火山隧道豎井基于掘進機法的優(yōu)化設(shè)計

雷帥 李海清 席錦州 周捷 王瑞興

摘要 近年來掘進機在水平隧道施工中的應(yīng)用越來越多，但在豎井中的應(yīng)用經(jīng)驗仍然較少，豎井土建設(shè)計和掘進機設(shè)計也缺乏相關(guān)參考。文章通過對火山隧道豎井掘進機及其作業(yè)方式的研究，總結(jié)出豎井土建設(shè)計需滿足的諸多要求，包括掘進機的通用性、始發(fā)空間、始發(fā)反力以及襯砌防墜等，提出了從豎井內(nèi)輪廓尺寸、襯砌形式、井口處理和襯砌防墜措施幾個主要方面進行優(yōu)化設(shè)計的方案。

關(guān)鍵詞 公路隧道；豎井；掘進機法；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號 U458.1 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0120-03

0 引言

豎井通常用于礦山和水電項目，近年來，由于長大公路隧道不斷涌現(xiàn)，豎井也常常以通風(fēng)井的形式被應(yīng)用在公路項目中。在高速公路工程中，公路隧道豎井深度多在200～400 m，直徑一般在7～10 m。

公路豎井的施工方法以短段掘砌和反井鉆機法為主，米倉山隧道豎井、天山勝利隧道3號豎井采用了短段掘砌法施工^[1-2]，藏山隧道豎井、翠云山隧道豎井采用了反井鉆機法施工^[3-4]。火山隧道豎井原計劃采用短段掘砌法施工，鑒于該方法所有工序都需要人工，井下作業(yè)人員多，施工風(fēng)險較高，故變更為掘進機法施工。目前國內(nèi)掘進機法施工豎井還處于試驗階段，豎井土建和掘進機的設(shè)計尚無成熟模式可依，需要結(jié)合掘進機法的特點進行土建設(shè)計的研究。

1 概述

1.1 工程概況

火山隧道是G4216線宜攀高速寧南到攀枝花段的一座特長隧道。隧道7.2 km，設(shè)計時速80 km/h，雙向四車道。隧道洞身穿越圍巖主要為砂巖、泥巖、花崗閃長巖等。

為滿足通風(fēng)需求，設(shè)置了一口豎井用于左線通風(fēng)，兼作排煙井^[5]。豎井長292.5 m，位于右線右側(cè)。豎井井口段（0～117.0 m）圍巖分級為Ⅴ級，圍巖巖性為砂巖、泥巖及炭質(zhì)頁巖，巖體完整性差。井身下部（117～292.5 m）圍巖為花崗閃長巖，圍巖分級為Ⅲ、Ⅳ級。

1.2 豎井原設(shè)計情況

豎井內(nèi)輪廓主要根據(jù)左線隧道送、排風(fēng)的需要擬定，采用圓形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。內(nèi)徑7 m，內(nèi)設(shè)中隔板。豎井襯砌采用復(fù)合式襯砌，初期支護采用鋼筋混凝土，厚35～50 cm，二次襯砌采用30 cm厚素混凝土。

2 施工工法變更

2.1 變更原因

《交通強國建設(shè)綱要》提出了“堅持推動高質(zhì)量發(fā)展”的指導(dǎo)思想，指出交通建設(shè)應(yīng)符合“交通裝備先進適用、完備可控”，對隧道工程提出了“推進隧道工程……機械裝備研發(fā)”的要求。

為響應(yīng)這一發(fā)展理念，實現(xiàn)隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、機械化，進一步提高生產(chǎn)安全性，作業(yè)效率及建造質(zhì)量，有必要探索新型豎井開挖工法。

近年來，掘進機法在水平隧道的施工中已成為成熟技術(shù)，主要用于交通隧道、水工隧道領(lǐng)域。得益于掘進機法施工技術(shù)的發(fā)展，豎井采用掘進機法施工也具備了技術(shù)條件。為提高豎井施工機械化程度，降低安全風(fēng)險，在火山隧道豎井進行了掘進機法試驗。

2.2 豎井掘進機簡介

掘進機整機高度約60 m，開挖直徑9.5 m，主要功能可以分為四個部分，分別是開挖、導(dǎo)向、出渣和支護，主要構(gòu)成部分如圖2所示。掘進機開挖通過撐靴撐緊洞壁，推進油缸頂進，驅(qū)動電機帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，滾刀破巖。開挖后，巖渣聚集在刀盤中部，通過鏟斗刮渣，機械提升系統(tǒng)將渣土輸送至掘進機尾部，轉(zhuǎn)入吊桶提升至地面，完成出渣。在支護方面，設(shè)備搭載了錨桿鉆機和混凝土模板，每次可完成2～6 m襯砌的澆筑。掘進機導(dǎo)向系統(tǒng)的作用是實時測量、糾偏，利用全站儀配合圓棱鏡和傾斜儀完成。

3 豎井土建變更設(shè)計

由于采用了掘進機法，豎井土建的某些設(shè)計不再適用，需要進行針對性設(shè)計。

3.1 豎井直徑調(diào)整

根據(jù)水平隧道TBM的使用經(jīng)驗，一臺設(shè)備的使用壽命通常在20 km左右，而豎井深度通常不超過400 m，一口豎井施工完成后，還遠(yuǎn)未達到掘進機的使用壽命，故一臺掘進機需施工多座豎井以降低設(shè)備成本。為此，掘進機需要有較強的通用性。

由于掘進機開挖斷面不能改變，所以設(shè)備制造完成后所能施工的豎井的直徑是固定的。通過調(diào)研，國內(nèi)高速公路隧道豎井的內(nèi)徑通常在7～10 m，7 m以下內(nèi)徑的豎井應(yīng)用較少。豎井直徑由通風(fēng)量確定，大直徑豎井可以滿足小風(fēng)量的需求，反之則不成立。為使掘進機能夠適用于更多豎井的掘進，需要加大開挖輪廓的尺寸，所以調(diào)整豎井的外徑為9.5 m，由此確定的內(nèi)徑為8.3 m。同時由于掘進機中心筒的存在（直徑3.4 m），內(nèi)部空間受限，井下操作只能在環(huán)向一圈范圍內(nèi)進行，增大豎井直徑也有利于增大井下操作空間。

3.2 襯砌形式調(diào)整

在襯砌形式方面，原設(shè)計為雙層模筑復(fù)合式襯砌，初期支護厚度可以根據(jù)圍巖情況調(diào)整（35～50 cm）。改為掘進機施工后，由于掘進機開挖斷面尺寸不能改變，導(dǎo)致襯砌厚度無法改變。同時考慮設(shè)備的通用性，一次支護必須有足夠的強度，因此，將初支和二襯合并為單層襯砌；基于掘進機開挖對圍巖擾動小的特點，把襯砌總厚度從最大80 cm優(yōu)化到了60 cm。由于中心筒的存在，錨桿無法徑向施工，所以改為了斜向的錨桿。調(diào)整后的豎井橫斷面如圖3所示。

3.3 井口處理

掘進機施工對井口有以下要求：

（1）掘進機始發(fā)的空間要求。掘進機始發(fā)需要前盾體下井，包括刀盤、撐靴、推進油缸、主驅(qū)動等主要掘進部分，這就要求始發(fā)段長度達到12 m。

（2）設(shè)備提升的要求。由于某些情況下需要進行設(shè)備整體提升（后退），整個設(shè)備使用鋼絞線懸吊在井口，設(shè)備重力全部作用在井口。

（3）推進反力的要求。掘進機掘進需要推進反力和扭矩，在始發(fā)段由鎖口圈提供。

始發(fā)段必須人工開挖，雖然深度增加到12 m，但采用鑿井法施工設(shè)備成本高，施工組織復(fù)雜，故仍然采用明挖法。由于基坑較深，采用了長錨桿+噴混凝土進行了臨時防護。

整臺設(shè)備重約7 000 t，重力將全部作用在鎖口圈上。同時，鎖口圈自重也較大，對基底承載力要求較高，故鎖口圈設(shè)置了擴大基礎(chǔ)，增加接地面積。通過計算，基底壓應(yīng)力仍高達0.39 MPa。為進一步提高基底承載力并且防止鎖口圈不均勻沉降，采用了鋼管樁對鎖口圈基底進行了加固，鋼管樁沿鎖口圈基底環(huán)形布置。

為保證掘進機始發(fā)推進，除設(shè)備自重外，鎖口圈還需提供80T推進反力，6 500 kN· m推進扭矩。由于鎖口圈自重約1 500 t，遠(yuǎn)超所需推進反力，滿足要求。推進扭矩方面，將基坑由圓形調(diào)整為了方形，回填后具有較強的抗扭能力，能滿足推進扭矩需求。

此外，鎖口圈設(shè)計了牛腿，井口內(nèi)空較小，下方內(nèi)空較大，可以讓鋼絞線和拉桿豎直下放，防止井口混凝土局部受拉破壞。井口剖面示意圖見圖4。

3.4 襯砌防墜措施

由于掘進機開挖輪廓比較光滑，襯砌與巖壁之間的摩擦力有限，襯砌有下墜的風(fēng)險。主要采用了錨桿、壁座、拉桿這3種措施來解決這個問題（如圖5所示）。

3.4.1 錨桿

錨桿沿豎井襯砌外側(cè)布置，除了提供拉力以外，還可以通過剪力防止襯砌和圍巖的相對移動。錨桿尾部留有端頭，可以伸入襯砌中。為增加錨桿抗剪能力，且不顯著增加打孔工作量，可以采用較大直徑的錨桿。

3.4.2 壁座

壁座是豎井襯砌上伸入圍巖的凸起，采用鋼筋混凝土整體澆筑，通過抗剪來承擔(dān)襯砌的重力，每20 m設(shè)置一處，將襯砌的豎向力傳遞給圍巖。壁座的位置可以在施工過程中動態(tài)調(diào)整，盡量在圍巖條件較好的段落施工，以保證有效承擔(dān)荷載。

3.4.3 拉桿

拉桿是由分布在直徑9.1 m圓周上的72根鋼筋組成，沿豎井縱向延伸，用于襯砌之間的縱向連接和懸吊模板。在襯砌澆筑的初期，混凝土強度較低，錨桿作用不明顯，使用拉桿將新澆筑襯砌連接在已澆筑襯砌上可以有效防止襯砌下墜。

4 結(jié)論及建議

（1）與傳統(tǒng)建井法相比，采用掘進機法施工豎井，除了要進行掘進機設(shè)備的設(shè)計制造外，豎井土建也需要進行針對性設(shè)計。

（2）由于掘進機使用壽命通常在20 km左右，而豎井長度多在200～400 m，為降低使用成本，掘進機需要用于多處豎井的施工，故設(shè)備的通用性也是設(shè)計的重點，包括尺寸的通用性和地質(zhì)的通用性。

（3）豎井井口需要滿足設(shè)備始發(fā)的空間、推進反力、設(shè)備提升等多項要求，是土建設(shè)計的要點。此外，還需要進行襯砌的防墜處理，錨桿和壁座是有效的措施。

參考文獻

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[5]雷帥. 火山特長公路隧道通風(fēng)方案比選研究[J]. 四川建材， 2020（7）： 136-137.

收稿日期：2023-12-14

作者簡介：雷帥（1992—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：隧道結(jié)構(gòu)和通風(fēng)。

通信作者：王瑞興（1992—），男，碩士，工程師，研究方向：公路隧道設(shè)計。