西山特长隧道2号竖井开挖施工技术

王 鑫

1 工程概况

太原—古交高速公路的西山特长隧道,设计全长13.654 km,是国内目前在建最长的公路隧道。设计为分离式双洞隧道,其中2号竖井位于右洞左侧35 m处,井口位于沟谷旁的台地上,竖井设计为圆形断面,衬砌后直径为8.2 m,开挖直径达到9.3m～9.9 m,属于大断面竖井,设计深度为156.8 m。竖井中部设计为0.3 m厚的钢筋混凝土隔板,将竖井分隔为进、出风道,在井底设送风道和排风道分别与正洞联通。竖井井身围岩为奥陶系中统峰峰组(O2f)、上马家沟组(O2s)泥灰岩、石灰岩夹白云质灰岩、角砾状灰岩、角砾状白云质泥灰岩,围岩级别Ⅲ级～Ⅴ级,其中泥灰岩地层中的岩溶——溶蚀、溶孔、溶洞较发育。井口围岩为第四系中更新统峙峪组(Q3s)砾卵石、砂土层,稳定性差。竖井含水层距离地面90 m～127 m,地下水为岩溶裂隙水。竖井设计采用柔性支护体系的复合式衬砌,Ⅲ级围岩初期支护采用锚杆、钢筋网和喷射混凝土,Ⅳ级围岩增设型钢拱架,Ⅴ级围岩增设超前小导管注浆支护。竖井衬砌设计为S8的抗渗混凝土,Ⅴ级围岩地段为钢筋混凝土,衬砌每隔10 m设一道壁座。竖井设计剖面如图1所示。

2 竖井施工方案

竖井施工采用自上而下全断面开挖施工,普通机械化配套方案,人工钻孔爆破开挖,采用光面爆破技术,初期支护紧跟开挖面。由于竖井深度156.8 m,且对衬砌的防水要求较高,衬砌采用竖井开挖到设计标高后,自下而上的施工方法,确保衬砌混凝土的密实性。

3 竖井井身开挖施工

3.1 井口段开挖施工

3.1.1 锁井盘、井颈施工

竖井井口锁井盘设计为C30钢筋混凝土,井颈设计为C15片石混凝土。锁井盘及井颈采用人工配合挖掘机开挖施工,汽车吊提升1 m3吊桶出渣。开挖时预留30 cm～50 cm人工配合修整到位,保证成井质量及侧壁稳定。

锁井盘钢筋在加工场加工,现场绑扎成型。内模采用组合钢模板现场拼装,混凝土采用强制式搅拌机拌制,混凝土输送车运送至灌注点浇筑,分层浇捣,插入式振捣器振捣密实,锁井盘混凝土一次灌注,井颈片石混凝土分两次浇筑完成。

3.1.2 井口段30 m施工

从井口向下30 m范围的井身采用普通方法施工,全断面分层下挖,人工风钻打眼,光面爆破开挖,小型挖掘机装渣,汽车吊提升3 m3吊桶出渣。初期支护由人工打设锚杆、立钢拱架、挂钢筋网,然后喷射混凝土,每循环的进尺为钢拱架的设计间距。井口段30 m施工时,人员利用爬梯上下,材料利用汽车吊下放到井底作业面。

3.2 井身段开挖施工

采用普通方法完成30 m井身后,开始进行井架、提升设备及吊盘、封口盘等的安装和提升系统的调试。

根据竖井的断面尺寸选用Ⅳ型钢管凿井井架,井架角柱跨度为14 m×14 m,天轮平台尺寸为7 m×7 m,基础顶面距天轮平台的高度为21.97 m。井口设封口盘,它既是升降人员和材料、设备的平台,又可以防止从井口向下掉落石块、杂物,保护井下作业人员的安全。封口盘上吊桶提升口处设井盖门,井盖门在吊桶通过时开启,其余时候都处于闭合状态,封口盘上其余各管、钢丝绳通过处的孔口四周均用钢板围蔽,防止杂物掉入井内。

井口30 m以下至设计深度的井身开挖施工,在井口提升设备全部安装完成,并经鉴定验收后进行。

3.2.1 打眼

打眼采用YT28风动凿岩机,将开挖面分区,每台风钻负责一块。钻眼过程中,用高压风把炮眼中的石渣及颗粒吹出,以防卡钻,每钻完一眼及时堵塞,防止石屑泥土进入,影响装药。

开挖采用光面爆破,根据围岩性质及设计开挖断面尺寸作钻爆设计。炮眼按同心圆排列布置,采用斜眼锥形掏槽方式,掏槽眼两圈18个,辅助眼三圈86个,周边眼59个。周边眼、辅助眼深度2.0 m,掏槽眼比周边眼深0.2 m。每开挖循环进尺为 1.8 m,炮眼利用率达到90%以上。

3.2.2 装药爆破

根据竖井掘进炮孔向下的特点,采用防水乳化炸药,药卷规格φ 32×200 mm,周边眼采取不耦合间隔装药,其他眼采用连续装药。掏槽眼装药系数0.65～0.85,辅助眼装药系数0.40～0.60,周边眼装药系数0.15～0.25。采用非电毫秒雷管,段数由内向外分别为1,3,5,7,9,11,电力起爆。

3.2.3 出渣

井底采用小型挖掘机装渣,矿用提升机提升3 m3吊桶至井口,翻渣至15 t自卸汽车运至弃渣场。

3.2.4 初期支护

砂浆锚杆采用风动凿岩机成孔,高压风清孔,人工安装。

钢架按设计图纸预先在井口加工场加工成型,并通过试拼,现场安装。钢筋网片在加工厂采用点焊加工成型,人工铺设后与钢架或锚杆焊接牢固。

喷射混凝土混合料在井口拌合站拌和,通过吊桶运送到作业面。竖井开挖成型、表面清理后,立即进行初喷混凝土施工,封闭围岩,锚杆、钢架、钢筋网安设完成后复喷混凝土至设计厚度。

4 配套施工方案

1)供风方案。根据施工作业面需风能力的要求,井口采用 3台20 m3/min的电动空压机,井筒内高压风管路选用φ 150钢管。

2)通风方案。竖井开挖施工期间,采用 1台SDFc-No10轴流通风机压入式通风,风机安装在井架10 m平台上。井内悬挂一趟φ 1.0 m PVC软风筒,风筒距工作面不超过10 m,将地表新鲜风直接送至开挖工作面。

3)通讯照明方案。竖井开挖施工期间,在井身内吊盘、井口信号房、井架翻矸台、提升机房等均设置声光信号系统,以井口为中心建立可靠的信号联系网,使开挖工作面、吊盘均能向井口独立发送信号,井口信号房除了能与井内发出信号联系外,还可向提升机房、翻矸台及各悬吊绞车发送信号,确保井上、下的通讯联络及时、准确。井口照明在井架上安装4盏自镇汞灯来实现,井身内吊盘上层安装6盏100 W白炽灯;吊盘下层安设3盏防爆投光灯,用于井底工作面施工照明。

4)排水方案。井身涌水量较小时,采用在装岩的同时,用潜水泵将开挖工作面积水排入吊桶内,由吊桶提出井外排出。井身涌水量较大时,采用高扬程吊泵进行排水,在开挖面设集水坑,井壁设“L”形截水环,使水通过收集后排入指定位置,由专人负责直接通过管道抽排至井口外。

5 竖井开挖施工技术要点

1)施工前先作好井口工程,稳定好井口的边坡,作好边沟等排水设施,确保地表水不致危及竖井施工安全。2)开挖采用光面爆破技术,严格控制超欠挖,保证开挖轮廓圆顺。初期支护喷射混凝土厚度、钢架的间距、锚杆方向、长度、抗拔力符合设计要求。3)施工中应随挖随支护,如遇围岩软弱、石质破碎、风化严重时,尽量缩短开挖进尺。4)爆破作业严格遵守国家相关安全操作规定,爆破后必须经过至少15 min通风排烟后,检查人员方可进入工作面,检查有无瞎炮及可疑现象;有无残余炸药或雷管;井壁有无松动石块;支护有无损坏与变形。在妥善处理并确认无误后,其他工作人员才可进入工作面。5)施工中要加强通风,保持井下空气新鲜。6)加强监控量测,及时反馈信息,通过量测指导施工,确保安全。

[1] JTJ 042-94,公路隧道施工规范[S].

[2] GBJ 213-90,矿山井巷工程施工及验收规范[S].

[3] 柴颖鹏.隧道施工中的关键要素[J].山西建筑,2008,34(12):321-322.