_秦岭终南山公路隧道竖井施工技术探讨

秦岭终南山公路隧道竖井施工技术探讨
胡 健1 雷 平2 王立新3 轩俊杰4
(1江苏现代路桥有限责任公司南京210049;2陕西省高速公路建设集团公司西安710054;
3中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院西安710043;4甘肃省交通厅长达路业有限公司兰州730000)
摘 要 结合秦岭终南山公路隧道的竖井施工,介绍了竖井施工的技术难点,对秦岭终南山公路隧道竖井施工方案及相关问题进行探讨,阐述了可行的竖井施工方法,保证了竖井施工工期、安全、环保、经济等方面的要求。

关键词 秦岭终南山公路隧道 竖井 施工方法
随着我国基础建设的扩大,高速公路、尤其是公路隧道随着施工技术的发展,科学技术的进步,大型机械设备的应用得到了迅猛发展。

长大隧道越来越多,秦岭终南山公路隧道长18.02km,位居亚洲第一,世界第二。

长大隧道的施工技术往往制约着整条公路建设的工期。

而长大隧道,尤其是特长公路隧道的施工工期往往又被竖井的施工技术所制约。

因为,国内在长大隧道通风竖井施工方面的经验还比较欠缺,有时会因为缺少相匹配的施工技术而使设计工期被后延。

所以,特长公路隧道竖井施工技术的探讨对公路建设的可持续发展具有重要意义。

本文仅就竖井施工中的有关问题进行讨论,并以秦岭终南山特长公路隧道的竖井施工方案比较为例,对若干特殊的施工方案予以简要说明。

1 秦岭终南山公路隧道竖井工程概况1.1 通风概况
秦岭终南山公路隧道为了提高运营环境条件及安全,采用了3竖井的纵向式通风方案,两线共用竖井,竖井采用隔板将送、排风道隔离,竖井底部排风处设不同高度的导风隔板,以利于风流汇合。

3座通风竖井分别将东、西线隧道合分成4个通风段,最长段为4948m,最短段为3781m,依据控制需风量及竖井内v=18m/s的控制风速,确定竖井直径。

确定3个竖井分别为:
1号竖井:内径 =10.8m,最大开挖外径 = 12.92m,井深H=190m;
2号竖井:内径 =11.2m,最大开挖外径 = 13.32m,井深H=661m;
3号竖井:内径 =11.5m,最大开挖外径 = 13.62m,井深H=393m。

1.2 地质概况
竖井井位所处地区均属湿润寒冷山地气候,雨量充沛。

地下水均为基岩裂隙水,节理裂隙贫水段,地下水类型:H CO3 Ca型水,无侵蚀性(图1)。

图1 竖井地质纵断面图
1号竖井位于秦岭北坡石砭峪沟中游,竖井地
面高程1126m。

出露的地层为:上部31m第四系全
新统崩积块石土,块石岩性为混合片麻岩, 级围
岩。

下部为混合片麻岩,夹少量片麻岩残留体,岩体
受构造影响较重,岩体较破碎,以块状镶嵌结构为
主, 级围岩。

2号竖井位于秦岭北坡水洞子沟中上游,竖井
地面高程1703m。

出露地层上部30m为第四系全
新统崩积块石土,块石岩性为混合片麻岩, 级围
岩;下部为混合片麻岩,部分地段夹黑云母斜长角闪
24
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, 级围岩。

3号竖井位于秦岭南坡大东沟中游,竖井地面高程1430m。

出露地层上部30m为第四系全新统崩积块石土,块石岩性为混合片麻岩, 级围岩;下部为混合片麻岩,灰白色,岩体受构造影响轻微,岩体完整,以大块状砌体结构为主, 级围岩。

2 竖井施工主要难点
(1)通风竖井断面大:目前国内外现有资料表明,竖井一般净径4~6m,南非瓦尔里夫斯(V aal Reefs)金矿9号风井,净径为10.6m,为世界最大竖井。

本隧道通风竖井断面内直径 =10.8m~ 11.5m,最大开挖直径达13.62m。

由于断面大将对施工带来一系列困难。

(2)由于竖井断面大,最大开挖直径达13.62m,井口部位30~40m范围为地表坡积洪积层和块石地层,井身部位亦有软弱层,围岩压力大而且分布复杂,对井筒结构施工安全影响很大。

(3)本隧道2号通风竖井井深为661m,属于较深的竖井,在交通领域(公路、铁路)是最深的竖井。

(4)由于本竖井为公路隧道通风竖井,井口位置应根据线路走向施设;本隧道三个竖井均在秦岭山中,场地条件恶劣,更增加施工困难。

(5)由于本竖井为通风竖井,并且中间设置中隔板。

风道最大风速达到V=18m/s,为了确保中隔板不漏风是确保通风效果的关键。

因此隔板混凝土性能、灌注工艺和接头密封度均为施工难点。

(6)施工安全的危险因素多。

3 国内外竖井施工方法探讨
3.1 全断面开挖方法
一般竖井广泛采用的施工方法适用于竖井断面净径3~8m,断面过大时,由于一次出碴量过大,所有矿碴均须从井口吊出,施工进度慢,而且必须有施工便道修建至井口的条件,供大型设备运输和弃渣。

同时井口需要有供升降机、井架等布置的施工场地。

国内采用这种方法的类似工程有中铁十二局施工的乌鞘岭特长隧道芨芨沟竖井(竖井井筒深466.6m,内径5.1m),江西曲江主井井筒的施工(竖井深887m,开挖直径5.7~ 5.9m)。

国外采用此种方法的类似工程有瑞士圣哥达山底铁路Sedr un中间竖井(竖井深836m,开挖直径8.6m),瑞士圣哥达公路隧道的2个竖井(H os-pen2tal竖井,深303m,开挖直径6.76m;Gu speis-bach竖井,深522m,开挖直径7.7m),以及加拿大萨德伯里的Gr aig竖井(竖井深1500m,开挖直径6.3m)。

这种方法的优点: 适用的竖井深度及直径范围大,国内外工程实例多,施工技术成熟,便于操作; 当需要利用竖井来开挖主洞时,这种方法是必须的。

缺点: 占用土地面积大,对自然环境影响大; 修建便道增加的工程量大,出渣效率较低。

3.2 先导井、后扩挖(反井法)
这种方法使用的前提是底部平洞的开挖已完成,有出渣的便利通道,具体方法是先开挖用于溜渣的导洞,然后再用传统的钻爆法自上而下扩挖成井。

导洞的开挖主要有4种方法:
(1)沿竖井轴线用钻爆法自上而下开挖直径较小的导洞。

(2)利用液压爬升机或电动爬罐,配合驱动运输车自上而下开挖导洞的爬罐法;国内开发的电动罐可开挖竖井深度达350m;由此可见此种方法需要引进国外技术。

(3)在地表竖井设计轴线,先用钻机钻出超前导孔,再布置提升机,将钢丝绳穿过导孔至井底通道,由下而上扩挖导洞。

(4)钻机反井、正面扩大法,在地面利用反井钻机自上而下钻一导孔(20~30cm),然后再在井下水平巷道安装大钻头,自下而上开凿导洞,也可自上而下开凿导洞。

导洞直径一般为(100~300cm)。

目前国内的最好设备适用的竖井最大深度为400m,国外设备可达到600m。

国内采用这种方法的类似工程有苍岭特长隧道1号竖井(竖井井深273.7m,衬砌后竖井直径8.6m);雪峰山隧道3号竖井(井深360m,内径6.5m);山东汶南矿矿用竖井(井深316m,开挖直径4.5m)。

国外采用这种方法的类似工程有法意两国联合投资修建的弗雷儒斯公路隧道,意大利端通风竖井(竖井深488m,开挖直径5.8m),瑞士Map-po2M orettina公路隧道的中间竖井(井深375m,开挖直径6.8m)。

该方法优点有: 由于反井已开挖,为爆破形成了良好的临空面,爆破效果良好; 爆破石碴可通过反井放入井下洞室,采取水平运输出碴,可大大降低
25
爆破和出碴成本,加快竖井施工进度。

占用地上面积小,对自然环境破坏小,修建便道规模较小或不修。

该方法缺点有: 在竖井钻孔前,井底水平巷道应提前开挖; 由于地质钻孔倾斜度不宜控制,对于深竖井导孔方向很难达到设计要求;据了解,采用先进的施工技术,导孔的偏角也仅能控制在0.5 ~ 1 左右; 反井一般不施做初期支护,当竖井围岩条件不好应慎用。

4 秦岭终南山公路隧道竖井施工方案
探讨
结合秦岭终南山公路隧道工程实际情况,通过比选确定通风竖井整体施工方案。

全断面法虽然技术成熟,工程实例也多,但结合本项目实际情况,除1号竖井井位距便道很近外,2、3号竖井均没有便道可利用,而由于秦岭山区沟谷深切、山高坡陡,修建施工便道非常困难,且2号竖井井位处于国家一级自然保护区内。

反井法有着全断面法不可取代的优越性,在施工质量、速度、安全方面具有明显的优势。

特别是占地少,环保效益非常显著,出渣在隧道内不破坏植被也不影响环境,而且底部隧道已开挖完成,有出渣的便利通道,3个竖井施工中均采用了反井法。

下面就3个竖井的详细施工方法进行探讨。

1号竖井井深只有190m。

施工中采用了反井法的第 种方法,在地面上用反井钻机沿竖井设计轴线自上而下钻一直径为25cm的导孔,然后在安装大钻头,自上而下开凿直径为125cm的导洞,再用传统的钻爆法自上而下扩挖成井。

2号竖井井深661m,施工采用了反井法第 种方法,沿竖井轴线用钻爆法自上而下开挖直径较小的导洞;此种方法出渣效率高,占用井上绿地较少。

3号竖井也采用了反井法的第 种方法,与1号竖井所不同的是开挖完导孔后,在井下水平巷道内安装大钻头,自下而上开凿导洞,然后用传统钻爆法自上而下扩挖成井。

5 克服施工难点
3个竖井均采用反井法。

反井法很好地克服了第(1)、(3)、(4)难点;对于第(2)个难点,竖井井口段,考虑到均为第四系全新统崩积块石土,开挖后不稳定,极易产生坍塌。

因此,施工支护采用锚网喷结合I20闭合型钢架支护形式,超前支护采用 42小导管注浆加固地层。

并在井口段设置锁口圈,井身段考虑设置壁座,壁座形式见图2
所示。

图2 壁座形式
对于第(5)个难点,竖井中间通风隔板的问题,采用隔板与衬砌整体灌注时,必须采用两套模板。

由于竖井净径较大而且有隔板,整体滑动模板必须重新设计。

整体滑动模板是由模板、操作平台和提升机具3部分组成。

作业时可在操作平台上不间断灌注混凝土,同时提升系统也带着模板及操作平台频频向上滑移。

关于安全难题,结合工程实际情况,笔者制定了一套施工安全体系方案,以便今后类似工程参考(图3)。

6 结语
在公路隧道通风方式选择上,越来越多的长大隧道选择竖井+射流风机全纵向通风,因此,近年来竖井的快速、安全施工一直受到隧道工程界的关注。

随着科学技术的进步,竖井的修筑在国内外有许多施工方法,并日趋成熟。

本文结合秦岭终南山公路隧道竖井施工工程实例,提出了自己的一些想法和观点,还有一些技术问题仍需进一步解决。

参考文献
[1] 重庆交通科研设计院.JT G D70-2004公路隧道设计
规范[S].北京:人民交通出版社,2004.
[2] 交通部重庆公路科学研究所.JT J042-94公路隧道施
工技术规范[S].北京:人民交通出版社,1995.
[3] 赵秋林,魏军政.秦岭终南山特长公路隧道竖井设计
与施工方法探讨[J].公路,2005,(8):164-166.
[4] 西南交通大学.世界各国已建成和在建的长度大于
10km的公路隧道资料汇编[Z].2000.
26
图3 施工安全体系图解
[5] 铁道第一勘察设计院.秦岭终南山特长隧道运营通风
设计[Z].2003.
[6] 中交集团终南山2号竖井项目部.秦岭终南山特长公
路隧道2号竖井施工组织设计[R].北京:中国交通建
设股份有限公司,2006.
[7] 陈建勋,乔怀玉,等.公路隧道通风竖井施工方法[J].
筑路机械与施工机械化,2006,(5):5-7.
27。