单层砼衬砌配合短距离掘砌交叉作业法在竖井

左孔海

四川川交路桥有限责任公司德阳广汉618300

摘要：米仓山隧道通风竖井深435米，地下风机房联络风道就长达约1公里，受地形与工期限制，整个竖井施工仅限于从上至下的施工方法，按照传统“开挖、初支、二衬”流水作业方式，作业周期长、涉及作业人员多，越往深处，掘进速度越慢，安全压力越大。井筒若按传统方法施工，需一年半时间，甚至落后于主洞的贯通时间，重影响米仓山隧道总体施工进展。为安全、优质、高效地完成隧道通风竖井的建设任务，参建技术人员通过一系列科研攻关，总结形成了单层砼衬砌配合短距离掘砌交叉作业法，仅用时5个月就完成了435米的通风竖井施工，节省工期1年以上。施工工期的加快，减少了人员、机具设备的占用时间，极大的节约了施工成本。

关键词：米仓山隧道；深大竖井；单层砼；短距离掘砌交叉作业法

1、引言

近年来，随着我国高速公路建设的迅猛发展，长大山岭隧道逐渐增多，同时也伴随着隧道通风竖井逐渐增多，而传统的公路隧道通风竖井施工也一直面临着施工速度慢、安全风险高等诸多问题，远远跟不上山岭隧道施工的迅猛发展速度。因此，需要形成一套安全、高效、环保的适用于公路隧道竖井施工的新方法。

2、工程概况

米仓山隧道位于川东北秦巴高山峡谷地区，是北京～昆明高速公路中成都～广元～汉中段的重要控制工程，全长13.792Km，属超特长隧道，其中包含米仓山隧道出口端7732m，（如图1所示）巴中端斜井1592m，竖井435.76m，。米仓山隧道通风竖井深435米，地下风机房联络风道长达约1公里。

图1隧道洞口

3、施工方法介绍

3.1井口表土段施工方法介绍

3.1.1施工准备

进行红线内清表，平整施工场地，完成施工工区通路、通水、通电、通信号，四通一平的前期准备工作；进行导线及水准复测，布设控制网。

3.1.2围岩预加固与注浆堵水

竖井帷幕注浆深度一般为进入相对不透水层2～3m或深入井底3～5m，帷幕厚度一般为井口松动圈1.2～3m，井口段5米采用130mm钻钻孔，安装127mm钢管作为导向管，注浆段采用110mm钻钻孔，安装108mm注浆管，地面采用I18工字钢结合C25砼固定导向管。同时将钻孔岩芯取出分析判断竖井施工段围岩状况。

（1）注浆方式采取后退式分段注浆工艺，即在注浆带内由孔底进行注浆，每次注浆段长0.4m，注完第一注浆段后，后退注浆芯管，进行第二注浆段的注浆。

（2）在芯管拔出长度大于一节管长时，停注拆取该节芯管及接头，将接头接在未拔出的芯管上继续注浆，以此下去，直至完成注浆带。

（3）注浆过程中如需暂停注浆时，必须先将水玻璃吸浆管拿出放入清水桶中，然后再拿出水泥管，并同时将注浆芯管提升0.4m，向孔内注清水后再停止注浆，这样既保持管路畅通，又保证注浆段不受注水影响。

3.1.3井口段及井架基础施工

根据业主提供的控制点并经复测合格后，按照施工图纸测量放出井筒中心，根据中心确定井口开挖轮廓线。采用挖掘机分层开挖至锁口底，到达设计高程后，停止挖掘，浇筑铺底混凝土，绑扎锁口段钢筋、组装整体模板，浇筑锁口混凝土，待混凝土达到一定强度后采用片石混凝土回填，直到井口标高，到井口位置时按设计要求预留出封口盘梁窝位置。

掘进采取台阶式环挖，掘进过程中根据实际情况采取必要的临时支护，采用锚喷网或井圈背板等形式，如有少量渗水则在渗流处铺设挡水布、安设导水管等设施将水引出。井筒工作面超前小井始终比周边超前1米左右，并安设排水泵，及时将水排出。

图2竖井锁口段示意图

3.1.4井架和稳车群安装

（1）井架及稳车基础施工

测量初井架基础坐标点，并开挖至设计高度进行混凝土浇筑，浇筑时将地脚螺栓预埋在基础内，竖井井架基础有四个，成截锥形，分别支承主体架的四个柱脚。基础材料一般采用C25以上的混凝土。安装井架时，利用伸出基础顶面的螺栓来固定井架柱脚。基础顶面应抹平，并与柱脚中心线垂直（图7-7）。而底面则应保持水平，地基土体允许承载力为0.25MPa，如遇地基承载力不够则进行相应的地基处理。井架安装由专业安装队负责，井架安装完成后进行自检（含第三方检测）合格后，报监理工程师审核批准方能投入使用。

图3井架布置图

施做井架基础的同时进行稳车、绞车基础施工，放出稳车、绞车坐标点，预埋地脚螺栓，浇筑基础混凝土，稳车、绞车安装由专业队伍负责，井架安装完成后进行自检（含第三方检测）合格后，报监理工程师审核批准方能投入使用。

3.2井身硬岩段施工方法介绍

3.2.1主要施工设备

（1）绞车

主副提绞车（JK-3.0/20）分别安装在南北绞车房内，主要负责井下施工物资设备、渣石及人的提升工作，整套系统控制室设置在绞车房内由专人负责。

（2）稳车

南北各7台缠绕式凿井稳车组成南北稳车群，1、2#与3、4#吊盘稳车（JZ-16/1000）南北对称布置，1、2#与3、4#模板稳车（JZ-16/1000）南北对称布置，1、2#抓岩机稳车（JZ-10/1000）南北对称布置，压风管稳车（2JZ-10/1000）、排水管稳车（2JZ-16/1000）布置南侧，安全梯稳车（JZA-5/1000）、溜灰管稳车（2JZ-16/1000）布置于北侧。

（3）Ⅵ型井架

井架由天轮房、天轮平台、主体桁架、翻渣平台、扶梯、基础等6部分组成。主要用于支撑天轮平台并承受竖井施工时提升渣石、运送人员和物料的荷载，以及悬吊凿井设备的荷载。

（4）伞形钻架

XFJD6-11伞形钻架以压缩空气为动力，采用液压传动的立井凿岩设备，钻架配用6台YGZ-70型独立回转凿岩机钻凿炮孔。

（5）中心回转抓岩机

采用两台HZ-5A型抓岩机，该抓岩机主要用于开凿竖井时抓取井内爆破松散的岩石放入桶内。

3.2.2施工工艺

（1）井筒主体开挖作业

通过铅锤下放井口中线至井底，为防止铅锤晃动应将铅锤放入油桶内利用油阻力使铅锤尽快处于静止状态，铅锤静止后使用手持激光测距仪画出掌子面开挖轮廓线，标出炮眼位置。

从井口下放伞钻至井底并固定，伞钻固定后每个伞钻支臂负责伞钻60°范围内钻眼工作，钻眼完成后应符合下列精度规定：

1）掏槽眼眼口间距误差和眼底间距误差不得大于50mm；

2）辅助眼眼口排距、行距误差不得大于50mm；

3）周边眼沿井筒设计断面轮廓线上的间距误差不得大于50mm，周边眼外斜率不得大于50mm/m，眼底不超出开挖断面轮廓线100mm，最大不得超过150mm；

4）内圈炮眼至周边眼的排距误差不得大于50mm。

（2）进行装药并起爆

钻眼完成后用高压风将跑眼内残渣清理干净，然后分两次分别将炸药和毫秒管通过副提吊桶送至开挖面，已装药的炮眼应及时堵塞密封，装药连线完成后，人员乘坐吊桶升井、将井筒内高压风水管、吊盘等设备提升至距掌子面40米处防止渣石冲击，双侧井盖门打开，当井筒深度≤50米时在井盖门上覆盖爆破缓冲盖人员撤离至距井口100外确认安全后启动爆破开关；当井筒深度＞50米后井盖门打开人员，人员撤离至距井口50米外确认安全后启动爆破开关爆破。

（3）通风除尘；

当井筒深度超过6米时应将通风管下放至井底保证工作面空气含量，爆破完成后下放风管至距工作面五米左右同时依附在工作吊盘上的喷淋系统开启进行通风、喷雾除尘；通风除尘30分钟后爆破员、安全员等进入检查瞎炮、危石、有毒有害气体等情况，在确认安全后才能通知其他作业人员进入。

（4）出渣

出渣班人员首先下放到井筒内工作吊盘上，将吊盘上爆破飞石清理干净避免后期落石伤人事件的发生。吊盘上渣石清理完成后两名抓岩机司机直接从吊盘内进入两台抓岩机内，其余人员则下放至井底辅助抓岩机出渣，两台中心回转抓岩机将井底渣石抓至吊桶内，当吊桶内渣装至九成满时，井底人员示意吊盘上信号员通知绞车房提升吊桶，吊桶提升至井架二层台经翻渣槽将渣石卸至翻渣道内再由自卸汽车进行二次转运出渣。如此循环直至出渣至距离衬砌约3.85米处时停止出渣，剩余约1.65米在衬砌浇筑完成后继续出渣。此时采用人工将井底模板坐落一周范围清理5.7预埋光纤光栅传感器及力学应变计

按每50m布置一个断面（可视实际情况在围岩界面适当调整），预埋入应变器和光纤光栅传感器，以实现不同深度、不同级别围岩的全生命周期的健康监测。

（5）浇筑衬砌混凝土

下放模板至井底硬质岩上，调整模板中心与井筒中心重合，通过顶升油缸使模板定位，下放吊盘与溜灰管，将溜灰软管放入模板料仓口内，全部安装到位后报现场监理检验，现场监理同意施工后，拌和站搅拌砼，放至砼料仓，料仓人工放灰，经溜槽进入溜灰管，通过缓冲器下落至吊盘顶部中央料仓内进行二次搅拌，再次搅拌后砼经四个溜灰孔、溜入下层盘进入下层盘底软质溜灰管入模，并由人工振捣，直至浇筑完成。

混凝土浇筑应注意如下事项：衬砌混凝土应连续浇筑，如因故中断，其中断时间应小于前层混凝土的初凝时间或重塑时间。当超过允许中断时间时应按施工缝处理；混凝土入模温度，冬季施工时不应低于5℃，夏季施工时不应高于32℃；所有入模混凝土必须经过二次搅拌防止混凝土离析；浇筑混凝土时，必须插入振动棒振捣，确保混凝土密实；混凝土浇筑模板四个入料口应对称均匀入料，防止模板受力不均位移或变形；在同步养生混凝土强度达到强度达到5.0MPa后才能进行模板拆除作业，模板拆除后打开吊盘喷淋系统进行混凝土养生。

（6）清底

同样在同步养生混凝土强度达到强度达到5.0MPa后继续进行井底清底出渣作业，出渣清底班人员进入，抓岩机继续进行出渣作业，当出渣至距井硬质底时，大抓效率降低，改用一台大抓作业。此时将小挖掘机开至井盖门上，通过绳套固定在主提吊钩上，挖掘机提升，井盖门开启，下放挖掘机至井底，挖掘机将零散渣收集成堆后，由抓岩机抓至吊桶内，挖掘机不能收集零散渣采用人工收集至挖掘机斗内，装入吊桶，直至清底完成，挖掘机通过主提升井，出渣清底班通过副提升井下班，一个工作循环完成。

4、施工安全及结构健康监测系统

4.1施工安全保障措施

（1）建立健全安全管理体系，落实安全生产责任制，确保责任落实到人，保证整个安全管理体系的有效运行。

（2）井架、绞车、稳车等提升设备都必须经相关部门检验合格后才能投入使用，提升、悬吊系统日常检查维护保养由专人负责，发现问题及时处理；

（3）稳车、绞车操作司机、空压机操作人员等必须持证上岗，所有作业人员必须经培训考核合格后才能上岗作业。

（4）井内上下人员、物料时，要按操作规程，不得违章作业，严禁人货混装；吊桶乘人数不得超过规定。

（5）施工人员必须按照规程规定佩戴保险带，保险带应生根在牢固的构件上，保险带应定期进行试验，每次使用前必须检查，发现损坏时，必须立即更换。

（6）模板起落由班长统一指挥，地面有专人监护；起落模板时，模板下及悬吊模板钢丝绳下严禁站人，以防断绳伤人。

（7）井架井筒内所有高空作业人员均配备工具包，工作用的扳手等工具均留保险绳，防止坠物伤人。

（8）井下人员应避开吊桶提升位置；紧急情况下，工作面人员通过软梯爬到吊盘。

（9）对于火工品管理项目严格遵守《民用爆炸物品安全管理条例》和《爆破安全规程》来进行民用爆炸物品管理和操作。

（10）施工过程中遵照“有掘必探”的原则，认真分析研究地质和水文地质资料，加强现场观察，及时推断含水层位位置，采取相应的临时支护形式。

4.2结构健康监测系统

通过在竖井井壁埋入各类应变器和光纤光栅传感设备来监控围岩、二衬力学数据变化，再由网络传导至云端，实现对应变、围岩压力、温度等数据的实时自动监测，通过云端对数据进行记录、处理，实现数据异常自动报警、数据实时远程查看。利用分布式光纤光栅传感技术的应用，实现了对米仓山隧道通风竖井全生命周期的健康监测。

5、施工效果

5.1安全效益

由于采用全机械施工作业，各施工点所需作业人员少，人员暴露在危险环境中的频率较低，整套系统含多重安全保护装置，设备成熟稳定，施工安全性较高。

5.2时间及经济效益

采用传统工法每天只能施工0.5-1米/天，若要完成435米深的竖井施工，若用传统工法保守估计需一年半时间才能完成竖井挖掘；而采用了单层砼衬砌配合短段掘砌混合作业方法，每日平均进度均达到3米以上，单月最快进度达到了120米，仅用时5个月就完成了435米的通风竖井施工，节省工期1年以上。施工工期的加快，减少了人员、机具设备的占用时间，极大的节约了施工成本。

5.3环保效益

采用此方法施工，所有施工污水都必须经过处理合格后才能排出施工厂区，井筒内设置的喷雾降尘系统也有效的控制了施工现场的粉尘产生，通过实时环境监测系统，标准化的工艺流程封闭管理的厂区，最大限度的减少了对周围环境的损伤。

5.4社会效益

竖井施工速度的加快促使竖井提前成井，并使得我们通过竖井辅助主洞进行施工，竖井辅助主洞施工的完成节省了整个米仓山隧道总体工期将近6个月，使得隧道提前贯通成为可能。隧道的提前贯通意味着又一出川大通道的联通，将极大促进川陕两省区域经济的发展，提高革命老区人民经济收入，早日造福一方人民。

6、结论

采用单层砼衬砌配合短距离掘砌交叉作业法施工米仓山隧道通风竖井，较传统正挖法与导孔扩挖法更加快速、安全，作业机械化程度高，仅用时5个月就完成了井筒段开挖。施工过程中埋入的各类应变计在营运时也能持续提供监测数据，为公路隧道通风竖井建设提供科学依据。

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作者简介：左孔海（1966年08月），男，民族（汉），籍贯（四川广元），学历（本科），职称（高级工程师），从事主要工作（公路施工及管理）