徐士良

(安徽建筑工業(yè)學(xué)院 巖土工程系，安徽 合肥 230022)

1 工程概況

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的逐步擴大，高等級公路建設(shè)的迅速發(fā)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(guān)設(shè)施的建設(shè)規(guī)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(fēng)排污、防災(zāi)減災(zāi)、正常運營等起著重要作用。目前我國隧道豎井的設(shè)計中，對于巖爆等特殊地質(zhì)條件還沒有系統(tǒng)的設(shè)計方法。在豎井的施工中，根據(jù)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(xiāng)與營盤鎮(zhèn)之間，全長18 020 m。在目前山區(qū)公路隧道中規(guī)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(fēng)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(zhì)條件

根據(jù)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(cè)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(tǒng)坡洪積層，其中表層為崩積塊石土，坡洪積層巖性為粉質(zhì)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(gòu)造影響輕微，巖體完整，以大塊狀砌體結(jié)構(gòu)為主，屬于Ⅱ級圍巖，具有巖爆傾向性。

圖1 通風(fēng)豎井位置(單位:m)

3 豎井支護結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析

3.1 豎井支護結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)還沒有比較成熟的公路隧道大直徑深豎井設(shè)計方法。利用該豎井的工程地質(zhì)條件，根據(jù)新奧法設(shè)計原理，采用經(jīng)驗類比和數(shù)值模擬等方法，對該豎井支護結(jié)構(gòu)進行設(shè)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(fēng)合一的風(fēng)井，中間用中隔板分開，中隔板采用C30防水鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在施工過程中，豎井的支護設(shè)計要根據(jù)地層的變化情況不斷調(diào)整，以保證支護的穩(wěn)定。典型斷面的支護設(shè)計如圖2。

圖2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計(單位:m)

3.2 豎井穩(wěn)定性分析

秦嶺終南山隧道2號豎井工程區(qū)域?qū)儆诘湫偷膷{谷地貌，存在明顯的高地應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)。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(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬分析。圍巖采用8節(jié)點六面體單元，噴層采用4節(jié)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(yīng)力區(qū)域內(nèi)500 m深度處圍巖和噴層的最大主應(yīng)力分布。通過分析表明，圍巖和噴層都處于彈性狀態(tài)，表明高地應(yīng)力柔性支護設(shè)計是合理的。

圖3 豎井有限元模型

根據(jù)Russenes巖爆判別準則，豎井會發(fā)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(fā)揮豎井雙層吊盤的保護功能。在進行打眼和噴漿等作業(yè)時，采用鐵絲網(wǎng)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(yù)備多個安全繩梯，一旦發(fā)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(zhì)情況變化的日常巡查和工人巖爆知識的培訓(xùn)，密切注意巖爆的發(fā)生，提高工人的安全意識。

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

圖4 豎井500 m處最大主應(yīng)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(xiàn)場監(jiān)控量測并反饋信息以指導(dǎo)施工。由于工期緊張，并且為帶有中隔板的大斷面深豎井，經(jīng)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(shù)支持。豎井施工組織形式為掘砌單行作業(yè)，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(fēng)→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(shè)備

豎井采用主、副兩套單鉤提升系統(tǒng)，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(shè)備為YC85-6小型挖掘機配0.4 m3抓斗。噴漿支護采用4臺轉(zhuǎn)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(wěn)定性，模板設(shè)備非常重要。經(jīng)分析計算，設(shè)計了中隔板和二次襯砌一體化液壓滑升模板設(shè)備，見圖5。其中豎井二次襯砌為單側(cè)滑模施工，中隔板為雙側(cè)滑模施工。模板設(shè)計中為了提高利用率，保證強度、剛度及整體穩(wěn)定性，整個滑升模板設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)。其主體結(jié)構(gòu)包括操作平臺、提升架 、圍圈、輻射梁、模板、輔助盤、液壓系統(tǒng)和支承桿等。

該滑模是在豎井圓周內(nèi)每隔一定距離埋設(shè)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?shù)鬃c提升架的頂部連在一起。在提升架的立柱內(nèi)側(cè)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(qū)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(fù)連續(xù)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(jīng)濟性，特別適用堅硬巖石地下工程的開挖。鉆爆法施工的關(guān)鍵是掏槽技術(shù)，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(shù)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(yīng)用，其炮眼深度也受斷面大小限制，適用于開挖循環(huán)進尺較小的隧洞。直眼掏槽技術(shù)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(huán)進尺較大的隧洞。

由于目前對巖石的爆破機理和爆破設(shè)計還沒有統(tǒng)一的認識，硬巖爆破施工仍處于經(jīng)驗和現(xiàn)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(fā)揮斜眼和直眼掏槽的優(yōu)勢，決定采用復(fù)合掏槽技術(shù)，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(shù)在堅硬巖石中應(yīng)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(nèi)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(jiān)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(fā)生，為了保證豎井高地應(yīng)力柔性支護的穩(wěn)定性，進行現(xiàn)場監(jiān)控量測非常重要。隧道通風(fēng)豎井與一般煤礦立井相比，井筒輔助設(shè)施少，監(jiān)測工作開展的難度大，危險性高。

根據(jù)實際情況，2號豎井監(jiān)測的主要項目為噴射混凝土應(yīng)力和圍巖與噴射混凝土間接觸壓力，并輔助進行圍巖地質(zhì)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(jīng)驗。具體操作過程為:在井口封口盤上對應(yīng)于井下測試儀器埋設(shè)的位置進行開孔，淺部導(dǎo)線直接下到豎井指定位置，豎井深部采用尼龍繩懸吊導(dǎo)線方式下放，并利用錨桿固定導(dǎo)線，防止導(dǎo)線擺動幅度過大。測試儀器離工作面2 m左右安設(shè)，等吊盤下到儀器位置進行導(dǎo)線安裝，可以避免爆破施工損壞導(dǎo)線。整個過程要十分小心，避免導(dǎo)線與穩(wěn)繩等絞在一起，要采用對講機進行協(xié)調(diào)聯(lián)系，并采用人工和datataker采集儀配合進行數(shù)據(jù)讀取。

5 結(jié)語

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

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

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

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