翠云山特长隧道通风竖井设计与施工方案

崔柔柔

(河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄市 050011)

0 引言

隧道我国山区高速公路修建，长大隧道通风方案已经成为关系隧道工程建设、投资和运营的重大影响因素。隧道机械通风方式分为纵向式、半横向式、横向式和组合通风方式，其中纵向式通风因其工程造价和运营费低的优点，逐渐成为长大隧道通风方式的首选。我国部分长大公路隧道通风方案如表1所示。

表1 国内部分长大公路隧道通风方案[1-6]

1 项目概况

延庆至崇礼高速公路河北段翠云山特长隧道起点位于距离崇礼县棋盘梁村北1.2km处，终点位于距离崇礼县窄面沟村东南1km处，为分离式隧道，左幅长8402m，右幅长8438m。隧址区属大陆性季风气候中温带亚干旱区，年平均气温3.7℃，年平均降雨量483.3mm，降雪早，全年积雪1.5m左右，最大冻土深度192cm。隧道地处冀北山区，岩性以花岗岩及变质片麻岩、花岗片麻岩为主，隧址区地形起伏较大，沟壑较发育。隧道区地表标高为1578.3～2127.9m，隧道最大埋深约440m。

在翠云山特长隧道右幅K99+787.91右侧105m处设置通风竖井一座。通风竖井所在位置紧邻翠云山森林公园，植被茂密，森林覆盖率达85%，主要以落叶松为主。

本隧道采用直径7m的通风竖井，深422.5m，岩性以片麻岩为主，其中Ⅴ级围岩长21.5m，Ⅳ级围岩长203m，Ⅲ围岩长198m。通风竖井支护结构由初期支护及二次衬砌组成。

风机房分为地表风机房、地下风机房两种方案[7]，结合本项目特点、环境、设计、施工、运营管理等因素，见表2，本隧道采用地下风机房，地下风机房围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主。

表2 风机房方案对比表

隧道主洞通过设置联络风道与通风竖井、地下风机房相连，同时设置运输通道与逃生通道，通风系统平面布置图如图1所示。

图1 翠云山特长隧道通风竖井平面布置图

2 竖井结构设计

2.1 竖井衬砌支护参数

竖井内轮廓采用直径为7m的圆形，竖井采用复合式衬砌。初期支护采用喷锚衬砌，为保证隧道内侧壁光滑，降低通风阻力。竖井具体衬砌参数如表3所示。

表3 竖井复合式衬砌支护参数表

2.2 锁口设计

竖井锁口(图2)采用55cm厚钢筋混凝土结构，锁口底部采用扩大基础形式，锁口主要承受施工期间提升系统、施工车辆和运营期通风塔等荷载。

图2 竖井锁口设计图(单位：cm)

2.3 壁座设计

竖井为自下而上浇筑结构，当竖井采用复合式衬砌结构式，因模筑混凝土与初期支护间设有防水层，井壁摩擦力较小，为增加竖井井壁与围岩相互作用，在竖井结构中设置井壁基座，壁座采用钢筋混凝土结构，壁座嵌入围岩内。竖井Ⅴ级围岩段井壁基座设置间距为10m、Ⅳ级围岩段设置间距为15m、Ⅲ级围岩段设置间距为30m，壁座设计断面如图3所示。

图3 竖井井壁基座设计图

2.4 中隔板设计

竖井通过设置中隔板将竖井内轮廓分为送风、排风两部分，中隔墙采用25cm厚钢筋混凝土结构，竖井内轮廓如图4所示。

图4 竖井内轮廓断面图

3 竖井提升系统选型

3.1 井架

竖井井筒施工采用Ⅳg型井架，为满足伞钻悬挂高度，井架基础加高1.0m。在基础上方26.97m位置布置天轮平台,在基础上方11.6m位置布置翻碴平台，布置两个碴石溜槽，翻碴平台设置自动翻碴装置，碴石落地后铲车装运配合翻碴汽车排碴，竖井施工井架如图5所示。

图5 竖井施工井架现场照片

3.2 提升设备

提升系统选用两套独立的单钩吊桶，主提选用一台JKZ-3.2×3/16型矿井提升机，副提选用一台JK-2.5/16型矿井提升机，主提配用6m3吊桶提升，副提配用3m3吊桶提升。提升天轮直径采用Φ800mm的MZS2.1-0-1×0.8型凿井天轮。竖井提升设备施工现场平面布置图如图6所示。

图6 竖井施工现场平面布置图

3.3 封口盘与吊盘

竖井封口盘见图7，采用钢结构，盘面铺设8mm厚防滑网纹钢板，各悬吊管线通过封口盘开口处应设置专用铁盖板，并确保铁盖板封堵严密。井筒掘砌期间采用钢结构二层吊盘，见图8，吊盘直径Φ7.46m，盘间距为4m，采用四根立柱连接。上层盘为保护盘，下层盘为工作盘，在吊盘开口处设置中心回转抓岩机。井筒吊盘采用6台JZ-16/1300型凿井绞车悬吊。

图7 封口盘示意图

图8 吊盘示意图

4 竖井施工方案

通风竖井采用“钻机反井正向扩大法”(反井法)施工，需反井钻机引孔、扩孔及人工钻爆扩挖，渣体落入井底后运出，扩挖期间需进行初支作业，二衬由底部向上逐段灌注施工，施工工艺复杂，施工组织难度大，反井法施工流程如图9所示。

图9 反井法施工流程示意图

4.1 导孔施工

采用BMC600反井钻机进行导孔施工，导孔成直径275mm，导孔与下部已完成开挖的主洞联络道相通。施工过程中配备蒙德纳MDN-48KZ泥浆脉冲随钻测斜仪进行及时纠偏。

偏差主要受围岩地质情况、岩层的走向等因素影响。在超深竖井中，控制偏差是施工难点。在反井钻机施工过程中，可通过控制钻压、控制转速、合理布置稳定钻杆、加强测斜和及时纠偏等措施控制钻孔偏斜。

4.2 扩孔施工

导孔施工完成后，在竖井底部联络风道处安装扩孔钻头，采用反井钻机扩孔Φ2m成井。当扩孔钻头接好后，慢速上提钻具，直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用低转速旋转，慢慢给进，确保钻头全部均匀接触岩石，才能正常扩孔钻进。

4.3 伞钻正向开挖

竖井开挖采用伞架进行钻孔正向掘进，见图10。待反井钻机扩孔形成溜渣孔后，在竖井井口安装提升系统与伞钻，竖井正向扩挖凿岩设备采用SJZ-6.10型伞钻，配备YGZ-70型导轨式独立回转凿岩机。

图10 伞钻施工现场照片

竖井开挖采用光面爆破，根据工作面岩石坚硬程度，及时调整爆破参数，提高爆破效率。直眼分段挤压式掏槽，掏槽眼、辅助眼和周边眼严格按照爆破设计钻孔。施工过程中应根据围岩情况，不断优化爆破设计，提高钻眼，以提高爆破效果，确保光爆成型。

提升系统放至井底盖住溜渣孔，防止打眼过程中人员坠落意外的发生，并为伞钻提供操控平台。将吊盘、溜渣孔井盖及其它设备提至距离井底工作面40～50m的安全高度，并将溜渣防堵塞吊笼下放至掏槽眼底部下30cm处，进行起爆。

起爆后，井内进行通风排烟，排烟结束后缓慢将溜渣防堵塞吊笼提起，将爆破渣体通过防堵塞吊笼与溜渣孔井壁之间的缝隙进行溜渣，当出现堵塞现象时继续加快提高吊笼，直至溜渣正常将防堵塞吊笼完全提起。

采用小型挖掘机清渣，渣体清入溜渣孔靠自重溜至井底，清渣时当发现粒径过大渣块采用风镐破碎或打眼装药爆碎后再溜渣。

4.4 施作初期支护

通风竖井爆破完成后采用两层工作吊盘为平台及时进行初期支护作业，施工中根据围岩情况，调整开挖、支护循环，“自上而下，随掘随护”，初期支护施工工艺依次为锚杆施作、钢筋网片安装、钢拱架安装、喷射混凝土；提升系统将两层工作吊盘放至施作初期支护位置，施工所需的设备、材料由提升系统运送到工作吊盘。初期支护完成后须随时检查其变形情况。

4.5 壁座施工

通风竖井壁座需在竖井正向扩挖井壁成型后，进行人工扩挖、防排水施作、钢筋绑扎在竖井滑模衬砌施作时与竖井衬砌分层浇筑成型。钢筋混凝土壁座，与衬砌形成整体结构对竖井结构稳定起到重要作用。

壁座施工工艺为：竖井正向扩挖→工作盘放置在壁座下1.5m位置→人工进行壁座扩挖→开挖面修整→质检检验成品→壁座锚固→喷射混凝土进行封闭→钢筋绑扎→防排水施作→混凝土浇筑。

4.6 竖井二次衬砌滑膜施工

竖井二次衬砌采用由井底向井口方向分段整环施作，中隔墙与竖井二衬采用滑模施工方案一同浇筑。竖井井壁为单侧滑模施工[8]，滑模系统由操作平台系统、模板系统、液压提升系统和辅助系统组成[9]。竖井二衬滑模施工吊盘各层作用如下：第一层盘铺设防水材料，第二层盘用于绑扎外层钢筋，第三层盘用于绑扎内层钢筋及中隔墙钢筋、组装模板、浇注混凝土，第四层盘为拆模人员保护盘，第五层盘为拆模盘。

本项目采用1.2m高组合模板施工二次衬砌及中隔墙，从井底首次浇注二次衬砌及中隔墙混凝土。

4.7 竖井施工中安全管理

竖井施工过程中存在高空坠落、支架坍塌、触电事故等风险，施工前应编制竖井施工专项施工方案和应急预案；在施工过程中严格落实“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针。

(1)建立安全管理体系，加强施工现场安全管理工作，落实现场人员安全教育和培训制度，完善安全文明施工设施，制定应急救援方案。

(2)提升系统设备应满足安全检验合格要求，施工单位按规定做好日常检修和维护工作；绞车工必须持证上岗，并进行专门培训；提升机司机应确保安全保护装置正常后，才能进行正常提升，同时控制提升速度。

(3)吊盘起落由把钩工指挥，起落吊盘前应确认吊盘与井壁、井筒中固定设施无卡阻。

(4)竖井施工应设置防坠落安全措施，作业人员必须佩戴保险带，在井盖门、各通道口要盖严封好；在吊盘使用工具必须固定好，提升钢丝绳钩头、滑架、罐笼应按规定经常检查，防止损坏坠落。

(5)竖井施工过程中做好钻孔爆破安全管理工作，严格控制竖井掘进高度，并及时处理浮石围岩，防止出现片帮落石伤人；在片帮的处理过程中，采用背板和锚网喷加强支护，防止二次片帮。

(6)加强竖井施工中通风、防尘、防火管理工作；同时做好冬季、雨季施工安全防护。

5 结语

翠云山特长隧道通风竖井按照设计要求如期完成竖井施工，竖井反井法和滑模施工在建设过程中取得较好效果，主要对翠云山特长隧道通风斜井设计、施工技术进行介绍，为今后类似工程提供参考依据。

(1)公路特长隧道采用通风竖井方案时，应选择围岩较好地段，降低工程造价和建设难度；采用地下风机房可减少竖井口占地，降低对环境的破坏，同时增加运营维护的便利性。

(2)竖井锁口设计应与竖井提升系统相匹配，在井架、提升设备等荷载作用下确保施工安全。

(3)竖井采用反井法施工时，可减少破坏斜井口附近植被，有利于保护环境；施工时应控制导孔、扩孔偏差，在爆破开挖后，及时进行清渣处理，提高出渣通畅性，避免堵塞溜渣孔；竖井采用滑模施作二衬时，应加强滑模质量控制，提高二衬施工质量。