泰寧隧道大坡度斜井施工關鍵技術研究

盧坤華

(三明市高速公路有限責任公司，福建 三明 365000)

0 引言

據統計，截至2010年底我國公路隧道為7 384處、512.26萬m，比上年末增加1 245處、118.06萬m，比“十五”末增加4 495處、359.55萬 m。其中，特長隧道 265處、113.80萬 m，長隧道1 218處、202.08萬m。“十一五”期內，秦嶺終南山隧道、上海崇明隧橋、廈門翔安海底隧道等重大工程相繼建成[1]。

截止2011年3月，福建省高速公路建成通車2 400 km(其中雙向八車道高速公路230 km)，建成隧道達238.66 km/260座。目前在建高速公路里程2 160 km，其中隧道317.55 km/214座。

在山區鐵路、公路建設中，修建特長隧道是提高線形標準，實現陸路交通高速化、重載化的重要環節之一。為了提高施工進度和滿足隧道運營期通風的要求，在長大隧道的中部均設置一定數量的斜井或豎井，考慮到出渣的需要，實踐中以大坡度斜井為主，然而大坡度斜井的施工遠不同于小坡度隧道，具有一系列特殊的工程問題:大坡度斜井的高效開挖方式、通風、出渣及運輸安全等問題[2－5]。

本文以目前福建省在建最長的泰寧隧道為例，介紹大坡度斜井施工過程中的成功經驗，可為今后類似工程的實施提供參考和借鑒。

1 工程概況

泰寧隧道作為建(寧)泰(寧)高速公路的控制性工程，設計為雙洞單向行車，左洞為ZK17+675～ZK24+714，全長7 039 m，右洞為YK17+690～YK24+697，全長7 007 m，最大埋深約700 m，屬特長、大斷面、深埋、高地應力隧道。為了增加開挖工作面，加快隧道施工進度，結合運營通風的需要，泰寧隧道實施“長隧短打”、多斷面同時掘進的方案，在進口段前進方向設置斜井。泰寧隧道斜井位于線路前進方向右側，分左右兩洞，右斜井洞口位于右洞YK20+678，洞軸線右偏120 m，長度822.6 m，斜井洞身坡度為19.8%;左斜井洞口位于右洞YK20+681，洞軸線右偏142 m，長度609.8 m，洞身坡度為18.5%，最大埋深174 m。左右斜井各設送、排風道，其中右斜井排風道設計為施工加寬段，作為左右斜井和正洞斜井施工段的運輸通道。斜井設計斷面尺寸如圖1所示。

隧道場區處于閩西華夏系武夷山脈隆起帶與新華夏系閩西隆起帶范圍內，屬于斷塊差異活動區，斷裂構造發育，多以擠壓性片理帶、裂隙密集帶、破碎帶及部分構造角礫巖帶等出現。隧道區地下水主要為風化基巖中的裂隙—孔隙水和構造裂隙水;洞身圍巖主要為加里東期侵入巖花崗巖以及侏羅系下統或中統粉砂巖、砂巖類。隧道圍巖從洞口向里依次為Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ和Ⅱ級;隧道場區地質構造條件相對穩定，但隧道在不同埋深下先后穿越7條斷層破碎帶，破碎帶寬度在5 m～37 m之間，破碎帶中巖體松散、破碎，自穩能力差，遇水軟化，施工中極易發生坍塌、冒落和突水等事故。

圖1 斜井設計斷面

隧道采用新奧法設計和施工，鉆爆破法開挖，全斷面法爆破開挖，光面爆破技術，以減少爆破震動對圍巖的損傷，單循環開挖進尺2.0 m，施工時右側斜井先行施工，左側隧道緊隨其后。

2 施工關鍵問題

2.1 開挖方式

泰寧隧道斜井由于大角度向下傾斜，因此，爆破產生的炮渣已經不是水平向外拋射，而是斜向上拋射，尤其是掏槽孔向外拋射的阻力更大，拋射距離更短，導致掏槽和整個爆破效果較差。泰寧隧道斜井初始設計的爆孔布置如圖2所示。

圖2 掌子面爆破炮孔布置圖

掌子面爆破開挖的爆破參數如表1所示。

表1 爆破開挖參數表

按照以上爆孔布置和爆破參數施工，掏槽效果非常差，爆渣拋擲距離僅有11 m左右，塊度普遍較大，同時爆破震動速度過大，導致爆破時初期支護噴射的混凝土脫落，監測得到的最大爆破震動速度達到43 cm/s，其爆破震動速度時程曲線如圖3所示。

圖3 爆破震動速度時程曲線圖

經過不斷試驗優化，泰寧隧道斜井的爆破方式由簡單掏槽方式改為復合掏槽，此方法僅增加4個炮孔但不增加炸藥用量，使掏槽效果大為改觀，爆渣塊度大小適中，最大爆破震動隧道也降低到25 cm/s以下，復合掏槽方式如圖4所示。

圖4 優化前后的掏槽方式

2.2 斜井安全運輸

2.2.1 出渣組織

施工出渣時，我們結合工程實際情況，將右斜井作為上行路線，左斜井作為下行線路，利用左右斜井之間的臨時通道，運輸車輛沿左洞斜井下行線路進入各個施工區間后掉頭裝渣，然后沿左側進入右洞斜井上行運輸，完成一次出渣(見圖5)。

圖5 出渣組織

2.2.2 設置安全避險車道

隧道出渣運輸方式采用無軌運輸，困難具體體現在:坡度大，斷面小，洞內涌水較多，小斷面運輸距離較長，在車輛失靈時容易一溜到底，存在安全隱患。因此，在斜井段實際施工時，每隔150 m設置緊急避險車道，并兼作斜井施工時車輛掉頭使用，如圖6所示。

緊急避險車道長25 m，下坡方向洞壁內設2 m厚3.5 m高砂袋墻，外設1.5 m厚3 m高廢舊輪胎堆碼，內壁設2 m厚3.5 m高砂袋墻，作為車輛制動失靈時撞擊緩沖。

2.2.3 增設車輛緩沖平臺

載重車輛從井底往斜井口行駛時，坡長路陡，容易發生故障，而下行載重車輛也容易產生慣性力疊加的問題，因此設置車輛緩沖平臺予以解決。平臺長30 m，每隔300 m設置一處，縱坡為3%，如圖7所示。

2.2.4 設置車輛檢修平臺

斜井施工由于坡度大，車輛存在的最大安全隱患，保持車輛的性能良好成為一項很重要的日常工作，出渣車輛用新購置的、爬坡性能強的歐曼310，同時配備檢修人員，對車輛進行定期檢查和每日的班前檢查，特別是車輛的制動系統，出渣前仔細檢查，由專職安全員負責每日的車輛進洞前檢查，做到有檢查、有維修、有記錄，同時在隧道洞口和斜井與正洞交接處設置上下交通協管員，指導進出斜井車輛有序通過。

圖6 安全避險車道示意圖（單位：m）

圖7 車輛緩沖平臺示意圖

2.2.5 坡度調整

按照原設計，左斜井坡比為19.8%，右斜井坡比為18.5%，根據以往的施工經驗，出渣車輛爬坡時，斜井設計較適宜坡度在15%以內，特別是進入正洞施工時，運渣車輛每天任務重，車輛維修、保養次數增多，而且車輛經過一年的施工，性能在一定程度上都有所降低，如采用無軌運輸，出渣時對于斜長800多米，坡度18.5%的陡坡斜井，施工中存在的安全隱患相對增多，為有效地減少安全隱患，經專家論證后，原設計右斜井坡度18.5%，在樁號JYK0+297處設置緩沖平臺，往正洞方向坡度由原設計18.5%變更為13.5%，右斜井作為車輛上行通道，經過優化設計，在后期施工中，特別是出渣車輛運輸，效率得到了提高，安全得到了更有效的保障。

2.3 隧道通風

斜井施工初期，在每個洞口設置一臺110 kW×2軸流風機，采用壓入式通風方式，風力可以滿足施工需要。在斜井進入正洞后，為了改善通風條件，最大限度保證洞內空氣清潔，左洞風帶改由左洞排風道進入左正洞，并在斜井和正洞交叉處設三通，往上、下行掌子面送風;后期施工在右斜井排風道、左斜井臨時通道與正洞交叉口處分別增設1臺55 kW射流風機，使洞內空氣流動速度加快，利于洞內污濁空氣的排出。

為防止左、右洞通風時串風，在左右洞臨時通道和先期開挖的車行橫洞、人行橫洞口設置活動棉門簾，在通風時拉上門簾，防止串風。

2.4 隧道排水

2.4.1 斜井段排水

泰寧隧道左、右斜井均為大坡度反坡施工，掌子面積水嚴重，施工中采用在成洞段分段設置集水坑，然后將反坡向掌子面積水采用水泵排到集水井，集中排出洞外。

集水井設置:斜井段排水管用φ100鋼管，法蘭連接，在掌子面設臨時集水坑，里面設一臺5 kW潛水泵，用軟管接到φ100排水管，在180 m范圍內直接抽出洞外，超出180 m后，隔150 m設置集水坑，右斜井共設置集水井5個，左斜井4個，由集水坑中所設潛水泵接力抽出洞外，同時，路面排水在路面調平層施工時，每隔100 m埋設[10槽鋼，將路面積水通過槽鋼引入排水溝。

2.4.2 正洞段排水

斜井施工完成，進入正洞后，排水量較大，設計涌水量正洞段和斜井段為5 756 m3/d(其中斜井段為1 352 m3/d)，抽水任務較大，通過綜合計算，在進入正洞施工后，采用集中排水，在左斜井ZK21+307處左側設置約80 m3的集水井，將隧道所用積水都引入左正洞集水井，從集水井通過左斜井一次抽到洞外排出。抽水設備采用兩臺DA1/25/30×5多級離心泵，流量30 m3/h，揚程175 m、功率30 kW，由6個人分兩班負責隧道抽水，每天抽水約16 h，同時，備用一臺D155－30×4單吸多級離心泵，流量191 m3/h，揚程135 m、功率90 kW，在水量增大，出現突發事故時啟用。

正洞內建寧方向(上坡開挖)涌水順洞內臨時側式排水溝自流至集水井內，泰寧方向(下坡開挖)涌水分段設集水坑，并在掌子面設臨時集水坑，用5 kW潛水泵分段接力排至集水井內，斜井段流水通過洞內排水溝自然流到集水井，抽水由專人負責，將積水順利排出洞外。

3 結語

泰寧隧道大坡度斜井的施工中，面臨高效開挖方式、通風、出渣及運輸安全等一系列工程問題，但成功得以解決，其成功的經驗方法可為類似條件下隧道工程的設計、施工提供參考和借鑒，總結如下:

1)將簡單掏槽方式優化為復合掏槽的形式，大大提高了掏槽和爆破效果，控制爆破震動，但不需要增加炸藥用量和增加少量鉆孔。2)通過合理的運輸組織、設置避險車道、設置車輛避險平臺、車輛檢修平臺和調整坡度等方案，確保了施工運輸組織的安全高效。3)對大坡度斜井施工過程中的通風系統進行優化，保證了隧道內施工所需風量。

[1] 中華人民共和國交通運輸部.2010年公路水路交通行業發展統計公報[EB/OL].

[2] CREMER F，JONG de W，SCHUTTE K.Fusion of polarimetric infrared features and GPR features for landmine detection[C]//The 2nd International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar(IWAGPR).Delft，Netherlands: [s.n.]，2003:1－6.

[3] 王夢恕.大瑤山隧道——20世紀隧道修建新技術[M].廣州:廣東科學技術出版社，1994.

[4] 王夢恕.對巖溶地區隧道施工水文地質超前預報的意見[J].鐵道勘查，2004(1):7－9.

[5] 趙永貴，劉 浩，孫 宇.隧道地質超前預報研究進展[J].地球物理學進展，2003，18(3):460－464.