唐 協(xié)， 林國進(jìn), 2， 何 佳， 安俊吉， 周雄華， 張 睿

(1. 四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 四川 成都 610041; 2. 四川省公路學(xué)會隧道專業(yè)委員會，四川 成都 610041; 3. 四川巴陜高速公路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610041; 4. 四川路橋建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國公路網(wǎng)不斷向山區(qū)延伸，出現(xiàn)了一大批長大隧道，這類隧道通常需要設(shè)置通風(fēng)井以解決運(yùn)營通風(fēng)問題。豎井相對其他井型具有長度短、風(fēng)阻小等優(yōu)點(diǎn)，但由于受制于建井技術(shù)，目前我國公路隧道行業(yè)已建豎井較少，多借鑒煤礦部門20世紀(jì)70年代的設(shè)計與施工技術(shù)，建井深度有限，直徑較小，主要采用開挖后噴錨支護(hù)和成井后自井底模筑混凝土或鋼筋混凝土組成的復(fù)合式襯砌，施工以正井鉆爆開挖和掘砌單行作業(yè)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(nèi)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(shù)地質(zhì)良好且深度不超過400 m的豎井嘗試采用了反井鉆機(jī)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(shè)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(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)和反井鉆機(jī)施工糾偏等進(jìn)行了研究。

目前建井技術(shù)存在的主要問題首先為豎井設(shè)計深度不宜超過300 m，當(dāng)豎井深度超過300 m時，應(yīng)進(jìn)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(yōu)于大直徑豎井，而且缺乏大直徑豎井建設(shè)技術(shù)支撐。另外，復(fù)合式支護(hù)參數(shù)對應(yīng)圍巖級別由Ⅴ—Ⅱ級逐漸變?nèi)?，而實際劃分圍巖時井口至井底圍巖力學(xué)條件往往越來越好，對應(yīng)支護(hù)參數(shù)越來越弱，與豎井的受力方式不對應(yīng)，而且復(fù)合式襯砌支護(hù)工序較多，建井速度慢。最后，施工掘砌以單行作業(yè)方式為主[1]，缺乏相應(yīng)的機(jī)械配套要求[8]，機(jī)械化程度低，安全性較差。

本文吸收煤礦深大豎井主流設(shè)計與施工技術(shù)，結(jié)合公路運(yùn)營情況考慮送風(fēng)井與排風(fēng)井分設(shè)或通過中隔墻合設(shè)的布置方式，在公路行業(yè)現(xiàn)有支護(hù)與掘砌技術(shù)的基礎(chǔ)上，探索了米倉山公路隧道深大豎井安全快速的建井技術(shù)。其設(shè)計與施工配套技術(shù)可作為公路隧道行業(yè)深大豎井建井新方法，并為今后建設(shè)深大豎井提供技術(shù)支撐和修訂規(guī)范積累經(jīng)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(shè)。隧道采用縱向分四區(qū)段通風(fēng)井送排式通風(fēng)[9-10]，中間設(shè)置豎井及地下風(fēng)機(jī)房，豎井深431.8 m，如圖1所示。前期的通風(fēng)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(fēng)機(jī)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(shù)主要在煤礦行業(yè)不斷發(fā)展。20世紀(jì)50—70年代，采用短段掘砌單行作業(yè)方式，掘砌段高一般在30 m左右。進(jìn)入70年代，由于錨噴技術(shù)的發(fā)展，臨時支護(hù)改為錨噴，永久支護(hù)改為整體滑動模板現(xiàn)澆混凝土，作業(yè)方式由短段單行作業(yè)發(fā)展成為長段單行作業(yè)，段高一般為30～60 m，月成井一般為25～40 m[11]。20世紀(jì)60—80年代，為提高建井速度曾采用掘砌平行作業(yè)方式，掘進(jìn)和砌壁在2個相鄰井段內(nèi)反向進(jìn)行，為掘進(jìn)和砌壁分別設(shè)置作業(yè)盤和獨(dú)立的懸吊系統(tǒng)，但由于施工組織工作和安全作業(yè)復(fù)雜，月成井速度比其他作業(yè)方式增大有限，80年代中期以后很少采用。20世紀(jì)70年代，短段掘砌混合作業(yè)法及其配套施工設(shè)備的研究被列為國家“六五”重點(diǎn)攻關(guān)項目。此種方式不需設(shè)置臨時支護(hù)，掘砌可以適當(dāng)平行作業(yè)，并形成了以大絞車、大吊桶、大抓巖機(jī)、大金屬模板和鉆深孔的傘鉆等為主的機(jī)械化施工作業(yè)線，具有施工安全和成井速度快的優(yōu)點(diǎn)，成為我國目前立井井筒施工的主要作業(yè)方式，平均月成井60 m以上。

根據(jù)豎井復(fù)合式襯砌和單層模筑混凝土襯砌2種不同的襯砌結(jié)構(gòu)形式，以及對應(yīng)的長段單行作業(yè)掘砌方式和短段混合作業(yè)掘砌方式，按照送風(fēng)井與排風(fēng)井分設(shè)與合設(shè)2種不同的布置方式，組合米倉山隧道通風(fēng)豎井方案如下。

方案1： 送風(fēng)井與排風(fēng)井分離布設(shè)，井筒采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)配合長段掘砌單行作業(yè)，簡稱復(fù)合式襯砌雙井方案，這也是參考目前規(guī)范的方案。

方案2： 送風(fēng)井與排風(fēng)井通過設(shè)置中隔板單井布置，井筒采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)配合長段掘砌單行作業(yè)，簡稱復(fù)合式襯砌單井方案。

方案3： 送風(fēng)井與排風(fēng)井分離布設(shè)，井筒采用單層模筑混凝土襯砌結(jié)構(gòu)配合短段掘砌混合作業(yè)，簡稱單層模筑混凝土襯砌雙井方案。

方案4： 送風(fēng)井與排風(fēng)井通過設(shè)置中隔板單井布置，井筒采用單層模筑混凝土襯砌結(jié)構(gòu)配合短段掘砌混合作業(yè)，簡稱單層模筑混凝土襯砌單井方案。

1.2 復(fù)合式襯砌雙井方案

方案1中，排風(fēng)井和送風(fēng)井分離布設(shè)，豎井凈直徑均為6.1 m，凈空面積均為29.22 m2，采用復(fù)合式襯砌，支護(hù)參數(shù)見表1。

該方案采用自上而下鉆爆法正井開挖，輕型機(jī)械化設(shè)備配套，井筒掘砌作業(yè)方式采用長段單行作業(yè)。按1套施工設(shè)備考慮，單個井施工準(zhǔn)備2個月，長段單行作業(yè)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(fù)合式襯砌雙井方案豎井襯砌支護(hù)參數(shù)

1.3 復(fù)合式襯砌單井方案

方案2中，在不影響豎井通風(fēng)功能的前提下，送風(fēng)井與排風(fēng)井合并為一個大井，中間設(shè)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(nèi)輪廓斷面如圖2所示，復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)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(nèi)輪廓斷面圖

該方案采用自上而下鉆爆法正井開挖，重型機(jī)械化設(shè)備配套，井筒掘砌作業(yè)方式采用長段單行作業(yè)，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(zhǔn)備2個月，井筒根據(jù)長段單行作業(yè)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(fù)合式襯砌雙井與單井每延米造價比值如表3所示?？紤]施工機(jī)械配套重復(fù)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(jī)械配套重復(fù)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(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)，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(fù)合式襯砌單井方案豎井襯砌支護(hù)參數(shù)

該方案采用自上而下鉆爆法正井開挖，輕型機(jī)械化設(shè)備配套，井筒掘砌作業(yè)方式采用短段掘砌混合作業(yè)法[13]。施工準(zhǔn)備2個月，根據(jù)煤炭行業(yè)立井短段掘砌混合作業(yè)施工經(jīng)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(fù)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(shè)備重復(fù))0.780.880.830.83雙井/單井(設(shè)備不重復(fù))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(jù)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(jī)械化設(shè)備配套，井筒掘砌作業(yè)方式采用短段掘砌混合作業(yè)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(zhǔn)備2個月，根據(jù)煤炭行業(yè)立井短段掘砌混合作業(yè)施工經(jīng)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(yīng)設(shè)計止水條防水； 當(dāng)超前探孔揭露前方圍巖破碎且涌水時采用深孔帷幕預(yù)注漿，當(dāng)揭露前方圍巖破碎且涌水量較少時采用周邊預(yù)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?？紤]施工機(jī)械配套重復(fù)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(jī)械配套重復(fù)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(shè)備重復(fù))0.840.770.770.77雙井/單井(設(shè)備不重復(fù))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(guī)范則采用方案1，在1套施工設(shè)備的情況下，其工期最長，施工效率低，安全風(fēng)險較高。方案2總體上可節(jié)約1個井的施工時間，由于采用傳統(tǒng)的長段掘砌單行作業(yè)，臨時噴錨支護(hù)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(fēng)險，機(jī)械化配套設(shè)備費(fèi)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(fēng)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(jī)械配套與進(jìn)度

根據(jù)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(jīng)一次爆破開挖量與裝巖能力、提升能力與裝巖能力、支護(hù)能力與掘進(jìn)能力等的匹配計算，結(jié)合短段掘砌混合作業(yè)方式等，綜合考慮采用重型機(jī)械配套，如表6所示。米倉山隧道豎井施工區(qū)設(shè)備布置見圖3。

表6米倉山隧道豎井施工機(jī)械配套表

Table 6 Mechanical equipment matching of Micangshan Tunnel vertical shaft

系統(tǒng)具體配置提升與懸吊1套Ⅵ型井架;主、副提升機(jī)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(wěn)車; 4臺JZ-16/1000模板臺車穩(wěn)車; 1臺2JZ-10/1000壓風(fēng)管穩(wěn)車; 1臺2JZ-16/1000排水管穩(wěn)車; 2臺JZ-10/1000抓巖機(jī)穩(wěn)車; 1臺JZA-5/1000安全梯穩(wěn)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(jī);2臺0.6 m3中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)+礦用挖機(jī)清底;5臺22 m3螺桿式空壓機(jī);1臺裝載機(jī)+4臺自卸汽車混凝土及運(yùn)輸1臺4 m段高液壓整體模板;1套攪拌機(jī)及配料機(jī)保障1臺揚(yáng)程600 m以上的臥泵;1臺2×45 kW對旋軸流式通風(fēng)機(jī);1套聲光信號系統(tǒng);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(qū)設(shè)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(jìn)尺72 m，施工速度較公路行業(yè)復(fù)合式襯砌長段掘砌單行作業(yè)方式大幅度提升。

2.2 豎井井筒受力監(jiān)測

米倉山隧道深大豎井是交通行業(yè)中首次采用單層模筑混凝土襯砌和短段掘砌混合作業(yè)方式的豎井，井壁厚度根據(jù)煤礦行業(yè)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(yīng)變采用光纖光柵傳感技術(shù)開展長期監(jiān)測，共監(jiān)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(huán)向應(yīng)變測點(diǎn)和4個豎向應(yīng)變測點(diǎn)，如圖4所示。

2017年6月14日、9月8日和10月20日3次監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示，圖中數(shù)值為斷面平均值。由圖5—6可知，在6月14日，環(huán)向和豎向應(yīng)變值均以壓應(yīng)變?yōu)橹?，而?次測試結(jié)果均以拉應(yīng)變?yōu)橹?。拉?yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)變監(jiān)測斷面測點(diǎn)布置

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

圖5 井筒環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測曲線(2017年)

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

實測結(jié)果也表明豎井井壁厚度與不均勻側(cè)壓力系數(shù)取值有較大關(guān)系，而圍巖級別對其影響很小。根據(jù)秦氏豎井壓力計算公式和拉麥公式計算得到實際監(jiān)測結(jié)構(gòu)受力遠(yuǎn)小于理論計算結(jié)構(gòu)受力。因此，開展豎井圍巖每層參數(shù)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(shè)計采取開挖前從井口地表周邊預(yù)注漿封堵地下水的措施，自地表沿豎井周邊外設(shè)置2排環(huán)向注漿孔，注漿進(jìn)入微風(fēng)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(yīng)變監(jiān)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(shè)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(diǎn)，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(jīng)井底水窩排入主洞，然后排至洞外。

3 結(jié)論與討論

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

2)在同等通風(fēng)面積下雙井工程量要小于單井，但由于配套機(jī)械化施工設(shè)備造價高，雙井造價要高于單井，故推薦井內(nèi)設(shè)置中隔板形成送、排風(fēng)道的單井布置。隨著公路行業(yè)豎井的大規(guī)模出現(xiàn)、設(shè)計與施工技術(shù)的日趨成熟、配套機(jī)械化施工設(shè)備造價的降低，送風(fēng)井和排風(fēng)井雙井布置優(yōu)勢逐漸明顯。

3)豎井施工設(shè)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(shè)備運(yùn)輸便道和井口開闊的設(shè)備布置空間。在井口場地條件有限的情況下，宜采用送風(fēng)井與排風(fēng)井通過設(shè)置中隔板合設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和玻璃鋼等輕型結(jié)構(gòu)，主要問題有4點(diǎn)： 1)輕型結(jié)構(gòu)中隔墻在高風(fēng)壓差且不斷變化狀況下的整體穩(wěn)定性； 2)輕型結(jié)構(gòu)中隔墻各連接部位的密閉性，防止送、排風(fēng)道發(fā)生躥風(fēng)； 3)輕型結(jié)構(gòu)及其連接、密封材料在豎井內(nèi)復(fù)雜條件作用下的耐久性和耐腐蝕性； 4)深大豎井輕型結(jié)構(gòu)中隔墻的施工專項方案。