火山隧道竖井基于掘进机法的优化设计

雷帅 李海清 席锦州 周捷 王瑞兴

摘要 近年来掘进机在水平隧道施工中的应用越来越多，但在竖井中的应用经验仍然较少，竖井土建设计和掘进机设计也缺乏相关参考。文章通过对火山隧道竖井掘进机及其作业方式的研究，总结出竖井土建设计需满足的诸多要求，包括掘进机的通用性、始发空间、始发反力以及衬砌防坠等，提出了从竖井内轮廓尺寸、衬砌形式、井口处理和衬砌防坠措施几个主要方面进行优化设计的方案。

关键词 公路隧道；竖井；掘进机法；优化设计

中图分类号 U458.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0120-03

0 引言

竖井通常用于矿山和水电项目，近年来，由于长大公路隧道不断涌现，竖井也常常以通风井的形式被应用在公路项目中。在高速公路工程中，公路隧道竖井深度多在200～400 m，直径一般在7～10 m。

公路竖井的施工方法以短段掘砌和反井钻机法为主，米仓山隧道竖井、天山胜利隧道3号竖井采用了短段掘砌法施工^[1-2]，藏山隧道竖井、翠云山隧道竖井采用了反井钻机法施工^[3-4]。火山隧道竖井原计划采用短段掘砌法施工，鉴于该方法所有工序都需要人工，井下作业人员多，施工风险较高，故变更为掘进机法施工。目前国内掘进机法施工竖井还处于试验阶段，竖井土建和掘进机的设计尚无成熟模式可依，需要结合掘进机法的特点进行土建设计的研究。

1 概述

1.1 工程概况

火山隧道是G4216线宜攀高速宁南到攀枝花段的一座特长隧道。隧道7.2 km，设计时速80 km/h，双向四车道。隧道洞身穿越围岩主要为砂岩、泥岩、花岗闪长岩等。

为满足通风需求，设置了一口竖井用于左线通风，兼作排烟井^[5]。竖井长292.5 m，位于右线右侧。竖井井口段（0～117.0 m）围岩分级为Ⅴ级，围岩岩性为砂岩、泥岩及炭质页岩，岩体完整性差。井身下部（117～292.5 m）围岩为花岗闪长岩，围岩分级为Ⅲ、Ⅳ级。

1.2 竖井原设计情况

竖井内轮廓主要根据左线隧道送、排风的需要拟定，采用圆形结构，如图1所示。内径7 m，内设中隔板。竖井衬砌采用复合式衬砌，初期支护采用钢筋混凝土，厚35～50 cm，二次衬砌采用30 cm厚素混凝土。

2 施工工法变更

2.1 变更原因

《交通强国建设纲要》提出了“坚持推动高质量发展”的指导思想，指出交通建设应符合“交通装备先进适用、完备可控”，对隧道工程提出了“推进隧道工程……机械装备研发”的要求。

为响应这一发展理念，实现隧道建设标准化、机械化，进一步提高生产安全性，作业效率及建造质量，有必要探索新型竖井开挖工法。

近年来，掘进机法在水平隧道的施工中已成为成熟技术，主要用于交通隧道、水工隧道领域。得益于掘进机法施工技术的发展，竖井采用掘进机法施工也具备了技术条件。为提高竖井施工机械化程度，降低安全风险，在火山隧道竖井进行了掘进机法试验。

2.2 竖井掘进机简介

掘进机整机高度约60 m，开挖直径9.5 m，主要功能可以分为四个部分，分别是开挖、导向、出渣和支护，主要构成部分如图2所示。掘进机开挖通过撑靴撑紧洞壁，推进油缸顶进，驱动电机带动刀盘旋转，滚刀破岩。开挖后，岩渣聚集在刀盘中部，通过铲斗刮渣，机械提升系统将渣土输送至掘进机尾部，转入吊桶提升至地面，完成出渣。在支护方面，设备搭载了锚杆钻机和混凝土模板，每次可完成2～6 m衬砌的浇筑。掘进机导向系统的作用是实时测量、纠偏，利用全站仪配合圆棱镜和倾斜仪完成。

3 竖井土建变更设计

由于采用了掘进机法，竖井土建的某些设计不再适用，需要进行针对性设计。

3.1 竖井直径调整

根据水平隧道TBM的使用经验，一台设备的使用寿命通常在20 km左右，而竖井深度通常不超过400 m，一口竖井施工完成后，还远未达到掘进机的使用寿命，故一台掘进机需施工多座竖井以降低设备成本。为此，掘进机需要有较强的通用性。

由于掘进机开挖断面不能改变，所以设备制造完成后所能施工的竖井的直径是固定的。通过调研，国内高速公路隧道竖井的内径通常在7～10 m，7 m以下内径的竖井应用较少。竖井直径由通风量确定，大直径竖井可以满足小风量的需求，反之则不成立。为使掘进机能够适用于更多竖井的掘进，需要加大开挖轮廓的尺寸，所以调整竖井的外径为9.5 m，由此确定的内径为8.3 m。同时由于掘进机中心筒的存在（直径3.4 m），内部空间受限，井下操作只能在环向一圈范围内进行，增大竖井直径也有利于增大井下操作空间。

3.2 衬砌形式调整

在衬砌形式方面，原设计为双层模筑复合式衬砌，初期支护厚度可以根据围岩情况调整（35～50 cm）。改为掘进机施工后，由于掘进机开挖断面尺寸不能改变，导致衬砌厚度无法改变。同时考虑设备的通用性，一次支护必须有足够的强度，因此，将初支和二衬合并为单层衬砌；基于掘进机开挖对围岩扰动小的特点，把衬砌总厚度从最大80 cm优化到了60 cm。由于中心筒的存在，锚杆无法径向施工，所以改为了斜向的锚杆。调整后的竖井横断面如图3所示。

3.3 井口处理

掘进机施工对井口有以下要求：

（1）掘進机始发的空间要求。掘进机始发需要前盾体下井，包括刀盘、撑靴、推进油缸、主驱动等主要掘进部分，这就要求始发段长度达到12 m。

（2）设备提升的要求。由于某些情况下需要进行设备整体提升（后退），整个设备使用钢绞线悬吊在井口，设备重力全部作用在井口。

（3）推进反力的要求。掘进机掘进需要推进反力和扭矩，在始发段由锁口圈提供。

始发段必须人工开挖，虽然深度增加到12 m，但采用凿井法施工设备成本高，施工组织复杂，故仍然采用明挖法。由于基坑较深，采用了长锚杆+喷混凝土进行了临时防护。

整台设备重约7 000 t，重力将全部作用在锁口圈上。同时，锁口圈自重也较大，对基底承载力要求较高，故锁口圈设置了扩大基础，增加接地面积。通过计算，基底压应力仍高达0.39 MPa。为进一步提高基底承载力并且防止锁口圈不均匀沉降，采用了钢管桩对锁口圈基底进行了加固，钢管桩沿锁口圈基底环形布置。

为保证掘进机始发推进，除设备自重外，锁口圈还需提供80T推进反力，6 500 kN· m推进扭矩。由于锁口圈自重约1 500 t，远超所需推进反力，满足要求。推进扭矩方面，将基坑由圆形调整为了方形，回填后具有较强的抗扭能力，能满足推进扭矩需求。

此外，锁口圈设计了牛腿，井口内空较小，下方内空较大，可以让钢绞线和拉杆竖直下放，防止井口混凝土局部受拉破坏。井口剖面示意图见图4。

3.4 衬砌防坠措施

由于掘进机开挖轮廓比较光滑，衬砌与岩壁之间的摩擦力有限，衬砌有下坠的风险。主要采用了锚杆、壁座、拉杆这3种措施来解决这个问题（如图5所示）。

3.4.1 锚杆

锚杆沿竖井衬砌外侧布置，除了提供拉力以外，还可以通过剪力防止衬砌和围岩的相对移动。锚杆尾部留有端头，可以伸入衬砌中。为增加锚杆抗剪能力，且不显著增加打孔工作量，可以采用较大直径的锚杆。

3.4.2 壁座

壁座是竖井衬砌上伸入围岩的凸起，采用钢筋混凝土整体浇筑，通过抗剪来承担衬砌的重力，每20 m设置一处，将衬砌的竖向力传递给围岩。壁座的位置可以在施工过程中动态调整，尽量在围岩条件较好的段落施工，以保证有效承担荷载。

3.4.3 拉杆

拉杆是由分布在直径9.1 m圆周上的72根钢筋组成，沿竖井纵向延伸，用于衬砌之间的纵向连接和悬吊模板。在衬砌浇筑的初期，混凝土强度较低，锚杆作用不明显，使用拉杆将新浇筑衬砌连接在已浇筑衬砌上可以有效防止衬砌下坠。

4 结论及建议

（1）与传统建井法相比，采用掘进机法施工竖井，除了要进行掘进机设备的设计制造外，竖井土建也需要进行针对性设计。

（2）由于掘进机使用寿命通常在20 km左右，而竖井长度多在200～400 m，为降低使用成本，掘进机需要用于多处竖井的施工，故设备的通用性也是设计的重点，包括尺寸的通用性和地质的通用性。

（3）竖井井口需要满足设备始发的空间、推进反力、设备提升等多项要求，是土建设计的要点。此外，还需要进行衬砌的防坠处理，锚杆和壁座是有效的措施。

参考文献

[1]唐协， 林国进， 何佳， 等. 米仓山隧道深大竖井建井新法[J]. 隧道建设（中英文）， 2019（2）： 268-274.

[2]望远福， 洪亮. 天山胜利隧道3号竖井施工技术研究[J]. 交通世界， 2023（13）： 154-156.

[3]孙臣生. 藏山隧道竖井施工技术研究与实践[J]. 现代隧道技术， 2019（4）： 149-153.

[4]崔柔柔. 翠云山特长隧道通风竖井设计与施工方案[J]. 北方交通， 2023（2）： 87-91.

[5]雷帅. 火山特长公路隧道通风方案比选研究[J]. 四川建材， 2020（7）： 136-137.

收稿日期：2023-12-14

作者簡介：雷帅（1992—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：隧道结构和通风。

通信作者：王瑞兴（1992—），男，硕士，工程师，研究方向：公路隧道设计。