特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)斜井開(kāi)挖和襯砌施工的關(guān)鍵技術(shù)

阮翔

(中鐵十九局集團(tuán) 第一工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)斜井開(kāi)挖和襯砌施工的關(guān)鍵技術(shù)

阮翔

(中鐵十九局集團(tuán) 第一工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

介紹了重慶至長(zhǎng)沙高速公路特長(zhǎng)白云隧道左右線通風(fēng)斜井開(kāi)挖和襯砌施工中的一些關(guān)鍵技術(shù)。兩個(gè)通風(fēng)斜井均為長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m、水平傾角23°30'的大傾角、長(zhǎng)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(kāi)挖、初期支護(hù)、施工排水以及所用兩種襯砌臺(tái)車施工中需要關(guān)注的問(wèn)題等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述?？蔀橥惞こ虆⒖?。

通風(fēng)斜井 斜井開(kāi)挖 斜井襯砌 隧道施工

近年來(lái)在國(guó)內(nèi)高速公路建設(shè)中，超長(zhǎng)的公路隧道越來(lái)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(yùn)營(yíng)中大多利用通風(fēng)豎井或通風(fēng)斜井進(jìn)行通風(fēng)［1］。實(shí)踐證明，豎井通風(fēng)存在著工程造價(jià)高和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高的兩大問(wèn)題［2］。而斜井通風(fēng)不僅可以大大降低工程造價(jià)，通過(guò)斜井與風(fēng)機(jī)房的聯(lián)合使用，分段送、排風(fēng)，還可以有效地降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用［3］。因此，通風(fēng)斜井在特長(zhǎng)公路隧道中得到了廣泛的采用［4］。

1 工程概況

重慶至長(zhǎng)沙高速公路武隆至水江段的白云隧道，設(shè)計(jì)為上下行分離式雙洞四車道高速公路隧道，左線的隧道長(zhǎng)度為 7 097.897 m，右線的隧道長(zhǎng)度為7 120 m。采用地下風(fēng)機(jī)房、斜井分段運(yùn)營(yíng)送、排風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)。

白云隧道通風(fēng)斜井左線長(zhǎng)1 024.49 m，高差396.39 m，水平傾角23°30'，面積31.49 m2，起點(diǎn)(斜井底部)位于白云隧道左線距進(jìn)洞口3 071.756 m左側(cè)117.271 m的位置上。右線長(zhǎng)1 056.26 m，高差400 m，水平傾角23°，面積45.37 m2，起點(diǎn)(斜井底部)位于白云隧道右線距進(jìn)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(jī)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(dú)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(qiáng)，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(jìn)可能會(huì)有地下水滲流出來(lái)。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?lái)說(shuō)，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(jì)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(gè)月，如何保證在合同工期內(nèi)順利完成長(zhǎng)度超過(guò)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(kāi)挖方式，在用型鋼拼裝成的工作臺(tái)架上進(jìn)行鉆孔、爆破、初期支護(hù)作業(yè)［5］。

2)斜井施工采用有軌運(yùn)輸。洞內(nèi)段用絞車牽引梭式礦車運(yùn)輸棄砟到洞口［6］，洞外則通過(guò)軌道轉(zhuǎn)換，用電瓶車將梭式礦車?yán)綏夗膱?chǎng)。

3)斜井初期支護(hù)用網(wǎng)、錨、噴混凝土為主要支護(hù)手段。

4)采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)配合超前地質(zhì)鉆探方案，及時(shí)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(jì)，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(jì)為復(fù)合式混凝土襯砌，二次襯砌用整體式拱墻模板臺(tái)車和中隔墻襯砌臺(tái)車分兩次進(jìn)行澆筑［7-8］。混凝土在洞外集中拌制，用有軌運(yùn)輸車運(yùn)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(gè)斜井各安裝一臺(tái)絞車作為提升牽引設(shè)備，提升系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。

每個(gè)斜井各安裝1臺(tái)2JK-2.5×1.5/11.5型礦井絞車，絞車電機(jī)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(zhǎng)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(yùn)行速度為35 m/min。

洞外配備2臺(tái)15 t電瓶車，用來(lái)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(jī)需要經(jīng)過(guò)改裝，縮短機(jī)臂后的挖掘機(jī)可以在斜井內(nèi)進(jìn)行裝砟作業(yè)，并且可以在掌子面進(jìn)行排險(xiǎn)和吊運(yùn)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(dòng)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(chǎng)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(lái)可以實(shí)行在洞外用電瓶車代替絞車牽引礦車，二來(lái)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(zhǎng)1.2 m的φ22砂漿錨桿將軌道與井底基巖進(jìn)行錨固。在井口的變坡點(diǎn)和距斜井作業(yè)面以外30 m處安裝礦車防撞設(shè)施，在沒(méi)有礦車通過(guò)時(shí)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(gè)地輥，洞內(nèi)曲線段每4 m安裝一個(gè)五花立輥，使鋼絲繩能在曲線段進(jìn)行牽引工作。

3.2 鉆爆開(kāi)挖

鉆爆設(shè)計(jì)是根據(jù)斜井不同的圍巖級(jí)別進(jìn)行的，其中Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖段采用全斷面法開(kāi)挖，Ⅳ級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法開(kāi)挖，斜井洞口加強(qiáng)段以及斜井底部含煤層的地段采用正臺(tái)階法分部開(kāi)挖。開(kāi)挖采用距掌子面6～10 m范圍內(nèi)預(yù)留作業(yè)平臺(tái)的L型開(kāi)挖方式。

為了斜井下面施工人員能在出現(xiàn)緊急情況時(shí)有避難場(chǎng)所，在開(kāi)挖斜井井身時(shí)，要注意在圍巖狀況相對(duì)較好的洞壁上開(kāi)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(kāi)挖的，高差超過(guò)400 m，坡長(zhǎng)超過(guò)1 000 m，圍巖裂隙水和鉆爆施工用水都會(huì)聚積在井底。因此，必須不斷地在井底用潛水泵進(jìn)行分級(jí)排水。斜井開(kāi)挖過(guò)程中，結(jié)合避人洞的開(kāi)挖，同時(shí)在其底部加深開(kāi)挖成水倉(cāng)，用于儲(chǔ)存由下一級(jí)水倉(cāng)抽上來(lái)的積水，并用本級(jí)水倉(cāng)安裝的污水泵，將水倉(cāng)中的污水抽排到上一級(jí)水倉(cāng)中，最后將井底的積水一級(jí)一級(jí)地抽排到洞外。斜井中一共開(kāi)挖了15個(gè)水倉(cāng)，并設(shè)一個(gè)中轉(zhuǎn)泵站，泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)由集中自動(dòng)電子設(shè)備控制，從最低一級(jí)水倉(cāng)開(kāi)始，依次自動(dòng)啟動(dòng)和停止污水泵的運(yùn)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(jiàn)圖2。

圖2 斜井施工排水示意

3.4 初期支護(hù)

鑒于斜井施工的不利條件，施工過(guò)程中必須杜絕一切事故的發(fā)生。斜井鉆爆開(kāi)挖后必須立即施作初期支護(hù)，對(duì)圍巖和掌子面進(jìn)行封閉，避免塌方事故的發(fā)生。大部分斜井的初期支護(hù)使用錨、網(wǎng)、噴混凝土支護(hù)，個(gè)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(jī)械排險(xiǎn)后，利于爆破砟體做平臺(tái)及時(shí)進(jìn)行初噴封閉，封閉混凝土厚度不得小于5 cm，以保證出砟過(guò)程中人員設(shè)備的安全。待出砟完畢，利用組合臺(tái)架及時(shí)復(fù)噴支護(hù)至設(shè)計(jì)要求。錨桿用長(zhǎng)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。混凝土在洞外集中拌制，由絞車牽引至作業(yè)面，人工上料進(jìn)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(jì)為復(fù)合式混凝土襯砌，用整體式拱墻模板臺(tái)車和中隔墻襯砌臺(tái)車分兩次澆筑。洞外集中拌制混凝土，利用有軌運(yùn)輸車送至澆筑作業(yè)面，泵送混凝土入模。

白云隧道的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)是將通風(fēng)斜井一個(gè)單洞分隔成雙井，也就是在這個(gè)通風(fēng)斜井中，利用一道中隔墻將其分隔成兩個(gè)井，一個(gè)用來(lái)送風(fēng)，一個(gè)用來(lái)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(jìn)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(gè)問(wèn)題:

1)整體式拱墻模板襯砌臺(tái)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(tái)車進(jìn)行澆筑。襯砌臺(tái)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(tái)車自重很大，再加上澆筑的混凝土重量，所以襯砌臺(tái)車在澆筑混凝土?xí)r，對(duì)軌道基礎(chǔ)會(huì)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(dòng)。所以，必須對(duì)斜井底部的墊層和仰拱進(jìn)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(gè) φ45 mm的鉆孔，孔深≥1.8 m，置入長(zhǎng)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(tái)車的錨桿布置見(jiàn)圖3。

圖3 整體式拱墻模板襯砌臺(tái)車示意(單位:cm)

2)整體式拱墻模板襯砌臺(tái)車液壓頂進(jìn)裝置。襯砌臺(tái)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(wú)法準(zhǔn)確定位，而且還有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為此在臺(tái)車底部安裝了兩組伸縮式液壓油缸，每組油缸推力為臺(tái)車下滑力的2倍。兩組油缸交替推進(jìn)，可以將臺(tái)車推進(jìn)到預(yù)定位置，然后用固定絲桿通過(guò)鋼軌上的鉆孔用插銷將臺(tái)車和軌道鎖定在一起。為確保施工安全，還配置了4臺(tái)10 t導(dǎo)鏈輔助固定。

3)襯砌臺(tái)車的定位和調(diào)整。襯砌臺(tái)車到位后用全站儀定出它的中線和標(biāo)高，利用襯砌臺(tái)車中線上的垂球先把臺(tái)車的中線調(diào)整到位，再用臺(tái)車上幾個(gè)方向的油缸把模板調(diào)整到準(zhǔn)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(yùn)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(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)，為此拌合站要控制好混凝土的初凝時(shí)間，合理調(diào)整水灰比，及時(shí)進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，確?；炷寥肽Ｇ安话l(fā)生初凝和離析。襯砌混凝土要加強(qiáng)振搗，通過(guò)插入式振動(dòng)器和附著式振動(dòng)器相結(jié)合的振動(dòng)形式，保證混凝土的密實(shí)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(jìn)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(shí)搭設(shè)的腳手臺(tái)架上施工，臨時(shí)臺(tái)架每次搭設(shè)不超過(guò)15 m，鋪設(shè)完成后隨時(shí)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(jī)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(lái)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(jī)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(shí)，風(fēng)機(jī)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(shí)架設(shè)臨時(shí)抽排水管道，并在相應(yīng)的位置安置臨時(shí)水倉(cāng)用于分級(jí)抽排積水。

4 施工效果

白云隧道兩座長(zhǎng)度超過(guò)1 000 mm、坡度達(dá)到23°30'的通風(fēng)斜井已經(jīng)完成開(kāi)挖工作，平均月進(jìn)尺72.8 m，左線通風(fēng)斜井還曾創(chuàng)造了月進(jìn)尺100 m的最高紀(jì)錄。施工過(guò)程中沒(méi)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(gè)月的工期要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)把“單洞雙線雙絞車”的施工方案改進(jìn)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(jìn)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(kāi)挖進(jìn)度，縮短了工期，降低了成本，總計(jì)可以節(jié)約成本約235萬(wàn)元。

通過(guò)液壓頂進(jìn)式襯砌臺(tái)車的使用，有效地解決了大傾角條件下襯砌臺(tái)車的行進(jìn)、定位和穩(wěn)固問(wèn)題，保證了斜井襯砌施工的進(jìn)度和安全，還較好地實(shí)現(xiàn)了斜井二襯混凝土的內(nèi)實(shí)外美。但是，襯砌臺(tái)車的成本高、自重大、臺(tái)車周轉(zhuǎn)利用率低等缺點(diǎn)，也是需要在今后類似工程施工中加以改進(jìn)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(jí)工程師。

1003-1995(2015)11-0043-04