米倉山隧道豎井反井法施工技術探討

隨著國家交通事業的大力發展，高速公路建設的迅速推進，大力發展山區高速勢在必行。山區高速公路多沿河谷及山體岸坡布設，橋隧比相對較高，公路隧道建設大量增加，特別是特長隧道越來越多。從特長隧道運營期間的安全、經濟考慮等綜合考慮，多數采用豎井通風。本文結合甘肅省成縣至武都高速公路11標建設米倉山隧道豎井工程實踐，結合地形、地質、施工等影響因素，并用于工程實際，以指導施工。

1 工程概況

成縣至武都高速公路是蘭（州）海（口）高速公路和十（堰）天（水）高速公路的重要連接線，位于甘肅省隴南市，該地區為山嶺重丘區，受到地形地質條件限制，隴南市自古以來交通欠發達，制約了隴南地區的經濟發展。項目建成對于改善區域交通條件，構筑甘肅省綜合運輸大通道，拓展隴南經濟活動圈的范圍

和加快隴東南經濟社會轉型跨越發展具有長遠的社會效應和經濟意義。項目所在地沿線地形、地質復雜，沿線滑坡、崩塌等不良地質普遍存在，受地形、地質條件制約，本項目橋隧比例高達72.43%。其中米倉山特長隧道右線全長8694m；左線全長8688m，采用常規縱向通風方式不能滿足隧道通風需要，施工圖設計采用豎井送排結合縱向射流通風的方案，隧道左右線共用一個豎井，豎井設置在隧道左線左側，距離左線平面設計線110m，對應樁號為ZK55+628；通風豎井內徑為

9.6m，長度為174.62m；通風豎井與隧道主洞間設置送風聯絡通道、排風聯絡通道、運輸通道、風機房、人行橫通道及送排風通道漸變段等洞室。


豎井圍巖主要為V、IV級圍巖：V級圍巖48.13m，以中～強風化砂巖、礫巖為主；圍巖裂隙較發育，裂隙間夾軟弱泥層填充；有少量滲水、局部有線性滴水，圍巖強度低，自身穩定性較差；IV級圍巖126.5m，為中～微風化砂巖、礫巖互層，紫紅色、中厚層狀，裂隙弱發育，巖體結構較完整，局部有少量裂隙滲水，巖體抗壓強度較低，圍巖整體穩定性較好；豎井進口30處有小溪，裂隙水、滲透水局部存在。V級圍巖襯砌類型SSJ-V采用：C25噴射混凝土26cm厚；R27中空注漿錨桿L=3.5m，間距100cm*100cm； I20a工字鋼間距100cm；二次襯砌采用50cm厚C25鋼筋混凝土。IV類圍巖襯砌類型SSJ-IV采用：C25噴射混凝土20cm厚；Φ22砂漿錨桿L=3.0m，間距100cm×100cm；I14工字鋼間距100cm；二次襯砌采用40cm厚C25混凝土。

2 豎井施工方案

根據施工圖紙及設計技術交底、結合豎井所在的地理位置及豎井自身的工程特點，為滿足豎井施工工期、確保工程質量，豎井按以下步驟施工：井口排水溝等井口上部→井口鎖口施工→采用中心擴孔法施工導向孔→鉆爆擴孔及初期支護→襯砌施工。

2.1 施工方法選擇


根據豎井設計情況和工程地質條件并結合施工棄渣、通風等問題，在綜合考慮施工質量、進度、安全、成本及技術積累等因素的基礎上，采用多次中心擴孔法進行豎井施工，多次中心擴孔法即先采用反井鉆機鉆出一個小直徑的導井，再從上往下鑿巖爆破成較大的導井，最后再次從上往下鑿巖爆破成井。

豎井井壁具體施工思路為：

1）聯絡通道從主洞施工至豎井底部位置；

2）采用反井鉆機鉆直徑27cm的導向孔至豎井底部，與聯絡通道貫穿；

3）通過聯絡通道運送直徑200cm鉆頭至豎井底部，反井鉆采用200cm鉆頭自下而上反鉆擴孔，形成直徑200cm的導渣井；

4）采用鉆爆法沿導渣井自下而上鉆爆施工，形成直徑400cm的導渣井

5）采用礦井鉆爆法自上而下爆破開挖至設計輪廓，初期支護同步跟進，開挖渣土沿導渣井順溜至豎井底部，采用運渣車通過聯絡通道和主動左洞出渣。

6）豎井初期支護施工完后，自下而上進行二次襯砌混凝土施工。

2.2機械設備配備情況

根據米倉山隧道通風豎井的設計情況，針對本豎井的工程地質情況，在選用所需的提升設備和鉆井設備中主要考慮一下問題：①鉆機擴孔時所具備的拉力、轉速、扭矩等②提升設備所需具備的提升提拉力③豎井施工所需的風水電。由于本豎井圍巖主要為V、IV類圍巖，巖質較差，故選擇ZFY2.0/400型鉆機，鉆機型號及技術參數如下(表一)：

提升設備采用10T龍門吊配合1臺風、水、電管線的懸掛絞車。空壓機采用23m3兩臺，變壓器采用800KW一臺，水箱采用20m3高壓水箱。

3 豎井施工

根據豎井井口設計情況，采用人工配合機械施工豎井井口排水溝，井口上部開挖以及臨時邊坡防護。

3.1 豎井鎖口

采用測量設備放出豎井設計中心點，標示出豎井鎖口圈開挖輪廓線，采用鉆爆配合機械進行開挖，人工修整井壁，采用錨噴對外壁加固，綁扎基座鋼筋及井口環襯砌鋼筋，立模澆筑鎖口環基座及襯砌C25混凝土，鎖口內壁采用水泥漿抹平順，待模筑混凝土強度達到70%后回填C15片石混凝土，采用人工配合機械平整井口場地，并施做井口基座底部至井口爬梯及井口圍護欄。

3.2 導向孔施工

3.2.1 27cm直徑的導向孔施工

由于該豎井井口段屬于V類圍巖，巖質較差，先采用C25混凝土澆筑鉆機底座，底座混凝土強度達到后，采用龍門吊吊裝鉆機就位，安裝鉆機，測量鉆孔鉆桿垂直度，確保鉆孔精度。用濕鉆法下鉆成孔至設計豎井底，鉆頭采用27cm，形成一個直徑約28cm 的導孔。開孔時根據現場實際地質圍巖情況（中強風化砂巖圍巖強度較大），使用短鉆桿、低鉆壓、低鉆速的方法間斷推進，鉆孔過程中，為保證導向孔豎直，采用扶正器扶住鉆桿確保鉆桿垂直度。短鉆桿鉆入圍巖后, 接入一節具有導向作用的穩定鉆桿, 待穩定鉆桿完全進入導向孔內后, 逐步調整鉆壓和轉速, 進行導向孔的正常鉆進。鉆孔深達到50m后，鉆入穩定巖體時，啟動液壓減壓鉆進系統。鉆孔過程中遇到節理發育和破碎或軟弱圍巖時, 鉆機容易產生振動、卡鉆現象，需要安置穩定鉆桿，并減緩鉆壓、轉速, 間斷鉆進。鉆孔過程中應做好鉆孔施工記錄，隨時掌握鉆孔深度、鉆進速度，鉆桿鉆孔的垂直度，及鉆機自身的工作參數，要關注鉆孔渣樣的變化（原色、強度），及時排出鉆渣。

3.2.2 200cm直徑導渣孔擴挖施工

在豎井導向孔施工前，主洞和聯絡通道已經貫通至豎井底部，擴孔施工所需更換的滾輪刀盤通過運載工具運送至豎井底部后，按照以下程序進行導渣孔施工：

1）安裝直徑200cm擴孔滾輪刀盤；

2）孔口接入水管，以冷卻滾輪刀盤、消塵用；

3）將回轉變速裝置調為慢速擋；

4）調試擴孔滾輪刀盤，同時對擴孔巖面進行刮平；

5）待擴孔滾輪刀盤與巖面均勻接觸后, 滾輪刀盤全部進入基巖前，采用低鉆壓、低轉速進行擴孔開挖；

6）待滾輪刀盤全部進入豎井圍巖后，調整鉆機的鉆壓、鉆速進行正常擴孔開挖，在豎井底部將道渣運輸至洞外棄渣場。

擴孔過程中根據巖層的實際情況調整擴孔壓力，巖石強度高進度慢，需提高鉆壓，保持鉆速；巖石強度低則進度快，需減小鉆壓，控制鉆速，要協調好鉆速和鉆壓的關系，使鉆機在一種較平穩的狀態下工作，保持較均勻的掘進速度進行擴孔開挖。擴孔施工注意事項：為防止滾輪刀盤損壞，鉆機滾輪刀盤必須在有水的條件下工作；擴孔過程中出現進尺異常時，應暫停施工，調查現場圍巖，檢查鉆機，查找出現異常原因，及時作出調整，不能盲目冒進；導井快鉆通時，采用小軸壓，并控制鉆速，間斷推進，避免突然貫通，造成卡鉆、主機移位、損壞機件等不良事情的發生。

擴孔法豎井施工鉆井進度如下：

3.2.3 400cm直徑導渣孔擴挖施工 200cm導渣井形成后，在豎井底部拆卸200cm滾輪刀盤，清修并將鉆機撤離鉆井施工離場。采用風鉆鉆孔爆破方式：每循環開挖為180cm～200cm，爆破原理為多眼弱爆破。炮眼布置如下：炮眼采用人工站在施工吊籃上手持風鉆鉆孔，炮眼深度為100cm，環向布眼，三環布置，周邊眼間距60cm共50眼，掏槽眼間距45cm共28眼，輔助眼間距65cm共20眼。將直徑為200cm導向孔通過鉆爆方式逐步擴孔至400cm，并調裝600cm直徑的導渣井蓋盤。鋼蓋板作用包括：防止渣土隨意掉落井底；方便調運小型發掘機；方便調運提升籠等。400cm導渣孔鉆爆擴孔時施工直徑180cm吊籃作為施工平臺，吊籃采用上下3cm圓形鋼蓋板制作。

3.3 鉆爆擴孔及初期支護

鉆爆擴孔形成直徑約4m的導渣井后, 為防止井口周邊施工人員及碎石、雜物掉入井內，在井口周邊安裝安全護欄及攔渣網。在井口設置10T龍門吊，牽引垂直運輸吊籃，供人員、小型機械及施工材料進行上下運輸；豎井采用由上而下進行鉆爆擴孔開挖，采用小型機械配合人工利用導渣孔從隧道主洞出渣；洞渣清理完成后，及時用導渣井蓋盤封蓋導渣孔，進行初期支護施工。

井口土質圍巖地段采用小型機械結合人工手持風鎬開挖，每循環進尺1m；石質地段V級圍巖采用預裂爆破結合小型機械開挖, 每循環進尺1m；Ⅳ 級圍巖采用光面爆破結合小型機械開挖，每循環視圍巖情況進尺1～2m。合理布置炮眼、控制炸藥用量，提高爆破效率，確保洞渣粒徑能順利的通過導渣孔。

加強豎井施工測量放樣，用儀器準確描出開挖輪廓線,確保每循環孔底保持在同一平面上，保證豎井開挖垂直度。

3.4 出渣通風

爆破完成后，通過主洞及聯絡通道采用低噪音軸流風機來通風排煙。通風排煙與30分鐘后，采用10T龍門吊將導渣井蓋盤吊裝至開挖面，導井蓋盤穩固后，將小型挖掘機吊放至導井蓋盤上。挖掘機開向側壁，龍門吊將蓋盤內圈蓋板吊出豎井。采用小型機械配合人工利用導渣孔將渣土溜至豎井底部。采用8輪運載車配合裝載機將渣土通過聯絡通道及主動運倒至棄土場。

3.5 初期支護

豎井初期支護施工順序: 通風排塵→封蓋導渣孔→清理危石→處理欠挖→初噴混凝土→打設錨桿→安裝鋼架→掛鋼筋網→噴射混凝土→監控量測→反饋、調整支護參數。

本豎井初期支護施工過程中，為了加快施工進度和加強安全環保管控，針對豎井初噴混凝土的輸送問題，特意制作一個初噴料漏斗。初噴料漏斗制做安裝如下：通過3cm鋼板焊制一個漏口30cm的漏斗，后用無縫鋼管焊接加固在漏斗上，然后用Φ22鋼筋用鎖腳錨桿的方式打入初期支護，扣鎖住漏斗鋼管，這樣一直接入至豎井支護面。至支護面后通過斜槽將噴漿料引入噴漿機。通過噴漿漏斗裝置，減少了人工、提高了工作效率，減少了環境污染、提高了施工安全，大大增加施

工效益。

3.6 襯砌施工

待整個豎井鉆爆擴孔成井初期支護施工完后后，為保證井壁混凝土施工進度、質量，二次襯砌從下向上采用自升式液壓爬模工藝施工。

3.6.1 模板系統設計 自升式液壓模板系統主要由：鋼模板，支撐架，上、中、下平臺，支腿，千斤頂撐桿及液壓系統，砼振搗裝置組成。模板系統分為送風道、排風道分兩個部分,中、下平臺同作為整個模板系統的支撐平臺。整個模架滑、升采用行程1m的液壓千斤頂完成,液壓系統分為模板伸縮和提升兩個部分,采用兩套液壓泵,分別控制相應部分。


豎井襯砌施工爬架平面圖 豎井襯砌施工爬架立面圖

注：1-井架；2-模板；3-千斤頂；4-架勁梁；5-中平臺；6-下平臺；7-支腿；8-爬升液壓千斤頂。

砼振搗裝置采用安裝在模板上的附著式振動器形式并結合人工振搗，整個模板系統共布置20個HZ2-5型(1. 1kW)和HZ2-5A型( 1. 5kW) 。為保證施工中其他材料及砼進入工作面，上平臺應預留一定的凈空。中、下平臺通過爬升千斤頂相連接，支腿應固定于平臺的端部，可以進行水平、自由伸縮。

3.6.2 爬模施工

在整個爬模系統中, 以100cm高模板作為接口模板,每次爬升高度為2.0m，砼澆注高度為2.0m。爬模施工步驟主要為脫模、爬升、校正模。滑升同時，下平臺

不動，收起中平臺的支腿，開啟液壓系統，頂升中平臺及以上爬架、鋼模板等；頂升到位后支好中平臺支腿，收起下平臺支腿，油缸回油后把下平臺提升1.0m，固定好支腿，重復上述步驟，完成爬升全部過程。爬架爬升前應對所有焊接部位、連接螺栓進行檢查，并進行檢驗試爬，試爬合格后方可投入施工。每節段施工后，需將預留槽填補并注意砼養生。砼抗壓強度達到0.5MPa時才可拆除模板，當強度達到2.5MPa后，方可進行模板爬升。

3.6.3 混凝土施工

襯砌模筑砼采用在主洞附近就近建設的拌和站集中拌和運輸。從施工成本控制、施工時間、施工安全及其他方面進行綜合比選，采用從井口用吊桶將砼送至工作面入模的施工方案。砼從井口吊送至工作面后，利用溜槽，并采用人工輔助分料入模，利用附著在模板上的附著式振搗器將砼振搗密實。

特殊部位襯砌模筑施工為馬頭口處模筑襯砌施工，馬頭口處襯砌施工采用混凝土泵送車將混凝土泵送至模板內，再采用輔助振搗和人工振搗相結合的方式施工。

本豎井砼襯砌施工順序為先施工馬頭口處，待強度合格后自下而上依次砼襯砌施工。

部分工藝、裝備圖：

擴孔法施工工藝具體流程圖

3.9 監控、監測

根據本豎井施工特點和工程地質情況，豎井施工監控、檢測工作主要分為地質監控、環境檢測兩部分來進行。

根據設計圖紙要求，結合現場施工環境和工程實際情況，本工程的監控量測是由工程的安全監測和環境監測兩部分組成，其首要目的是掌握隧道圍巖及周圍環境在隧道施工過程的變形，應該及時將監測情況反饋給設計和施工單位，確保本工程順利進行。根據設計文件及相關設計技術規范，針對以上監控項目制定相應的、符合要求的監控周期和頻率。

4 總結與建議

成武高速公路米倉山特長隧道通風豎井, 采用反井擴挖法的施工工藝, 在工程進度、質量、安全、環保、經濟等方面具有明顯的優勢。主要表現在以下幾點：

1.利用導渣孔從洞內出渣，不破壞地表植被、不影響周邊環、減少用地,環保效益顯著同時大大提高出渣速度加快工程進度；

2.鉆機導向孔的施工，直接明了的給后期施工提供了準確的地質情況，提高施工安全；

3.通風豎井反井擴孔法工藝在米倉山隧道豎井施工過程中，擴孔成井質量好、速度快。施工過程中安全、質量、成本、環保等管理科學合理，開啟了甘肅省山嶺地區特長隧道通風豎井施工的新模式。


參考文獻

[1] 甘肅省平涼至武都高速公路成縣至武都段公路工程兩階段設計圖，2010（9）.

[2] 中華人民共和國交通運輸部 公路工程標準施工招標文件，2009.

[3] 中華人民共和國交通運輸部 公路隧道施工技術規范，2009.