特長隧道通風豎井設計與施工技術

徐士良

(安徽建筑工業學院 巖土工程系，安徽 合肥 230022)

1 工程概況

隨著我國交通基礎設施建設規模的逐步擴大，高等級公路建設的迅速發展和交通運輸量的逐漸提高，特大、長大公路隧道工程將日益增加，公路隧道配套及相關設施的建設規模也將不斷擴大。豎井是長大公路隧道的重要配套工程之一，對隧道的通風排污、防災減災、正常運營等起著重要作用。目前我國隧道豎井的設計中，對于巖爆等特殊地質條件還沒有系統的設計方法。在豎井的施工中，根據實際工程的具體條件采用了不同方法。秦嶺公路隧道1號和3號豎井采用先反井后爆破擴孔法施工，夾活巖特長公路隧道豎井采用全斷面爆破法施工。

秦嶺終南山特長公路隧道位于新建西安至安康高速公路西安至柞水段的青岔鄉與營盤鎮之間，全長18 020 m。在目前山區公路隧道中規模居世界第一，長度列世界第二，被譽為“世界級工程”和“中國第一長隧”。該隧道采用3豎井通風方案，其中2號豎井井深為 661.10 m，凈直徑為 11.20 m，掘進半徑為 12.12～16.20 m。

2 地質條件

根據隧道山體表面的具體情況，2號豎井位于秦嶺北坡水洞子溝中上游右側約30 m，豎井中心地面高程1 697.6 m，距東線隧道381.84 m，如圖 1所示。豎井上部30 m為第四系全新統坡洪積層，其中表層為崩積塊石土，坡洪積層巖性為粉質黏土，塊石土巖性為混合片麻巖。豎井下部地層主要為混合片麻巖，部分地段夾黑云母斜長角閃片巖殘留體，巖體受構造影響輕微，巖體完整，以大塊狀砌體結構為主，屬于Ⅱ級圍巖，具有巖爆傾向性。

圖1 通風豎井位置(單位:m)

3 豎井支護結構及穩定性分析

3.1 豎井支護結構

目前國內還沒有比較成熟的公路隧道大直徑深豎井設計方法。利用該豎井的工程地質條件，根據新奧法設計原理，采用經驗類比和數值模擬等方法，對該豎井支護結構進行設計。對于30 m的表土層，采用鋼筋混凝土作為永久支護，厚度為0.80 m。豎井基巖段初期支護為錨噴支護，厚度為0.06～0.10 m，二次襯砌為鋼筋混凝土支護，厚度為0.40 m。該豎井為送排風合一的風井，中間用中隔板分開，中隔板采用C30防水鋼筋混凝土結構。在施工過程中，豎井的支護設計要根據地層的變化情況不斷調整，以保證支護的穩定。典型斷面的支護設計如圖2。

圖2 支護結構設計(單位:m)

3.2 豎井穩定性分析

秦嶺終南山隧道2號豎井工程區域屬于典型的峽谷地貌，存在明顯的高地應力集中區和應力平穩區。通過建立三維有限元模型(見圖3)，對不同深度的豎井圍巖和支護結構進行了數值模擬分析。圍巖采用8節點六面體單元，噴層采用4節點殼單元，錨桿作為安全儲備考慮，沒有模擬。屈服準則為Drucker-Prager準則。圖4為豎井高地應力區域內500 m深度處圍巖和噴層的最大主應力分布。通過分析表明，圍巖和噴層都處于彈性狀態，表明高地應力柔性支護設計是合理的。

圖3 豎井有限元模型

根據Russenes巖爆判別準則，豎井會發生中等或輕微巖爆，所以必須采取巖爆防治措施。主要措施如下:

1)充分發揮豎井雙層吊盤的保護功能。在進行打眼和噴漿等作業時，采用鐵絲網罩蓋住吊盤喇叭口，防止井壁上部剝落圍巖落入工作面;在下層盤預備多個安全繩梯，一旦發生巖爆危及工人人身安全，工人可以利用安全梯到吊盤上躲避，等待升井。

2)加強井筒地質情況變化的日常巡查和工人巖爆知識的培訓，密切注意巖爆的發生，提高工人的安全意識。

3)提高初期支護質量，出渣過程中或完畢后，根據情況進行錨噴支護，必要時對上一循環的噴射混凝土支護進行補噴。

圖4 豎井500 m處最大主應力云圖

4 豎井施工

4.1 總體施工方案

豎井采用新奧法施工，需要進行現場監控量測并反饋信息以指導施工。由于工期緊張，并且為帶有中隔板的大斷面深豎井，經過多種施工方案的比選，決定采用全斷面一次爆破掘進，錨噴支護施工至井底，再從井底向上施作二次襯砌和中隔板。該施工方案需要較高的管理水平和施工技術支持。豎井施工組織形式為掘砌單行作業，其基巖段施工工藝流程為:傘鉆和人抱鉆鑿巖、升井→裝藥、連線、放炮、通風→出渣→噴射混凝土支護、打錨桿→清底、下傘鉆和人抱鉆。

4.2 豎井機械化配套設備

豎井采用主、副兩套單鉤提升系統，提升絞車為2JK-3.0/20型。井深500 m以上，主、副提升容器均選用4.0 m3座鉤翻矸吊桶;井深500 m以下，主、副提升容器均選用3.0 m3座鉤翻矸吊桶。打眼采用以傘形鉆架為主，配套多臺人抱鉆輔助打眼的方法。裝渣設備為YC85-6小型挖掘機配0.4 m3抓斗。噴漿支護采用4臺轉Ⅶ型混凝土噴射機。

為了保證豎井中隔板和二次襯砌的整體性和穩定性，模板設備非常重要。經分析計算，設計了中隔板和二次襯砌一體化液壓滑升模板設備，見圖5。其中豎井二次襯砌為單側滑模施工，中隔板為雙側滑模施工。模板設計中為了提高利用率，保證強度、剛度及整體穩定性，整個滑升模板設計為鋼結構。其主體結構包括操作平臺、提升架 、圍圈、輻射梁、模板、輔助盤、液壓系統和支承桿等。

該滑模是在豎井圓周內每隔一定距離埋設金屬爬桿一根，將液壓千斤頂套在每根爬桿上，通過螺栓把液壓千斤頂底座與提升架的頂部連在一起。在提升架的立柱內側裝配圍圈，并在圍圈上懸掛模板。為使所有液壓千斤頂能同步工作，用輸油管路將其與液壓操作機相連。這樣隨著模板底部混凝土的凝固、液壓操作機驅動所有液壓千斤頂，就可帶動提升架、圍圈、模板、操作平臺沿著爬桿向上滑動，如此反復連續進行一直爬升到豎井頂部為止。

圖5 豎井滑模示意(單位:mm)

4.3 豎井硬巖爆破

鉆爆法因其廣泛的適用性和經濟性，特別適用堅硬巖石地下工程的開挖。鉆爆法施工的關鍵是掏槽技術，斜眼掏槽和直眼掏槽是開挖爆破常用的兩種掏槽形式。直眼掏槽拋渣距離近。斜眼掏槽技術由于受鉆孔機具操作的限制只能在寬度足夠的大斷面隧洞中應用，其炮眼深度也受斷面大小限制，適用于開挖循環進尺較小的隧洞。直眼掏槽技術在大小斷面隧洞中均可選用，其炮眼深度不受斷面大小限制，可適用于開挖循環進尺較大的隧洞。

由于目前對巖石的爆破機理和爆破設計還沒有統一的認識，硬巖爆破施工仍處于經驗和現場試驗階段。秦嶺2號豎井開始采用直眼掏槽，缺乏直徑較大的空孔鑿巖機，加上巖石堅硬，爆破效果很不理想。為了充分發揮斜眼和直眼掏槽的優勢，決定采用復合掏槽技術，保證掏槽爆破效果。在掏槽施工過程中，中間采用直眼桶形掏槽外加斜眼錐形掏槽，以增加槽腔體積，克服普通直眼掏槽技術在堅硬巖石中應用時槽腔小和拋出巖渣有限的缺點。另一方面，為了消除錐形掏槽在孔底使崩落孔的抵抗線增大的弱點和進一步擴大槽腔體積，再在錐形掏槽外圍加上同深的桶形直眼掏槽來加強對掏槽腔體內巖渣的拋擲作用，增強掏槽效果。有時還在直眼圈徑中打部分斜眼，形成耦合掏槽的方式，取得了良好的爆破效果。

4.4 豎井監測

秦嶺終南山隧道2號豎井在施工過程中有中等或輕微巖爆發生，為了保證豎井高地應力柔性支護的穩定性，進行現場監控量測非常重要。隧道通風豎井與一般煤礦立井相比，井筒輔助設施少，監測工作開展的難度大，危險性高。

根據實際情況，2號豎井監測的主要項目為噴射混凝土應力和圍巖與噴射混凝土間接觸壓力，并輔助進行圍巖地質狀況觀察和收斂位移測量，確保豎井工程施工安全并積累超大直徑豎井施工經驗。具體操作過程為:在井口封口盤上對應于井下測試儀器埋設的位置進行開孔，淺部導線直接下到豎井指定位置，豎井深部采用尼龍繩懸吊導線方式下放，并利用錨桿固定導線，防止導線擺動幅度過大。測試儀器離工作面2 m左右安設，等吊盤下到儀器位置進行導線安裝，可以避免爆破施工損壞導線。整個過程要十分小心，避免導線與穩繩等絞在一起，要采用對講機進行協調聯系，并采用人工和datataker采集儀配合進行數據讀取。

5 結語

1)秦嶺公路隧道2號豎井采用錨噴支護為主要承載結構，通過三維有限元數值模擬驗證了高地應力柔性支護設計的合理性。

2)豎井合理的機械化配套方案和復合掏槽爆破技術，保證了整個工程快速順利施工。

3)隧道豎井監測能夠反饋信息和指導施工，但監測難度大，巖爆監測方法也需要加強研究。

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