公路隧道通风竖井设计及施工研究

公路隧道通风竖井设计及施工研究发布时间：2008-7-1611:01:45中国公路机械网【关闭窗口】摘要：以秦岭终南山特长公路隧道通风竖井的设计及施工为依托，简要介绍了国内外部分竖井的设计及主要施工方法，以及不同施工方法的适用条件和优缺点，探讨了常用施工方法的局限性，同时提出了通风竖井设计及施工中所存在的问题。旨在结合当前特长公路隧道建设的步伐，探讨通风竖井的设计及施工问题，对特长公路隧道的修建提供一些的参考资料。秦岭终南山特长公路隧道是西安——安康高速公路穿越秦岭主脊的控制性工程。其技术标准为：四车道高速公路，设计行车速度80km/h，主洞长18020m，双洞总长36040m，其长度居公路行业世界第二，在高速公路隧道中长度居世界首位，双洞单向行车的建设规模为世界第一。本项目采用三竖井纵向分段式通风方案，竖井工程为其通风方案土建工程的控制性工程。1竖井设计的控制因素1.1位置的确定考虑本隧道竖井功能为运营通风竖井，因此井位的选取中主要考虑通风区段的划分、通风阻力、机房的设置条件、工程地质条件、水文地质条件、地形条件等因素。通风区段的划分主要根据通风计算，使不同通风区段内满足各种工况下的通风要求；通风阻力的分析应以不同井位的通风计算结果为依据，以风机功率与土建费用对比求算最佳结合点，确定合适位置；机房的设置主要考虑地上或地下风机房方案，从而寻求合适的竖井位置；工程及水文地质条件影响，主要考虑竖井应选择在地质条件较好，含水量较小的岩层中；地形条件主要考虑影响竖井的深度，地表水的影响、建井场地、施工便道等因素。总之，竖井位置的选取涉及到运营、土建、维护等费用是一个复杂的综合问题，需全盘考虑、权衡利弊，方能取得满意的结果。1.2形式的确定本隧道竖井应具有送、排风的功能，因此可供选择的竖井形式有单竖井两分隔和两座独立竖井2种方案。在方案选定时，国内尚无竖井分隔技术的设计及施工的成功案例。因此，大直径两分隔竖井技术具有设计及施工难度大等问题。竖井形式确定中主要影响因素为：环境影响、井位条件、施工工期、施工干扰、运营费用、土建费用等。经综合考虑，本隧道选取单竖井两分隔的竖井方案。1.3直径的确定竖井直径的确定过程为：结合本工程的交通量、交通组成、路线纵坡、自然条件等因素确定需风量，根据需风量、地质条件、施工条件等因素确定经济风速，依据需风量及经济风速确定竖井设计内净空尺寸。1.4三竖井通风方案经反复计算、论证，本隧道最终确定的方案为：3座通风竖井分别将东、西线两隧道合分成4个通风段，最长段为4949m，最短段为3782m(以送排风道口中心里程分段)，每个通风竖井兼顾东、西线4个通风区段的送、排风。竖井内的控制风速为18m/s，据此确定竖井直径。确定3个竖井分别为：1号竖井内直径Φ1=10.80m,井深（不包括风塔）h1=190.033m；2号竖井内直径Φ2=11.20m,井深（不包括风塔）h2=661.087m；3号竖井内直径Φ3=11.50m,井深（不包括风塔）h3=392.772m。1号竖井位于西线右侧131m处；2号竖井位于东线右侧383m处；3号竖井位于西线右侧135m处。其中，1、3号竖井井位均避开了自然保护区，环境保护要求为二级，2号竖井井位所处地带处在秦岭山区牛脊梁国家自然环境保护区内，为一类环境保护。2竖井设计简况2.1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，地下水类型为HCO3-Ca型，无侵蚀性。1号竖井位于秦岭北坡石砭峪沟中游沟的左侧约40m处，地面高程1126m。出露的地层上部31m为第四系全新统崩积块石土，块石岩性为混合片麻岩，属Ⅱ类围岩；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，属Ⅳ类围岩，σ0=1000～1200kPa。2号竖井位于秦岭北坡水洞子沟中上游，沟的右侧约30m处，竖井地面高程1703m。出露的地层上部30m为第四系全新统崩积块石土，块石岩性为混合片麻岩，属Ⅱ类围岩；下部为混合片麻岩，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Ⅵ类围岩，σ0=1200～1500kPa。3号竖井位于秦岭南坡大东沟中游，沟的左侧约50m处，竖井地面高程1430m。出露的地层上部30m为第四系全新统崩积块石土，块石岩性为混合片麻岩，属Ⅱ类围岩；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，属Ⅴ类围岩，σ0=1200kPa。2.2设计情况2.2.1井身结构设计竖井的结构形式主要有3种。（1）复合式衬砌。初支采用锚、网、喷联合支护形式，二次衬砌采用混凝土或钢筋混凝土形式；（2）双层衬砌。初支采用模筑混凝土，二次衬砌采用混凝土或钢筋混凝土形式；（3）单层衬砌。无需初支，一次成型衬砌结构，衬砌与开挖掌子面紧跟。复合式衬砌设计及施工经验成熟；双层衬砌形式在隧道施工中应用较多，具有成熟的设计及施工经验，在竖井施工中也有成熟的工程实例；单层衬砌也具有相当成熟的设计及施工经验。本隧道的竖井均为两分隔形式，若采用单层衬砌，则需研制新型滑模。另外，开挖与衬砌施工的工序干扰大，施工速度低，与实际情况不符。双层衬砌虽具有施工安全，快速等优点，但结合本隧道中隔板的现实情况，二次衬砌不宜过薄，否则中隔板与二次衬砌结合处可能出现开裂等病害。同时考虑费用等情况，最终确定竖井采用复合式衬砌的结构形式。竖井的设计情况为：竖井井口Ⅱ类围岩段，均为第四系全新统崩积块石土，开挖后不稳定，极易坍塌，因此设计中施工支护考虑采用锚网喷结合I20闭合型钢钢架支护形式，设计参数为C25喷射混凝土厚26cm；φ8钢筋网间距20cm×20cm；中空锚杆长3.5m，间距100cm×100cm呈梅花形布设；型钢钢架每米一榀；二次衬砌设计为C25钢筋混凝土，厚度为80cm。井身Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ类围岩段施工支护考虑锚网喷联合支护，二次衬砌除井底与风道联接处考虑加强采用C25钢筋混凝土模筑衬砌外，余均采用C25混凝土模筑衬砌。C25喷射混凝土厚度Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ类围岩分别为15cm、8cm、6cm；Ⅳ类围岩段φ22锚杆长3.5m，间距150cm×150cm呈梅花形布设，Ⅴ、Ⅵ类围岩段考虑局部设φ22局部锚杆，Ⅴ类围岩长3.0m，Ⅵ类围岩长2.5m；Ⅴ、Ⅵ类围岩段考虑局部设置钢筋网，间距20cm×20cm。Ⅳ类围岩段二次衬砌厚45cm；Ⅴ、Ⅵ类围岩段二次衬砌厚40cm。2.2.2壁座目前煤炭系统的大多数竖井设计中均取消了壁座，通常仅考虑在井口和井底的特殊部位设计壁座。但对于本工程因竖井直径较大，同时考虑竖井内设置有40cm厚的钢筋混凝土中隔板，自重大。同时考虑地质条件好围岩收敛变形快。另外，开挖完成后较长时间无法完成衬砌施工的因素。因此，为保证结构安全，经综合考虑，本隧道竖井设置壁座。根据不同地质情况采取不同的间距设置壁座，壁座按双锥类型设计。2.2.3防排水设计井位周边以半径15m作环向截水沟，将地表拦截水排入附近的沟中。考虑到三座竖井所处位置均距河床较近，崩积块石土孔隙水可能与沟水连通，因此对竖井井口部位采取地面预注浆止水措施。竖井井身采取纵向设8根φ100PVC花管，环向每4～10m设1道φ100软式透水管，与纵向排水管相连排除基岩裂隙水，纵向排水管在竖井底部引入风道水沟。竖井衬砌采用防水混凝土，施工缝设橡胶止水带。竖井排水系统与风道及隧道排水系统组成一个完整的排水体系，将竖井内的水排入风道侧沟，通过搬入坑道水沟将水排至主隧道水沟。3竖井施工方法3.1国内外竖井施工方法概述竖井施工设备多，绞车、稳车一般在20台左右，均为竖向布置，断面空间小、井深大，属高危工程，技术要求高，施工难度大，要有专用设备和专业性很强的施工队伍。3.1.1凿岩爆破一次成型法这种方法采用机械化配套作业自上而下施工——先掘进竖井井颈与表土段后，砌锁口圈，下掘30～40m后安设多层吊盘，进行提升、悬吊等辅助设施的安装，然后转入井筒掘进施工。多层吊盘的使用使多道工序能平行进行，提高工作效率。井筒施工一次凿岩爆破成型，采用抓岩机装岩，单钩提升吊桶出碴，碴石全部由井口运出，用自卸汽车运至弃碴场。喷混凝土临时支护，液压滑动模板整体浇灌混凝土。为保持工作面空气清新，必须进行机械通风。采用此种方法的类似工程有瑞士圣哥达山底铁路隧道Sedrun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（Hospental竖井，深303m、开挖直径6.76m；Guspeisbach竖井，深522m，开挖直径7.7m）、中国江西曲江主井井筒的施工（竖井深887m，开挖直径5.7～5.9m）以及加拿大萨德伯里的Graig竖井（竖井深1500m，开挖直径6.3m）。此种施工方法的特点是竖井内全部碴量均弃于井口外，需要有施工便道能修建至井口的条件，供大型设备运输和弃碴，同时井口需要有供升降机、井架等布置的施工场地。缺点是占用土地面积大；对自然环境影响较大；修建便道增加的工程量大；出碴效率较低。优点是适用的竖井深度及直径范围大；国内外工程实例较多，施工技术成熟，便于操作，施工风险相对较小。3.1.2先导井、后扩挖法（反井法）具体方法是先开挖用于溜碴的导洞，然后再用传统钻爆法自上而下扩挖成井。导洞的施工有以下几种方法。（1）沿竖井的设计轴线用钻爆法自上而下开挖直径较小的导洞。此种方法出碴效率高，占用井上绿地较少。（2）爬罐法。国外有阿立马克（Alimake）内燃液压爬升机，配合内燃驱动运输车自下而上开挖导洞的机械开挖法。国内有能源部指定开发的电动爬罐，此产品可开挖竖井深达350m，可配凿岩机具2～3台（气动、湿式、气腿向上式）。此种方法需引进国外设备，国内技术相对落后。（3）在地表竖井设计轴线先用钻机钻出超前导孔（直径为0.2～0.3m）后布置提升机，将钢丝绳穿过导孔至井底通道，由下往上扩挖一直径2.0～2.5m的导洞。此种方法对于深竖井，导孔方向较难达到设计要求，且安全性较差，需增加施工临时支护。（4）反井钻机、正向扩大法。该法是在地面上利用反井钻机自上而下钻一导孔（直径为20～30cm），然后再在井下水平巷道内安装钻头，自下而上开凿导洞。此种方法受竖井深度、地质条件限制。采用反井法的累似工程有法、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Mappo—Morettina公路隧道的中间竖井（竖井深375m、开挖直径6.8m）和中国山东汶南矿的矿用竖井（竖井深316m、开挖直径4.5m）。该种施工方法主要特点是：井筒内爆破后的岩碴均利用小导井溜至井底通道运出至洞外隧道专用弃碴场。井口外不弃碴或少弃碴，占用地上面积较少，井上施工机械及管理人员少。缺点是适用的竖井深度受限制；国内工程实例相对较少，施工技术难度大；底部平洞已经完成，具有出碴的便利条件；存在卡孔的隐患。优点是占用地上面积小；对自然环境破坏小；出碴效率高；施工安全性高。3.2本项目施工方法秦岭终南山公路隧道的通风竖井最终采用的施工方案为：1、3号竖井采用反井法的第4种方法，即在地面上利用反井钻机自上而下钻一导孔（直径为20～30cm），再在井下水平巷道内安装钻头（φ140cm），自下而上开凿导洞，然后利用提升设备自下而上扩大导洞至3.5m，最后，自上而下扩挖至正常断面。2号竖井采用了自上而下传统钻爆一次成井法，即井筒施工一次凿岩爆破成型，单钩提升吊桶出碴，碴石全部由井口运出，锚、网、喷初期支护紧跟掌子面，到达井底后自下而上整体浇筑二次衬砌及中隔板。反井法施工具体步骤如下。（1）钻机就位。钻机定位的关键是调平对中，确保钻孔的垂直度。钻机基础采用C20混凝土，厚100cm。（2）测量放样。测设竖井中心点，同时放出十字线护桩，设护桩以利校核。（3）钻卸碴孔。3号竖井采用BMC400天井钻机施工卸碴孔。其工作原理为：液压马达驱动水龙头，将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转；破岩采用镶齿盘形滚刀，滚刀在钻压的作用下沿井底滚动，从而对岩石产生冲击、挤压和