环境敏感区或空间受限条件下的竖井建造方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种环境敏感区或空间受限条件下的竖井建造方法。


背景技术：

2.对于高速公路、铁路等相关行业内的特长山岭隧道，在施工过程中会遇到因增加作业面而需要设置施工辅助通道，或为了隧道在后续运营期间通风排烟而设置通风排烟通道，这类型通道一般是在隧道上方开挖竖井，连接地面与地下公路、铁路隧道，形成通道。开挖竖井的过程中，在进行井口的场地建设时，容易造成井口地表周边大面积的环境破坏，还存在着需要建设数公里甚至数十公里的进场运输道路，也会破坏沿途的地表环境。
3.近年来随着国家环境保护、国土资源集约程度的提高，对于一些环境敏感区域，比如自然生态保护区，当根据山体地形地貌条件计算，得到理想的竖井井口位置正好位于自然保护区内时，直接开挖竖井会造成自然保护区内大面积的环境破坏。又比如竖井井口位置上方的地势陡峻、空间受限，竖井井口位置下方岩体存在断层破碎带这类型的特殊环境条件，直接开挖竖井施工困难。
4.因此，现在亟需一种可以在环境敏感区、空间受限条件下，进行竖井建井、连通地面与地下隧道的建井方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种环境敏感区或空间受限条件下的竖井建造方法，以解决现有技术中存在的在环境敏感区、空间受限条件下，建设竖井连通地面与地下隧道施工困难的技术问题。
6.本发明采用的技术方案如下：第一方面，提供了一种环境敏感区或空间受限条件下的竖井建造方法，
7.在第一种可实现方式中，包括以下步骤：
8.根据斜井井口位置开挖第一段斜井，开挖至第一深度；
9.接第一段斜井，在第一深度处转为水平向开挖检修及施工辅助通道，开挖至竖井操作区预设位置；
10.接检修及施工辅助通道，在竖井操作区预设位置处进行竖井操作区上部区域的开挖及支护；
11.接第一段斜井底部继续斜向下开挖第二段斜井，开挖至第二深度，第二深度与竖井操作区下部区域的底板标高一致；
12.接第二段斜井，在第二深度处转为水平向依顺次开挖平硐、竖井操作区下部区域、横洞操作区；
13.从竖井操作区上部区域的侧墙斜向下钻卷绳斜孔，钻至横洞操作区；
14.从竖井操作区上部区域的底部向下钻临时溜渣孔，钻至竖井操作区下部区域；
15.从竖井操作区上部区域向下开挖，开挖至竖井操作区下部区域；开挖过程中产生的洞渣经临时溜渣孔下到竖井操作区下部区域，再经平硐、第二段斜井、第一段斜井出渣；
16.在竖井操作区布置竖井区段施工所需的辅助装置和设备；
17.从竖井操作区下部区域底部向下开挖竖井区段，开挖至连通地下隧道。
18.由第一种可实现方式的技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：可以绕开环境敏感区以及空间受限条件，直接在地下空间山体内进行竖井建井、连通地面与地下隧道。
19.结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，竖井操作区上部区域的支护，包括：
20.绑扎岩锚钢筋按照设计的岩锚形状现浇混凝土，待混凝土达到设计强度后钻孔安装砂浆锚杆固定岩锚。
21.结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，横洞操作区作为提升设备的固定及操作工区，平硐作为进料及出渣通道。
22.结合第一种可实现方式，在第四种可实现方式中，竖井操作区上部区域的侧墙位置设置有锥形岩锚；
23.钢筋砼横梁与锥形岩锚相连接，钢筋砼横梁上设有导轨；
24.行走桁架与导轨通过滚轮可滑动连接，行走桁架的中部设有天轮；
25.天轮与绞车配合使用，通过钢绳升降工作吊盘。
26.结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，从竖井操作区底部向下开挖竖井区段，开挖至连通地下隧道，包括：
27.在竖井操作区底部、竖井中心位置，由上至下钻一个先导孔，钻到与地下隧道相通；
28.再由下至上对先导孔进行扩孔，直至竖井顶部，形成竖井溜渣孔；
29.在竖井操作区底部按照设计开挖的竖井轮廓线进行钻眼、爆破，通过竖井溜渣孔和地下隧道出渣；
30.对竖井井壁进行外层支护，拼装铺挂波纹钢板固定在井壁上；
31.按照钻眼、爆破、出渣、外层支护的循环作业顺序，逐步向竖井井底方向掘进；每掘进到一个预设单位深度时，在竖井井壁上安装预制壁座；
32.当开挖至竖井井底、与地下隧道连通后，贴合波纹钢板由下至上以拼接方式安装预制钢筋混凝土管片，直至竖井顶部。
33.由第五种可实现方式的技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：采用波纹钢板与预制钢筋混凝土管片双层支护加中间缓冲层的结构，施工时可以直接快速拼装，快捷安全、质量可控。
34.结合第五种可实现方式，在第六种可实现方式中，上层波纹钢板的底边和下层波纹钢板的顶边采用螺纹锚栓连接，波纹钢板与围岩之间采用注浆充填密实。
35.结合第五种可实现方式，在第七种可实现方式中，预制壁座预留孔洞，预制壁座的梯形壁座上截面与预制钢筋混凝土管片等厚度，预制壁座的底部截面宽度向周边扩展长度；
36.预制壁座在靠近预制钢筋混凝土管片的两端头部位预留环向连接孔；采用螺纹锚栓将多个预制壁座连接闭合成环，沿周边环向打入锚杆。
37.结合第五种可实现方式，在第八种可实现方式中，预制钢筋混凝土管片为空腔结构，内缘为圆弧形状，外缘为波浪形，与波纹钢板的波高相匹配；
38.预制钢筋混凝土管片在水平和竖直方向分别设置环向和竖向连接孔，采用螺纹锚栓连接闭合成环，端头设置弹性密封垫。
39.结合第五种可实现方式，在第九种可实现方式中，预制钢筋混凝土管片与波纹钢板之间铺设无纺布。
40.第二方面，提供了一种竖井，用于连接地面与地下隧道，采用第一到第九种可实现方式中的任意一种环境敏感区或空间受限条件下的竖井建造方法进行建设。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
42.图1为本发明实施例1的竖井施工平面示意图；
43.图2为本发明实施例1的竖井操作区呈直立哑铃状开挖示意图；
44.图3为本发明实施例1的竖井操作区平面示意图；
45.图4为本发明实施例1的竖井施工设备布置示意图；
46.图5为本发明实施例1的竖井区段开挖示意图；
47.图6为本发明实施例1的竖井外层衬砌结构示意图；
48.图7为本发明实施例1的竖井外层衬砌波纹钢板拼装示意图；
49.图8为本发明实施例1的竖井井壁安装预制壁座的示意图；
50.附图标记：
51.1-第一段斜井，2-检修及施工辅助通道，3-竖井操作区，31-竖井操作区上部区域，32-竖井操作区中部区域，33-竖井操作区下部区域，4-第二段斜井，5-平硐，6-横洞操作区，7-卷绳斜孔，8-临时溜渣孔，9-竖井区段，11-地表面，12-地下隧道，h1-第一深度，h1-第二深度，h1-第三深度；
52.311-锥形岩锚，312-钢筋砼横梁，313-行走桁架，314-导轨，315-滚轮，316-天轮，317-绞车，318-钢绳，319-工作平台；
53.911-钢筋网，912-混凝土填充层，913-锚杆，914-螺纹锚栓，915-预制壁座，916-波纹钢板，917-预制钢筋混凝土管片，918-弹性密封垫。
具体实施方式
54.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
55.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
56.实施例1
57.在竖井建井开挖之前，需要根据设计施工文件和现场实地地勘的情况，确定竖井
与地下隧道的连接位置，以及斜井开挖井口位置。斜井开挖井口位置可选于环境敏感区之外，同时避开空间受限的特殊环境条件。对于确定竖井与地下隧道的连接位置，以及斜井开挖井口位置，可采用现有技术中任意一种可实现的方式实施。
58.当位置确定后，在竖井建井实际施工时，还需要在地下岩土层中、竖井向下开挖处的上方，设置一个竖井操作区，给施工设备提供工作、周转空间，以及为进料及出渣提供操作空间。目前根据实际工程的需要，竖井操作区的高度通常是15-30m，竖井操作区的面积大于竖井的截面积。
59.结合以上说明，如图1所示，竖井建井方法包括以下步骤：
60.s1、根据斜井井口位置开挖第一段斜井，开挖至第一深度。
61.在选定的斜井开挖井口位置进行第一段斜井开挖，第一段斜井开挖到第一深度，如图1中的第一段斜井1。在具体的实施方式中，第一深度为图1中标高h1位置，优选的，h1为从竖井操作区3拱顶向下7-15m处位置，为开挖竖井操作区留好施工操作空间。
62.s2、接第一段斜井，在第一深度处转为水平向开挖检修及施工辅助通道，开挖至竖井操作区预设位置。
63.如图1中，在第一深度标高h1处，接第一段斜井向往水平方向开挖检修及施工辅助通道2，开挖至设计施工文件中竖井操作区所在的预设位置。
64.开挖的检修及施工辅助通道，可以在下一步骤中，竖井操作区上部区域在开挖施工时，为进料及出渣提供通道。
65.s3、接检修及施工辅助通道，在竖井操作区预设位置处进行竖井操作区上部区域的开挖及支护。
66.接第一段斜井，在应设竖井操作区的预设位置处，开挖出竖井操作区上部区域31。如图1所示，挖好的竖井操作区上部区域底板处于第三深度，即h3标高位置，竖井操作区上部区域的顶部优选为一圆形拱顶。
67.因竖井操作区上部区域需要安装钢筋砼横梁，所以竖井操作区上部区域支护采用如下方式：绑扎岩锚钢筋按照设计的岩锚形状现浇混凝土，待混凝土达到设计强度后钻孔安装砂浆锚杆固定岩锚，优选的，砂浆锚杆的长度选为12m。
68.s4、接第一段斜井底部继续斜向下开挖第二段斜井，开挖至第二深度，第二深度与竖井操作区下部区域的底板标高一致。
69.第一段斜井从第一深度标高h1位置继续斜下开挖，开挖至第二深度标高h2位置，h2与竖井操作区下部区域的底板标高一致，形成第二段斜井4。
70.s5、接第二段斜井，在第二深度处转为水平向依顺次开挖平硐、竖井操作区下部区域、横洞操作区。
71.第二段斜井开挖好后，在第二深度标高h2处，接第二段斜井转为水平向，开挖平硐5，平硐挖好后继续在水平向往前开挖竖井操作区下部区域33，竖井操作区下部区域33挖好后继续在水平向往前开挖横洞操作区6。如图1所示，挖好的横洞操作区6、竖井操作区下部区域33和平硐5依顺次相连通。在具体的实施方式中，平硐、横洞操作区的宽度不小于5m，便于工程设备进、出。
72.s6、从竖井操作区上部区域的侧墙斜向下钻卷绳斜孔，钻至横洞操作区。
73.到竖井操作区上部区域31，如图1所示，从该区域的底板h3标高处，在侧墙位置倾
斜向下钻孔，该孔为卷绳斜孔，用于后续竖井开挖时绞车和天轮之间的卷绳走线。卷绳斜孔将竖井操作区上部区域与横洞操作区连通，在具体的实施方式中，卷绳斜孔直径为0.8-1m。
74.s7、从竖井操作区上部区域的底部向下钻临时溜渣孔，钻至竖井操作区下部区域。
75.在竖井操作区上部区域的底板h3标高位置钻孔，该孔为临时溜渣孔8，临时溜渣孔将竖井操作区上部区域与竖井操作区下部区域连通，在具体的实施方式中，临时溜渣孔直径为1-1.2m。钻出的临时溜渣孔，可以在下一步骤中，竖井操作区中部区域在开挖施工时，为进料及出渣提供通道。
76.s8、从竖井操作区上部区域向下开挖，开挖至竖井操作区下部区域；开挖过程中产生的洞渣经临时溜渣孔下到竖井操作区下部区域，再经平硐、第二段斜井、第一段斜井出渣。
77.在本步骤中，从竖井操作区上部区域向下开挖，开挖至竖井操作区下部区域，形成竖井操作区中部区域32，竖井操作区中部区域连通竖井操作区上部区域、下部区域。
78.有了临时溜渣孔8，在开挖过程中产生的洞渣，在自重力的作用下，可以很容易的经临时溜渣孔下到已经开挖好的竖井操作区下部区域，再经平硐、第二段斜井、第一段斜井出渣；而不需要将洞渣向上运输到检修及施工辅助通道2中出渣，节约施工时间和施工成本。
79.通过步骤s1-s8，可以在地表以下、地下隧道的上方开挖形成一个竖井操作区，作为接下来进行竖井区段开挖施工的操作平台。如图3所示，竖井操作区与平硐在水平面上的投影呈“十”字型平面。竖井操作区的侧壁分别对称布置两对岩锚，横洞操作区作为提升设备的固定及操作工区，平硐作为进料及出渣通道，竖井操作区的左右侧功能分区明确，整体结构受力均衡。
80.竖井操作区呈直立哑铃状开挖，竖井操作区的开挖步序总结如下：先开挖竖井操作区上部区域、再开挖下部区域，最后通过上、下区域的溜渣洞开挖中部区域。
81.在具体的实施方式中，上述步骤开挖形成的各部分结构如下：
82.第一段斜井及第二段斜井：圆拱 直墙形状；
83.平硐：圆拱 直墙形状；
84.横洞操作区：圆拱 直墙形状，布置提升绞车、稳车等提升设备和工作人员作业区域。
85.竖井操作区：三心圆拱 直墙形状。
86.在具体的实施方式中，第一段斜井及第二段斜井、平硐、横洞操作区和竖井操作区中部区域、下部区域在开挖的过程中需要支护，支护方式具体如下：为提高断面出渣利用率，主要采用锚杆、喷混泥土、钢筋网临时支护；后期可增加一层二衬钢筋混凝土衬砌结构作为永久衬砌，增强结构安全储备。斜井、平硐及竖井操作区的临时支护参数举例说明：如下：
87.φ8钢筋网，@25
×
25cm；
88.20b(18)工字钢拱架，@1m；
89.φ22砂浆锚杆，l＝3.0m(4.0m)，@1.5m；
90.26cm厚c30钢纤维喷射混凝土。
91.s9、在竖井操作区布置竖井区段施工所需的辅助装置和设备。
92.如图3所示，在竖井操作区上部区域的侧墙位置，设置4个锥形岩锚311，锥形岩锚311给钢筋砼横梁312及行走桁架313提供支撑。岩锚设计成锥形，可增大锥形体混凝土与边墙岩面的接触面积，斜面设置有利于提高结构竖向承载能力。在具体的实施方式中，岩锚为c35钢筋混凝土，采用12m长φ36砂浆锚杆锚固进深部围岩之中，以便充分利用围岩的深部抗拉能力。钢筋砼横梁312有2根，2根钢筋砼横梁上分别各设有1根导轨314，行走桁架313与导轨314通过滚轮315可滑动连接。行走桁架313的中部设有天轮316，天轮316与绞车317配合使用，通过钢绳318来升降工作吊盘319；在具体的实施方式中，工作吊盘319为一金属圆形平台。
93.s10、从竖井操作区下部区域底部向下开挖竖井区段，开挖到与地下隧道连通。
94.如图4、图5所示，在布设好竖井区段施工所需的辅助装置和设备后，接下来进行竖井开挖，开挖到与地下隧道连通，具体如下：
95.s10-1、在竖井操作区底部、竖井中心位置，由上至下钻一个先导孔，一直钻到与地下隧道相通。
96.在具体的实施方式中，先导孔使用反井钻机进行施工，先导孔的直径为12cm。
97.s10-2、再由下至上对先导孔进行扩孔，直至竖井顶部，形成竖井溜渣孔。
98.在具体的实施方式中，当钻出先导孔后，反井钻机换上130cm的扩孔刀盘，由下至上对先导孔进行扩孔，直至竖井顶部，形成直径为130cm的竖井溜渣孔。
99.s10-3、在竖井操作区底部按照设计开挖的竖井轮廓线进行钻眼、爆破，通过竖井溜渣孔和地下隧道出渣。
100.在竖井操作区底移开反井钻机，按照设计开挖的竖井轮廓线进行钻眼爆破。每次爆破后井内的洞渣从竖井溜渣孔落到地下隧道中，通过地下隧道内的施工车辆出渣。
101.s10-4、对竖井井壁进行外层支护，拼装铺挂波纹钢板固定在井壁上。
102.在具体的实施方式中，出渣完成后对竖井井壁进行外层支护时，如图6所示，先挂钢筋网911，钢筋网优选为φ6钢筋网，@20*20cm；再喷射混凝土，混凝土优选为8cm厚c30钢纤维喷射混凝土；对于局部破碎的区域采用锚杆913进行局部围岩加强，锚杆优选为3.5m长φ22锚杆；最后组装铺挂波纹钢板，打设锚杆913将波纹钢板916固定在竖井井壁上，锚杆优选为1.5m长φ22锚杆。
103.在上述方式进行支护后，竖井的外层衬砌为波纹钢板拼装结构，竖井井壁环向一圈的波纹钢板分成3-5段，采用高强度螺纹锚栓914连接闭合成环，上层波纹钢板的底边和下层波纹钢板的顶边采用高强度螺纹锚栓914连接，波纹钢板与围岩之间采用注浆充填密实。波纹钢板的拼装示意图如图7所示，波纹钢板采用波高140mm，波距380mm，波纹管管材用q345加工成型，表面为热浸镀锌。
104.s10-5、重复步骤s10-3、s10-4，逐步向竖井井底方向掘进；每掘进到一个预设单位深度时，在竖井井壁上安装预制壁座。
105.在工作吊盘上，按照钻眼-爆破-出渣-外层支护的循环作业顺序，逐步向井底掘进。当向下掘进一个预设的单位深度，比如30-50m时，扩大爆破断面，向外掏槽1.5m，吊下预制壁座，预制壁座预留孔洞，预制壁座的梯形壁座上截面与预制钢筋混凝土管片等厚度，预制壁座的底部截面宽度向周边扩展一定长度，以确保壁座的嵌岩锚固能力，扩展的长度优选为1.5m。壁座的环向连接方式与预制钢筋混凝土管片相同，在靠近预制钢筋混凝土管片
两端头部位预留环向连接孔，采用高强度螺纹锚栓将各个壁座连接闭合成环，沿周边环向打入锚杆，将预制壁座与竖井井壁的围岩固定牢固，锚杆优选为3.0m长φ25锚杆。在竖井井壁上安装预制壁座的示意图如图8所示。
106.本步骤在竖井井壁上安装预制壁座，是为了分担后续安装预制钢筋混凝土管片后，多个预制钢筋混凝土管片在竖向上产生的重量。
107.s10-6、当开挖至竖井井底、与地下隧道连通后，贴合波纹钢板由下至上以拼接方式安装预制钢筋混凝土管片，直至竖井顶部。
108.贴合波纹钢板由下至上安装预制钢筋混凝土管片，竖井的内层衬砌结构为预制钢筋混凝土管片拼装闭合的环形结构。预制钢筋混凝土管片内缘为圆弧形状，外缘为波浪形，与波纹钢板的波高相匹配。预制钢筋混凝土管片与波纹钢板之间铺设无纺布，作为两个硬壳结构的缓冲层。
109.在具体的实施方式中，预制钢筋混凝土管片厚度优选为35-50cm。单块预制钢筋混凝土管片的环向长度优选为竖井周长的1/5，高度取1.5m。预制钢筋混凝土管片为空腔结构以减轻重量。预制钢筋混凝土管片在水平和竖直方向分别设置环向和竖向连接孔，采用高强度螺纹锚栓连接闭合成环；预制钢筋混凝土管片端头加装弹性密封垫918防水。
110.通过上述技术方案，可以绕开环境敏感区以及空间受限条件，直接在地下空间山体内进行竖井建井、连通地面与地下隧道。
111.同时，现有竖井建井时，对于复杂地层一般采用复合式衬砌结构，复合式衬砌结构即：初期支护，包括锚杆、喷射混凝土、钢筋网和钢格栅/工字钢架，二次衬砌进行模筑现浇钢筋混凝土。复合式衬砌存在初支锚喷作业工序多，二衬钢筋绑扎时间长，现浇混凝土质量不好控诸多问题。采用步骤s10方法建好的竖井，竖井结构为永久衬砌，采用波纹钢板与预制钢筋混凝土管片双层支护加中间缓冲层的结构，施工时可以直接快速拼装，快捷安全、质量可控。
112.本发明适用于环境敏感区、自然生态保护区、特殊环境条件或地形地貌等受限空间条件下高速公路、铁路等相关行业内，建设竖井连接地面与地下隧道，解决隧道通风排烟、辅助施工或其他特殊需求。
113.实施例2
114.本实施例提供了一种竖井，用于连接地面与地下隧道，采用实施例1中提供的环境敏感区或空间受限条件下的竖井建造方法进行建设。
115.建好的竖井，在建井过程中形成的检修及施工辅助通道，可用于地下隧道通风的辅助备用通道，当平硐出现意外情况堵塞后，地下隧道仍然可以经检修及施工辅助通道与外界通风。
116.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。