富水区水压,提高注浆质量。
5.4应用正井法多临空面水压爆破技术,通过采取导爆管起爆针远程起爆多临空面水压爆破网络,减小竖井开挖面水平环向应力影响,避免欠挖、爆后渣粒径大等现象。
有效降低爆破安全风险、控制炸药用量、增加循环进尺及爆破效果、降低爆破粉尘浓度,提高经济效益。
5.5采用小型挖掘机装岩,充分利用小型挖掘机在大直径竖井中工作的优势,较中心回转抓岩机提高工作效率、降低安全风险;
5.6选用合理、高效、节能供风技术,根据正井法开挖深度所需供风量(压),及时调整多档型通风机工作档位。
6效益分析
6.1井架采用重复用率高的煤矿IVG型井架改进,便于装、卸和运输,减少设备资金投入;
6.2井壁座安全施工技术,避免了掉块、坍塌安全风险,减少了临时支撑资金设备投入;
6.3井下快速排、堵水施工技术,采取半导坑上下导开挖,不影响整体施工进度,利用井壁座设置滤水箱提供施工用水,节能、环保,涌水段利用快速封堵器调整围岩富水区水压,提高注浆质量,减少不必要的浆液浪费,提高经济效益。
6.4应用正井法多临空面水压爆破技术,有效降低爆破安全风险、炸药用量、粉尘浓度,增加了循环进尺、爆破效果、经济社会效益可观。
7.5中心回转抓岩机在大直径竖井施工时,存在摆度较大极易伤人且抓渣周期较长、清底不彻底等弊端,在直径大于5米的竖井施工中采用小型挖掘机代替中心回转抓岩机进行装岩,能有效降低安全风险,加快施工进度;
7.6根据正井法开挖深度所需供风量(压),及时调整多档型通风机工作档位,减小不必要的能源浪费,提高经济效益。
7.7竖井施工安全措施尤为重要,采取封口盘、保护盘、工作盘在一定程度上是确保竖井安全施工的首要保证。
7推广应用情况
本技术在和榆高速公路特长隧道云山隧道1#竖井施工中实践及运用,应用情况良好:
1)施工进度大大提高:
较原传统煤矿立井施工开挖、出渣、二次衬砌施工进度大有提高,仅8个月完成220.4m深的竖井开挖支护任务。
2)保证了工程质量:
应用该技术施工完成的所有工程优秀合格率100%。
3)保证了施工安全:
在竖井施工过程未发生任何一起安全、质量事故。
该技术适用于公路长大隧道中7-9.5m净径,深度在100m以上的深大竖井工程,其井架设备选型、井壁座安全施工、井下快速排、堵水、正井法多临空面水压爆破等创新技术经过实践及运用,具有良好的效果,在后续类似施工有很好的借鉴作用,具有广阔的推广应用前景。
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