米倉山隧道深大豎井建井新法

唐 協， 林國進, 2， 何 佳， 安俊吉， 周雄華， 張 睿

(1. 四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院， 四川 成都 610041; 2. 四川省公路學會隧道專業委員會，四川 成都 610041; 3. 四川巴陜高速公路有限責任公司， 四川 成都 610041; 4. 四川路橋建設集團股份有限公司， 四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國公路網不斷向山區延伸，出現了一大批長大隧道，這類隧道通常需要設置通風井以解決運營通風問題。豎井相對其他井型具有長度短、風阻小等優點，但由于受制于建井技術，目前我國公路隧道行業已建豎井較少，多借鑒煤礦部門20世紀70年代的設計與施工技術，建井深度有限，直徑較小，主要采用開挖后噴錨支護和成井后自井底模筑混凝土或鋼筋混凝土組成的復合式襯砌，施工以正井鉆爆開挖和掘砌單行作業為主。如大坪里隧道1#—5#豎井(深160～267 m，凈直徑5.6～7.4 m)，秦嶺終南山隧道2#豎井探索性地建成了國內最深最大的豎井(深661 m，凈直徑11.3 m)[1]，但施工難度極大，建井速度十分緩慢。少數地質良好且深度不超過400 m的豎井嘗試采用了反井鉆機法施工[1]，如雪峰山隧道豎井(深373 m，凈直徑6.5 m)，最近的研究也主要集中在反井法設備和防卡鉆工藝等方面[2-4]，如李廣健[5]對通省隧道深223 m和凈直徑8.5 m豎井的復合式襯砌支護參數和反井鉆機施工糾偏等進行了研究。

目前建井技術存在的主要問題首先為豎井設計深度不宜超過300 m，當豎井深度超過300 m時，應進行專題論證[6]。其次，公路豎井直徑不宜大于7.0 m[7]，小直徑豎井施工安全性優于大直徑豎井，而且缺乏大直徑豎井建設技術支撐。另外，復合式支護參數對應圍巖級別由Ⅴ—Ⅱ級逐漸變弱，而實際劃分圍巖時井口至井底圍巖力學條件往往越來越好，對應支護參數越來越弱，與豎井的受力方式不對應，而且復合式襯砌支護工序較多，建井速度慢。最后，施工掘砌以單行作業方式為主[1]，缺乏相應的機械配套要求[8]，機械化程度低，安全性較差。

本文吸收煤礦深大豎井主流設計與施工技術，結合公路運營情況考慮送風井與排風井分設或通過中隔墻合設的布置方式，在公路行業現有支護與掘砌技術的基礎上，探索了米倉山公路隧道深大豎井安全快速的建井技術。其設計與施工配套技術可作為公路隧道行業深大豎井建井新方法，并為今后建設深大豎井提供技術支撐和修訂規范積累經驗。

1 米倉山隧道豎井方案介紹及比選

米倉山隧道位于G85銀川至昆明高速公路川陜交界位置，里程長約13.8 km，為翻越米倉山的特長越嶺隧道，左右行分離布設。隧道采用縱向分四區段通風井送排式通風[9-10]，中間設置豎井及地下風機房，豎井深431.8 m，如圖1所示。前期的通風方案里豎井位置比較唯一，位于寬緩斜坡，圍巖為晉寧期堅硬閃長巖，巖體完整—較完整，地下水較少。

圖1 米倉山隧道中部豎井及地下風機房布置示意圖

Fig. 1 Layout of vertical shaft and underground fan room in Micangshan Tunnel

1.1 豎井方案的提出

建井技術主要在煤礦行業不斷發展。20世紀50—70年代，采用短段掘砌單行作業方式，掘砌段高一般在30 m左右。進入70年代，由于錨噴技術的發展，臨時支護改為錨噴，永久支護改為整體滑動模板現澆混凝土，作業方式由短段單行作業發展成為長段單行作業，段高一般為30～60 m，月成井一般為25～40 m[11]。20世紀60—80年代，為提高建井速度曾采用掘砌平行作業方式，掘進和砌壁在2個相鄰井段內反向進行，為掘進和砌壁分別設置作業盤和獨立的懸吊系統，但由于施工組織工作和安全作業復雜，月成井速度比其他作業方式增大有限，80年代中期以后很少采用。20世紀70年代，短段掘砌混合作業法及其配套施工設備的研究被列為國家“六五”重點攻關項目。此種方式不需設置臨時支護，掘砌可以適當平行作業，并形成了以大絞車、大吊桶、大抓巖機、大金屬模板和鉆深孔的傘鉆等為主的機械化施工作業線，具有施工安全和成井速度快的優點，成為我國目前立井井筒施工的主要作業方式，平均月成井60 m以上。

根據豎井復合式襯砌和單層模筑混凝土襯砌2種不同的襯砌結構形式，以及對應的長段單行作業掘砌方式和短段混合作業掘砌方式，按照送風井與排風井分設與合設2種不同的布置方式，組合米倉山隧道通風豎井方案如下。

方案1： 送風井與排風井分離布設，井筒采用復合式襯砌結構配合長段掘砌單行作業，簡稱復合式襯砌雙井方案，這也是參考目前規范的方案。

方案2： 送風井與排風井通過設置中隔板單井布置，井筒采用復合式襯砌結構配合長段掘砌單行作業，簡稱復合式襯砌單井方案。

方案3： 送風井與排風井分離布設，井筒采用單層模筑混凝土襯砌結構配合短段掘砌混合作業，簡稱單層模筑混凝土襯砌雙井方案。

方案4： 送風井與排風井通過設置中隔板單井布置，井筒采用單層模筑混凝土襯砌結構配合短段掘砌混合作業，簡稱單層模筑混凝土襯砌單井方案。

1.2 復合式襯砌雙井方案

方案1中，排風井和送風井分離布設，豎井凈直徑均為6.1 m，凈空面積均為29.22 m2，采用復合式襯砌，支護參數見表1。

該方案采用自上而下鉆爆法正井開挖，輕型機械化設備配套，井筒掘砌作業方式采用長段單行作業。按1套施工設備考慮，單個井施工準備2個月，長段單行作業法月成井31 m，單個井筒施工14個月，合計工期32個月。

表1 復合式襯砌雙井方案豎井襯砌支護參數

1.3 復合式襯砌單井方案

方案2中，在不影響豎井通風功能的前提下，送風井與排風井合并為一個大井，中間設置鋼筋混凝土中隔板。豎井凈直徑為9.0 m，中隔板厚度為40 cm，內輪廓斷面如圖2所示，復合式襯砌支護參數類比已建成的終南山隧道豎井等，如表2所示。

圖2 單井布置方案豎井內輪廓斷面圖

該方案采用自上而下鉆爆法正井開挖，重型機械化設備配套，井筒掘砌作業方式采用長段單行作業，中隔板待井壁施工完成后自井底與井壁植筋連接往上滑模施工。施工準備2個月，井筒根據長段單行作業法月成井27 m計算需施工16個月，中隔板滑模施工3個月，合計工期21個月。

不同圍巖級別下復合式襯砌雙井與單井每延米造價比值如表3所示。考慮施工機械配套重復利用，在同等情況下，每延米雙井造價是單井造價的0.78～0.88倍； 公路豎井較少，不考慮施工機械配套重復利用，每延米雙井造價是單井造價的1.09～1.23倍。

1.4 單層模筑混凝土襯砌雙井方案

方案3中，豎井凈直徑均為6.1 m，井壁結構及厚度通過工程類比和厚壁圓筒理論的拉麥公式[12]綜合確定，與圍巖分級不關聯，井壁采用45 cm厚C35混凝土，井口和井底段采用鋼筋混凝土。

表2 復合式襯砌單井方案豎井襯砌支護參數

該方案采用自上而下鉆爆法正井開挖，輕型機械化設備配套，井筒掘砌作業方式采用短段掘砌混合作業法[13]。施工準備2個月，根據煤炭行業立井短段掘砌混合作業施工經驗，按月成井80 m測算，單井井筒施工約需要5.5個月，單井需要7.5個月，合計工期15月。

表3不同圍巖級別下復合式襯砌雙井與單井每延米造價比值

Table 3 Comparison of cost per meter between double shaft composite lining and single shaft composite lining under different surrounding rock grades

對比項目每延米造價比值ⅤⅣⅢⅡ雙井/單井(設備重復)0.780.880.830.83雙井/單井(設備不重復)1.091.231.161.16

1.5 單層模筑混凝土襯砌單井方案

方案4中，豎井凈直徑為9.0 m。根據計算井壁采用60 cm厚C35混凝土，井口段和井底段采用鋼筋混凝土。

采用自上而下鉆爆法正井開挖，重型機械化設備配套，井筒掘砌作業方式采用短段掘砌混合作業法。中隔板待井壁施工完成后自井底與井壁植筋連接往上滑模施工。施工準備2個月，根據煤炭行業立井短段掘砌混合作業施工經驗，按月成井71 m測算，井筒施工需要6個月，中隔板滑模施工3個月，合計工期11個月。

單層模筑混凝土襯砌接頭多，應設計止水條防水； 當超前探孔揭露前方圍巖破碎且涌水時采用深孔帷幕預注漿，當揭露前方圍巖破碎且涌水量較少時采用周邊預注漿； 襯砌過后局部滲漏采取壁后注漿和埋管引排綜合防排水處治措施。

不同圍巖級別下單層模筑混凝土襯砌雙井與單井每延米造價比值如表4所示。考慮施工機械配套重復利用，在同等情況下，每延米雙井造價是單井造價的0.77～0.84倍； 不考慮施工機械配套重復利用，每延米雙井造價是單井造價的1.08～1.18倍。

表4 不同圍巖級別下單層模筑混凝土襯砌雙井與單井每延米造價比值

Table 4 Comparison of cost per meter between double shaft single-layer concrete lining and single shaft single-layer concrete lining under different surrounding rock grades

對比項目每延米造價比值ⅤⅣⅢⅡ雙井/單井(設備重復)0.840.770.770.77雙井/單井(設備不重復)1.181.081.081.08

1.6 方案比選

4個豎井方案均采用普通鑿井法自上而下鉆爆法施工，其不同方面的綜合比較如表5所示。若基于目前規范則采用方案1，在1套施工設備的情況下，其工期最長，施工效率低，安全風險較高。方案2總體上可節約1個井的施工時間，由于采用傳統的長段掘砌單行作業，臨時噴錨支護工序多，施工效率較低，中隔板施工難度較大，總工期較長，造價高。方案3施工工期較短，施工難度較小，但有2次施工風險，機械化配套設備費用較高。方案4雖然豎井中隔板的施工難度較大，但施工工期最短，施工安全性高，造價低。

綜上所述，從施工難度、施工風險、工期和造價等方面綜合考慮，推薦采用方案4。

表5 豎井方案綜合比較

注：d為豎井直徑。

2 米倉山隧道豎井實施效果

2.1 施工機械配套與進度

根據井筒凈直徑9 m、井深431.8 m和以閃長巖為主的圍巖條件，米倉山隧道豎井施工經一次爆破開挖量與裝巖能力、提升能力與裝巖能力、支護能力與掘進能力等的匹配計算，結合短段掘砌混合作業方式等，綜合考慮采用重型機械配套，如表6所示。米倉山隧道豎井施工區設備布置見圖3。

表6米倉山隧道豎井施工機械配套表

Table 6 Mechanical equipment matching of Micangshan Tunnel vertical shaft

系統具體配置提升與懸吊1套Ⅵ型井架;主、副提升機各2臺,卷筒直徑3 m;自制1套雙層型鋼吊盤; 4臺JZ-16/1000吊盤穩車; 4臺JZ-16/1000模板臺車穩車; 1臺2JZ-10/1000壓風管穩車; 1臺2JZ-16/1000排水管穩車; 2臺JZ-10/1000抓巖機穩車; 1臺JZA-5/1000安全梯穩車;5 m3/4 m3吊桶各1個,11 t鉤頭鑿巖與出碴1臺6臂傘鉆及鑿巖機;2臺0.6 m3中心回轉抓巖機+礦用挖機清底;5臺22 m3螺桿式空壓機;1臺裝載機+4臺自卸汽車混凝土及運輸1臺4 m段高液壓整體模板;1套攪拌機及配料機保障1臺揚程600 m以上的臥泵;1臺2×45 kW對旋軸流式通風機;1套聲光信號系統;2臺各250 W施工隔爆照明燈

注： JZ-16/1000表示1個卷筒，鋼絲繩靜拉力16 t，容量繩1 000 m。

圖3 米倉山隧道豎井施工區設備布置圖

Fig. 3 Construction area equipment layout of Micangshan Tunnel vertical shaft

米倉山隧道豎井井筒施工時間為2016年11月至2017年5月底，扣除過年放假1個月，有效施工時間為6個月，成井平均月進尺72 m，施工速度較公路行業復合式襯砌長段掘砌單行作業方式大幅度提升。

2.2 豎井井筒受力監測

米倉山隧道深大豎井是交通行業中首次采用單層模筑混凝土襯砌和短段掘砌混合作業方式的豎井，井壁厚度根據煤礦行業工程類比和厚壁圓筒理論的拉麥公式計算確定。為探明受力方式，對井壁徑向和豎向應變采用光纖光柵傳感技術開展長期監測，共監測8個斷面，深度分別為140、240、300、310、345、360、390、400 m，每個斷面布置8個環向應變測點和4個豎向應變測點，如圖4所示。

2017年6月14日、9月8日和10月20日3次監測數據如圖5和圖6所示，圖中數值為斷面平均值。由圖5—6可知，在6月14日，環向和豎向應變值均以壓應變為主，而后2次測試結果均以拉應變為主。拉應變主要由混凝土收縮引起，表明荷載及時傳遞給井壁后的圍巖，單層模筑襯砌結構承受荷載作用很小，井壁混凝土受到爆破震動的影響也很小。

圖4 米倉山隧道豎井井筒應變監測斷面測點布置

Fig. 4 Layout of strain monitoring points of Micangshan Tunnel vertical shaft

圖5 井筒環向應變監測曲線(2017年)

Fig. 5 Monitoring curves of circumferential strains of vertical shaft (in 2017)

實測結果也表明豎井井壁厚度與不均勻側壓力系數取值有較大關系，而圍巖級別對其影響很小。根據秦氏豎井壓力計算公式和拉麥公式計算得到實際監測結構受力遠小于理論計算結構受力。因此，開展豎井圍巖每層參數的測試有利于確定合理的井壁厚度。

2.3 地下水處理

由于井口緊鄰常年流水溪溝，井口表土段地下水較豐富。設計采取開挖前從井口地表周邊預注漿封堵地下水的措施，自地表沿豎井周邊外設置2排環向注漿孔，注漿進入微風化巖體深度20 m，注漿施工后開挖過程中地下水較少。注漿孔布置如圖7所示。

圖6 井筒豎向應變監測曲線(2017年)

Fig. 6 Monitoring curves of vertical strains of vertical shaft (in 2017)

圖7 豎井地表周邊注漿孔平面布置圖(單位: cm)

Fig. 7 Layout plan of grouting holes around surface of vertical shaft (unit: cm)

雖然單層模筑混凝土襯砌接頭施工縫設置止水條，但施工中在井筒深度71 m、82 m和89 m處仍有局部表面滲漏，未見出水量大于10 m3/h的單點，平均出水量為435 m3/d，平均每延米出水量為1.01 m3/d，出水量較少。施工完成后較少的地下水經井底水窩排入主洞，然后排至洞外。

3 結論與討論

1)單層模筑混凝土襯砌和短段掘砌混合作業方式較復合式襯砌及長段掘砌單行作業方式更安全、效率更高、造價更低，可作為公路行業一種新的建井方式。

2)在同等通風面積下雙井工程量要小于單井，但由于配套機械化施工設備造價高，雙井造價要高于單井，故推薦井內設置中隔板形成送、排風道的單井布置。隨著公路行業豎井的大規模出現、設計與施工技術的日趨成熟、配套機械化施工設備造價的降低，送風井和排風井雙井布置優勢逐漸明顯。

3)豎井施工設備配置較多、布置范圍較大，豎井井口位置選擇時要考慮施工設備運輸便道和井口開闊的設備布置空間。在井口場地條件有限的情況下，宜采用送風井與排風井通過設置中隔板合設的單井布置方式。

最后需要指出的是，深大豎井鋼筋混凝土結構中隔板自井底往上滑模澆筑施工，施工控制較困難，目前正在探索鋼結構和玻璃鋼等輕型結構，主要問題有4點： 1)輕型結構中隔墻在高風壓差且不斷變化狀況下的整體穩定性； 2)輕型結構中隔墻各連接部位的密閉性，防止送、排風道發生躥風； 3)輕型結構及其連接、密封材料在豎井內復雜條件作用下的耐久性和耐腐蝕性； 4)深大豎井輕型結構中隔墻的施工專項方案。