煤矿凿井工艺在高速公路特长隧道深孔大直径通风竖井施工中的应用

于 杰

甘肃省公路建设管理集团有限公司 甘肃兰州 730030

平天高速公路是平凉至绵阳国家高速公路联络线（G8513）的重要组成部分，关山隧道属于平凉（华亭）至天水高速公路的重点控制性工程。关山隧道设计为分离式双向四车道，设计时速80km/ h，建筑限界净宽10.25m，净高5.0m。隧道左线全长9585m；右线全长9650.944m。隧道采用“右线斜井+ 竖井纵向式通风方案，左线竖井分段纵向式通风方案”，左右线共用竖井，竖井采用隔板将送、排风道分隔。

关山隧道竖井位于YK80+116 右侧63m 处，竖井地面高程2345m、井深339m、内径10.8m，最大开挖外径13.82m。井身围岩主要为冲洪积碎石土、砂岩、砂岩夹泥岩，V 级围岩60m，Ⅳ级围岩279m。竖井支护结构为钢拱架喷锚支护+ 防水板+ 模筑混凝土二次衬砌，中隔板为C30 钢筋混凝土结构。竖井与关山隧道主洞通过4 条联络通道联通。

1 工程难点及方案的选择

1.1 工程难点

（1）深度深：竖井施工需采用复杂的垂直提升设备，施工进度较慢。《公路隧道通风设计细则》（JTG/ T D70/ 2- 02—2014）要求通风竖井深度不宜超过300m；当竖井深度超过300m 时，宜结合路线选择、施工安全等进行专题论证。关山隧道竖井深度达339m，给现场施工工艺提出了很高的要求。

（2）直径大：直径达12m 以上的超大直径竖井凿井技术还不是很成熟，而且关山隧道竖井围岩以Ⅳ级、V 级围岩为主，开挖容易坍塌，在质量管控、安全防护上要求很高，施工难度大。

（3）工期紧：受关山隧道通风方案调整等因素的影响，竖井开始施工时间比隧道正洞晚了2 年，如果施工方案选择稍有不妥，将直接影响竖井无法按期完工。

1.2 施工方案的选择

竖井施工方法有两种：一种是全断面开挖法；另一种是导井开挖法。全断面开挖法通常是自上向下开挖，条件许可时也有自下向上开挖；导井开挖法是在竖井中先行开凿一个小口径先导孔，再扩挖竖井的施工方式，有正井（自上向下开挖导井）、反井（自下向上开挖导井）或正反井结合法。导井与主洞贯通后，自上向下开挖竖井可利用导井由正洞出渣。

对于关山隧道而言，主隧道后于竖井建成。由于竖井底部不具备出渣条件，关山隧道竖井只能选择正井法（全断面向下开挖）进行施工。

2 主要施工工艺及关键技术

正井法又称全断面向下开挖法，即在井口布置提升设备，伞钻结合人工钻凿岩，井底挖掘机装碴，双绞车提升吊桶总动翻碴，“一掘一支护”初支作业直至井底。初期支护的主要形式为锚杆、钢筋网、钢拱架和喷射砼。施工工艺流程如图1 所示。

图1 竖井正井法施工工艺流程图

为确保施工顺利进行，现场施工按照均衡、高效的原则，合理配置了施工机械以满足作业面的施工需求，具体配置见表1。

表1 主要施工机械设备配备表

2.1 关键技术

（1）提升系统：V(G)型井架1 座（图2），天轮平台高度26.364m，天轮平台平面尺寸7.5m×7.5m（梁中），跨距16.0m×16.0m，总重72.4t。主提升选用JK- 2.8/ 15.5 型提升机，配1 套单钩用于5m3吊桶提升，座钩式自动翻碴，最大提升速度为5.48m/ s、最大提升重量15t，额定功率为1000kW。副提升选用JK- 3/ 20 型提升机，配1 套单钩用于5m3吊桶提升，座钩式自动翻碴，最大提升速度为4.56m/ s、最大提升重量13.5t，额定功率为800kW。

图2 V(G)型井架

（2）八臂伞钻：钻眼所用的XFJD8- 12 八臂伞钻（图3）适用于钻凿φ6～12.5m 井径的各种立井井筒。该机液压站由气动马达驱动油泵供油，每个油缸在进出口都安装了液压锁，能够实现各油缸准确定位；动臂和推进器刚性好，再加上采用平行移动机构，提高了钻凿炮眼的精度和效率，同时减轻了工人体力劳动；采用油缸—钢丝绳推进型式，具有推进力大小可调、拨钎力量大、工作平稳等优点，可以满足工作面不同岩石硬度的要求。

图3 八臂伞钻

（3）测量放样：采用全站仪在封口盘上确定井筒中心，井下测量采用垂线法。

（4）伞钻打眼：打眼过程中，随时观察岩石变化及排粉情况，并根据钎头转动速度和凿岩机上下跳动情况，判断打眼是否正常。打眼时，小风量开动回转马达及凿岩机冲击部分，不可开动太猛太快，以免眼位偏斜。根据定好的眼位钻入岩石后，加大风门，将手柄推至最大给风位置，冲击部分根据岩石的软硬情况，并随时调整风量避免卡钎。

（5）出碴作业：下吊两台CX75 型装载机在工作面装岩，两个5.0m3吊桶出碴，通过地面两台提升机提到地面，出碴完成后立即进行初期支护。

（6）设备检查、维修：设置专门检查、维修设备的机电工班，每天对供电、通风、提升悬吊、排水、信号照明五大系统进行安全检查，确保提升安全。

2.2 技术创新点

（1）通过采用凿井专用“大提升机”，配“大吊桶”出碴、“大伞钻”进行深孔爆破作业的“三大一深”施工工艺，大大加快了现场施工进度，保障了现场施工安全及施工质量。

（2）通过在井口安装LED 显示屏，在井底、井口、翻矸台、主副提绞车房配备视频监控系统，在井下、井口与绞车房之间配备通话装置，实现对井上、井下施工安全和工程质量的24h 监督管控。

（3）定制了5m3的大吊桶，相较于传统的4m3吊桶，每次提升量更大，出碴速度更快，工效更高。

3 效益分析

（1）进度效益：历时188d 完成井筒掘进319m（不包括井口的锁口13m 和井底有马头门的7m），日进尺达1.7m。与采用传统的提升机、手持式凿岩机进行洞身开挖施工相比，节约工期3 个月。

（2）成本效益：开挖初支施工人员34 人、辅助人员37人，总计71 人，较其他工法减少人员20 人左右，降低了人工费成本。初期支护每月进尺可达51m，较其他工法每月多10～20m，提高了工效，降低了各项管理成本。

4 结语

关山隧道竖井施工实践证明，采用煤矿凿井设备及工艺进行高速公路特长隧道深孔大直径通风竖井施工具有机械化程度高、施工速度快、安全系数高等优势，很好地解决了工程难点，为类似工程提供了借鉴和参考。但是，还未达到标准化、通用化、系列化、移动化的发展要求，还需要进一步改进、提高性能及其利用率，通过施工工艺的合理配套及设备的科学组合使其具有更高的自动化水平和更大的使用范围。