泰宁隧道大坡度斜井施工关键技术研究

卢坤华

(三明市高速公路有限责任公司，福建 三明 365000)

0 引言

据统计，截至2010年底我国公路隧道为7 384处、512.26万m，比上年末增加1 245处、118.06万m，比“十五”末增加4 495处、359.55万 m。其中，特长隧道 265处、113.80万 m，长隧道1 218处、202.08万m。“十一五”期内，秦岭终南山隧道、上海崇明隧桥、厦门翔安海底隧道等重大工程相继建成[1]。

截止2011年3月，福建省高速公路建成通车2 400 km(其中双向八车道高速公路230 km)，建成隧道达238.66 km/260座。目前在建高速公路里程2 160 km，其中隧道317.55 km/214座。

在山区铁路、公路建设中，修建特长隧道是提高线形标准，实现陆路交通高速化、重载化的重要环节之一。为了提高施工进度和满足隧道运营期通风的要求，在长大隧道的中部均设置一定数量的斜井或竖井，考虑到出渣的需要，实践中以大坡度斜井为主，然而大坡度斜井的施工远不同于小坡度隧道，具有一系列特殊的工程问题:大坡度斜井的高效开挖方式、通风、出渣及运输安全等问题[2－5]。

本文以目前福建省在建最长的泰宁隧道为例，介绍大坡度斜井施工过程中的成功经验，可为今后类似工程的实施提供参考和借鉴。

1 工程概况

泰宁隧道作为建(宁)泰(宁)高速公路的控制性工程，设计为双洞单向行车，左洞为ZK17+675～ZK24+714，全长7 039 m，右洞为YK17+690～YK24+697，全长7 007 m，最大埋深约700 m，属特长、大断面、深埋、高地应力隧道。为了增加开挖工作面，加快隧道施工进度，结合运营通风的需要，泰宁隧道实施“长隧短打”、多断面同时掘进的方案，在进口段前进方向设置斜井。泰宁隧道斜井位于线路前进方向右侧，分左右两洞，右斜井洞口位于右洞YK20+678，洞轴线右偏120 m，长度822.6 m，斜井洞身坡度为19.8%;左斜井洞口位于右洞YK20+681，洞轴线右偏142 m，长度609.8 m，洞身坡度为18.5%，最大埋深174 m。左右斜井各设送、排风道，其中右斜井排风道设计为施工加宽段，作为左右斜井和正洞斜井施工段的运输通道。斜井设计断面尺寸如图1所示。

隧道场区处于闽西华夏系武夷山脉隆起带与新华夏系闽西隆起带范围内，属于断块差异活动区，断裂构造发育，多以挤压性片理带、裂隙密集带、破碎带及部分构造角砾岩带等出现。隧道区地下水主要为风化基岩中的裂隙—孔隙水和构造裂隙水;洞身围岩主要为加里东期侵入岩花岗岩以及侏罗系下统或中统粉砂岩、砂岩类。隧道围岩从洞口向里依次为Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ和Ⅱ级;隧道场区地质构造条件相对稳定，但隧道在不同埋深下先后穿越7条断层破碎带，破碎带宽度在5 m～37 m之间，破碎带中岩体松散、破碎，自稳能力差，遇水软化，施工中极易发生坍塌、冒落和突水等事故。

图1 斜井设计断面

隧道采用新奥法设计和施工，钻爆破法开挖，全断面法爆破开挖，光面爆破技术，以减少爆破震动对围岩的损伤，单循环开挖进尺2.0 m，施工时右侧斜井先行施工，左侧隧道紧随其后。

2 施工关键问题

2.1 开挖方式

泰宁隧道斜井由于大角度向下倾斜，因此，爆破产生的炮渣已经不是水平向外抛射，而是斜向上抛射，尤其是掏槽孔向外抛射的阻力更大，抛射距离更短，导致掏槽和整个爆破效果较差。泰宁隧道斜井初始设计的爆孔布置如图2所示。

图2 掌子面爆破炮孔布置图

掌子面爆破开挖的爆破参数如表1所示。

表1 爆破开挖参数表

按照以上爆孔布置和爆破参数施工，掏槽效果非常差，爆渣抛掷距离仅有11 m左右，块度普遍较大，同时爆破震动速度过大，导致爆破时初期支护喷射的混凝土脱落，监测得到的最大爆破震动速度达到43 cm/s，其爆破震动速度时程曲线如图3所示。

图3 爆破震动速度时程曲线图

经过不断试验优化，泰宁隧道斜井的爆破方式由简单掏槽方式改为复合掏槽，此方法仅增加4个炮孔但不增加炸药用量，使掏槽效果大为改观，爆渣块度大小适中，最大爆破震动隧道也降低到25 cm/s以下，复合掏槽方式如图4所示。

图4 优化前后的掏槽方式

2.2 斜井安全运输

2.2.1 出渣组织

施工出渣时，我们结合工程实际情况，将右斜井作为上行路线，左斜井作为下行线路，利用左右斜井之间的临时通道，运输车辆沿左洞斜井下行线路进入各个施工区间后掉头装渣，然后沿左侧进入右洞斜井上行运输，完成一次出渣(见图5)。

图5 出渣组织

2.2.2 设置安全避险车道

隧道出渣运输方式采用无轨运输，困难具体体现在:坡度大，断面小，洞内涌水较多，小断面运输距离较长，在车辆失灵时容易一溜到底，存在安全隐患。因此，在斜井段实际施工时，每隔150 m设置紧急避险车道，并兼作斜井施工时车辆掉头使用，如图6所示。

紧急避险车道长25 m，下坡方向洞壁内设2 m厚3.5 m高砂袋墙，外设1.5 m厚3 m高废旧轮胎堆码，内壁设2 m厚3.5 m高砂袋墙，作为车辆制动失灵时撞击缓冲。

2.2.3 增设车辆缓冲平台

载重车辆从井底往斜井口行驶时，坡长路陡，容易发生故障，而下行载重车辆也容易产生惯性力叠加的问题，因此设置车辆缓冲平台予以解决。平台长30 m，每隔300 m设置一处，纵坡为3%，如图7所示。

2.2.4 设置车辆检修平台

斜井施工由于坡度大，车辆存在的最大安全隐患，保持车辆的性能良好成为一项很重要的日常工作，出渣车辆用新购置的、爬坡性能强的欧曼310，同时配备检修人员，对车辆进行定期检查和每日的班前检查，特别是车辆的制动系统，出渣前仔细检查，由专职安全员负责每日的车辆进洞前检查，做到有检查、有维修、有记录，同时在隧道洞口和斜井与正洞交接处设置上下交通协管员，指导进出斜井车辆有序通过。

图6 安全避险车道示意图（单位：m）

图7 车辆缓冲平台示意图

2.2.5 坡度调整

按照原设计，左斜井坡比为19.8%，右斜井坡比为18.5%，根据以往的施工经验，出渣车辆爬坡时，斜井设计较适宜坡度在15%以内，特别是进入正洞施工时，运渣车辆每天任务重，车辆维修、保养次数增多，而且车辆经过一年的施工，性能在一定程度上都有所降低，如采用无轨运输，出渣时对于斜长800多米，坡度18.5%的陡坡斜井，施工中存在的安全隐患相对增多，为有效地减少安全隐患，经专家论证后，原设计右斜井坡度18.5%，在桩号JYK0+297处设置缓冲平台，往正洞方向坡度由原设计18.5%变更为13.5%，右斜井作为车辆上行通道，经过优化设计，在后期施工中，特别是出渣车辆运输，效率得到了提高，安全得到了更有效的保障。

2.3 隧道通风

斜井施工初期，在每个洞口设置一台110 kW×2轴流风机，采用压入式通风方式，风力可以满足施工需要。在斜井进入正洞后，为了改善通风条件，最大限度保证洞内空气清洁，左洞风带改由左洞排风道进入左正洞，并在斜井和正洞交叉处设三通，往上、下行掌子面送风;后期施工在右斜井排风道、左斜井临时通道与正洞交叉口处分别增设1台55 kW射流风机，使洞内空气流动速度加快，利于洞内污浊空气的排出。

为防止左、右洞通风时串风，在左右洞临时通道和先期开挖的车行横洞、人行横洞口设置活动棉门帘，在通风时拉上门帘，防止串风。

2.4 隧道排水

2.4.1 斜井段排水

泰宁隧道左、右斜井均为大坡度反坡施工，掌子面积水严重，施工中采用在成洞段分段设置集水坑，然后将反坡向掌子面积水采用水泵排到集水井，集中排出洞外。

集水井设置:斜井段排水管用φ100钢管，法兰连接，在掌子面设临时集水坑，里面设一台5 kW潜水泵，用软管接到φ100排水管，在180 m范围内直接抽出洞外，超出180 m后，隔150 m设置集水坑，右斜井共设置集水井5个，左斜井4个，由集水坑中所设潜水泵接力抽出洞外，同时，路面排水在路面调平层施工时，每隔100 m埋设[10槽钢，将路面积水通过槽钢引入排水沟。

2.4.2 正洞段排水

斜井施工完成，进入正洞后，排水量较大，设计涌水量正洞段和斜井段为5 756 m3/d(其中斜井段为1 352 m3/d)，抽水任务较大，通过综合计算，在进入正洞施工后，采用集中排水，在左斜井ZK21+307处左侧设置约80 m3的集水井，将隧道所用积水都引入左正洞集水井，从集水井通过左斜井一次抽到洞外排出。抽水设备采用两台DA1/25/30×5多级离心泵，流量30 m3/h，扬程175 m、功率30 kW，由6个人分两班负责隧道抽水，每天抽水约16 h，同时，备用一台D155－30×4单吸多级离心泵，流量191 m3/h，扬程135 m、功率90 kW，在水量增大，出现突发事故时启用。

正洞内建宁方向(上坡开挖)涌水顺洞内临时侧式排水沟自流至集水井内，泰宁方向(下坡开挖)涌水分段设集水坑，并在掌子面设临时集水坑，用5 kW潜水泵分段接力排至集水井内，斜井段流水通过洞内排水沟自然流到集水井，抽水由专人负责，将积水顺利排出洞外。

3 结语

泰宁隧道大坡度斜井的施工中，面临高效开挖方式、通风、出渣及运输安全等一系列工程问题，但成功得以解决，其成功的经验方法可为类似条件下隧道工程的设计、施工提供参考和借鉴，总结如下:

1)将简单掏槽方式优化为复合掏槽的形式，大大提高了掏槽和爆破效果，控制爆破震动，但不需要增加炸药用量和增加少量钻孔。2)通过合理的运输组织、设置避险车道、设置车辆避险平台、车辆检修平台和调整坡度等方案，确保了施工运输组织的安全高效。3)对大坡度斜井施工过程中的通风系统进行优化，保证了隧道内施工所需风量。

[1] 中华人民共和国交通运输部.2010年公路水路交通行业发展统计公报[EB/OL].

[2] CREMER F，JONG de W，SCHUTTE K.Fusion of polarimetric infrared features and GPR features for landmine detection[C]//The 2nd International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar(IWAGPR).Delft，Netherlands: [s.n.]，2003:1－6.

[3] 王梦恕.大瑶山隧道——20世纪隧道修建新技术[M].广州:广东科学技术出版社，1994.

[4] 王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘查，2004(1):7－9.

[5] 赵永贵，刘 浩，孙 宇.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003，18(3):460－464.