公路隧道竖井施工技术探讨-交通运输论文

隧道我国高速公路建设的发展，长大隧道将会越来越多，对于长大隧道的通风竖井建设也将会受到更多的关注，虽然其它行业的竖井工程已经取得了相当成熟的经验，但公路隧道通风竖井存在其特殊性（比如井位的选择、地质条件的差异、功能上的差异、结构安全的差异、耐久性的差异以及后期运营的差异等），还需要深入的研究。另外，通风竖井由于功能要求出现了同井分隔、井口风道的设置、检修维护等新的要求。通风条件是制约长大公路隧道建设的主要因素之一，因此，如何建好竖井工程，对长大公路隧道的建设至关重要。竖井工程是综合的系统工程，如何建设好竖井，须从不同的方面综合考虑，尤其在设计阶段应从多方面综合考虑、充分论证，方能达到预期的效果。望能通过本文的介绍，对竖井工程的建设提供帮助。下面，就让我们借助广东省内某隧道工程一同来探讨一下公路隧道竖井的现代工艺技术状况。
1、工程概况
广东省某高速公路隧道工程，双洞四车道设计，通风竖井处于隧道右线偏右25m处，距苍梧端洞口1472.37m，底部通过联络风道和斜井与左、右线主洞相连，井深156.99m，成井直径7.0m，井身采用复合式衬砌，为双腔室圆筒型规则断面薄壁结构，由送风道和排风道组成。该竖井位于山地丘陵沟谷中，井口位置较高。
2、竖井技术现状
一般情况下，竖井开挖施工方法按施工方式分为正井法和反井法，按施工顺序分为全断面法、导坑扩挖法或中心扩孔法，后一种方法是基于“先导井、后扩挖”的原理，其中导井可以采用钻爆成型，也可以采用机械成型，按施工工艺分成反井钻机法、爬罐法、吊罐法、深孔爆破法、人工正井法等。随施工方法不同，有各自的优缺点，其最佳施工成本情况下的适用条件范围、投入配套机械设备等均不同，除小断面竖井可一次开挖完成，大断面竖井均有一个共同的特点是均需要钻爆工序。
爬罐法施工自20世纪50年代开始采用并得到迅速发展，成为竖井和斜井开挖最常用的施工方法,特别是挪威、瑞典等几个国家应用最多。我国自80年代初开始在几个水电站的压力斜井采用了此法开挖，如渔子溪Ⅱ级水电站、鲁布革水电站、天生桥Ⅱ级水电站、广州抽水蓄能电站、十三陵抽水蓄能电站等工程。国产爬罐的成井直径、循环进尺都比国外产品小，作业工效也相对较低，技术相对落后。
而反井钻机法来说，国内直接采用钻机成井的最大直径可达5.0m，国外钻机设备最大成井直径可达6.0m，但此类型的设备费用成本大。
正如其他地下工程一样，构筑物开挖成型后的另一工序就是衬砌的实施。衬砌一般分为初期支护和二次混凝土衬砌，在开挖过程中结合地层岩体综合质量指标，初期支护施工需紧跟开挖进尺进行，以策安全，最后进行二次衬砌支护。
初期支护施工中，根据地质条件和地下水等采取不同的支护参数，通常采用喷锚支护，或增加钢支撑加强支护，按地下水情况，辅于结构防排水和施工防排水措施。其中喷射混凝土的施工方法与隧道工程的喷锚施工相同，可选择采用干喷、湿喷、潮喷等工艺。而对于有混凝土二次衬砌的结构，其施工方法主要可以选择采用如提升翻模、爬模、滑模等。
3、施工方法综合比较
3.1开挖方法
（1）全断面法
这种方法是采用机械化配套作业, 自上而下全断面一次钻爆凿井成型施工。先掘进竖井锁口圈段后, 再下挖30m～40m, 再安设多层移动工作平台, 进行提升、悬吊等辅助设施的安装, 然后转入井筒钻爆掘进施工。施工中采用抓岩机装岩, 单钩提升吊桶出渣, 石渣全部由井口运出，为保持工作面空气清新, 必须进行机械通风。
此种施工方法的特点是, 竖井内全部渣量均弃于井口外, 需要有施工便道能修建至井口的条件, 供大型设备运输和弃渣, 同时井口需要有供升降机、井架等布置的施工场地。
缺点是: 占用土地面积大，对自然环境影响较大，修建便道增加的工程量大，需投入比较多的设备，出渣效率较低，劳动强度大，施工进度慢，安全风险大，对地质条件比较恶劣或有大的地质构造带时，自下而上掘进中钻孔难，施工进尺缓慢，安全风险均大大增加，同时配套设备多与工作面狭小而相互干扰等不利因素。
优点是: 适用的竖井深度、直径范围大，工艺简单，技术成熟, 便于操作。
（2）导坑扩挖法
该方法与前面第一种方法相似，区别在于井筒断面分两次进行钻爆开挖，先开挖一定直径、深度的导坑，目的是扩孔成井时为爆破提供临空面，增大炮孔利用率，控制岩块粒径和超欠挖，提高光爆效果。适用于竖井开挖断面比较大情况。该方法特点、优缺点与全断面法基本相同。
3.2衬砌方法
竖井是一种筒型规则断面薄壁结构，衬砌主要分为初期支护和二次衬砌，初期支护的施工一般采用常规的工艺、方法，且其施作的时机取决于工程地质条件，随开挖进行。而二次衬砌混凝土除加强支护作用外，需确保井筒周边成型面的光滑、平顺，减少流体通过的阻力，其施工方法通常采用翻模、爬模和滑模。
衬砌混凝土的施工方法选取，需着重考虑如下几个方面：
①为确保结构整体性，不同断面尺寸设计，实现多腔室衬砌一次成型问题。
②施工进度、工效对成本影响问题。
③混凝土浇注模架的提升、支撑或悬吊问题。
④配套设备、人员、电力投入。
⑤施工安全。
因此，不管采取什么施工方法，竖井衬砌混凝土施工，由于结构壁厚小，钢筋密集，振捣、布料十分困难且可能存在少部分欠挖，施工存在一定的难度。
从各种方案的工艺情况和使用效果看，采用提升翻模方案，模板投入数量较多，整个衬砌模架脱立、提升需利用绞车、井架进行提升、悬吊，人员投入多，工序繁杂，钢筋安装与混凝土浇注无法同步进行，混凝土外观难于保证，施工周期长，总工期难于保证，机械故障等带来的不可预见因素和安全上的风险均大大增加。而从使用效果来看，爬模无论是采用机械爬升还是液压爬升动力源，具有以下特点:
①无需起吊设备，需解决模架的附着支撑。
②工艺操作相对简单，安全可靠。
③混凝土节段循环浇筑速度快，工期易保证。
滑模施工优点突出，施工中减少模板的装、拆，各工序交叉作业，节省了工序间的中断时间和不可避免的时间浪费，施工进度大大加快，滑模连续浇注混凝土，消除了施工缝，确保混凝土整体性，成型面圆顺，投入的模板只有1.5m左右，施工人员减少至少一半，大大降低了施工成本费用，模架、模板、平台的整个连接，提高了施工环境的安全性。
当然，滑模施工需严密的施工组织和充分的准备工作，需严格控制混凝土的工作性，尽量降低混凝土的水灰比和初凝时间，浇注过程需严格控制水平对称分层浇注，准确把握滑升时机，否则，施工容易失败，甚至造成损失。
对竖井而言，衬砌施工虽简单，可选择的方法很多，但要保证经济、安全、快捷，方案选取应该进行比较选择。