特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究
特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究
1．前言
现代城市地下空间建筑的出现,一般以1863年英国伦敦建成的世界第一条地下铁道为标志，大规模开发利用城市地下空间是近半个世纪才开始的。到上世纪60～70年代，地下空间的利用已到达空前规模，在一些发达国家地下空间的开发总量已达数千万到数亿立方米，地下空间资源的开发利用已成为现代城市可持续发展的必然途径。近年来随着社会城市化进程的加快和城市人口的高度集中，交通拥挤和人流混杂现象是现代都市最为突出的矛盾，地下交通工程的开发建设成为解决这一问题的必然趋势。到90年代初，世界上已有近百个城市修建了地下铁道，线路总长达3000多公里，长10km以上的就有41条。我国地铁始于1965年北京地铁的修建，1971年投入运营，首期工程全长22.4km，随后天津、上海、香港等城市也相继开始了地下交通工程的建设。目前我国共有100万以上人口的城市33个，其中有22个城市正在积极规划、筹建、扩建地铁和轻轨。根据国家经济发展规划,21世纪前期,我国地下交通工程建设必将达到空前规模。
由于新技术、新材料的广泛采用，先进施工机具的不断问世，各种施工方法的改进，以及工程地质学、岩土力学、工程力学理论研究的新进展，地下交通大断面化、长距离化、深层化的特点越来越突出。随着我国对地下交通空间开发利用的不断发展，城市地铁和长大公路、铁路隧道修建日益增多。对于长大地下通道，通过修建深大竖井作为解决物流运输、缩短工期、加快建设速度，控制地表沉降变形等问题的有效手段，在工程实践中得到广泛应用。武广客运专线浏阳河隧道工程是目前国内最长的下穿城市双线铁路隧道。该隧道全长10.115km，设计采用了3个竖井和1个斜井的施工方案，其竖井净空尺寸为8×16.8m，最大井深为54.85m。本工程具有“标准高、距离长、断面大、埋藏深、围岩软、工期紧”等六个方面的建设特点。通过增设竖井的方法, 增加工作面，加快工程进度，对于安全快速完成本工程的建设具有重大现实意义。
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2.工程概述 2.1.工程概况
武广客运专线是我国铁路目前开工建设线路里程最长、技术标准最高的客运专线，线下工程按最高时速每小时350公里设计，设计使用年限100年。浏阳河隧道工程起于潇湘西路南侧，在穿越京珠高速与长永高速立交的牛角冲互通立交后，通过星沙开发区的厂区密集群、高地学校区与民房区后下穿浏阳河，终于机场高速南侧。起止里程为DⅡK1560+785～DⅡK1570+900，全长10115m,共设三个竖井及一个斜井。
2.2.竖井结构
1#竖井中心里程为DⅡK1563+550，位于线路中心正上方，矩形平面。竖井净空尺寸8×16.8m，深度为50.07m。本竖井承担施工任务向南682m，向北530m，共计1212m。
2.3.地质情况
隧道洞身主要经过强～弱风化泥质粉砂岩、钙质砂岩及砾岩、砂砾岩等，岩体完整，隧道风化岩厚度大于15m。岩石遇水易软化崩解、易风化，围岩分级Ⅳ～Ⅴ级，Ⅳ级围岩长度为522m，Ⅴ级围岩长度为690m。
3.工程特点、重点及难点
浏阳河隧道工程的主要特点可以概括为长、大、深、软、紧、难等6个方面:
(1)长，隧道暗洞全长10115 m，属于国内特长铁路隧道；
(2)大，是客运专线双线隧道，洞内线间距按5m布设，开挖宽度最大超过16m，开挖高度超过13m，断面积超过160 m2，属特大断面隧道，是国内铁路区间隧道所少见的；
(3)深，施工竖井深达50.07米，与一般地铁施工竖井比较，提升高度和出碴能力差别很大；
(4)软，隧道穿越地层多为泥岩、泥质砂岩和砂质泥岩等Ⅳ～Ⅵ级软弱围岩，除个别地段风化不均匀，地下水可能渗出外，多数围岩的渗透系数小，是良好的阻水地层，对大跨度断面的稳定极为不利；
(5)紧，按武广客运专线的要求，工期十分紧迫，必须采取多分段(即长隧短打，被4个辅助坑道辟分5段)、高速度的机械化施工方式，才能满足武广客运专线总工期的要求；
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(6)难，隧道穿越市区建筑物、立交桥、排水箱涵等市政设施，具有复杂环境条件下城市地铁隧道工程的特点；隧道围岩软弱，穿越浅埋软弱人工填土层、地下水丰富、岩溶较为发育、红层风化下切深度较大，围岩成洞性差，易坍塌，具有复杂地质条件下山岭隧道工程的特点。此外，技术标准等级高，要满足时速350km/h高速铁路长期运营要求，因此对工程全面质量要进行全过程严格管理的特点。
4.方案实施确定
根据武广公司总工期的要求，2008年8月底浏阳河隧道全面贯通，竖井正常施工时向南平均每月进尺要达到55m，向北每月进尺要达到45m，平均月进尺100m。竖井正洞施工影响工期最关键工序是出碴的速度。提升系统的配置以及出碴时占用的工序时间较少和不影响其它工序施工是最为关键的。
4.1.提升系统设置
正洞采用2台40t双梁门式起重机4套天车提升系统进行出碴运输。卷扬提升电机90kw，提升速度25m/min，小车运行速度为15m/min。每台吊钩一次提升一个9m3吊桶，单吊钩起重能力20t，两台天车同时工作每天出碴能力约1000m3，竖井施工场地内设置临时存碴场，见图1。
4.2.提升能力检算
竖井出碴量按每月开挖进尺100m考虑，则竖井一天出碴量=（100÷30）m/天×160m3/m=540m3(实方)，则每天出碴虚方数量=510m3(实方)×1.4=756m3
钢丝绳荷载能力检算：每台提升挂钩最大静张力为20KN（20t）。6m3
吊桶自重3t，钢丝绳重为60m×5.05kg/m=0.30t，吊钩重约0.2t，碴土重为9m3×1.7t/ m3=15.3t。则每台提升挂钩最大提升荷载=3t+0.30t+0.2t+15.3t=18.8t＜20t，满足荷载要求。
出碴能力检算：挂钩摘挂到提升准备1分钟，1个吊斗从井底提升至井口时间3分钟（注：提升机钢丝绳绳速为25m/min），吊斗从井口到卸碴完时间为3分钟，吊斗落至竖井底时间为3分钟，则一个吊桶进行出碴一个循环总时间=1+3+3+3+2（富余时间）=12分钟。
以提升架每天出碴时间10小时，两台吊钩两个吊斗同时出碴考虑，则提升系统一天出碴能力=10小时×60/12×9m3/次×2=1000 m3 ＞756m3可满
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足出碴要求。
竖井平面布置示意图⑦⑤⑥中 隔墙隧道中心线注：1.本图尺寸以厘米计；2.1#竖井深度为50.07m，3.①供水管 ②③排污管 ④⑤输料管 ⑥供风管 ⑦高压电缆中铁四局集团有限公司 4 ③②①④龙门吊图1 井口平面布置
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5.方案的实施
竖井正洞围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级设计采用三台阶施工。竖井洞内分过渡段及正洞段施工，过渡段指距竖井口50m范围内；正常段指距竖井口50m外。
5.1.竖井过渡段施工
根据过渡段作业面限制两个作业面采用两班人员进行开挖，一台载装机及一台挖掘机进行装运出碴。
过渡段内竖井正洞内无法设置临时存碴场，开挖后碴体必须全部一次性清除完毕后才能进行下一道工序施工。竖井过渡段施工按每月30m进尺能满足工期要求，故每循环进尺时间在24小时之内即可满足要求。
隧道开挖每循环工序控制时间如下(每循环进尺按1.2m考虑)： 序号 1 2 3 4 5 作业内容 Φ42超前小导管安装及注浆 上台阶弧形导坑开挖 出碴 安装格栅钢架及系统锚杆施工 喷射砼 平均每米 用时安排（h） 1.5 3 11.3 4 9 24 备注 中、下台同步跟进 中铁四局集团有限公司 5