特长公路隧道通风斜井开挖和衬砌施工的关键技术

阮翔

(中铁十九局集团 第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

特长公路隧道通风斜井开挖和衬砌施工的关键技术

阮翔

(中铁十九局集团 第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

介绍了重庆至长沙高速公路特长白云隧道左右线通风斜井开挖和衬砌施工中的一些关键技术。两个通风斜井均为长度超过1 000 m、水平倾角23°30'的大倾角、长大通风斜井。本文从施工方案的选定、提升设备的选用、钻爆开挖、初期支护、施工排水以及所用两种衬砌台车施工中需要关注的问题等方面进行了详细的阐述。可为同类工程参考。

通风斜井 斜井开挖 斜井衬砌 隧道施工

近年来在国内高速公路建设中，超长的公路隧道越来越多。为能够使隧道内的有害气体得到迅速稀释和排除，隧道运营中大多利用通风竖井或通风斜井进行通风［1］。实践证明，竖井通风存在着工程造价高和运营费用高的两大问题［2］。而斜井通风不仅可以大大降低工程造价，通过斜井与风机房的联合使用，分段送、排风，还可以有效地降低运营费用［3］。因此，通风斜井在特长公路隧道中得到了广泛的采用［4］。

1 工程概况

重庆至长沙高速公路武隆至水江段的白云隧道，设计为上下行分离式双洞四车道高速公路隧道，左线的隧道长度为 7 097.897 m，右线的隧道长度为7 120 m。采用地下风机房、斜井分段运营送、排风方式进行通风。

白云隧道通风斜井左线长1 024.49 m，高差396.39 m，水平倾角23°30'，面积31.49 m2，起点(斜井底部)位于白云隧道左线距进洞口3 071.756 m左侧117.271 m的位置上。右线长1 056.26 m，高差400 m，水平倾角23°，面积45.37 m2，起点(斜井底部)位于白云隧道右线距进洞口3071.7 m右侧117.518 m的位置上。斜井地面洞口接风塔，斜井底部接地下风机房。斜井中部设有30 cm厚钢筋混凝土隔墙，将斜井洞室一分为二，形成独立的送、排风系统。

斜井围岩以二叠及三叠系的灰岩、石灰岩、白云岩夹薄层炭质泥岩为主，岩层产状122°∠36°左右，围岩呈厚层状构造，岩体呈大块砌体结构，岩体完整性好，抗风化能力较强，风化程度低。斜井围岩发育有与斜井斜交的构造节理面，节理密度0.76～2.36条/m，岩石中裂隙较发育，节理的优选产状为120°∠35°，214°∠71°，随着掘进可能会有地下水渗流出来。斜井围岩中有溶管、溶孔、溶腔等岩溶局部出现，岩溶裂隙发育。总的来说，斜井围岩工程地质情况复杂，集岩溶、涌水、瓦斯(斜井底部)等不良地质于一身，设计最大涌水量10 000 m3/d。

由于通风斜井地质情况复杂，合同工期只有30个月，如何保证在合同工期内顺利完成长度超过1 000 m、倾角为23°30'的斜井施工任务，施工难度很大。

2 通风斜井总体施工方案

1)斜井洞身采用L型开挖方式，在用型钢拼装成的工作台架上进行钻孔、爆破、初期支护作业［5］。

2)斜井施工采用有轨运输。洞内段用绞车牵引梭式矿车运输弃砟到洞口［6］，洞外则通过轨道转换，用电瓶车将梭式矿车拉到弃砟场。

3)斜井初期支护用网、锚、喷混凝土为主要支护手段。

4)采用TSP超前地质预报技术配合超前地质钻探方案，及时发现和探明掌子面前方一定范围内的地质变化和含水情况，合理调整施组设计，完善安全预案措施，确保施工安全。

5)斜井的二次衬砌设计为复合式混凝土衬砌，二次衬砌用整体式拱墙模板台车和中隔墙衬砌台车分两次进行浇筑［7-8］。混凝土在洞外集中拌制，用有轨运输车运送至衬砌作业面，泵送混凝土入模。

3 斜井施工技术

3.1 设备选型和布置

1)提升设备。左右线两个斜井各安装一台绞车作为提升牵引设备，提升系统布置见图1。

每个斜井各安装1台2JK-2.5×1.5/11.5型矿井绞车，绞车电机的功率为400 kW，电压380 V，最大牵引力90 kN。所用的φ45 mm钢丝绳长度为1 500 m，分4层缠绕在绞辊上，钢丝绳的安全系数A=9.0，绞车在斜井内的运行速度为35 m/min。

洞外配备2台15 t电瓶车，用来牵引洞外的矿车。

图1 斜井提升系统示意

2)出砟设备。洞内装砟用的小松320挖掘机需要经过改装，缩短机臂后的挖掘机可以在斜井内进行装砟作业，并且可以在掌子面进行排险和吊运较重设备等。

用2组×2辆12 m3梭式矿车作为出砟设备。梭式矿车采用行星齿轮刮板式动输结构，需用的电源，在掌子面可以使用斜井内的施工电源供电，在弃砟场可以使用电瓶车上的电源供电。

3)轨道布置。每座斜井洞内铺设一条单线轨道。为提高出砟效率，洞口以外铺设双线轨道，一来可以实行在洞外用电瓶车代替绞车牵引矿车，二来能够实行两条轨道上的2组矿车交替使用。

轨道使用24 kg/m的轻型钢轨，枕木用200 mm× 160 mm×1500 mm的油枕，间距80 cm。为确保轨道在斜坡上的稳定，用长1.2 m的φ22砂浆锚杆将轨道与井底基岩进行锚固。在井口的变坡点和距斜井作业面以外30 m处安装矿车防撞设施，在没有矿车通过时将轨道封闭，避免在意外情况下发生矿车溜放事故。

为了避免钢丝绳与枕木之间发生摩擦而造成枕木的损耗，曲线段每8 m、直线段每15 m在洞内枕木上安装一个地辊，洞内曲线段每4 m安装一个五花立辊，使钢丝绳能在曲线段进行牵引工作。

3.2 钻爆开挖

钻爆设计是根据斜井不同的围岩级别进行的，其中Ⅱ，Ⅲ级围岩段采用全断面法开挖，Ⅳ级围岩段采用台阶法开挖，斜井洞口加强段以及斜井底部含煤层的地段采用正台阶法分部开挖。开挖采用距掌子面6～10 m范围内预留作业平台的L型开挖方式。

为了斜井下面施工人员能在出现紧急情况时有避难场所，在开挖斜井井身时，要注意在围岩状况相对较好的洞壁上开挖避人洞和集水井，它们的间距一般为60～80 m左右。

3.3 施工排水

由于斜井是自上而下开挖的，高差超过400 m，坡长超过1 000 m，围岩裂隙水和钻爆施工用水都会聚积在井底。因此，必须不断地在井底用潜水泵进行分级排水。斜井开挖过程中，结合避人洞的开挖，同时在其底部加深开挖成水仓，用于储存由下一级水仓抽上来的积水，并用本级水仓安装的污水泵，将水仓中的污水抽排到上一级水仓中，最后将井底的积水一级一级地抽排到洞外。斜井中一共开挖了15个水仓，并设一个中转泵站，泵站的运转由集中自动电子设备控制，从最低一级水仓开始，依次自动启动和停止污水泵的运转。每座污水泵站的管道出口要安装逆止阀。斜井施工排水方法见图2。

图2 斜井施工排水示意

3.4 初期支护

鉴于斜井施工的不利条件，施工过程中必须杜绝一切事故的发生。斜井钻爆开挖后必须立即施作初期支护，对围岩和掌子面进行封闭，避免塌方事故的发生。大部分斜井的初期支护使用锚、网、喷混凝土支护，个别软弱围岩段和断层破碎带增加型钢钢架支撑。局部软弱围岩段在机械排险后，利于爆破砟体做平台及时进行初喷封闭，封闭混凝土厚度不得小于5 cm，以保证出砟过程中人员设备的安全。待出砟完毕，利用组合台架及时复喷支护至设计要求。锚杆用长2.5 m的φ25砂浆锚杆，按间距1.5 m×1.5 m梅花形布置;用φ8@200 mm×200 mm的钢筋网;喷混凝土用C25，厚度120～150 mm。混凝土在洞外集中拌制，由绞车牵引至作业面，人工上料进行喷混凝土作业。

3.5 二次衬砌施工

斜井洞身衬砌设计为复合式混凝土衬砌，用整体式拱墙模板台车和中隔墙衬砌台车分两次浇筑。洞外集中拌制混凝土，利用有轨运输车送至浇筑作业面，泵送混凝土入模。

白云隧道的运营通风设计是将通风斜井一个单洞分隔成双井，也就是在这个通风斜井中，利用一道中隔墙将其分隔成两个井，一个用来送风，一个用来排风。由于斜井坡度大，洞室断面小，受洞内工序交叉干扰等因素影响，井身的衬砌和中隔墙的浇筑不能同步进行，只能先浇筑井身衬砌，待所有工序完成后再浇筑中隔墙混凝土。

二次衬砌施工需要关注的几个问题:

1)整体式拱墙模板衬砌台车走行轨道的锚固。斜井洞身的二次衬砌使用整体式拱墙模板衬砌台车进行浇筑。衬砌台车的走行轨道是铺设在斜井两侧的两根钢轨，如图3所示。由于台车自重很大，再加上浇筑的混凝土重量，所以衬砌台车在浇筑混凝土时，对轨道基础会产生很大的荷载，这种倾斜的荷载可能引起垫层和仰拱的向下滑动。所以，必须对斜井底部的垫层和仰拱进行锚固。锚固的方法是将钢轨与锚固在基岩中的锚杆焊接在一起。具体的做法是在轨道下每隔1 m钻2个 φ45 mm的钻孔，孔深≥1.8 m，置入长1.8 m的φ28砂浆锚杆，将锚杆焊接在钢轨下面的垫板上。锚固台车的锚杆布置见图3。

图3 整体式拱墙模板衬砌台车示意(单位:cm)

2)整体式拱墙模板衬砌台车液压顶进装置。衬砌台车的行走和工作是处在23°30'的斜坡上，若只用绞车牵拉根本无法准确定位，而且还有一定的安全风险。为此在台车底部安装了两组伸缩式液压油缸，每组油缸推力为台车下滑力的2倍。两组油缸交替推进，可以将台车推进到预定位置，然后用固定丝杆通过钢轨上的钻孔用插销将台车和轨道锁定在一起。为确保施工安全，还配置了4台10 t导链辅助固定。

3)衬砌台车的定位和调整。衬砌台车到位后用全站仪定出它的中线和标高，利用衬砌台车中线上的垂球先把台车的中线调整到位，再用台车上几个方向的油缸把模板调整到准确位置，到位后用螺杆锚固。

4)二次衬砌混凝土浇筑。二次衬砌浇筑所用的混凝土在洞外拌合站拌制，运送混凝土的罐车用绞车送到二衬浇筑作业面，再泵送入模。

由于混凝土的运输时间较长，为此拌合站要控制好混凝土的初凝时间，合理调整水灰比，及时进行坍落度试验，确保混凝土入模前不发生初凝和离析。衬砌混凝土要加强振捣，通过插入式振动器和附着式振动器相结合的振动形式，保证混凝土的密实度和外观效果。

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、综合治理”的原则进行施工。

斜井的二次衬砌采用有较高自防水性能的 P8，C30防水混凝土浇筑。衬砌背后铺设一层 EVA防水板，二次衬砌的施工缝用膨胀止水条防水，沉降缝用止水带防水。由于斜井坡度大，洞室断面小，防水板铺设在临时搭设的脚手台架上施工，临时台架每次搭设不超过15 m，铺设完成后随时拆除并向前交替使用，安全方便。

衬砌背后设置纵向盲沟和环向盲沟。纵向盲沟敷设在斜井两侧边墙的底部，最后和风机房里的侧沟连接。沿着斜井轴线每5～10 m敷设1道环向盲沟，环向盲沟的下端与纵向盲沟相连接。衬砌背后渗漏出来的地下水沿着环向盲沟流入纵向盲沟，最后排入地下风机房的侧沟，最终汇入白云隧道主洞中央水沟排出洞外。由于斜井洞身衬砌施工时，风机房洞室和斜井并未挖通，集水井已被回填封闭，为便于棑水，在衬砌施工的同时架设临时抽排水管道，并在相应的位置安置临时水仓用于分级抽排积水。

4 施工效果

白云隧道两座长度超过1 000 mm、坡度达到23°30'的通风斜井已经完成开挖工作，平均月进尺72.8 m，左线通风斜井还曾创造了月进尺100 m的最高纪录。施工过程中没有发生较大的安全、质量事故，顺利地完成了工程任务，确保了30个月的工期要求。

5 结语

通过把“单洞双线双绞车”的施工方案改进为“单洞单绞车，洞内单线，洞外双线”施工方案，并把出砟方案改进为洞内绞车、洞外电瓶车牵引梭式矿车，优化了施工方案和出砟方案，大大提高了出砟效率和开挖进度，缩短了工期，降低了成本，总计可以节约成本约235万元。

通过液压顶进式衬砌台车的使用，有效地解决了大倾角条件下衬砌台车的行进、定位和稳固问题，保证了斜井衬砌施工的进度和安全，还较好地实现了斜井二衬混凝土的内实外美。但是，衬砌台车的成本高、自重大、台车周转利用率低等缺点，也是需要在今后类似工程施工中加以改进的。

［1］中华人民共和国交通部.JTG D70—2004 公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］吕康成，杨荣尚，李尚旺，等.特长隧道通风井设计与施工探讨［J］.公路，2007(4):211-217.

［3］吕康成，伍毅敏.特长公路隧道通风设计若干问题与对策［J］.现代隧道技术，2006，43(6):35-39.

［4］陈璋，陈光明.龙潭特长公路隧道的设计与创新［J］.公路，2007(3):182-187.

［5］文珂.乌鞘岭隧道斜井施工通风研究与实施［J］.现代隧道技术，2006(3):67-71.

［6］王海峰.乌鞘岭特长隧道斜井施工通风技术［J］.科技情报开发与经济，2007，17(15):271-273.

［7］郑杰，郑焰，舒文军，等.大倾角曲线斜井衬砌施工技术［J］.隧道建设，2009，29(1):109-111.

［8］中华人民共和国铁道部.TZ 204—2008 铁路隧道工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

(责任审编 赵其文)

U455

:BDOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.13

2015-06-04;

:2015-08-15

阮翔(1972— )，男，高级工程师。

1003-1995(2015)11-0043-04