公路隧道竖井施工技术研究

朱俊峰(中铁十局集团青岛工程分公司，山东 青岛，266555)

1 绪 论

近20年，随着我国公路交通事业的快速发展，公路等级不断提高，通车的里程逐年攀升，公路建设已经成为拉动国民经济增长的支柱产业。在山岭和丘陵地区的公路建设中，隧道方案以能够缩短行车里程、保障运营安全、提高线型标准和保护生态环境等优点，得到普遍的应用，并且越修越长，规模越来越大。许多特长隧道、双层隧道、大跨度扁平隧道、盾构隧道、沉管隧道、高海拔隧道、寒区隧道等相继建成。在坚持可持续发展，切实保护有限的土地资源和生态环境战略思想指导下，长大隧道的建设任务必然越来越重，技术要求越来越高。本文主要对公路隧道竖井开挖施工方法进行研究，介绍公路隧道竖井施工的施工方法，提炼出一套我国公路隧道竖井施工的成套施工技术，包括施工方法、设备配置、工序安排等，并且探讨了施工中的安全措施。

2 公路隧道竖井施工技术——人工导洞先行正洞扩大法

2.1 技术特点

1）工艺简单，大部分渣体自由落入主隧道，不需要大量的提升碴体，快速、经济、安全；

2）设备需求简单，不需大型的凿井设备，不会造成设备资源的闲置浪费；

3）井筒开凿后立即进行初期支护，等待开挖全部井筒后再进行永久支护，简化了施工工艺，有利于提高施工速度和降低工程成本；

4）充分利用大断面作业空间优势，采用小导洞先行，为正洞扩挖爆破提供了良好的条件，便于中深空爆破，加快决进速度；

5）小导洞爆破采用微差毫秒雷管光爆技术，控制碴体粒径和光爆质量；

6）对进场便道标准要求不高，场地占地少，对保护环境有益。

2.2 适用范围

根据国内大部分企业目前的施工能力并考虑到经济因素，本法适用的竖井条件为：

1）广泛用于地质条件为岩质的公路、铁路隧道竖井施工；

2）适用于竖井井筒直径不小于6m，最大可达15m以上；

3）竖井深度不大于800m为宜（公路隧道竖井深度一般不超过800m）。

2.3 工艺流程

采用自上而下人工小导洞施工，再自上而下扩孔，通过小导洞将扩孔渣体漏入竖井井底，通过正洞运出。综合考虑提升出碴能力、施工进度、操作空间及扩挖时堵孔的风险等因素，确定小导井（小导洞）的直径为3m。小导井贯通后进行洞口钢筋混凝土锁口圈的施工，锁口完工后开始竖井的扩挖，扩挖自上而下一次成型，爆破后用人工将碴体扒入导井，从井底过地下风机房用机械装运出碴。初期支护紧跟掌子面，一炮（一循环）一支护。二衬施工采用吊装整体模板自下而上施工，距井底30m范围内的混凝土采用垂直泵送运输，30m以上高度的混凝土采用运输筒吊装。竖井扩挖施工步骤如下：

1）扩挖施工准备

导碴井完工后，从地面井架安装稳绳至井底，稳绳固定在井底地梁上，将吊笼锁固在稳绳上，利用吊笼提升竖井扩挖井口段施工的材料设备，备齐材料设备后进行竖井扩挖。

2）井口施工及地面布置

竖井井口施工工序：拆除导碴井施工井架→井口段扩挖→井口段初支→井口段混凝土浇注→安装井架→安装吊盘→井口锁闭盘→地面配套设施竖井口段的稳定关系到整个竖井的施工安全，一般根据地质情况开挖初支深度按5～8m考虑，然后进行井口段二次衬砌及竖井配套设置安装，二衬施工时预留风道中隔墙连接构件。井架采用VG型井架，地面布置4台稳车，2台双滚筒提吊盘，2台单滚筒提稳绳，1台提升绞车（原用导碴井绞车）。

3）竖井扩挖

扩挖施工工序：搭建导碴井封闭盖→钻孔→装药→拆除导碴井封闭盖→连线起爆→溜碴→搭建导碴井封闭盖→初支→清底→井下出碴→下一循环。采用人工手持凿岩机钻孔，人工装药联线，孔内用非电毫秒雷管，孔外用电雷管连接起爆电缆在井上安全区起爆。高压风、水管路固定在井壁上随掘进深度下接，风管采用φ80，水管采用φ80。作业工人由吊笼送至作业面，初支材料由井底运至作业面。井下、吊盘、井口设专职信号工，保证井下、作业面、绞车的联络。吊盘至开挖面距离不小于20m，每开挖10～15m时下一次吊盘。

3 人工小导洞先行正洞扩大法施工主要技术

3.1 导洞直径的确定及防治堵塞技术

1）导洞直径的确定

人工小导洞直径的选择原则：在保证一定的作业空间和溜渣不宜堵塞的情况下，尽可能减小导洞直径，以达到快速、经济的目的。一般的讲，小导洞堵塞形式，就堵塞石碴在竖井内所构成的形状，大致可分为蓬拱现象、卡塞现象、粘附现象。

导洞的堵塞形式比较多样，然而也有其规律性，结合现场地质情况，粘土覆盖层在上部，可直接用挖机从地面取土，不经过导洞下溜，因此因粘附、蓬拱原因造成的堵塞小，而且蓬拱可进行人工清理，主要是防止卡塞造成的堵塞。如导洞直径确定为3.0m，导洞爆破碴体直径尽可能控制在小导洞直径的五分之一（60cm）内，同时做好光面爆破，确保导洞的垂直度。

2)处理导洞溜碴堵塞的方法

导洞堵塞处理一般采用爆破处理方法，采取上面吊放炸药的方式简单，处理方便、快捷。在上部爆破不能解决问题的情况下可采用土制火箭弹的方式解决：火箭弹采用双保险引爆装置，即导爆管撞针引爆装置，这种引爆装置可增加接触面积，提高爆破作用力。当撞针失去作用时，在极短时间内由导爆管进行引爆。

3.2 导洞及竖井扩挖钻孔爆破技术

目前常用的凿井方法有钻爆法、冻结法和钻井法等，各有适用范围。公路隧道竖多位岩质围岩，适用钻爆法开挖。针对先导洞后扩挖法竖井施工的工法特点，对钻爆质量、指标在以下两点要严格要求：

1）小导洞爆破控制粒径、导洞垂直度、光面爆破是关键，导洞爆破碴体直径尽可能控制在小导洞直径的五分之一（60cm）内，同时做好光面爆破，确保导洞的垂直度。为以后正洞扩大，避免堵塞创造条件。

2）小导洞施工断面小，掏槽难度大，斜眼掏槽进尺短、效率低，采用大直径中空直眼掏槽。

3.3 竖井施工提升技术

1）施工方法简介

小导井施工总体上分三阶段：①明挖法施工阶段：井口段8m，因地质条件差，及时浇筑钢筋混凝土锁口圈；②提升系统、通风设施及安全设施安装阶段；③正常施工阶段：钻爆开挖，采用0.7方吊桶单钩提升，人工装渣。

2）小导洞井颈段施工要点

①施工前进行场地平整，并做好便道和排水系统、硬化场地，做好文明施工；

②为保证地表软弱层的稳定，井颈段应尽量以机械开挖为主，尽可能不采取爆破开挖；

③视围岩情况确定临时锁口深度，锁口底部应插入硬岩60cm以上。

4 施工安全技术措施

4.1 锁口圈施工安全技术

1）开挖

按施工方案和设计要求开挖竖井锁口，明挖法开挖。井口覆盖层主要岩性为强度较低的含碎石亚粘土，机械开挖为主，人工开挖为辅，局部坚硬部分辅以小炮。

2）锁口圈钢筋混凝土施工

扩挖完成后，先进行锁口圈钢筋混凝土施作，设计竖井锁口圈总高3.5m，锁口圈采取分层浇筑的施工方法。最后按设计要求用C15片石混凝土回填进行井口处理。

1）小导洞锁口

为保证小导井施工时井口的稳定，需在井口设置临时锁口，锁口的深度视围岩好坏情况确定。竖井临时锁口内径300cm，外径400cmm，壁厚0.5m，采用C20钢筋混凝土结构，为防止落石进入井内，锁口整体高出原地面100cm。为防止地面雨水进入井口施工场地，在临时锁口四周设置浆砌片石防洪墙。

2）安全防护设施

竖井施工，安全第一，为确保安全，自行加工安全防护笼及防护盘。安全防护盘采用4mm厚钢板加工而成，内径设计采用直径φ200cm，要考虑吊桶（φ100cm、高97cm）升降时的安全距离，采用φ120cm；防护盘外径与井壁保持50cm的安全距离；防护笼内净高采用250cm，以确保施工人员在护笼内有一定的操作空间。

3）竖井提升安全事项

①上笼前必须检查吊笼各部件的连接装置、保护盖板、钢丝绳、风水管接头以及声光信号系统和通讯设施等是否完善、牢固，如有损坏或故障，须经处理后方准作业,否则不得继续作业；

②吊笼必须装设由笼内人员控制的升、降、停的信号操纵装置；

③任何一个捻距内的断丝数不得超过钢丝总数的5%，磨损不得超过原直径的10%，吊笼提升用的钢丝绳的安全系数应不小于13；

4.2 竖井扩挖与二衬施工安全措施

为确保竖井扩挖与二衬施工的安全，须采取以下防护措施：

1）为防止人工在竖井扩挖时滑入井底，造成安全事故，当小导洞开挖完成后，将原来既有的安全防护盘改装成安全盖盘，用来覆盖φ3.0m小导洞的洞口。

2）由于二衬施工自下而上进行，故安全盘采用与竖井扩挖时相同的规格，使用时须确保安全盘下方净高不少于2.5m。

3）竖井施工时，必须采取防止物件下坠的措施。封口盘上设井盖门，井口必须设置临时工时封口盘，井盖门两端必须安装栅栏。封口盘和井盖门的结构必须坚固严密。井内作业人员携带的工具、材料，必须拴绑牢固或置于工具袋内。

4）井口扩挖时，应遵守下列规定：

①在含水表土层施工时，应及时架设、加固井圈，加固好密集背板并采取降低水位措施，防止井壁砂土流失而导致空帮；

②井内应设梯子，不得用其他简易提升设施升降人员；

③在流砂、淤泥、砂砾等不稳固的含水层中施工时，必须有专门的安全技术措施。

④竖井施工应采用双层吊盘作业。移动吊盘，要有专人指挥，移动完毕必须加以固定，将吊盘与井壁之间的空隙盖严，并经检查确认可靠，方准作业。

⑤整个信号系统，应由井口信号工与卷扬机房和井筒工作面联系,井筒内每个作业地点，都应设有独立的声、光信号系统和通讯装置通达井口。必须设井口信号工。

4.3 钻爆施工安全措施

1）钻孔安全保证措施

①钻眼前，检查工作面是否处于安全状态，灯光照明是否良好，支护、顶板及两帮是否牢固，有无松动的岩石，如有松动的岩石及时支护或清除；检查加固操作平台，确保钻眼平台不变形不垮塌。

②凿岩机钻眼时，采用湿式或带有捕尘器的凿岩机。

③风钻钻眼的支架需确保安置稳妥。风钻钻眼前，检查机身、螺栓、卡套、弹簧、支架是否完好，管路是否良好，连接是否牢固，钻杆有无不直、带伤以及钎孔是否有堵塞孔现象，发现不合格的立即修理或更换。

④严禁在残眼中继续钻眼；严禁在工作面拆卸修理钻孔工具。

⑤进洞施工人员必须戴安全帽、防护手套、穿工作服；电工和电钻工穿绝缘鞋和戴绝缘手套。

2）爆破施工安全保证措施

①爆破作业时统一指挥信号，其安全距离符合规范要求。

②隧道爆破施工由取得“安全技术合格证”的爆破工担任，严格防护距离和爆破警戒。放炮后10分钟才准许人员进入工作面，经找顶清除危石、锚喷支护后方能继续施工。

③放炮时间及次数根据施工条件明确规定，装药离放炮时间不应过久。爆破前爆破人员严格检查爆破网络，确保一次起爆。

④遇到照明不足、工作面岩石破碎尚未支护、发现、高压水涌出地段等情况严禁装药爆破。

⑤每次爆破后必须经过通风排烟，相距时间不少于15min，并经过以下各项检查和妥善处后，其它工作人员才准进入工作面：有无瞎炮及可疑现象，有瞎炮必须由原爆破人员按规定处理；有无残余炸药或雷管；顶板两帮有无松动石块；支护有无损坏与变形。

⑥装炮时严禁火种，严禁明火点炮，严禁装药与打眼同时进行。

⑦两端工作面接近贯通时，加强两端的联系与统一指挥。当两端工作面距离保持20m以上，停止一端作业，并将人员机具撤走，在安全距离处设立警告标志。

⑧抓好现场管理，搞好文明施工。现场必须灯明、路平、无积水，对易燃、易爆等危险品按规定保存和堆放，并进行标示，严格发放制度。切实作好防洪、防火、防中毒等工作，杜绝重大伤亡，减少一般性事故。

5 结 论

随着交通业的发展，大直径竖井的建设将会日益增多在公路隧道竖井施工领域目前还没有广泛采用。简单、经济、安全、环保的工法是目前公路隧道竖井施工最合理的方法。本文对特长公路隧道竖井施工的各种方法进行了分析和总结，总结出了特长公路隧道通风竖井先导井、后扩挖施工工法，并且讨论了施工中的主要技术以及安全措施，希望在该类隧道施工领域有所帮助。

[1]李文俊.夹活页特长公路隧道竖井设计及施工方法探讨.公路.2006/5

[2]常民生、赵中宇.超深竖井快速掘进施工新法.长江科学院院报.2003/12