隧道竖井施工

隧道 竖井施工

竖井是隧道附助坑道的一种。是为增加隧道工作面以缩短工期和改善施工通风、施工排水和施工运输等施工条件所设置的临时性隧道附属工程。也可作为永久性的隧道附属建筑，作为运营通风、排水和防灾害使用。一般需要提前开工，为隧道施工创造有利条件。

竖井提升系统安 装 竖井支 模

一、 作业内容

1、洞口及车场布置；

2、轨道铺设及拆除；

3、施工通风、排水设施安装及拆除，施工通风排水；

4、坚井开挖、支护及衬砌；

二、 工艺流程

基本作业流程为：测量 →钻架就位→钻孔→装药爆破→通风→支护→出碴→下一循环。

三、 工序步骤及质量控制标准

（一）施工准备

1、做好施工现场的“三通一平”——路通、水通、电通与场地平整工作，合理规划施工总平面布置，确定大临、小临及弃碴场的位置和范围，运输道路的引入和其他运输设施的布置。

2、备足施工使用的各项材料，使其满足施工要求。

3、熟悉施工图纸，做好各项技术交底。

4、做好现场劳动力组织（详见作业组织），准备好各种施工机械，并保证机械的完好率，使其满足施工要求。铁路隧道坚井提升运输机械通过计算确定，其它机械设备可参考正洞配备。

（二）施工方案的确定

坚井施工方案要参考设计要求确定。竖井施工的隧道一般采用有轨运输方式。

（三）设备选型与配备

竖井提升及悬吊设备的选择通过计算确定。提升方式分为单钩提升和双钩提升，选择提升方式主要根据隧道施工对提升能力的要求，并考虑提升电能消耗和调绳方便等因素。

用钢丝绳悬吊井内设备系统与提升系统近似。

1、井架高度（H1 ）

式中： h 1   —— 井口卸碴台高度 （ m ） ，吊桶提升为 5～6m， 罐笼提升为 0；

h 2   —— 提升容器连接装置总高 （ m ）；

h 3   —— 过卷高度 （ m ） ，提升速度 ≤3m/s时， h 3   ≥4m；提升速度＞3m/s时， h 3   ≥6m；

D 天 —— 最大提升速度 （ m / s ）；

2、 一次提升时间 （ t ）

（1）  吊桶提升

① 双钩

② 单钩

（2）  罐笼提升

① 双钩

② 单钩

表 -1   竖井最大提升速度

3、提升容器的容积（V ）

3.1吊桶的容积，按装碴生产能力 P（m3/h）选定

3.2 罐笼的斗车容积，按隧道每班出碴量 V 1   （ m3） 选定

4、钢丝绳的单位长度重量（Pk ）

式中： Q 1   —— 提升容器及连接装置的自重 （ k g ）；

Q 2   —— 提升容器的有效载重 （ k g ）；

Q 悬 —— 悬吊物的自重和载重 （ k g ）；

Q 拉 —— 罐道的拉紧力 （ k g ） ，井深每百米按 1.1～1.6   计算；

H 2   —— 钢丝绳的最大悬垂高度 （ m ）；

σ   —— 钢丝绳公称抗拉强度，155～170kg/m；

m   —— 安全系数，提升人时取 9； 提升物时取 6.5， 悬吊吊盘、吊泵时取 6，悬吊 管路时取 5 ，悬吊安全梯时取 9， 拉紧罐道绳时取 6。

根据计算，选用相应的钢丝绳直径，由于罐道钢丝绳长期运行有磨损，应考虑罐道刚度，一般选用 6×7   的钢丝绳，且直径不小于 20.5mm   为宜。

5、 天轮直径 （ D ）

6、绞车

卷筒直径：卷筒直径一般采用与天轮直径一致，采用天轮计算公式计算。

卷筒宽度

式中：   H 3   —— 斜井提升长度 （ m ）；

d 丝 —— 钢丝绳钢丝的直径 （ m m ）；

l —— 钢丝绳试验的备用长度，备用 30～40m；

n 1 —— 摩擦圈数，取 3；

n 2 —— 每两个月移动 1/4   周的备用圈数，取 4；

D 卷 —— 卷筒直径 （ m ）；

η   —— 钢丝绳缠绕层数；

d 绳 —— 钢丝绳直径 （ m m ）；

ε   —— 钢丝绳圈间隙，用 2～3mm；

D 均 —— 平均缠绕直径 （ m ） ， D 均 ＝ D 卷 ＋（ η － 1） d 绳 。

最大静张力（ Fmax ）和静张力差（F差）

绞车的能力是根据钢丝绳的最大静张力来标定的，因此，所选用的绞车最大张力应大于钢丝绳悬吊的终端荷重与钢丝绳自重之和，绞车筒的容绳量要大于绞车的悬吊深度。

式中： K   —— 电动机功率备用系数，取 1.2；

η   —— 传动效率，一级传动为 0.9 ，二级传动为 O.85；

ρ   —— 动力系数，取 1.4；

α   —— 速度系数，取 1.2；

四、 提升设备布置

竖井井口一般装备有井架、绞车、天轮、卸碴台、井盖、运输轨道等设施。在井筒内一般设置有吊桶、罐笼、吊盘、吊泵、通风管、供水管、排水管、压风管、混凝土输送管、动力电缆、信号电缆、安全梯等设备，并有罐道做提升导向。

1、井架

钢管井架

钢管井架通常由钢管、型钢和圆钢拼装连接而成，每个杆件不宜太重以便于安装、拆卸和运输。井架的四个方向具有相同的稳定性，天轮平台允许四面出绳，可在井口相对的两侧或四周布置绞车。这种井架矿井使用较广，煤矿有专门的定型设计，包括五个型号共七种，可满足井径

3.5～8 m，井深 200～1000 m 的竖井施工，其中 V 型井架更适用于大型机械化配套设备的深井施工。几种型号井架的适用条件及主要尺寸见表2。

表 2   竖井钢管井架的适用条件及主要尺寸表

拼装钢井架

在铁路竖井施工中多采用具有投产快、使用期短、方便实用及安全可靠特点的拼装钢井架。其主塔架及罐道支架主要部分有万能杆件拼成，个别杆件特殊设计制作。该井架由建井阶段转为使用阶段仅需少部分改装，即竖井建井施工阶段的井架主要由天轮平台、过卷平台、倒碴系统等组成，而通过竖井施工隧道阶段井架主要由天轮平台、拉紧平台、串绳平台及罐道支架等组成。

简易井架

简易井架有摇头扒杆、人字架、三角架、龙门架及临时木井架等多种类型，一般在浅井施工和建井施工使用。也可以根据设备条件采用吊车或挖掘机的吊杆代替简易井架。

2、绞车

对较深的竖井绞车参照斜井的计算选用，简易浅井的提升绞车，可选用一般的工程用绞车。绞车与井架的相对位置通过计算确定。

天轮与卷筒间弦长

① 双卷筒提升。

式中   B   —— 卷筒宽度 （ m ）；

α   —— 钢丝绳容许偏角，提升绞车不大于 1°30’， 稳车不大于 2°；

a   —— 两卷筒内缘距离 （ m ） ，可由设备图查得；

S   —— 两提升容器或悬吊物中心距离 （ m ） 。

卷筒中心至提升中心或悬吊中心距离

式中   H 1   —— 天轮中心至井口高度 （ m ）；

C   ——绞车卷筒中心高出井口值 （ m ）；

D 天 ——天轮直径 （ m ） 。

绞车相互间距离按下列要求布置

两台绞车并列布置：当一台使用，另一台允许将手柄拆除时，两台绞车卷筒中心线的最小间距为 3.5 m；两台同时使用时，其最小间距为 5 m。

两台绞车前后布置：以绞车基础互不妨碍为原则，两卷筒中心距离为 2.5～2.7 m，一般用3m。

3、天轮

天轮分提升天轮和悬吊天轮两种，悬吊天轮又按绞车的性能分为单槽和双槽。提升吊桶、罐

笼等用提升天轮，悬吊管路或其他设备用悬吊天轮，必要时也可用滑轮代替天轮。

天轮一般安装在井架顶部的天轮平台上，由天轮梁承托，如布置不下全部天轮时，可以分层布置。天轮位置为井内设备悬吊点的位置，天轮梁与天轮出绳方向平行，两天轮梁间的距离满足天轮轴承的间距要求。为避免钢丝绳和井架碰撞，可以架设导轮或将天轮垫高。

提升天轮使用的钢丝绳直径不许可大于该天轮所允许的绳径。当提升钢丝绳的仰角大于 45°时，应重新核算天轮有关零件的强度。

提升天轮直径（ D）与钢丝绳直径（d）及其围包角（α）的关系见表3。

表   -3 提升天轮直径与钢丝绳直径及围包角的关系表

悬吊天轮轴承座螺栓一律采用 M24 一个规格，设计时未考虑因水平分力所承受的剪力，因此安装时，轴承座必须设有挡板。

4、提升容器

竖井在凿井时期，提升容器采用吊桶；竖井建成后，隧道出碴采用罐笼。简易竖井的出碴也可用吊桶；在采取安全措施后，也有用斗车直接提升的。

吊桶与吊钩装置

吊桶有挂钩式、座钩式及底卸式三种。前两种是用以出碴、排水（井内涌水量小于 6m3/h）、升降人员和材料的主要容器。后者主要用于向井下运送混凝土。

有关吊桶规格尺寸见表 4。

表   4 吊桶规格及主要尺寸 表

竖井提升过程中悬挂吊桶用的钩头装置由钩头和连接装置组成，与吊桶配套使用，小于 7t钩头装置采用不偏心护绳环、板卡连接，大于 7t 钩头装置采用锥形套筒连接器连接。钩头装置规格尺寸见表5。

表 5   钩头装置规格尺寸表

使用期间要有专职人员对吊桶桶梁、销轴、耳环、铆钉、焊缝及其钩头装置进行检查，发现有异常情况或磨损超限时，立即更换。

罐笼和罐座。

施工时根据隧道中使用的斗车尺寸及罐道类型自行设计制作罐笼，其连接装置的安全系数不小于 l0。

当竖井建成后，开拓井底车场及隧道采用罐笼时需要设罐座来承托。

5、卸碴台

采用吊桶出碴，一般在井口设卸碴台，可利用井架搭设，亦可单独架立。一种形式是在卸碴台上铺木板，在吊桶通过的位置设卸碴门。井架上悬挂翻碴挂钩，吊桶提出卸碴台后，用翻碴挂钩钩住吊桶底部铁环，然后放松提升钢丝绳，吊桶翻倒，石碴经溜槽卸下。

简易浅井为减小井架高度，可不设卸碴台，根据具体条件采取在井盖上挂钩翻碴，或用平车在井口接运吊桶至弃碴场卸碴的办法。

6、井盖

井盖由钢梁和木梁作骨架、上铺木板或钢板组成，钢梁嵌在井口的井壁上。井盖上设有井盖门及其他悬吊设备通过的孔口，井盖门在吊桶通过前开启，通过后关闭。其他孔口不通过悬吊物时用盖板或麻袋盖严。井盖上铺设钢轨与井口轨道连接。

7、吊盘

吊盘是井筒支护的工作平台，同时也是井筒开挖工作的保护盘，也可用作拉紧稳绳的稳绳盘。吊盘一般用钢圈和钢梁作骨架、上铺木板或钢板组成，盘上布置有通过吊桶、吊泵、安全梯和各种管线路的孔口，其位置与井盖布置相对应。盘边设有可伸缩的插销以固定吊盘的位置。吊盘直径一般比井筒直径小 l00～200 mm，盘与井壁间的间隙用麻袋或胶皮堵塞。矿井用的吊盘有单层、双层、三层等多种形式。

吊盘可用单绳或双绳悬吊：单绳悬吊时，钢丝绳应离开井筒中心 250～400 mm；双绳悬吊时，两绳连线一般与稳绳连线平行。单行作业的竖井在开挖时，吊盘位置距开挖面一般为 25～40 m，在支护时，吊盘位置随支护工作面而移动。

8、罐道

钢丝绳罐道。

钢丝绳罐道也称为稳绳，有重锤式和液压螺杆拉紧式两种，均适用于 l 000 m 以内各种深度的井筒内罐笼提升时的导向。前者用于箕斗井时较经济适宜，后者张紧效果好，适用范围广，安装也简便。

罐遭用钢丝绳有普通、密封和半密封三种。

吊桶提升时，两根钢丝绳罐道布置在吊桶两侧，由滑架将提升钢丝绳与罐道联系引导吊桶提升，滑架与吊桶配套使用，其规格见表 -6。

表   - 6 滑架系列 表

为减轻提升过程中滑架对钢丝绳的冲击作用，延长滑架及钢丝绳的使用寿命，要设置提升绳与稳绳的缓冲器。罐道绳上端绕过井架上的天轮由稳车拉紧，罐道绳下端系在稳绳盘上，稳绳盘由盘边的可伸缩插销插入岩帮固定，或在井底设置固定在底梁上的滑套以制约其摆动。液压螺杆拉紧式的钢丝绳终端，则以在井底处设双楔块紧固器固定。

罐笼提升时，钢丝绳罐道的布置形式有对角、三角、四角和单侧等，一般布置在罐笼的四角。滑架安装前，按总图检查零件是否齐全、质量是否达到要求。所有螺栓必须配置弹簧垫圈或采用双螺母，以防螺母松退坠井伤人。使用时加强日常维护检修工作，滑套各部位螺栓及架体每日必须检查一次，发现破裂等现象立即处理。

稳绳滑套和提升滑套内表面磨损极限不得超过 3 mm。

木罐道

木罐道一般用于木框架支护的矩形竖井，罐道一般采用 l20 mm×150 mm、150 mm×180mm、 180mm×200mm 枋木，每根长 4～6m，罐道梁一般采用 l60mm×l80mm、180mm×200 mm、200 mm×240 mm 的枋木。安装罐道可随支护同时进行，安装比较方便。

钢轨罐道

钢轨罐道一般用 24 kg/m 钢轨制作，罐道梁一般用 20 号工字钢埋入井壁或支承在壁圈（喷射混凝土支护）上。它不如钢丝绳罐道结构简单、安装方便。

9、管、线路

压风管、排水管、给风管、通风管、混凝土输送管等管路一般靠近井壁布置，以不妨碍井筒掘进和进口装卸、运输工作为原则。管路安装方法有钢丝绳悬吊法和井内固定吊挂法，前者接长管路工作在井口进行，不占用竖井掘进时间，但是用绞车和钢丝绳较多；后者可以简化凿井设备布置，节省施工器材，但在井内接长管路需要占用竖井掘进时间。

钢丝绳悬吊法

钢丝绳悬吊有单、双绳悬吊两种。井深在 250 m 以内时，采用单绳悬吊压风管为宜，管路上端安装平衡连接卡，下端设终端连接卡，每节钢管设两个中间卡。压风管一般悬吊至吊盘上方，吊盘以下用胶皮管延伸并配分风器向工作面供风。

双绳悬吊通风管，管路下端装终端卡箍，其上每节通风管装一副中间卡。

接长管路时，先拆下弯头再松平衡绳。接好管路后，先装平衡绳，调直后再装弯头。悬吊照明电缆时，卡箍处设胶质软垫。

井内固定吊挂法

井内吊挂已经从预埋钢梁或螺栓固定管路发展到采用锚杆固定管路，其动力、照明、信号电缆可以单独吊挂，也可以随同有关管路联合吊挂。爆破作业的竖井电缆要单独吊挂。在设罐道梁、梯子梁的井筒中，还可以用罐道梁、梯子梁固定管路。

10、安全梯

在凿井时期，为了在突然停电及提升设备等发生故障时保证井内施工人员安全撤出，需设置安全梯。它由缓转器、护绳环、连接钢丝绳、 U 形卡、绳卡、梯架、梯步等组成。一般共 5 段，全长 32 m，一次提升可容纳 20 人左右，可用安全梯绞车或 5 t 手动与电动绞车单独提升。

竖井深度不大时，也可采用型钢制作安全梯供人员上下。

11、注意事项

竖井井内悬吊设备需按设备间隙和设备安装要求布置，力求合理，使之互相不干扰，满足凿井时的作业以及隧道施工时的工作需要；

提升系统的布置，需由井内悬吊设备布置方式、井架结构形式及井口地形等因素确定；

竖井井口运输线路应将弃碴场、材料堆放场、混凝土搅拌站、机修场等与井口连通组成运输环线；

竖井设计安装井架时，尽量使吊桶提升中线与罐笼提升中线一致，最好是吊桶的悬吊点即为罐笼的悬吊点，以减少改装工作。

五、 竖井口施工

根据设计并结合实际地形情况选定井口位置后，人工清理井口施工场地植被，土方采用挖掘机配合自卸车装运，石方采用手持风钻钻孔，浅眼爆破，装载机装运，所有土石方均就地作为场地填料。井口场地土石方施工完成后，立即施作场地边坡防护，采用 M7.5 浆砌石施作护脚墙和护坡，结构尺寸根据边坡稳定情况确定。为防场地积水，边坡顶设截水沟，场地四周设排水沟，均采用 M7.5 浆砌石砌筑，断面大小根据排水量确定。

井口开口时采用人工开挖，风镐配合，简易龙门架或轻型吊车出碴。井颈衬砌及井座在井口开挖成型后即时施工。锁口混凝土加设双层 φ12 钢筋网，网格 l5cm×l5 cm，井壁插打早强砂浆锚杆，锚杆头伸人衬砌混凝土内与钢筋焊接。衬砌混凝土采用组合钢模配少量木模拼装，桁架支撑。混凝土拌制采由临时拌和站拌制，人力车运输到井口，经漏斗通过导管输送人模，插入式捣固器振捣。

六、 竖井开挖

1、钻爆

竖井开挖一般分段作业，开挖与支护交替进行，每段开挖深度根据围岩的稳定情况、支护类型确定。钻爆采用直眼掏槽，光面爆破，在倾斜岩层中可采用楔形掏槽。裂隙水十分发育地段为方便作业采用梯台开挖超前掏槽，钻孔采用环形钻架作业，将多台凿岩机悬挂在钻架上，可同时对多个炮孔施钻。钻孔精度要求与正洞一样，经检查合格后吹孔并用木楔塞紧。

装药采用药串法作业，有水时采用防水药包或胶质炸药。装药作业时不得在吊盘上进行其他作业。炮孔采用炮泥堵塞，长度不小于 40 cm，爆破采用微差毫秋雷管，并用电雷管起爆。

2、装碴

在建井初期采用简易设备出碴，当井深达到一定规模时，为确保施工进度则采用机械装碴，可选用 HK4 型中心回转式气动抓岩机。抓岩机由吊盘上气动绞车悬吊，高度不小于 15 m，操作时先抓出桶窝后再将碴堆抓乎然后分层抓取。有水时应先抓出水窝以便排水。清底时须防止机体歪倒或叶片夹块漏碴，必要时采用人工检底清帮，为抓岩机创造条件。

3、提升

井架：建井阶段施工用井架包括主塔及罐道支架采用万能杆件拼装，井架由天轮平台、拉紧平台、串绳平台、卸碴平台、溜碴槽组成。

吊桶：建井阶段使用的吊桶有挂钩式、底卸式两种，挂钩吊桶主要用于出碴排水，底卸式吊桶用于向下运送混凝土。

绞车：提升绞车可选用 HK 一 8A 型提升机，提升钢绳根据悬挂物体的最大重量选型，其安全系数必须满足规范要求。横向移动选用 JM2 型卷扬机将吊桶牵引到溜碴槽顶。

4、出碴

出碴平台上采用 5 t 电动葫芦，单侧提升吊桶，将矿碴倒入溜碴槽，溜碴槽下用 4.5 t 自卸车接碴，运到指定弃碴场。

5、支护

采用锚喷支护在爆破后先整平井底虚碴，将环形钻架作为临时工作平台，进行钻孔、注浆和安装锚杆工作。注浆机、喷浆机安装在井口，拌料经输料管输送到井下。喷射手在吊盘上作业，先用高压风清扫岩面后分片自下而上喷射，有水时自水源外周逐步向中心压缩，最后封闭。支护完成后须随时检查其变形情况，若有裂纹需查明原因后增设锚杆或撬掉重喷。

混凝土村砌支护施工与井颈混凝土施工方法相同，仅增设混凝土输料管布置。

6、排水

竖井井口场地四周设排水沟，场地边坡顶设截水沟，防止地表水进人竖井。竖井建井期间，如果裂隙水较发育，可在井底一角凿一汇水窝，采用小型抽水机将水抽入吊桶内，存满后提出井外。竖井使用期间，正洞裂隙水及施工污水排人井底水仓，由井底抽水机排出。

7、通风

与正洞贯通前一般采用压入式通风，贯通后可视实际情况采用自然通风或巷道式通风。详见通风作业工艺。

七、 施工机械及工艺装备

竖井施工重型设备机械化作业设备配套实例见下表：

八、 作业组织

根据现场实际情况一般采用平行流水作业组织。

1、 开挖劳动力安排：开挖工一般为 4 ～ 8   人，出碴 6 ～ 10 人。

2、 支护劳动力安排：一般为 8 ～ 10   人。

3、 衬砌劳动力安排：根据衬砌施工工艺、进度要求确定衬砌劳动力，竖井一般 l5 ～ 20   人。

九、 生产效率

有轨提升运输竖井月进尺一般为 30～60m/月。

十、 安全生产及环境保护

1、 建立以井口为中心的信号系统，在井口与井底、井口与绞车房之间建立声光信号，安装直通电话，随时联系井上、井下作业情况。建立统一的调车管理制度，并由专人负责，在信号不明、机况不良、隐患不除的情况下不得调车。竖井钻孔时吊盘上加设信号机。

2、 提升装置设深度指示器与防过卷装置，并设终端开关，当提升超过正常位置时自动断电。

3、 通向竖井的井口轨道设阻车器，防止车辆坠人井内。

4、 电动葫芦或绞车必须有限位器、限速器，防止过卷伤人、翻车。

5、 竖井井架天轮棚安装避雷针，井架脚安装接地线。

6、 竖井环形钻架作业时在环形钻架与吊盘问应设安全软梯，便于人员上下，钻架上加设联络信号，防止吊桶下落时损坏外伸跑道，以使井下发生涌水或其他事故时能安全撤出。

7、 提升机械严禁超负荷工作，提升钢绳和各种吊具，按规定的安全系数确定规格，使用前进行拉力试验，并定期检查维修。连挂时安装断绳保险，挂钩加设保险栓。

8、 在建井期间，为了防止突然停电或提升设备出现故障，保证井内施工作业人员及时安全撤出，设置安全梯。

9、 长材运输时必须落实长材装运安全措施，运行速度不大于 3 m／s。

10、 竖井钻眼结束将环形钻架提高到适当高度，防止爆破损坏钻孔机具。