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(fēng)斜井開挖和襯砌施工的關(guān)鍵技術(shù)

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(fēng)斜井開挖和襯砌施工中的一些關(guān)鍵技術(shù)。兩個通風(fēng)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(fēng)斜井。本文從施工方案的選定、提升設(shè)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(guān)注的問題等方面進行了詳細的闡述?？蔀橥惞こ虆⒖?。

通風(fēng)斜井 斜井開挖 斜井襯砌 隧道施工

近年來在國內(nèi)高速公路建設(shè)中，超長的公路隧道越來越多。為能夠使隧道內(nèi)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(fēng)豎井或通風(fēng)斜井進行通風(fēng)［1］。實踐證明，豎井通風(fēng)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(fēng)不僅可以大大降低工程造價，通過斜井與風(fēng)機房的聯(lián)合使用，分段送、排風(fēng)，還可以有效地降低運營費用［3］。因此，通風(fēng)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(shè)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(fēng)機房、斜井分段運營送、排風(fēng)方式進行通風(fēng)。

白云隧道通風(fēng)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(cè)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(cè)117.518 m的位置上。斜井地面洞口接風(fēng)塔，斜井底部接地下風(fēng)機房。斜井中部設(shè)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(fēng)系統(tǒng)。

斜井圍巖以二疊及三疊系的灰?guī)r、石灰?guī)r、白云巖夾薄層炭質(zhì)泥巖為主，巖層產(chǎn)狀122°∠36°左右，圍巖呈厚層狀構(gòu)造，巖體呈大塊砌體結(jié)構(gòu)，巖體完整性好，抗風(fēng)化能力較強，風(fēng)化程度低。斜井圍巖發(fā)育有與斜井斜交的構(gòu)造節(jié)理面，節(jié)理密度0.76～2.36條/m，巖石中裂隙較發(fā)育，節(jié)理的優(yōu)選產(chǎn)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(xiàn)，巖溶裂隙發(fā)育?？偟膩碚f，斜井圍巖工程地質(zhì)情況復(fù)雜，集巖溶、涌水、瓦斯(斜井底部)等不良地質(zhì)于一身，設(shè)計最大涌水量10 000 m3/d。

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

2 通風(fēng)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(yè)［5］。

2)斜井施工采用有軌運輸。洞內(nèi)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(zhuǎn)換，用電瓶車將梭式礦車拉到棄砟場。

3)斜井初期支護用網(wǎng)、錨、噴混凝土為主要支護手段。

4)采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)配合超前地質(zhì)鉆探方案，及時發(fā)現(xiàn)和探明掌子面前方一定范圍內(nèi)的地質(zhì)變化和含水情況，合理調(diào)整施組設(shè)計，完善安全預(yù)案措施，確保施工安全。

5)斜井的二次襯砌設(shè)計為復(fù)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］?；炷猎诙赐饧邪柚疲糜熊夁\輸車運送至襯砌作業(yè)面，泵送混凝土入模。

3 斜井施工技術(shù)

3.1 設(shè)備選型和布置

1)提升設(shè)備。左右線兩個斜井各安裝一臺絞車作為提升牽引設(shè)備，提升系統(tǒng)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(shù)A=9.0，絞車在斜井內(nèi)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(tǒng)示意

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

用2組×2輛12 m3梭式礦車作為出砟設(shè)備。梭式礦車采用行星齒輪刮板式動輸結(jié)構(gòu)，需用的電源，在掌子面可以使用斜井內(nèi)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(nèi)鋪設(shè)一條單線軌道。為提高出砟效率，洞口以外鋪設(shè)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?qū)嵭袃蓷l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(wěn)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(yè)面以外30 m處安裝礦車防撞設(shè)施，在沒有礦車通過時將軌道封閉，避免在意外情況下發(fā)生礦車溜放事故。

為了避免鋼絲繩與枕木之間發(fā)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(nèi)枕木上安裝一個地輥，洞內(nèi)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(shè)計是根據(jù)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(nèi)預(yù)留作業(yè)平臺的L型開挖方式。

為了斜井下面施工人員能在出現(xiàn)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(jié)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(shè)一個中轉(zhuǎn)泵站，泵站的運轉(zhuǎn)由集中自動電子設(shè)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(zhuǎn)。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(fā)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(fā)生。大部分斜井的初期支護使用錨、網(wǎng)、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(shè)備的安全。待出砟完畢，利用組合臺架及時復(fù)噴支護至設(shè)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(wǎng);噴混凝土用C25，厚度120～150 mm?；炷猎诙赐饧邪柚疲山g車牽引至作業(yè)面，人工上料進行噴混凝土作業(yè)。

3.5 二次襯砌施工

斜井洞身襯砌設(shè)計為復(fù)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(yè)面，泵送混凝土入模。

白云隧道的運營通風(fēng)設(shè)計是將通風(fēng)斜井一個單洞分隔成雙井，也就是在這個通風(fēng)斜井中，利用一道中隔墻將其分隔成兩個井，一個用來送風(fēng)，一個用來排風(fēng)。由于斜井坡度大，洞室斷面小，受洞內(nèi)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(guān)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(shè)在斜井兩側(cè)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?xí)r，對軌道基礎(chǔ)會產(chǎn)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(fēng)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(yù)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(dǎo)鏈輔助固定。

3)襯砌臺車的定位和調(diào)整。襯砌臺車到位后用全站儀定出它的中線和標(biāo)高，利用襯砌臺車中線上的垂球先把臺車的中線調(diào)整到位，再用臺車上幾個方向的油缸把模板調(diào)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(yè)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(diào)整水灰比，及時進行坍落度試驗，確?；炷寥肽Ｇ安话l(fā)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(jié)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(shè)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(shè)在臨時搭設(shè)的腳手臺架上施工，臨時臺架每次搭設(shè)不超過15 m，鋪設(shè)完成后隨時拆除并向前交替使用，安全方便。

襯砌背后設(shè)置縱向盲溝和環(huán)向盲溝?？v向盲溝敷設(shè)在斜井兩側(cè)邊墻的底部，最后和風(fēng)機房里的側(cè)溝連接。沿著斜井軸線每5～10 m敷設(shè)1道環(huán)向盲溝，環(huán)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(huán)向盲溝流入縱向盲溝，最后排入地下風(fēng)機房的側(cè)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(fēng)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(shè)臨時抽排水管道，并在相應(yīng)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(fēng)斜井已經(jīng)完成開挖工作，平均月進尺72.8 m，左線通風(fēng)斜井還曾創(chuàng)造了月進尺100 m的最高紀錄。施工過程中沒有發(fā)生較大的安全、質(zhì)量事故，順利地完成了工程任務(wù)，確保了30個月的工期要求。

5 結(jié)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(nèi)單線，洞外雙線”施工方案，并把出砟方案改進為洞內(nèi)絞車、洞外電瓶車牽引梭式礦車，優(yōu)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(jié)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(wěn)固問題，保證了斜井襯砌施工的進度和安全，還較好地實現(xiàn)了斜井二襯混凝土的內(nèi)實外美。但是，襯砌臺車的成本高、自重大、臺車周轉(zhuǎn)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。

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(責(zé)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