高速公路长大隧道通风竖井设计与施工技术研究

高速公路长大隧道通风竖井设计与施工技术研究

闫晓龙

河南省交通规划设计研究院股份有限公司  郑州 450000

摘要：特长隧洞的通风竖井在几何形状、结构受力、施工方式上都与常规隧洞不同，在国内、国际上尚属少数，因此在实际应用中，很多隧道在通风竖井的设计和施工中并不能达到预期的结果。本文主要阐述了在高速公路长大隧道的通风竖井设计和反钻作业的详细实施。在长大隧道通风竖井工程中，合理采用施工技术可以有效地提高生产效率和降低生产费用。

关键词：长大隧道；通风竖井；施工技术

引言

在我国快速发展的道路建设中，有关长大隧道的结构和结构的研究日益成熟。竖井是当前隧道结构的一个主要部分，本文高速公路长大隧通风竖井设计与反井钻机法施工中碰到的问题进行研究，对竖井法的应用进行分析，为类似工程提供参考。

1.竖井的布置

矿井通风竖井包括锁口盘、井身、壁座、马头门等部件，其上部与井口通风建筑物（通风塔）相连，下端通过马头门、送排风通道与下风室相连，其平面布局如下：垂直井口通风系统为钢筋混凝土混合土塔型，在保证通风需求的同时，尽量简化外形，入口和排风的朝向按照该地区的正常风向排列，并尽量将进气口设在上风位置，高度差约10米。在竖井井口设置一个锁头，不仅可以保证井口工程的安全性，而且可以承受大多数的井口建筑（风塔）的负荷。

竖井结构总体上可以分为三部分：井口段(锁口盘段)、井身段以及井底段(马头门段)。井口段(锁口盘段)处于地表，为 1～2 m 的风化覆盖层，地质条件较差，为保证施工过程的安全，一般采取明挖法施工。外层结构(锁口盘)在洞口开挖后立即施作，以防止竖井口部坍塌或异物坠落。内层结构(井口圈)待竖井开挖完成后与整个竖井二次衬砌一道施作，以确保竖井防水层的完整性。井口段内外层衬砌均采用现浇钢筋砼结构。锁口盘底部设计为扩大基础，基础设置在稳定的岩层上，以承载井口圈岩土压力和风塔重量。

井筒的构造大致可以分成井口段（锁定盘段）、井身段和井底段（马头门段）。井口部分（锁口盘部）位于地面，为防治受风侵蚀和地质状况不佳，确保施工期间的安全，采用明挖方法进行开挖。在隧道开挖后，应及时进行外侧构造（锁口板），以避免竖井的崩塌和外来物体落入。在竖井施工完毕后，将内层（井口环）连同全井二次衬砌一起进行施工，以保证井壁的密封性。井下段内壁采用现浇混凝土框架。其底座是为了扩展底座而设在稳固的岩石上，以承受井口圈的岩石和土壤的压力。采用新奥法技术，在井口段和 IV段的早期支护中，采用钢筋格栅、径向锚杆、钢筋网和喷浆砼；为了便于工程的实施，二次衬里通常使用素砼，而在井口段和转角处，为了保证结构的安全性，应选用钢筋砼。为避免对工程造成太大的影响，在基坑开挖和前期支护工程完工后，应在基坑开挖和早期支护工程中进行二次衬砌[1]。

2.竖井施工

（1）总体施工方案。由于新奥法在竖井中的应用，必须对其进行实地监测和测量，并及时提供相关的资料，以便对其进行指导。在工程建设中，考虑到工程建设时间紧迫，又为大截面的中隔墙工程，在多次工程方案比较后，确定采取单段全段一次开挖法，将锚杆支护施到井底处，然后在下段进行二次衬砌和中间分隔。这一工程项目要求具有很高的技术含量和技术支撑。立井的施工方式是单井开挖，其基岩段的施工工序是：伞钻、人持钻凿岩、连线放炮、通风、出渣喷射、凝土支护、打锚杆清底和下伞钻[2]。

目前，竖井的施工技术主要有两种：一是从井头起，采用罐式吊车吊运石块和物料。这是目前我国最常用的一种施工方式，但其施工效果并不理想，而且有一定的安全风险，因此，采用该技术进行施工是必要的；另外，在主洞段开挖到垂直位置后，仍需进行直井连通通道的建设，同时进行中央扩孔法的竖井施工。在最终成型的挖掘过程中，还需要运用新奥法的施工方法，进行合理的光表面爆炸，以确保注浆和锚固工程的质量。施工便道、场地平整和中央钻孔可以提前施工，只要确保在隧道掘进到通风口的位置就可以了。扩孔采用钻孔专用的扩孔设备，在钻孔完毕后，由顶部至底部进行掘进，再由下往上进行二次衬砌。从扩孔至完工需要6-8个月的时间。同时，还需要根据新的奥法原则组织施工，做好爆破和监测测量[3]。

（2）竖井机械化配套设备。采用主、副两套单钩式起重装置，吊机采用2 JK—3.0/20。深部500米以上，主、副提升容器采用4.0米，采用吊钩式绞盘；在500米以下，主、副提升集装箱采用3.0立方米的钩式起重吊。钻井方式主要是以伞形钻机为主，配合多个人持钻机进行辅助钻井。采用YC85S型小型挖土机，采用0.4m的抓斗式。4套旋转 VB喷水喷射器用于喷射和支撑。在施工过程中，模板装置对于确保斜井中的隔板及二次衬垫的整体稳定性具有十分关键的作用。经过对分析和计算，研制中隔墙与二次铺装的一体化水力滑动式模架进行。中隔墙采用双侧滑步法进行。在模板的设计中，整体采用钢制结构，以保证强度、刚度和整体稳定性，以达到更好的使用效率。主要包括操作平台、提升架、辐射梁、模、辅助盘、液压系统，支撑棒等。滑动模具是在垂直周内毎设置一条固定的金属爬行棒，在每个爬行臂上安装一个水力千斤顶，并用螺栓连接到吊车的顶端。将围环安装在吊车的支柱内部，并将模板吊在围栏上。为了保证各一液压缸的工作能够同时进行，采用管线连接液压操纵机构。当模板的混凝土凝固后，液压操作机带动液压缸、围圈、模板、操作平台沿着梯子往上滑行，直到达到了垂直井口的顶端。

（3）竖井硬岩爆破。钻孔爆破技术由于其应用范围广、经济效益好，尤其适合于坚硬、坚硬的地下隧道施工，钻孔爆破技术的核心在于钻孔技术，而在掘进过程中，通常采用的是斜孔和直眼钻孔。直眼钻孔排渣的距离较短，斜眼钻孔技术因其施工条件所限，仅限于具有充分宽的隧道截面，且具有一定的截面尺寸，适合于小直径的隧道。采用直眼钻孔技术可以用于较长较宽的隧道，且不受隧道截面尺寸的约束，适合于在隧道内进行大直径的掘进。竖井采用直眼钻孔时，若缺少大口径的钻孔钻头，加之岩石坚硬，容易导致爆破的失败。为了充分利用斜孔和直眼钻孔的优点，选择组合挖槽技术，以确保钻孔的爆破顺利进行。在钻孔时，为增大孔洞容积，在中部使用了圆筒型直眼孔和斜眼圆锥型挖槽，克服常规的直眼钻孔技术在硬质岩层中使用时，由于槽口较窄，喷出的岩渣数量较少。另一方面，为克服圆锥挖槽在孔底处造成塌落孔板阻力较大的缺点，并进一步增大凹坑容积，在圆锥挖槽周边增加同样深度的圆筒型圆筒，以增强对挖槽中的岩渣的投射能力，提高挖槽的效率。有时还在直眼圈内打孔，以配合挖沟的方式，获得较好的爆破结果[4]。

（4）竖井监测。竖井工程中经常会出现中度或轻度的岩石爆破，因此对其进行实地监测和测量，以确保其稳定。与普通矿井不同，矿井的井眼配套设备较多，施工作业困难、风险较大。针对现场条件，重点监控内容包括：注浆、注浆与注浆之间的接触压力、观测岩体的变形等，保证了竖井作业的安全，并在此基础上总结了多年的工作实践。其工作步骤是：将井口密封盘内与井下试验设备所处的位置相匹配，将浅层引线直降至竖井规定的地点；测量设备安设在距工作台2米处，待吊盘就位后再进行引线，即可防止因爆炸而造成线路损伤。在此期间，必须非常谨慎，不能将电线与稳定绳索缠在一块，使用对讲器进行联络，同时也要使用手动和datataker的数据[5]。

3.结语

随着我国高速公路建设的深入，专业公路将会有更多的专业隧道出现。根据研究，5公里以上的专业隧道，若在8米/秒以下的速度下，不采用分段式垂直通风，不仅不经济，而且在火情发生的时候，烟气的排烟通道也不会过长，所以在这个时候应该尽量采用竖井或斜井进行区进行分段通风。雪峰山隧道现已经建成并投入使用，其施工的成功经验可为下一步的施工提供借鉴。

参考文献

[1] 张涛,郭小红,黄民水. 高速公路长大隧道通风竖井设计与施工技术研究[J]. 华中科技大学学报（城市科学版）,2008(3):245-249. DOI:10.3969/j.issn.2095-0985.2008.03.063.

[2] 丁国斌. 五老山长大隧道通风竖井施工技术研究[J]. 工程建设与设计,2022(6):158-161. DOI:10.13616/j.cnki.gcjsysj.2022.03.251.

[3] 王宏权. 鸿图特长公路隧道通风方案比选研究[J]. 低温建筑技术,2021,43(11):168-171. DOI:10.13905/j.cnki.dwjz.2021.11.036.

[4] 杨光. 财神梁特长高速公路隧道综合施工技术[D]. 四川:西南交通大学,2010. DOI:10.7666/d.y1956839.

[5] 王小敏. 华蓥山隧道营运通风及防灾救援系统研究[D]. 四川:西南交通大学,2015.