特長公路隧道通風斜井開挖和襯砌施工的關鍵技術

阮翔

(中鐵十九局集團 第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

特長公路隧道通風斜井開挖和襯砌施工的關鍵技術

阮翔

(中鐵十九局集團 第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

介紹了重慶至長沙高速公路特長白云隧道左右線通風斜井開挖和襯砌施工中的一些關鍵技術。兩個通風斜井均為長度超過1 000 m、水平傾角23°30'的大傾角、長大通風斜井。本文從施工方案的選定、提升設備的選用、鉆爆開挖、初期支護、施工排水以及所用兩種襯砌臺車施工中需要關注的問題等方面進行了詳細的闡述。可為同類工程參考。

通風斜井 斜井開挖 斜井襯砌 隧道施工

近年來在國內高速公路建設中，超長的公路隧道越來越多。為能夠使隧道內的有害氣體得到迅速稀釋和排除，隧道運營中大多利用通風豎井或通風斜井進行通風［1］。實踐證明，豎井通風存在著工程造價高和運營費用高的兩大問題［2］。而斜井通風不僅可以大大降低工程造價，通過斜井與風機房的聯合使用，分段送、排風，還可以有效地降低運營費用［3］。因此，通風斜井在特長公路隧道中得到了廣泛的采用［4］。

1 工程概況

重慶至長沙高速公路武隆至水江段的白云隧道，設計為上下行分離式雙洞四車道高速公路隧道，左線的隧道長度為 7 097.897 m，右線的隧道長度為7 120 m。采用地下風機房、斜井分段運營送、排風方式進行通風。

白云隧道通風斜井左線長1 024.49 m，高差396.39 m，水平傾角23°30'，面積31.49 m2，起點(斜井底部)位于白云隧道左線距進洞口3 071.756 m左側117.271 m的位置上。右線長1 056.26 m，高差400 m，水平傾角23°，面積45.37 m2，起點(斜井底部)位于白云隧道右線距進洞口3071.7 m右側117.518 m的位置上。斜井地面洞口接風塔，斜井底部接地下風機房。斜井中部設有30 cm厚鋼筋混凝土隔墻，將斜井洞室一分為二，形成獨立的送、排風系統。

斜井圍巖以二疊及三疊系的灰巖、石灰巖、白云巖夾薄層炭質泥巖為主，巖層產狀122°∠36°左右，圍巖呈厚層狀構造，巖體呈大塊砌體結構，巖體完整性好，抗風化能力較強，風化程度低。斜井圍巖發育有與斜井斜交的構造節理面，節理密度0.76～2.36條/m，巖石中裂隙較發育，節理的優選產狀為120°∠35°，214°∠71°，隨著掘進可能會有地下水滲流出來。斜井圍巖中有溶管、溶孔、溶腔等巖溶局部出現，巖溶裂隙發育。總的來說，斜井圍巖工程地質情況復雜，集巖溶、涌水、瓦斯(斜井底部)等不良地質于一身，設計最大涌水量10 000 m3/d。

由于通風斜井地質情況復雜，合同工期只有30個月，如何保證在合同工期內順利完成長度超過1 000 m、傾角為23°30'的斜井施工任務，施工難度很大。

2 通風斜井總體施工方案

1)斜井洞身采用L型開挖方式，在用型鋼拼裝成的工作臺架上進行鉆孔、爆破、初期支護作業［5］。

2)斜井施工采用有軌運輸。洞內段用絞車牽引梭式礦車運輸棄砟到洞口［6］，洞外則通過軌道轉換，用電瓶車將梭式礦車拉到棄砟場。

3)斜井初期支護用網、錨、噴混凝土為主要支護手段。

4)采用TSP超前地質預報技術配合超前地質鉆探方案，及時發現和探明掌子面前方一定范圍內的地質變化和含水情況，合理調整施組設計，完善安全預案措施，確保施工安全。

5)斜井的二次襯砌設計為復合式混凝土襯砌，二次襯砌用整體式拱墻模板臺車和中隔墻襯砌臺車分兩次進行澆筑［7-8］。混凝土在洞外集中拌制，用有軌運輸車運送至襯砌作業面，泵送混凝土入模。

3 斜井施工技術

3.1 設備選型和布置

1)提升設備。左右線兩個斜井各安裝一臺絞車作為提升牽引設備，提升系統布置見圖1。

每個斜井各安裝1臺2JK-2.5×1.5/11.5型礦井絞車，絞車電機的功率為400 kW，電壓380 V，最大牽引力90 kN。所用的φ45 mm鋼絲繩長度為1 500 m，分4層纏繞在絞輥上，鋼絲繩的安全系數A=9.0，絞車在斜井內的運行速度為35 m/min。

洞外配備2臺15 t電瓶車，用來牽引洞外的礦車。

圖1 斜井提升系統示意

2)出砟設備。洞內裝砟用的小松320挖掘機需要經過改裝，縮短機臂后的挖掘機可以在斜井內進行裝砟作業，并且可以在掌子面進行排險和吊運較重設備等。

用2組×2輛12 m3梭式礦車作為出砟設備。梭式礦車采用行星齒輪刮板式動輸結構，需用的電源，在掌子面可以使用斜井內的施工電源供電，在棄砟場可以使用電瓶車上的電源供電。

3)軌道布置。每座斜井洞內鋪設一條單線軌道。為提高出砟效率，洞口以外鋪設雙線軌道，一來可以實行在洞外用電瓶車代替絞車牽引礦車，二來能夠實行兩條軌道上的2組礦車交替使用。

軌道使用24 kg/m的輕型鋼軌，枕木用200 mm× 160 mm×1500 mm的油枕，間距80 cm。為確保軌道在斜坡上的穩定，用長1.2 m的φ22砂漿錨桿將軌道與井底基巖進行錨固。在井口的變坡點和距斜井作業面以外30 m處安裝礦車防撞設施，在沒有礦車通過時將軌道封閉，避免在意外情況下發生礦車溜放事故。

為了避免鋼絲繩與枕木之間發生摩擦而造成枕木的損耗，曲線段每8 m、直線段每15 m在洞內枕木上安裝一個地輥，洞內曲線段每4 m安裝一個五花立輥，使鋼絲繩能在曲線段進行牽引工作。

3.2 鉆爆開挖

鉆爆設計是根據斜井不同的圍巖級別進行的，其中Ⅱ，Ⅲ級圍巖段采用全斷面法開挖，Ⅳ級圍巖段采用臺階法開挖，斜井洞口加強段以及斜井底部含煤層的地段采用正臺階法分部開挖。開挖采用距掌子面6～10 m范圍內預留作業平臺的L型開挖方式。

為了斜井下面施工人員能在出現緊急情況時有避難場所，在開挖斜井井身時，要注意在圍巖狀況相對較好的洞壁上開挖避人洞和集水井，它們的間距一般為60～80 m左右。

3.3 施工排水

由于斜井是自上而下開挖的，高差超過400 m，坡長超過1 000 m，圍巖裂隙水和鉆爆施工用水都會聚積在井底。因此，必須不斷地在井底用潛水泵進行分級排水。斜井開挖過程中，結合避人洞的開挖，同時在其底部加深開挖成水倉，用于儲存由下一級水倉抽上來的積水，并用本級水倉安裝的污水泵，將水倉中的污水抽排到上一級水倉中，最后將井底的積水一級一級地抽排到洞外。斜井中一共開挖了15個水倉，并設一個中轉泵站，泵站的運轉由集中自動電子設備控制，從最低一級水倉開始，依次自動啟動和停止污水泵的運轉。每座污水泵站的管道出口要安裝逆止閥。斜井施工排水方法見圖2。

圖2 斜井施工排水示意

3.4 初期支護

鑒于斜井施工的不利條件，施工過程中必須杜絕一切事故的發生。斜井鉆爆開挖后必須立即施作初期支護，對圍巖和掌子面進行封閉，避免塌方事故的發生。大部分斜井的初期支護使用錨、網、噴混凝土支護，個別軟弱圍巖段和斷層破碎帶增加型鋼鋼架支撐。局部軟弱圍巖段在機械排險后，利于爆破砟體做平臺及時進行初噴封閉，封閉混凝土厚度不得小于5 cm，以保證出砟過程中人員設備的安全。待出砟完畢，利用組合臺架及時復噴支護至設計要求。錨桿用長2.5 m的φ25砂漿錨桿，按間距1.5 m×1.5 m梅花形布置;用φ8@200 mm×200 mm的鋼筋網;噴混凝土用C25，厚度120～150 mm。混凝土在洞外集中拌制，由絞車牽引至作業面，人工上料進行噴混凝土作業。

3.5 二次襯砌施工

斜井洞身襯砌設計為復合式混凝土襯砌，用整體式拱墻模板臺車和中隔墻襯砌臺車分兩次澆筑。洞外集中拌制混凝土，利用有軌運輸車送至澆筑作業面，泵送混凝土入模。

白云隧道的運營通風設計是將通風斜井一個單洞分隔成雙井，也就是在這個通風斜井中，利用一道中隔墻將其分隔成兩個井，一個用來送風，一個用來排風。由于斜井坡度大，洞室斷面小，受洞內工序交叉干擾等因素影響，井身的襯砌和中隔墻的澆筑不能同步進行，只能先澆筑井身襯砌，待所有工序完成后再澆筑中隔墻混凝土。

二次襯砌施工需要關注的幾個問題:

1)整體式拱墻模板襯砌臺車走行軌道的錨固。斜井洞身的二次襯砌使用整體式拱墻模板襯砌臺車進行澆筑。襯砌臺車的走行軌道是鋪設在斜井兩側的兩根鋼軌，如圖3所示。由于臺車自重很大，再加上澆筑的混凝土重量，所以襯砌臺車在澆筑混凝土時，對軌道基礎會產生很大的荷載，這種傾斜的荷載可能引起墊層和仰拱的向下滑動。所以，必須對斜井底部的墊層和仰拱進行錨固。錨固的方法是將鋼軌與錨固在基巖中的錨桿焊接在一起。具體的做法是在軌道下每隔1 m鉆2個 φ45 mm的鉆孔，孔深≥1.8 m，置入長1.8 m的φ28砂漿錨桿，將錨桿焊接在鋼軌下面的墊板上。錨固臺車的錨桿布置見圖3。

圖3 整體式拱墻模板襯砌臺車示意(單位:cm)

2)整體式拱墻模板襯砌臺車液壓頂進裝置。襯砌臺車的行走和工作是處在23°30'的斜坡上，若只用絞車牽拉根本無法準確定位，而且還有一定的安全風險。為此在臺車底部安裝了兩組伸縮式液壓油缸，每組油缸推力為臺車下滑力的2倍。兩組油缸交替推進，可以將臺車推進到預定位置，然后用固定絲桿通過鋼軌上的鉆孔用插銷將臺車和軌道鎖定在一起。為確保施工安全，還配置了4臺10 t導鏈輔助固定。

3)襯砌臺車的定位和調整。襯砌臺車到位后用全站儀定出它的中線和標高，利用襯砌臺車中線上的垂球先把臺車的中線調整到位，再用臺車上幾個方向的油缸把模板調整到準確位置，到位后用螺桿錨固。

4)二次襯砌混凝土澆筑。二次襯砌澆筑所用的混凝土在洞外拌合站拌制，運送混凝土的罐車用絞車送到二襯澆筑作業面，再泵送入模。

由于混凝土的運輸時間較長，為此拌合站要控制好混凝土的初凝時間，合理調整水灰比，及時進行坍落度試驗，確保混凝土入模前不發生初凝和離析。襯砌混凝土要加強振搗，通過插入式振動器和附著式振動器相結合的振動形式，保證混凝土的密實度和外觀效果。

3.6 防排水施工

斜井的防排水工程按照“防、堵、截、排，因地制宜、綜合治理”的原則進行施工。

斜井的二次襯砌采用有較高自防水性能的 P8，C30防水混凝土澆筑。襯砌背后鋪設一層 EVA防水板，二次襯砌的施工縫用膨脹止水條防水，沉降縫用止水帶防水。由于斜井坡度大，洞室斷面小，防水板鋪設在臨時搭設的腳手臺架上施工，臨時臺架每次搭設不超過15 m，鋪設完成后隨時拆除并向前交替使用，安全方便。

襯砌背后設置縱向盲溝和環向盲溝。縱向盲溝敷設在斜井兩側邊墻的底部，最后和風機房里的側溝連接。沿著斜井軸線每5～10 m敷設1道環向盲溝，環向盲溝的下端與縱向盲溝相連接。襯砌背后滲漏出來的地下水沿著環向盲溝流入縱向盲溝，最后排入地下風機房的側溝，最終匯入白云隧道主洞中央水溝排出洞外。由于斜井洞身襯砌施工時，風機房洞室和斜井并未挖通，集水井已被回填封閉，為便于棑水，在襯砌施工的同時架設臨時抽排水管道，并在相應的位置安置臨時水倉用于分級抽排積水。

4 施工效果

白云隧道兩座長度超過1 000 mm、坡度達到23°30'的通風斜井已經完成開挖工作，平均月進尺72.8 m，左線通風斜井還曾創造了月進尺100 m的最高紀錄。施工過程中沒有發生較大的安全、質量事故，順利地完成了工程任務，確保了30個月的工期要求。

5 結語

通過把“單洞雙線雙絞車”的施工方案改進為“單洞單絞車，洞內單線，洞外雙線”施工方案，并把出砟方案改進為洞內絞車、洞外電瓶車牽引梭式礦車，優化了施工方案和出砟方案，大大提高了出砟效率和開挖進度，縮短了工期，降低了成本，總計可以節約成本約235萬元。

通過液壓頂進式襯砌臺車的使用，有效地解決了大傾角條件下襯砌臺車的行進、定位和穩固問題，保證了斜井襯砌施工的進度和安全，還較好地實現了斜井二襯混凝土的內實外美。但是，襯砌臺車的成本高、自重大、臺車周轉利用率低等缺點，也是需要在今后類似工程施工中加以改進的。

［1］中華人民共和國交通部.JTG D70—2004 公路隧道設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］呂康成，楊榮尚，李尚旺，等.特長隧道通風井設計與施工探討［J］.公路，2007(4):211-217.

［3］呂康成，伍毅敏.特長公路隧道通風設計若干問題與對策［J］.現代隧道技術，2006，43(6):35-39.

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［6］王海峰.烏鞘嶺特長隧道斜井施工通風技術［J］.科技情報開發與經濟，2007，17(15):271-273.

［7］鄭杰，鄭焰，舒文軍，等.大傾角曲線斜井襯砌施工技術［J］.隧道建設，2009，29(1):109-111.

［8］中華人民共和國鐵道部.TZ 204—2008 鐵路隧道工程施工技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

(責任審編 趙其文)

U455

:BDOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.13

2015-06-04;

:2015-08-15

阮翔(1972— )，男，高級工程師。

1003-1995(2015)11-0043-04