特长隧道通风竖井设计与施工技术

徐士良

(安徽建筑工业学院 岩土工程系，安徽 合肥 230022)

1 工程概况

随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，高等级公路建设的迅速发展和交通运输量的逐渐提高，特大、长大公路隧道工程将日益增加，公路隧道配套及相关设施的建设规模也将不断扩大。竖井是长大公路隧道的重要配套工程之一，对隧道的通风排污、防灾减灾、正常运营等起着重要作用。目前我国隧道竖井的设计中，对于岩爆等特殊地质条件还没有系统的设计方法。在竖井的施工中，根据实际工程的具体条件采用了不同方法。秦岭公路隧道1号和3号竖井采用先反井后爆破扩孔法施工，夹活岩特长公路隧道竖井采用全断面爆破法施工。

秦岭终南山特长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乡与营盘镇之间，全长18 020 m。在目前山区公路隧道中规模居世界第一，长度列世界第二，被誉为“世界级工程”和“中国第一长隧”。该隧道采用3竖井通风方案，其中2号竖井井深为 661.10 m，净直径为 11.20 m，掘进半径为 12.12～16.20 m。

2 地质条件

根据隧道山体表面的具体情况，2号竖井位于秦岭北坡水洞子沟中上游右侧约30 m，竖井中心地面高程1 697.6 m，距东线隧道381.84 m，如图 1所示。竖井上部30 m为第四系全新统坡洪积层，其中表层为崩积块石土，坡洪积层岩性为粉质黏土，块石土岩性为混合片麻岩。竖井下部地层主要为混合片麻岩，部分地段夹黑云母斜长角闪片岩残留体，岩体受构造影响轻微，岩体完整，以大块状砌体结构为主，属于Ⅱ级围岩，具有岩爆倾向性。

图1 通风竖井位置(单位:m)

3 竖井支护结构及稳定性分析

3.1 竖井支护结构

目前国内还没有比较成熟的公路隧道大直径深竖井设计方法。利用该竖井的工程地质条件，根据新奥法设计原理，采用经验类比和数值模拟等方法，对该竖井支护结构进行设计。对于30 m的表土层，采用钢筋混凝土作为永久支护，厚度为0.80 m。竖井基岩段初期支护为锚喷支护，厚度为0.06～0.10 m，二次衬砌为钢筋混凝土支护，厚度为0.40 m。该竖井为送排风合一的风井，中间用中隔板分开，中隔板采用C30防水钢筋混凝土结构。在施工过程中，竖井的支护设计要根据地层的变化情况不断调整，以保证支护的稳定。典型断面的支护设计如图2。

图2 支护结构设计(单位:m)

3.2 竖井稳定性分析

秦岭终南山隧道2号竖井工程区域属于典型的峡谷地貌，存在明显的高地应力集中区和应力平稳区。通过建立三维有限元模型(见图3)，对不同深度的竖井围岩和支护结构进行了数值模拟分析。围岩采用8节点六面体单元，喷层采用4节点壳单元，锚杆作为安全储备考虑，没有模拟。屈服准则为Drucker-Prager准则。图4为竖井高地应力区域内500 m深度处围岩和喷层的最大主应力分布。通过分析表明，围岩和喷层都处于弹性状态，表明高地应力柔性支护设计是合理的。

图3 竖井有限元模型

根据Russenes岩爆判别准则，竖井会发生中等或轻微岩爆，所以必须采取岩爆防治措施。主要措施如下:

1)充分发挥竖井双层吊盘的保护功能。在进行打眼和喷浆等作业时，采用铁丝网罩盖住吊盘喇叭口，防止井壁上部剥落围岩落入工作面;在下层盘预备多个安全绳梯，一旦发生岩爆危及工人人身安全，工人可以利用安全梯到吊盘上躲避，等待升井。

2)加强井筒地质情况变化的日常巡查和工人岩爆知识的培训，密切注意岩爆的发生，提高工人的安全意识。

3)提高初期支护质量，出渣过程中或完毕后，根据情况进行锚喷支护，必要时对上一循环的喷射混凝土支护进行补喷。

图4 竖井500 m处最大主应力云图

4 竖井施工

4.1 总体施工方案

竖井采用新奥法施工，需要进行现场监控量测并反馈信息以指导施工。由于工期紧张，并且为带有中隔板的大断面深竖井，经过多种施工方案的比选，决定采用全断面一次爆破掘进，锚喷支护施工至井底，再从井底向上施作二次衬砌和中隔板。该施工方案需要较高的管理水平和施工技术支持。竖井施工组织形式为掘砌单行作业，其基岩段施工工艺流程为:伞钻和人抱钻凿岩、升井→装药、连线、放炮、通风→出渣→喷射混凝土支护、打锚杆→清底、下伞钻和人抱钻。

4.2 竖井机械化配套设备

竖井采用主、副两套单钩提升系统，提升绞车为2JK-3.0/20型。井深500 m以上，主、副提升容器均选用4.0 m3座钩翻矸吊桶;井深500 m以下，主、副提升容器均选用3.0 m3座钩翻矸吊桶。打眼采用以伞形钻架为主，配套多台人抱钻辅助打眼的方法。装渣设备为YC85-6小型挖掘机配0.4 m3抓斗。喷浆支护采用4台转Ⅶ型混凝土喷射机。

为了保证竖井中隔板和二次衬砌的整体性和稳定性，模板设备非常重要。经分析计算，设计了中隔板和二次衬砌一体化液压滑升模板设备，见图5。其中竖井二次衬砌为单侧滑模施工，中隔板为双侧滑模施工。模板设计中为了提高利用率，保证强度、刚度及整体稳定性，整个滑升模板设计为钢结构。其主体结构包括操作平台、提升架 、围圈、辐射梁、模板、辅助盘、液压系统和支承杆等。

该滑模是在竖井圆周内每隔一定距离埋设金属爬杆一根，将液压千斤顶套在每根爬杆上，通过螺栓把液压千斤顶底座与提升架的顶部连在一起。在提升架的立柱内侧装配围圈，并在围圈上悬挂模板。为使所有液压千斤顶能同步工作，用输油管路将其与液压操作机相连。这样随着模板底部混凝土的凝固、液压操作机驱动所有液压千斤顶，就可带动提升架、围圈、模板、操作平台沿着爬杆向上滑动，如此反复连续进行一直爬升到竖井顶部为止。

图5 竖井滑模示意(单位:mm)

4.3 竖井硬岩爆破

钻爆法因其广泛的适用性和经济性，特别适用坚硬岩石地下工程的开挖。钻爆法施工的关键是掏槽技术，斜眼掏槽和直眼掏槽是开挖爆破常用的两种掏槽形式。直眼掏槽抛渣距离近。斜眼掏槽技术由于受钻孔机具操作的限制只能在宽度足够的大断面隧洞中应用，其炮眼深度也受断面大小限制，适用于开挖循环进尺较小的隧洞。直眼掏槽技术在大小断面隧洞中均可选用，其炮眼深度不受断面大小限制，可适用于开挖循环进尺较大的隧洞。

由于目前对岩石的爆破机理和爆破设计还没有统一的认识，硬岩爆破施工仍处于经验和现场试验阶段。秦岭2号竖井开始采用直眼掏槽，缺乏直径较大的空孔凿岩机，加上岩石坚硬，爆破效果很不理想。为了充分发挥斜眼和直眼掏槽的优势，决定采用复合掏槽技术，保证掏槽爆破效果。在掏槽施工过程中，中间采用直眼桶形掏槽外加斜眼锥形掏槽，以增加槽腔体积，克服普通直眼掏槽技术在坚硬岩石中应用时槽腔小和抛出岩渣有限的缺点。另一方面，为了消除锥形掏槽在孔底使崩落孔的抵抗线增大的弱点和进一步扩大槽腔体积，再在锥形掏槽外围加上同深的桶形直眼掏槽来加强对掏槽腔体内岩渣的抛掷作用，增强掏槽效果。有时还在直眼圈径中打部分斜眼，形成耦合掏槽的方式，取得了良好的爆破效果。

4.4 竖井监测

秦岭终南山隧道2号竖井在施工过程中有中等或轻微岩爆发生，为了保证竖井高地应力柔性支护的稳定性，进行现场监控量测非常重要。隧道通风竖井与一般煤矿立井相比，井筒辅助设施少，监测工作开展的难度大，危险性高。

根据实际情况，2号竖井监测的主要项目为喷射混凝土应力和围岩与喷射混凝土间接触压力，并辅助进行围岩地质状况观察和收敛位移测量，确保竖井工程施工安全并积累超大直径竖井施工经验。具体操作过程为:在井口封口盘上对应于井下测试仪器埋设的位置进行开孔，浅部导线直接下到竖井指定位置，竖井深部采用尼龙绳悬吊导线方式下放，并利用锚杆固定导线，防止导线摆动幅度过大。测试仪器离工作面2 m左右安设，等吊盘下到仪器位置进行导线安装，可以避免爆破施工损坏导线。整个过程要十分小心，避免导线与稳绳等绞在一起，要采用对讲机进行协调联系，并采用人工和datataker采集仪配合进行数据读取。

5 结语

1)秦岭公路隧道2号竖井采用锚喷支护为主要承载结构，通过三维有限元数值模拟验证了高地应力柔性支护设计的合理性。

2)竖井合理的机械化配套方案和复合掏槽爆破技术，保证了整个工程快速顺利施工。

3)隧道竖井监测能够反馈信息和指导施工，但监测难度大，岩爆监测方法也需要加强研究。

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