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 中铁四局集团有限公司 1 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 1 前言 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 特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究 中铁四局集团有限公司 2 2 2 工程概述工程概述 2 1 2 1 工程概况工程概况 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 D K1560 785 D K1570 900 全长 10115m 共设三个竖井及一个斜井 2 2 2 2 竖井结构竖井结构 1 竖井中心里程为 D K1563 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 2 3 地质情况地质情况 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 级 级围岩长度为 522m 级围岩长度为 690m 3 3 工程特点 重点及难点工程特点 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 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 特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究 中铁四局集团有限公司 3 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 4 方案方案实施确定实施确定 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 4 1 提升系统设置提升系统设置 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 4 2 提升能力检算提升能力检算 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 特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究 中铁四局集团有限公司 4 满足出碴要求 竖井平面布置示意图 注 1 本图尺寸以厘米计 2 1 竖井深度为50 07m 3 供水管 排污管 输料管 供风管 高压电缆 隧 道 中 心 线 中 隔 墙 龙 门 吊 图 1 井口平面布置 特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究 中铁四局集团有限公司 5 5 5 方案的实施方案的实施 竖井正洞围岩级别为 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 5 1 1 竖井过渡段施工竖井过渡段施工 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 序号作业内容用时安排 h 备注 1 42 超前小导管安装及注浆1 5 2上台阶弧形导坑开挖3 3出碴11 3 4安装格栅钢架及系统锚杆施工4 5喷射砼9 平均每米24 中 下台同步跟 进 特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究 中铁四局集团有限公司 6 月进尺30 米 5 1 1 5 1 1 开挖出碴机械配置开挖出碴机械配置 根据过渡段作业面限制及循环时间两个作面均采用一台装载机倒运 一台挖掘机装碴 主要机械如下表 序号设备名称型号功率单位数量备注 1液压反铲挖掘机PC200台1 2气腿式凿岩机YT28台8 3风镐G8台8 4电动空压机203 3 min台2 5装载机ZL50C台1 5 1 2 5 1 2 开挖及出碴人员配置开挖及出碴人员配置 序号工种数量备注 1机械 驾驶员6 2隧道工6 3爆破工3 4管道工3 5起重工6 6防护员6 7电工3 8普工30 5 2 5 2 竖井正洞段施工竖井正洞段施工 正洞段两个作业面采用三班人员进行开挖 配置两台载装机 两台挖 掘机及三台自卸车进行装运出碴 并在竖井口设置一个临时存碴场 出碴程序 掌子面碴体利用装载机装入自卸车 自卸车倒运至临时存 碴场 临时存碴场碴体通过挖掘机装入吊桶运出井外 掌子面在出碴时 提升系统可以运送其它物质 如 钢筋 钢架及其 特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究 中铁四局集团有限公司 7 它 但提升系统空闲时必须进行出碴作业已保证当日洞内临时存碴场无碴 体 确保下一循环碴体有存放空间 竖井正洞段施工按每月 55m 计算 每循环进尺按 1 5m 考虑 隧道开 挖每循环工序控制时间如下 序号作业内容用时安排 h 备注 1 42 超前小导管安装及注浆1 5 2上台阶弧形导坑开挖3 5 3出碴4 掌子面到临时存 碴场 4安装格栅钢架及系统锚杆施工4 5喷射砼9 5 平均每米14 中 下台同步跟 进 月进尺55 米 5 2 1 5 2 1 开挖出碴机械配置开挖出碴机械配置 主要机械如下表 序号设备名称型号功率单位数量备注 1液压反铲挖掘机PC200台2 2气腿式凿岩机YT28台16 3风镐G8台12 4电动空压机203 3 min台4 5自卸车15t台3 6装载机ZL50C台2 5 2 2 5 2 2 开挖及出碴人员配置开挖及出碴人员配置 序号工种数量备注 1机械 驾驶员21 2隧道工9 3爆破工3 4管道工3 5起重工6 6防护员6 特大断面深竖井开挖出碴快速施工研究 中铁四局集团有限公司 8 7电工3 8普工45 6 6 实施效果 实施效果 浏阳河隧道 1 竖井于 2007 年 6 月份正式进入正洞段施工 目前向南 平均每月进尺达 60m 每月按 60m 计算比计划工期提前一个多月贯通 为 无碴轨道基础施工工作面的展开赢得宝贵的时间 竖井洞内施工根据不同段落配置设备与人员 工程成本显著降低 并 加快了工程进度 取得较好的综合经济效益 特大断面深竖井开挖出碴快速施