西山特長隧道2號豎井開挖施工技術

王 鑫

1 工程概況

太原—古交高速公路的西山特長隧道,設計全長13.654 km,是國內目前在建最長的公路隧道。設計為分離式雙洞隧道,其中2號豎井位于右洞左側35 m處,井口位于溝谷旁的臺地上,豎井設計為圓形斷面,襯砌后直徑為8.2 m,開挖直徑達到9.3m～9.9 m,屬于大斷面豎井,設計深度為156.8 m。豎井中部設計為0.3 m厚的鋼筋混凝土隔板,將豎井分隔為進、出風道,在井底設送風道和排風道分別與正洞聯通。豎井井身圍巖為奧陶系中統峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)泥灰巖、石灰巖夾白云質灰巖、角礫狀灰巖、角礫狀白云質泥灰巖,圍巖級別Ⅲ級～Ⅴ級,其中泥灰巖地層中的巖溶——溶蝕、溶孔、溶洞較發育。井口圍巖為第四系中更新統峙峪組(Q3s)礫卵石、砂土層,穩定性差。豎井含水層距離地面90 m～127 m,地下水為巖溶裂隙水。豎井設計采用柔性支護體系的復合式襯砌,Ⅲ級圍巖初期支護采用錨桿、鋼筋網和噴射混凝土,Ⅳ級圍巖增設型鋼拱架,Ⅴ級圍巖增設超前小導管注漿支護。豎井襯砌設計為S8的抗滲混凝土,Ⅴ級圍巖地段為鋼筋混凝土,襯砌每隔10 m設一道壁座。豎井設計剖面如圖1所示。

2 豎井施工方案

豎井施工采用自上而下全斷面開挖施工,普通機械化配套方案,人工鉆孔爆破開挖,采用光面爆破技術,初期支護緊跟開挖面。由于豎井深度156.8 m,且對襯砌的防水要求較高,襯砌采用豎井開挖到設計標高后,自下而上的施工方法,確保襯砌混凝土的密實性。

3 豎井井身開挖施工

3.1 井口段開挖施工

3.1.1 鎖井盤、井頸施工

豎井井口鎖井盤設計為C30鋼筋混凝土,井頸設計為C15片石混凝土。鎖井盤及井頸采用人工配合挖掘機開挖施工,汽車吊提升1 m3吊桶出渣。開挖時預留30 cm～50 cm人工配合修整到位,保證成井質量及側壁穩定。

鎖井盤鋼筋在加工場加工,現場綁扎成型。內模采用組合鋼模板現場拼裝,混凝土采用強制式攪拌機拌制,混凝土輸送車運送至灌注點澆筑,分層澆搗,插入式振搗器振搗密實,鎖井盤混凝土一次灌注,井頸片石混凝土分兩次澆筑完成。

3.1.2 井口段30 m施工

從井口向下30 m范圍的井身采用普通方法施工,全斷面分層下挖,人工風鉆打眼,光面爆破開挖,小型挖掘機裝渣,汽車吊提升3 m3吊桶出渣。初期支護由人工打設錨桿、立鋼拱架、掛鋼筋網,然后噴射混凝土,每循環的進尺為鋼拱架的設計間距。井口段30 m施工時,人員利用爬梯上下,材料利用汽車吊下放到井底作業面。

3.2 井身段開挖施工

采用普通方法完成30 m井身后,開始進行井架、提升設備及吊盤、封口盤等的安裝和提升系統的調試。

根據豎井的斷面尺寸選用Ⅳ型鋼管鑿井井架,井架角柱跨度為14 m×14 m,天輪平臺尺寸為7 m×7 m,基礎頂面距天輪平臺的高度為21.97 m。井口設封口盤,它既是升降人員和材料、設備的平臺,又可以防止從井口向下掉落石塊、雜物,保護井下作業人員的安全。封口盤上吊桶提升口處設井蓋門,井蓋門在吊桶通過時開啟,其余時候都處于閉合狀態,封口盤上其余各管、鋼絲繩通過處的孔口四周均用鋼板圍蔽,防止雜物掉入井內。

井口30 m以下至設計深度的井身開挖施工,在井口提升設備全部安裝完成,并經鑒定驗收后進行。

3.2.1 打眼

打眼采用YT28風動鑿巖機,將開挖面分區,每臺風鉆負責一塊。鉆眼過程中,用高壓風把炮眼中的石渣及顆粒吹出,以防卡鉆,每鉆完一眼及時堵塞,防止石屑泥土進入,影響裝藥。

開挖采用光面爆破,根據圍巖性質及設計開挖斷面尺寸作鉆爆設計。炮眼按同心圓排列布置,采用斜眼錐形掏槽方式,掏槽眼兩圈18個,輔助眼三圈86個,周邊眼59個。周邊眼、輔助眼深度2.0 m,掏槽眼比周邊眼深0.2 m。每開挖循環進尺為 1.8 m,炮眼利用率達到90%以上。

3.2.2 裝藥爆破

根據豎井掘進炮孔向下的特點,采用防水乳化炸藥,藥卷規格φ 32×200 mm,周邊眼采取不耦合間隔裝藥,其他眼采用連續裝藥。掏槽眼裝藥系數0.65～0.85,輔助眼裝藥系數0.40～0.60,周邊眼裝藥系數0.15～0.25。采用非電毫秒雷管,段數由內向外分別為1,3,5,7,9,11,電力起爆。

3.2.3 出渣

井底采用小型挖掘機裝渣,礦用提升機提升3 m3吊桶至井口,翻渣至15 t自卸汽車運至棄渣場。

3.2.4 初期支護

砂漿錨桿采用風動鑿巖機成孔,高壓風清孔,人工安裝。

鋼架按設計圖紙預先在井口加工場加工成型,并通過試拼,現場安裝。鋼筋網片在加工廠采用點焊加工成型,人工鋪設后與鋼架或錨桿焊接牢固。

噴射混凝土混合料在井口拌合站拌和,通過吊桶運送到作業面。豎井開挖成型、表面清理后,立即進行初噴混凝土施工,封閉圍巖,錨桿、鋼架、鋼筋網安設完成后復噴混凝土至設計厚度。

4 配套施工方案

1)供風方案。根據施工作業面需風能力的要求,井口采用 3臺20 m3/min的電動空壓機,井筒內高壓風管路選用φ 150鋼管。

2)通風方案。豎井開挖施工期間,采用 1臺SDFc-No10軸流通風機壓入式通風,風機安裝在井架10 m平臺上。井內懸掛一趟φ 1.0 m PVC軟風筒,風筒距工作面不超過10 m,將地表新鮮風直接送至開挖工作面。

3)通訊照明方案。豎井開挖施工期間,在井身內吊盤、井口信號房、井架翻矸臺、提升機房等均設置聲光信號系統,以井口為中心建立可靠的信號聯系網,使開挖工作面、吊盤均能向井口獨立發送信號,井口信號房除了能與井內發出信號聯系外,還可向提升機房、翻矸臺及各懸吊絞車發送信號,確保井上、下的通訊聯絡及時、準確。井口照明在井架上安裝4盞自鎮汞燈來實現,井身內吊盤上層安裝6盞100 W白熾燈;吊盤下層安設3盞防爆投光燈,用于井底工作面施工照明。

4)排水方案。井身涌水量較小時,采用在裝巖的同時,用潛水泵將開挖工作面積水排入吊桶內,由吊桶提出井外排出。井身涌水量較大時,采用高揚程吊泵進行排水,在開挖面設集水坑,井壁設“L”形截水環,使水通過收集后排入指定位置,由專人負責直接通過管道抽排至井口外。

5 豎井開挖施工技術要點

1)施工前先作好井口工程,穩定好井口的邊坡,作好邊溝等排水設施,確保地表水不致危及豎井施工安全。2)開挖采用光面爆破技術,嚴格控制超欠挖,保證開挖輪廓圓順。初期支護噴射混凝土厚度、鋼架的間距、錨桿方向、長度、抗拔力符合設計要求。3)施工中應隨挖隨支護,如遇圍巖軟弱、石質破碎、風化嚴重時,盡量縮短開挖進尺。4)爆破作業嚴格遵守國家相關安全操作規定,爆破后必須經過至少15 min通風排煙后,檢查人員方可進入工作面,檢查有無瞎炮及可疑現象;有無殘余炸藥或雷管;井壁有無松動石塊;支護有無損壞與變形。在妥善處理并確認無誤后,其他工作人員才可進入工作面。5)施工中要加強通風,保持井下空氣新鮮。6)加強監控量測,及時反饋信息,通過量測指導施工,確保安全。

[1] JTJ 042-94,公路隧道施工規范[S].

[2] GBJ 213-90,礦山井巷工程施工及驗收規范[S].

[3] 柴穎鵬.隧道施工中的關鍵要素[J].山西建筑,2008,34(12):321-322.