国外竖井论文8：土木工程中的竖井建设

发布时间:2024-02-23

土木工程中的竖井建设

P.J.道格（西图国际集团）

摘  要：土木工程项目主要在都市中。大都市往往在可以获得耕地和水源的地区发展，这些地段通常与湖泊与河流系统相连。涉及地下基础设施项目如污水收集系统，配水网络或地铁线路等经常必须处理潜在的不稳定沉积物和高水位。民用基础设施往往是相对浅的，因此，在城区环境中，开挖阶段可能会引起相邻的结构产生沉降。因此，土木工程工业在建设竖井时要集中控制地层及地下水，限制潜在的沉降。

通向矿床的竖井通常建在坚硬的岩石上，一般比民用的基础设施的竖井要深得多。采矿项目一般位于偏远地区，因此对社区的影响比较小。因此，井筒建设的方法考量是不同的，关注的建井速度和效率。深井建设的工法在土木工程中有一些应用，大多在水电项目策划与地下储藏硐室中。

土木工程中的竖井掘进与支护有多种方法。本文回顾了现有的不同施工工法，对这些工法能解决的问题及是否适用提供了建议。这些建议开发成一个矩阵模型，用于为某一特殊项目确认可能采用的竖井建造技术提供指导。

Shaft construction for civil engineering projects

P.J. Doig (CH2M HILL International)

Abstract： Civil engineering projects are located predominantly in urban environments. Conurbations have tended to develop in areas where there is access to arable land and water, generally associated with a lake or river system. Projects involving subsurface infrastructure such as sewer collection systems, water distribution networks or metro lines, frequently must deal with potentially unstable sediments, and a high water table. Civil infrastructure tends to be relatively shallow and therefore during the excavation phase there is considerable potential for settlement of adjacent structures, which are usually in close proximity in an urban environment. The methods developed by the civil engineering industry to construct shafts are therefore focused on controlling the ground and water, and limiting the potential for settlement. Shafts to access mineral deposits are most generally located in hard rock and tend to be much deeper than those for civil infrastructure. Mining projects are almost always located in remote areas where the impact on communities is less. Thus there are different considerations in the shaft construction methods, with the focus more on speed and efficiency. Deep mining methods have some applications in civil engineering, most usually on hydro-electric schemes and storage caverns.Multiple methods exist for excavating and supporting shafts on civil engineering projects. This paper reviews the available construction methods and offers a commentary on what they involve and when they are likely to be considered viable. This assessment is developed into a matrix that could be used as a guide for identifying potential shaft construction techniques for the conditions prevailing on a particular project.  

1. 前言

竖井是几乎所有土木工程中地下结构一个完整的组成部分（图1）。一般根据建设过程中采用的掘进技术与支护方法可将竖井进行分类。对于建设者而言，现有的选择工法首先取决于地面条件与竖井的功能。后一种情况下，作为竖井的初始功能，最终功能可能不是决定因素，例如为隧道掘进机（TBM）提供始发的竖井，相比于竖井的最终结构，隧道的掘进断面要求要大得多。

在硬岩中建设竖井和在软的、饱和土中建设相比，需求的建设技术相差很大。因此，终是可找到有各种专业的建造商。在特定的环境下，可能会有一些交叉使用工法。例如，硬岩中的深竖井经常从上覆地层开始，因此，竖井建设就具有一种将适合于上部地层到又适合于下部地层所包括的不同建造技术的综合特质。

岩层中竖井掘进要么是采用钻爆法施工，要么是采用机械化掘进设备，而且，多数是采用从上到下的凿井过程（sinking）。然而，如果下部有了通道，竖井掘进也可以从下向上（反井raising），在一般的采矿和掘进中，二者都是能采用的。图1  过十字河隧道工作竖井

在这里讨论的许多方法中，不能说是绝大部分，许多都是采用圆形和矩形截面形状。一般深井都是采用圆形截面，因为圆形截面能承受更大的载荷。有些方法可以适用各种开口尺寸。然而，大尺寸掘进，比如说直径或者是长边，超过30m那么就不是我们讨论的竖井的范畴了。不同的建造技术有深度的限制。对于120米以上深度的，只有采矿领域的建井工法是可行的。

竖井永久衬砌的安装通常是独立于掘进与支护，因此不是本文讨论的范畴。

2. 竖井建设技术

竖井施工技术的分类，主要是岩石与表土间的分类。针对此次讨论的目的，岩石通常是指具备自我支撑能力的任何一种地层材料。如果需要支护，那么它存在天然缺陷，设计支护的目的是防止软弱地层的剥落以及围护。

表土是指没有长期自我支撑能力的地层材料，因此在掘进前或在掘进过程中必须进行充分支护。在本文中，表土层被归类为有粘型和无粘性的土。粘性土在竖井中必须进行临时支撑。如果暴露面积不大，在进一步开挖前，粘性土有一定的自稳能力，可以满足一个开挖段高内进行支护。非粘性土几乎没有内在强度，在开挖前必须进行加固处理。这些土层经常是饱和的，不封闭的话是会流动的。

非粘性土中的竖井通常是采用两种方法之一。一种方法就是隔膜墙（在美国又称泥浆墙、地下连续墙），在开挖前进行施工。另外，非粘性地层可以通过地层改良（比如通过冻结），这样在开挖时，土体像粘性土一样，就可保持较好的稳定性。（预加固）

上述结构的分类可以进一步扩大为包括不同条件下竖井施工的典型技术（图2）。不可避免地，也会有竖井施工技术不易适用于此分类。如果地面条件特别有挑战性，那么就需要开发一些特殊的解决方案，比如融合许多可行的技术，甚至有可能的话借鉴其他学科开发非传统的适用技术。

图2  竖井施工技术分级

3. 粘性土中的竖井

3.1 预处理

常规的方法是在立井开挖前预先在地表对地层进行改善。这些按照预先确定的方案来改善地层，地层经过改善后可看作带有支撑装置的粘性材料。经过预处理之后的地层需要相对稳定，需要满足采用垂直吊桶来挖掘竖井，每一段高对应着相应的支撑。

3.1.1 降水

降水法可能是在挖掘前来改良地层最常规的方法。使用降水法需要在竖井的周围打设降水井点，降水井点深度要穿透到井筒的底部下面，如果井筒底部是像粘土一样的不透水地层或坚硬的岩层，井点的标高可以提高点。

在开始掘进前，降水井必须工作足够长的时间以降低竖井中的地下水位。这项技术在渗透性好的地层砂和粗粉砂中使用更有效。这一类地层在饱和水的情况下是不稳定，但是当水被排出之后，地层就比较稳定。一口直径40mm到60mm的井点，在降水井表面装一台抽水泵，可以进行8m深范围内降水。8m到25m深的降水井，需要在降水井的底部装一台潜水泵。更深的降水井可能需要分阶段泵送。降水需要处理一系列问题，包括降低水位对临近建筑物和环境的影响，保护大量的地下水（可能会被污染），提供潜水泵的后备电源。在城市环境中，当局还需考虑在竖井外恢复水位，使得由于抽水造成对地面下沉影响最小化。

3.1.2注浆

注浆可以改良一定类型的地层。注浆技术首先要按照预先制定的方案进行钻孔，然后将浆液注入到地层中，本质上是形成低强度的混凝土。水泥浆和化学注浆都可以使用。通过注浆孔进行注浆，可以在注浆孔的周边形成一定的靶域半径。然而，如果需要提高一定范围进行注浆，需要使用一种“tube-a-manchette”注浆技术。它是一个外管内套多孔灌浆管的装置。提高套管时，使得注浆点逐步提高。注浆也可以在竖井周边形成一个注浆帷幕来隔绝地下水。

3.1.3旋喷注浆

旋喷注浆通过注浆孔底部的探测钻子在高压下将粘土泥浆注入到地层中。在压力超过250pa时，水泥浆通过钻孔底部的探头进入地层，经过水力劈裂在地层中形成半径600mm辐射范围。以可控的速度进行钻杆转动，将水泥浆注入到地层中形成薄弱的混凝土柱体。（又称为泥土混凝土）。竖井旋喷注浆通常是通过交叠的泥浆柱形成固体的旋喷泥浆帷幕，从而降低挖掘时坍塌的风险。在地层中进行射孔注浆也存在一定的困难，特别是进行射孔注浆操作时泥浆的飞溅，可能引起高楼林立地区地层的不稳定（图3）。

图3  板桩竖井周围的射孔注浆

3.1.4 泥浆防渗墙

泥浆防渗墙是用来阻挡地层中水的流动。在竖井掘进过程中，泥浆防渗墙不作为井壁结构的一部分，而是井壁外一定距离处形成隔水帷幕。泥浆防渗墙施工通常是先挖沟槽，然后注入不透水材料，通常是低强度的混凝土或粘土水泥浆。通常用开沟机开挖沟槽，如果防渗墙相对较浅，就会使用长臂反铲挖掘机。沟槽通常在挖掘过程中用泥浆进行护壁，之后用混凝土进行置换。

3.1.5 冻结法

地层冻结用于高饱和水性、渗透性强的地层。该方法包括围绕竖井周长进行钻孔，然后在钻孔内循环冷盐水（图4）。冷盐水带走地层的热量，冷量通过钻孔周边进行扩散形成冻结圆柱。最终相邻冻结圆柱相互交叉形成保护壳或者竖井周边的冻结帷幕。冻结壁必须延伸到竖井底部的不透水层（通常是基岩或粘土层），目的是为了形成一个封闭的不透水空间。该方法耗时长并且费用高，但是在多数挑战性的环境，当没有其他方法可选时，该方法非常有效。应当注意的是，当地下水横向流动一天超过几米时，冻结就不起作用了。另一个潜在的担忧是，由于冻结壁的扩展，可能引起地表融起。

图4  竖井冻结安装

3.1.6压缩空气

虽然压缩空气由于在有压力作用下工作造成健康问题的原因已经大面积停产，但在一定的历史背景下还是值得关注。这种方法是在竖井的顶部安装一个房间，对竖井内的空气进行加压。压缩空气的压力平衡了地下水头的压力，因此，竖井越深，压力越高。空气的压力控制了地下水，使在挖掘的过程中不致于坍塌。压缩空气法在英国及欧洲被广泛应用，直到1970年人们理解到压缩空气对人的健康会产生长期影响才终止使用。该技术在纽约最知名的应用是当地的矿工选择该方法来为桥墩开挖沉箱井。该方法的变化是通过在一个下沉装置中并入一个空气压缩房间以使得只有竖井的底部进行压缩。

3.2 预安装

3.2.1 钢板桩

钢板桩施工技术在建筑工地有许多应用，它易于适用于竖井的支护。连锁钢板桩围绕竖井的周边进行布置，在竖井挖掘时提供主要的支撑。除了非常浅的竖井，在竖井内需要附加横向梁（又名围檩）来支撑钢板桩。该方法仅在一定深度及相对软弱地层中有效。钢板桩在桩的连接位置可能漏水，因此外部的降水井也需要来控制地下水。钢板桩通常是在近地表根据深度与其他方法（比如冻结法、地下连续墙）相结合来使用。钢板桩的施工通常是采用震动锤或通过振动进入地层，每一种方法都可能会引起建筑物的损坏或对居民生活引起不适。使用坚硬的材料，进行钢板桩的预钻孔是一种选择。

3.2.2 钻孔咬合桩

钻孔咬合桩是指在钻孔内形成混凝土柱（有时加钢筋），以在竖井的周边形成封闭的帷幕。在较差的地层条件下，通过钻孔内的泥浆来进行泥浆护壁直到在钻孔内灌注混凝土。通常情况下，通过套管施工来钻孔浇筑混凝土。

3.2.3 地下连续墙

地下连续墙（在美国称为泥浆连续墙）是由一些环环相扣的钢筋混凝土墙形成。地下连续墙通常是在地层中挖一个宽600mm，长5m的沟槽。在软弱地层中可用贝壳机来开挖沟槽，在坚硬的地层中换用旋转刀具头。沟槽通过膨润土泥浆进行护壁，通过管道进行出矸。当达到目标深度时，在沟槽内下放钢筋笼。混凝土通过溜灰管到达沟槽底部。通过提升溜灰管，用混凝土来置换泥浆形成混凝土板。先开凿主面板，在主面板混凝土硬化前，在主面板间挖掘辅助面板。在辅助面板挖掘过程中，主面板的某些部分会被除去以便主副面板接头可以连接密实。

3.2.4搅拌土

搅拌土与旋喷注浆，目的都是在扰动的地层中灌入水泥浆形成薄弱的混凝土柱体。搅拌土，钻杆的端部安装一喷射头，通过喷射头，水泥浆以高速度注入地层中。喷射头的尺寸决定了完成柱体的直径，通常喷射范围是300mm到1000mm（图5）。通常，相邻的柱子相互交叠，每隔一根柱子通过钢梁进行加强，钢梁是在当粘土水泥浆拌合物在未凝固之前插入。粘土混合物可以提供在竖井周围提供一定高强度的帷幕，然而由于柱（通常是1～2MPa）的强度低，在竖井内部通常需要增加支撑。图5  搅拌土施工

3.2.5 套管钻孔

低性能材料的小直径竖井通常的建法是通过膨润土泥浆打一个孔，之后在孔内放入钢套管。在钢套管的底部安置一混凝土喷头，套管外的环形空间预先通过充填水泥浆来除去污泥。采用这种方法，在人能下去之前，一口全支撑的竖井形成了。套管需要一定的尺寸来抵抗主要的水压力。钢套管需要自身足够厚度来承担主要荷载，后者通过安装在套管内部的支撑来承担另外一部分荷载。套管有时是通过振动打桩锤来将套管夯进地层中。进行套管钻孔施工对周围建筑物造成的潜在影响意味着通常选择在新建地址上进行建设。

3.2.6 沉井（箱）法

沉井法对地面安装没有严格的限制，最好考虑在没有空地暴露和没有人员进入的竖井（除非注明）中进行。沉井法通常用于地层自身强度比较低、含水水位比较高的地层中。沉箱主要是使用混凝土，通常变成永久结构，从地表分阶段建成。沉箱装有切削鞋，它一般比混凝土结构的覆盖物要略大。初始混凝土的浇筑在地表完成，沉箱底部地层通常通过蛤斗式抓岩机进行开挖。掘进过程中通常是通过水来提供支护，在极端的环境下才使用膨润土。伴随着每次混凝土的提升，沉箱内地层的相应深度增加，沉箱下沉。如果摩擦力太大，沉箱不能下沉，那么就采取措施将膨润土引入沉箱的环形空间。当沉箱达到预定深度，沉箱底部需要清洗，然后再浇筑混凝土。在这一点上，沉箱可以泵送，在竖井内开展工作。采用沉井法，谨慎的做法是备有恢复的方案以防沉箱撞到障碍物。

4. 粘土地层中的竖井

4.1 护坡桩和后背材料

护坡桩与后背材料是竖井的支撑方法，该方法涉及到预安装（护坡桩）的某些措施以及挖掘后后背材料的安装。通常，钢护坡梁按照预先在竖井周边确定的中心安置到钻孔中。梁的周边通常放置沙子来使梁位于钻孔的中心位置。竖井掘进浅时，护坡桩就露出来了。后背材料，通常是取自木材，水平安置在桩前缘的后边。支护后的空间通常是用碎石填充（可能是后注浆）或混凝土。围檩垂直间隔布置来支撑护坡桩。

4.2 肋和背板材料

肋和背板材料用于位于干燥稳定地层的竖井中。竖井每掘进1.0～1.5m，安置一圈环形钢梁。后放置的钢梁悬挂在先前的钢梁上，钢梁与掘进面呈楔形。背板材料放在梁上部和下部凸起前缘的后面。在背板材料的后面填充砂砾、混凝土或水泥浆来充填孔隙及支护地层。伴随着竖井深度变深，地压增大，垂直肋梁的间隔需要减小。

4.3 管片支护

最常见的管片支护类型是预制混凝土段，铸铁段和内衬板。按照欧洲标准，预制混凝土段通常是并入永久结构。在美国，更常用的是用钢衬板替代预制混凝土段来做短暂支撑。铸铁段主要用于极端地层比如膨胀性粘土的永久支护。铸铁段在伦敦地铁系统近年来可能应用最明显。

管片支护通过使用预制块组装成一个封闭的环。铸铁和预制混凝土段，封闭的环通常是0.5～1.5m厚。内衬板圈趋向于300mm厚目的是使单独的板（或段）足够轻以利于手工安装。

因为管片支护，所以竖井是按段高进行掘进。砌块与上一段高的下面相连接。分段环楔入地层中，壁后用水泥浆进行充填。管片通常要求按照预定的间隔来增加围檩以抵抗地压。混凝土预制块和铸铁块围成的环不需要额外的支撑来抵抗地压。如果地层对掘进整个段高不够稳定时，管片支护具有允许竖井部分进行掘进和支护的优势。在有水的条件下，采用砌块（或衬板）可以在搭接位置预先安装垫块来封闭以达到隔水的目的。

4.4 连续掘进方法（SEM）

连续掘进方法（又称为新奥法-NATM），依据地层的性能，竖井要么以小部分挖掘，要么全段面挖掘。井帮一旦暴露，用喷射混凝土（喷浆）对地层进行处理。喷浆可以是纯的，也可以通过钢或尼龙纤维加强，或者可以通过电焊织物层施加。支撑还可以通过增加环向支撑、或梁或格构梁（加强钢网）来进一步进行支撑。根据需要，增加顶部螺栓（图6）。图6  椭圆新奥法施工的竖井

采用新奥法进行挖掘，通常使用隧道掘进机。应当注意的是，使用该技术需要加强对地层影响的监测。

4.5 套管钻孔

在土层里，套管钻孔通常用于挖掘和竖井支护。通常的方法是利用装在吊管机上的螺旋钻来钻孔到完整深度。套管安置到钻孔中，孔底采用混凝土塞进行密封，套管外是水泥浆液。

5. 基岩中竖井

基岩中一般采用普通法进行开凿竖井。在多数情况下，钻孔爆破是一种经得起考验的方法，比起机械破岩，钻孔爆破更经济。钻孔爆破几乎适用于任意形状与尺寸，任意竖井深度与原岩强度。根据尺寸、深度和原岩强度的实际限制，表面安装的钻孔仅仅是割一个圆形的开口。竖井掘进机来掘进竖井在某种程度上是昂贵的，然而未被证实。

通常土木工程项目没有从竖井底部开凿的，因此竖井不得不从地表进行挖掘达到要求深度。如果能从底部进行开挖，那么在提升方面就有优势。采用常规技术进行开凿竖井，最繁重的的莫过于竖井排矸、控制和降水以及为下一模循环进行清底。底部开凿对于提升是充分利用自身重力的优势，水和爆破后的岩石在重力下落到竖井底部，然后进行收集后提升。传统提升的主要问题是如何为人员提供安全的通道。

5.1 常规凿井

常规的凿井方法涉及到在地表安装凿井设备，以及将设备下放到竖井中。对于相对较浅的竖井，竖井通过一个履带或移动式起重机或龙门起重机进行开凿。根据需要，设备的个别项目下沉到竖井中，通过料车或蛤斗式抓岩机排出渣土。钻孔可以通过手钻或履带式钻机钻孔。出渣可以通过挖掘机或小型的摇臂铲。深井掘进，需要借助于吊盘。吊盘的升降可以通过专用静止绞车。吊盘通常是用来搬运机械化凿岩设备和小型的挖掘机。通过吊桶来下人下料。吊盘也通常用来竖井衬砌时合流混凝土。需要注意的是，在城市中采用爆破通常具有挑战性，对监管者和居住者，使用爆破都有诸多限制。

5.2 常规提升

提升通道是通过建立的提升系统来实现。如果向上的通道是可用的，首先需在提升的中心钻一导孔，用来提升工作平台到提升面。按照要求，提升系统需设置在上部。如果上部没有通道，可以使用一个天井爬罐。它是一个专有系统，可以沿轨道上爬，轨道在每次爆破后都可以延伸到提升面。通过天井爬罐，可以实现手动钻孔和机械设备的安装。利用上面的通道向上提升一点，可以进行长孔钻进。一种模式的孔通过一个大尺寸的孔作为自由面从上到下钻进。钻孔的底部装上炸药，炸药上放置轮喷砂。对于所有的传统提升，挖掘的渣土都是落到竖井的底部，通过装载机装土，然后运走。

5.3 竖井掘进

岩石中进行竖井钻进通过专业的旋转钻头，竖井顶部的岩石通过锚杆支护。钻具的特点是拥有一个带全脸钻头的的重型钻杆。圆环形状的权重施加到钻铤以提供推力。在竖井挖掘时，稳定器附于钻铤上使钻杆集中。挖掘材料通过真空或水（反循环）提升出去。

全断面竖井凿岩机凿岩的过程中能够抓着竖井的边，操作起来非常像隧道掘进机。通过提升机与出土机出土。这样的凿岩机建设和操作成本高，但与其他凿岩方法相比仍然具有竞争力。

5.4 反井钻机

反井钻机已经用了很多年了，在存在从上到下可用通道的情况下，反井施工通常是建设竖井最经济的方式。反井钻机主要是旋转钻头，钻头连接到竖井顶部的基础混凝土盘上。反井法施工首先钻一个直径250mm的导向孔。钻到底部后，拆下导向钻头，换上扩孔钻头。扩孔钻头由底部拉到地表，掘进出扩孔钻头尺寸的竖井。

5.5 导孔反井和扩井

当从上到下存在通道时，一种组合的工法可以适用，竖井的尺寸太大不能通过反井钻机来掘进。先使用导向钻机进行掘进，通过长孔钻机和反井钻机实现。之后，通过扩孔实现竖井尺寸。除了导向钻机提供自由面以及爆破后排矸的方式外，这种操作方式与传统的凿井很相似。

6. 结论

前面描述的方法在土木工程中都有使用。对一种特定的环境，可能有不止一种方法适用，选择哪种工法需综合考虑。

下面表格对几种工法做了比较（图7）。它们实际限制（比如说尺寸，形状，深度）详细列出了，以及详细的赞成与反对。这并不意味着更大、更深的竖井不能建设，只要时间与成本允许。表格提供了广泛的引导，对业主、监理、施工方在考虑土木工程中必须用竖井建设的项目可能有用。图7  竖井施工矩阵

说明：

1 最大实际尺寸（直径或长边）；在特殊环境中，竖井可能更大

2 最大实际深度；在特殊的环境中，竖井可能更深

3 C=圆形竖井；F=灵活（圆形或矩形）

4 凿井法施工典型安装所需时间

5 技术的花费占总体掘进花费的比例（低、中、高）

6 对专业知识、设备、分包商的要求（是，否）

7 对居民生活及周边建筑物潜在影响（低、中、高）