公路隧道通风竖井全断面爆破开挖施工方法

洪祥水

摘要：公路交通网络逐渐向山区拓展，更多地体现与周围环境和自然景观相协调。随着特长公路隧道的增多，竖井往往位于高山竣岭，地理条件恶劣，施工难度大的位置。如何制定行之有效的竖井开挖方法，是目前急需解决的一个课题。浙江省交通工程建设集团在云景高速公路西周岭隧道竖井施工中采用全断面开挖法。该开挖施工方法具有安全性好、工期短、效率高的特点，比传统的导洞扩孔开挖法具有良好降耗节能优势。

关键词：通风竖井 全断面爆破开挖

一、工程概述

龙丽温(泰)高速公路是浙江省 “两纵两横十八连三绕三通道”公路主骨架中的一连，云和至景宁段高速公路是该路的部分，云景高速公路西周岭隧道左线长6750m，右线隧道长6765m。根据隧道需风量、紧急救援及地形地质条件等因素综合分析确定，在隧道中部设置两处竖井，2#竖井设置在2标，在中心桩号外侧70m处。2#竖井井口设计标高496.7，井底设计标高279.30m，井深217.40米。

竖井断面为圆型，内轮廓线直径7.0m，中间设置钢筋混凝土隔板。井口段设计为钢筋砼衬砌结构，井身段衬砌结构按新奥法原理采用复合式支护结构形式，支护以锚杆、钢筋网及喷射砼组成联合支护体系，二次衬砌采用模注砼结构，初支和二衬之间设置防水排水夹层。二次衬砌砼抗渗要求为S8。

二、工艺原理

基于岩石破碎机理和爆破对竖井井架的影响，前50m全断面开挖采用直眼掏槽形式，循环进尺Ⅴ级围岩控制在1.5m内，Ⅳ级围岩控制在 2.0m，减小爆破对竖井井架的爆轰影响；50m后采用楔形斜眼掏槽形式，循环进尺提高到2.5~2.8m。初期支护紧跟开挖面，增加施工安全可靠性。

实施井架和提升绞车、封口盘、吊盘、稳车系统的设计选型和安装验收，井架及提升系统示意图(见图1)，锁口段(深3.5m)开挖施工后及时进行钢筋混凝土浇筑，确保井架周边的稳固。

单位：m

图1井架及提升系统示意图

竖井设计断面内进行全断面开挖布眼，炮眼布置图如下图2和图3。

离井口近时采用直眼掏槽方式，在竖井开挖爆破对井架及井口设施没有安全危胁时采用楔形斜眼掏槽方式，加快施工进度，提高经济效益。

三、施工工艺流程及操作要点

1.施工工艺流程(见图4)

图4 施工工艺流程图

2.操作要点

2.1施工准备

○1施工前对井口场地范围和竖井的工程地质、水文情况进行研究，认真分析设计提供的地质勘察报告，掌握围岩地质构造赋存状况。

○2修通施工便道，接通施工用水、用电、供风，平整场地，建成满足竖井施工需要的配套设施。

○3制订爆破开挖试验方案并进行论证

竖井爆破开挖掏槽眼布置采用二种形式，井口段25m 为Ⅴ级围岩，之后是25m长的Ⅳ级围岩段，采用斜眼掏槽方式，目的是减缓渣方向上抛掷的冲击力，减少对井口井架的破坏；进入Ⅲ级围岩后，爆破抛掷渣方对井架影响减弱后采用斜眼掏槽，可提高进度和降低火工品单耗。

2.2提升设备选型验算

表1 竖井主要设备选型验算表

设备名称 型号 规范(计算)要求 验算结果

绞车 JTP-1.6×1.2m ≥1.2m 安全系数高

井架 Φ220×10mm ≥Φ200×8mm 安全系数高

钢丝绳 泰力28mm ≥24.5mm 安全系数高

2.3提升设备安装检验

竖井提升设备属于特种设备，必须由具有安装资质的单位实施安装，然后由安全生产技术检测检验中心检验颁发合格证书后才能投入施工。

2.4施工测量放样

竖井往往位于高山，首先采用GPS定出导线控制点，然后通过全站仪定位竖井中心点，最后采用钢尺定出各级围岩的的开挖轮廓线。竖井井架有二层平台，为了方便施工放样，在井架上刻画十字线，从中心孔下放垂线开展测量放样工作。竖井封口盘拼装后测量采用垂准仪激光指向法，在封口盘上由全站仪精确定位，钻Ф5mm小孔，垂准仪激光穿过小孔，指向开挖工作面，用钢尺量出开挖轮廓。

2.5全断面钻眼爆破

采用直眼掏槽，钻眼前将工作面的石碴清理干净并排除积水；钻机采用YT-28型，钻孔深按围岩级别不同为1.5~2.0m，SJ5为1.5m，SJ4加深至2.0m，钎子钻头直径为Ф42mm。

炮眼布置：在一般岩层中开挖圆形竖井时，炮眼按同心圆排列，本竖井同心圆的数目采用5圈，其中靠近开挖中心的二圈为掏槽眼，最外一圈为周边眼，其余的为辅助眼(见图6)。

掏槽眼眼深2.7~2.9m，倾角为70~90°，装药系数为0.8，炮眼利用率为0.8m，循环进度可达2.0m，每圈掏槽眼数量为14个，共28个，联线方式为簇并联非电毫秒雷管起爆(见图7)。

图7掏槽眼非电毫秒雷管引爆

周边眼爆破参数选择：炮孔直径：d=42mm炮孔间距：a=0.5~0.6m炮眼深度：h=2.2mm

光爆层厚：最小抵抗线W=a /0.8m。

装药方式：采用空气间隔柱方式，药卷间隔距离1m，将炸药固定在竹片上控制间距(见图8)。

图8 周边眼空气间距装药示意图

起爆方法：采用导爆索簇并联起爆，导爆管引爆(见图9)。

图9 周边眼导爆索串爆

钻眼作业实行定人、定机、定眼位，分区域包干、并包机组维护保养的岗位责任制作业。每一孔眼钻完，将眼口临时堵塞，防止碎石掉落眼内。

楔形斜眼掏槽方式与直眼掏槽工艺原理基本相同，主要区别是掏槽眼呈楔形，中心2.2m范围不钻炮眼，减少了炮眼数量，节约爆破材料，加快施工进度。

2.6通风排烟

采用压入式通风，通风管采用悬吊式。风机设在井架二层平台上，采用直径800cm软质胶皮风筒，用一台5T卷扬机和配套钢丝绳控制风筒下放或提升，保证风筒出口距离开挖不超过30m。爆破后通风时间按30min计算，风管百米漏风率按2.0%计算；每人每分钟供应新鲜风量≮3m3；竖井内风速大于0.15m/s小于6m/s。根据国内竖井通风的实践，选用SZW型隧道子午加速轴流通风机，该风机功率55KW，叶轮直径600mm，通风量可达640m3/min，能满足通风要求。

2.7提升出渣与排水

○1采用人工配合机械装碴，采用气动式抓岩机(见图10)，抓斗为0.4m3，抓岩机由地面绞车悬吊。装渣时，先抓高处渣堆，然后分层抓完，清底时，尽量用人工扒出井帮石渣堆积在一起，为抓岩机工作创造条件。抓岩机将石渣装入吊桶，用提升机将其提出井外，倒入运渣车中，由运渣车弃到弃渣方场，本方 案吊桶为1.5m3两只(见图11)，一只提升，另一只装岩。弃碴场按环保要求修筑拦渣堤及排水设施，完工后进行绿化。

图10 0.4 m3抓岩机 图111.5 m3提升吊桶

○2排水：井口施工场地排水和井下排水两种

1)井口工作场面的防排水方案是在边坡开挖线以外2m处设置截水沟，在坡底处再设置排水沟，引排到广场范围外；竖井口要比位置高出50cm，竖井井架上方设置雨棚，防止雨水直接下到井内。

2)浇筑竖井锁口圈时加设1~2根打孔波纹管，将水引排到场地外，防止地面水沿锁口圈渗入井内。

3)竖井下水源来自两个方面，一是施工用水，如湿式凿眼水，二是井壁渗水。处置方法对施工用水在开挖掌子面底部设置集水坑，采用吊泵排水，吊泵的扬程必须超过井深，并有较大的富余系数；对井筒渗水量处置方法是在渗水点下方设置集水桶，渗水通过透水管引流到集水桶内，再采用自动泵排到地面排水沟中(见图12)。

2.8井壁初期支护

初期支护必须紧跟，既有利于安全又方便施工。操作前先对井壁松石、浮石进行排危，确保无掉块危险后才能进行初期支护作业。工字钢拱架、网片、锚杆、纵向联接筋等全部在工场按设计尺寸统一加工制作，现场安装。喷射砼按施工配合比计量，机械拌合，采用潮喷工艺，送料采用喷料砼输送管。喷射砼作业完成后，拆除喷射机上的压风软管，将喷射机吊至安全高度。

2.9监控量测

1)量测项目：竖井以井内外观察、净空水平收敛量测为必测项目，井外进行地表下沉量测。

2)量测方法：竖井开挖支护时，及时埋入观测计。围岩收敛采用断面仪和收敛仪进行量测，井内外观察则由有经验的工程师和地质人员进行，并作出详实的观测记录。

3)测点布置：每个量测断面各布置两条净空水平垂直交叉收敛量测测线，可根据实际情况增加。

4)断面分析：在取得量测数据后，将同一断面和各种量测数据互相印证，以确认量测结果的可靠性；对位移等物理量随时间变化的时态曲线进行回归处理，分析围岩变形的空间分布规律，了解围岩的稳定性特征。

5)信息反馈：通过对目测和位移测量结果进行分析，对围岩稳定状态，施工方法和支护措施的安全情况进行评判，并将评判结果反馈到设计和施工中，以便及时调整施工方法和支护参数。

四、质量控制主要措施

1.爆破开挖

1)开挖放样时要预留变形量，具体视围岩情况确定，并通过监控量测信息及时调整。

2)当前方地质出现变化或接近围岩分界线，及时通知施工人员，进行工程地质和水文地质分析无异常后方可继续开挖。不良地质段开挖做好预支护，支护方式有：超前导管、超前锚杆等。

3)实施光面爆破技术，周边眼采用空气间隔装药、导爆索引爆的爆破方式，炮眼的存痕率要达到80%以上。无明显爆破裂缝；光面爆破效果好(见图13)。

图13 竖井光面爆破效果

4)合理确定周边眼的间距，根据围岩情况以0.45~0.55m内选取，光爆层的距离按周边眼间距1.2倍比例选取。装药量要适中，掏槽眼药量平均值为0.8kg/m，辅助眼平均值为0.6kg/m，周边眼平均值为0.2 kg/m。确保光爆效果良好。

5)严格控制欠挖，发现欠挖的必须进行处理。允许超挖平均10cm，发现超挖20cm以上时必须进行分析，及时调整爆破方案。

2.初期支护质量控制

1)钢架支撑:Ⅴ级围岩采用工字钢钢架支撑。钢拱架在井外按设计尺寸加工成型，井下安装在初喷混凝土之后架设，拱架必须与围岩密贴，空隙处用垫块楔紧，再用喷混凝土喷填。

2)锚杆支护：锚杆孔应沿竖井径向或保持与岩面垂直，孔位偏差不大于50mm。锚杆眼钻好后，用高压风吹净孔内杂物，随后插入符合设计要求的锚杆。

3)钢筋网支护：初喷混凝土完成后，即安排挂设钢筋网。钢筋网安装在台架上进行，网片接头应搭接一个网格，并与锚杆头焊接牢固，且应尽量平顺与岩面紧贴。

4)喷混凝土：爆破开挖后，先对岩面用高压风冲洗处理，然后在开挖面喷4~6cm的混凝土封闭，在打设锚杆、安设钢支架、挂钢筋网片后，再复喷至设计厚度。

五、注意措施

1.预防井壁塌方措施

1)竖井施工必须采用新奥法开挖，尽可能保持围岩稳定。

2)开挖后及时进行初期支护，锚喷支护质量必须满足规范要求。

3)开挖过程必须安排专人进行井壁检查和排险工作，排除周边所有活动的浮石，并对新的岩石活动面进行补喷加固。

4)每个工序施工前安全员必须检查竖井围岩的稳定情况，发现有离层的给予及时排除或加打应急锚杆加固等办法进行处理。

5)搞好竖井围岩位移量测工作，在条件具备的前提下尽早进行二衬作业。

2.预防高处坠落措施

1)从事高处作业的人员必须经过逐级的安全教育和指导，告知岗位存在的危险性和重要性。

2)遇恶劣天气不得进行露天攀登与悬空作业。

3)用于高处作业的防护设施，不得擅自拆除，确因作业需要临时拆除的，必须经过负责人同意，并在原处采取可靠的防护措施，完成作业后必须立即恢复。

4)高处作业人员必须按规定配置保险绳等个人劳动防护用品，并正确系戴。

5)井口的锁口圈配制封口盘，只有在升降人员、物料时，井盖才可开启。井口周围设置安全栅拦和安全门，安全栅拦高度不小于120cm。

3.预防提升事故措施

1)井口、卷扬机房和罐笼间均有联络信号，并有专人负责，配备专用电话或对讲机保持互相联络。

2)提升机械不得超负荷运行，应有深度指示器和防过卷、过速等保护装置等。

3)罐笼的载重量不超过罐笼设计载重量，罐笼的提升设置可靠的防坠器。

4)提升用的钢丝绳和各种悬挂使用的沟、链、环、螺拴等连接装置，按规定的安全系数确定规格，使用前应进行拉力试验，合格后才能使用。在使用中定期检查、修理和更换制度。

5)绞车司机、信号工必须持证上岗，操作时严格执行岗位操作规程。

结语

1.公路隧道通风竖井采用全断面爆破开挖具有以下特点：

1)开挖进度快缩短工期。全断面开挖一次成井，比导坑扩挖法进度加快50%，且全断面开挖断面大限制因素少，采用楔形斜眼掏槽方法，可提高循环进尺，因此可缩短工期。

2)安全可靠性好。全断面开挖初期支护紧跟掌子面，井壁得到及时支护增强了岩石自稳性，施工安全性提高；吊盘可持续下移，与开挖面保持40m的间距，确保了吊桶提升稳定性。

3)经济效益显著。全断面开挖法与中心扩孔法相比具有投入设备少、造价低的优点，尤其是处于高山峻岭施工便道长的竖井，明显降低设备进出场费用。

4)环保节能效果明显。全断面开挖减少了二次开挖成井临时支护施工环节，避免二次爆破对环境的破坏和临时支护水泥、砂石料、锚杆等的消耗。

2.存在问题和建议

1)竖井表土层厚，锁口圈未开挖至基岩，增加了井架基础、绞车基础等浇筑工程量，且因土层松散引起锁口处防水效果差，渗漏水严重，恶化竖井开挖环境和影响二衬浇筑质量；建议设计在类似情况下降低井口标高，使锁口底部嵌入基岩。

2)爆破时发生冲击波与岩渣将吊盘顶起，损坏吊盘部分设施影响开挖，建议钻眼过程密切注意岩层结构变化，及时调整炸药用量，同时控制好吊盘与爆破点间距。

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