豎井工程開挖與安全支護方法
1、概述
豎井工程開挖從目前水電系統常用的方法講，一般先打豎導井，很少全斷面正井法開挖。豎導井有兩種施工方法：一種是正導井施工法；另一種是反導井施工法。都是先打成豎導井以后，在從上往下擴挖，井渣從遂洞運走。
2、導井開挖方式
有反井鉆機的豎導井開挖，是先用反井鉆機打豎導井，導井直徑1.2~2.0m，打成豎導井以后，在從上往下邊擴挖邊支護，是速度快的豎井開挖方式。
沒有反井鉆條件的，使用手風鉆，也是先打豎導井。
2.1、采用正導井施工法的，要根據豎井的地形分貼山體明挖后打露天井的地形和在洞子打遮蔽井的地形。
打露天井，一般表層圍巖比較破碎，容易風化變形，這在豎井開挖工程中比較常見。針對這一常見現象，在豎井擴挖前，先機械開挖井口表層圍巖3-5m深，最好從設計上就考慮向開挖線外多挖50-60cm，把鎖口的鋼筋混凝土放到開挖線以外，即鎖口后的混凝土面與開挖面齊平，并在井口混凝土面設置控制點，豎井擴挖吊線控制開挖體型尺寸，并在井口安裝安全防護欄網和起吊設備結構件。
起吊設備要在豎井擴挖前安裝，起吊設備的功能要綜合考慮豎井開挖、混凝土澆筑、閘門安裝及二期混凝土澆筑的整體使用功能，最好是軌道型移動式的。具備從井內到井外、井外到井內的裝卸建筑材料的功能。起吊設備安裝調試正常后，打正導井有了出渣手段，但施工用水、地下水在導井中要有出路。給施工用水、地下水找出路的一般做法，是用地質鉆機在豎井中心位置打孔，水從鉆孔流出，該孔可改善爆破效果，創造臨空面。
豎井鎖了口，裝了防護欄網，有了提渣手段，水有了出路，就具備了正導井開挖的條件。用手風鉆打豎導井，直徑最好打2.0m，2.0m直徑的豎導井，打鉆出渣作業方便。同時為豎井擴挖創造了極為有利的條件。無論是平面開挖，還是溜斗形狀錯數臺擴挖，都不怕大石塊堵導井。能深孔鉆爆，擴挖起來就非常快。豎導井的形狀：以圓井為佳。圓井自身穩定能力強，有利于豎導井開挖安全。
導井開挖不同于豎井擴挖，特別是I類破碎圍巖上的導井開挖，要邊開挖，邊及時素噴混凝土5cm左右，輔助圍巖自身穩定，確保圍巖不變形、不散落。起吊設備深井提渣，人隨吊籠上下，為安全起見，應留10倍左右的保險系數，確保升降過程萬無一失，是正導井開挖的基本要求。
正導井施工法示意圖如下：
2．2反導井開挖
從下往上打導井，一般反導井的施工程序，在從下往上打反導井的同時，豎井頂部表層圍巖同時開挖、鎖井口、做安全護欄網，安裝調試起吊設備。在豎導井打通的時候，豎井鎖口、安全防護欄網、起吊設備安裝調試也能完成，進入豎井擴挖階段。
反導井的開挖方式常見的有兩種做法：一種是在導井邦打插筋，在插筋上焊掛爬梯點，掛上爬梯上下爬人，運送材料和工具到工作面。人在爬梯上排險、搭架子、在簡易架子上鉆爆作業。這種開挖方式的優點：施工用水、地下水能自然排走，爆破后的炮渣能直接落到洞子，裝載機運輸，不用人工清渣；缺點是：每次爆破后的排險，人在下面無處藏身，每放一次炮，風水管，腳手架要撤出一次，重新架設一次。爬梯焊點也要重修一次。
反導井的另一種開挖方式：是在豎井的中心位置用地質鉆機打一個孔，從鉆孔中下卷揚機鋼絲繩提籠、材料、工具、風水管。作業人員均隨吊籠上下，并在吊籠里實施鉆爆作業。這一開挖方式，雖解決了風水管、腳手架、爬梯焊點每茬炮要撤出、重新架設、修理的難題。但仍有新的缺點：在卷揚機提升過程中，上下聯系不便，雖有現代化通訊工具，洞內井下用不上，操作稍有誤差，都可能出安全問題。其次是吊籠頂部的危石排下來砸自己。
遮蔽井的打法與露天井的打法完全相同，不同的是起吊設備的基礎是在兩邊洞邦澆筑的混凝土平臺上，平臺上安裝鋼軌，鋼軌上安裝移動式起吊設備，起吊設備能到井內和井外洞子裝卸材料，和閘門安裝全過程的吊裝任務。
綜合正導井開挖方式和反導井開挖方式的利弊，進度的快慢和費用的高低是基本相等的。作業難易、施工安全、正導井開挖優于反導井開挖方式。
3、豎井的擴挖方式
豎井的擴挖方式有兩種：一種是平面擴挖，下小型電鏟或其它小型設備往導井倒渣；另一種是溜斗形狀的錯數臺擴挖，利用地形向導井自然溜渣。
平面擴挖方式：多在開挖斷面較大的豎井擴挖工程上采用。開挖斷面在100m2左右的豎井擴挖工程，一般較少采用平面擴挖方式。平面擴挖，要下小型設備倒渣，井下有設備，占地方，且要保護設備不被砸壞，就不能全斷面一次擴挖、一次噴護。每一層都分成兩次鉆爆，無形中增加工序，降低效率。能下井的設備，一般都馬力小，倒渣時間長，松動石渣鏟不動，清底工作量大，工人勞動強度高，而且底部松動石渣鏟不動，打鉆卡釬、堵孔、裝不進炸藥、爆破效果差。平面擴挖方式、工作效率低，生產成本高，工人勞動強度大，在100m2左右的豎井擴挖斷面上，是少見平面擴挖方式的。
豎井擴挖的另一種方式：是溜斗形狀的錯數臺擴挖。這種擴挖方式，井下沒有倒渣設備占地方，每層都可以全斷面深孔錯數臺一次性擴挖、一次性噴護。炮渣充分利用地形絕大部分自然溜入導井，工作效率高、爆破效果好，生產成本低，在100m2左右的豎井擴挖斷面上，廣泛采用這一擴挖方式。是正確的選擇。這一擴挖方式，能充分創造利用地形地物，減輕工人勞動強度，提高工作效率，降低生產成本為特征。具體做法：1.在最后一個臺階的巖面上，制作一個平臺，上鋪鋼筋網，供打插筋、噴混凝土、安裝鋼支撐使用。平臺又是擴挖面頂部的安全網，由起吊設備升降、一次制作，整個擴挖工程方便使用，省時省工。2.臺階式可以進行深孔爆破，為炮渣絕大部分溜入導井創造了條件，清渣工作量小。孔深按3m計，錯臺排距按1.2m計，爆破后的臺階頂寬度也就是70-80cm。臺階上存渣有限，從上往下邊打鉆邊清渣，削減了一個倒渣，底部清渣的大施工循環。3.臺階式清渣，距離短、面積小、松動石渣相互夾制作用小，臺面上的碎石能清干凈，打鉆不卡釬、不堵孔、鉆孔速度快、爆破效果好。4.臺階式爆破臨空面大，爆破網絡再稍加調整，就三面臨空，最小抵抗線有均面向中心，深孔爆破也不破壞圍巖的自身穩定能力，對豎井自身穩定承載及安全支護工作非常有利，在100m2左右的豎井擴挖斷面上，應首選溜斗形狀錯數臺擴挖方式為最佳。
4、豎井的安全支護工作
豎井的安全支護工作，要從豎井的正確鎖口作起，無論在何種圍巖上打豎井，豎井要貼山體垂直下挖，都會影響山體的穩定和周圍表層圍巖的松散變形。豎井下挖3-5m深后，沿井邦打注漿插筋，鋼筋混凝土鎖井口，穩定山體和井口表層圍巖不松散變形，是正確的鎖井口方式。用素混凝土鎖口或漿砌石鎖口的方式是不可取的。根據經驗，在地質條件特別惡劣的情況下，從施工程序上考慮上部20米左右按照設計體形開挖，每5米左右按照永久襯砌進行混凝土澆筑是安全可靠的施工方法。
打插筋、鋼筋混凝土鎖井口，井邦以外3~4m以內的表層圍巖形成了承載環。豎井頂部表層圍巖不松散變形，往下的豎井承載靠自身的穩定。保護圍巖自身穩定，要從開挖過程做起。控制光爆造孔間距，深度，垂直度完全一致，嚴格控制超欠挖，限制光爆孔的裝藥量，確保起爆后光爆殘留半孔壁上沒有裂紋，井壁齊平。要做到兩茬炮接茬處，上部按測量線下鉆，不超不欠。下部超挖不大于10cm，平均超挖不大于5cm。不得進行二次欠挖處理，破壞圍巖自身穩定。開挖過程能做到不破壞圍巖自身穩定，一般ⅠⅡ類圍巖比較堅硬，完整，不容易分化，豎井鎖口，光爆處理井壁打注漿插筋，就滿足了豎井工程的安全。但光爆殘留半孔壁上有裂紋，或進行過二次欠挖處理。就破壞了表層圍巖的自身穩定，應薄噴混土3-5cm，防止巖碴散落傷人。
Ⅲ類水平巖層上的豎井支護。在水平巖層上打豎井，圍巖自身承載能力很強，豎井鎖口，光爆處理井壁，打注漿插筋，就能滿足豎井工程的安全需要。要是立起的Ⅲ類巖層，豎井擴挖后，有兩邊井壁是大光面，井壁上基本沒有光爆殘留半孔的痕跡，就不能滿足豎井工程的安全需要。對這類形狀的巖層支護，一般是打注漿錨桿或錨索鉚釘兩邊大光面。錨桿孔外部分彎溝，使用大于32mm的鋼筋橫向平行與彎鉤焊接，錨桿距離2.5m左右，排間高度2.0m左右，排與排之間W字形狀焊接成整體，鋼筋掛網，噴混凝土10cm左右，就能滿足豎井工程安全。
IV類水平巖層上的支護。按Ⅲ類立起巖層標準進行，就能滿足安全需要。要是IV類立起巖層或破碎圍巖，彎溝錨桿孔處應改成鋼格柵或工字鋼支撐。接連方式與噴混凝土厚度不變。
V類圍巖上的豎井支護。鎖井口與各類圍巖相同，鋼筋混凝土。但保護V類圍巖自身承載，在豎井工程上就顯得特別重要。圍巖自身不能承載，鋼支撐也支不住。保護V類圍巖自身承載最經濟簡便的辦法是對井邦進行密孔減震處理，光爆密孔距15-20cm之間，留2空孔或3空孔間隔分散裝藥。每米孔的裝藥量控制到50克左右，分散粘到導爆索上，起爆后井邦光爆殘留半孔基本完好的，圍巖自身承載能力沒有被破壞，及時初噴混凝土，保持圍巖自身穩定不松散。再打插筋，距離2.5m左右。支鋼格柵或工字鋼，高度2.0m左右，與前排支撐W字形狀焊接成整體，鋼筋掛網，再噴混凝土，兩次合計噴射厚度10cm左右，就能滿足豎井工程的安全需要，這是不破壞圍巖自身穩定的安全支護。
減震光爆起爆后，井邦垮塌，找不到光爆殘留半孔。圍巖自身穩定能力已經被破壞。出現這種狀況，有兩種原因：一種可能是自身的，造孔不規范，起不到減震的作用，沒有分散裝藥，或用藥量過大，都會造成以上狀況。能排除自身原因的，就是自然原因。這類圍巖是較破碎，易傾倒的Ⅰ類圍巖。在較破碎，易傾倒的Ⅰ類圍巖上安全支護，除保留密孔減震光爆措施外，必要時增加超前錨桿穩定井邦，系統注漿插筋適當加深，鋼格柵或工字鋼支撐高度適當降低，噴混凝土添加鋼針或纖維，并適當增加厚度，在井邦周邊打灌漿孔灌漿，輔助圍巖自身穩定，是較破碎，易傾倒的Ⅰ類圍巖自身承載。保護圍巖的自身穩定，要從開挖過程做起。鉆爆過程不破壞圍巖的自身穩定，是豎井安全支護的關鍵所在，也是豎井工程安全的關鍵所在。
5、結語
豎井開挖施工過程中，選擇正確的施工程序和施工方法是非常重要的。對于復雜的地質條件的大斷面開挖井，井口的處理是關鍵工序，是作好其他工作的基礎，必須按照要求做扎實，最好按照設計尺寸開挖和支護，避免額外開挖增大斷面引起不安全因素和產生額外的費用。在豎井的開挖中切忌一開始就搶進度，應該在中、下部地質條件好時靠抓施工組織與管理搶進度。