特長公路隧道斜豎井設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)

黃 廷,伍毅敏

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州 310006; 2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙 410075)

近年來,隨著我國高速公路向山區(qū)延伸,出現(xiàn)了越來越多的特長隧道。在這些特長隧道中,大多采用了斜豎井通風(fēng)。斜豎井通風(fēng)系統(tǒng)造價(jià)高,影響大,不僅與隧道排煙降塵緊密聯(lián)系,還與隧道建養(yǎng)成本控制、環(huán)境保護(hù)、斜豎井施工技術(shù)及安全管理等息息相關(guān)。由于我國特長公路隧道起步較晚,雖然諸多學(xué)者開展了大量的研究,取得了一些成果,但在斜豎井設(shè)計(jì)施工方面仍存在較明顯的不足。到目前為止,斜豎井的設(shè)計(jì)施工仍處于借鑒和探索階段。為了更系統(tǒng)地開展研究,筆者收集了國內(nèi)部分特長隧道斜豎井設(shè)計(jì)施工的相關(guān)成果,對若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了整理,并提出了一點(diǎn)認(rèn)識(shí),供大家參考和探討。

1 斜豎井實(shí)例

目前國內(nèi)建成特長公路隧道包括陜西西安至安康高速公路秦嶺終南山隧道,湖南邵陽至懷化高速公路雪峰山隧道,山西新廣武至原平高速公路雁門關(guān)隧道等十余座[1-11],這些隧道分別設(shè)有一座或多座斜豎井。為了保證這些斜豎井的建設(shè),相關(guān)單位開展了大量的研究工作,使我國特長公路隧道斜豎井建設(shè)水平有了很大的提高。表1列出了部分斜豎井的設(shè)計(jì)施工情況。

表1 國內(nèi)部分特長公路隧道斜豎井案例

2 斜豎井方案選擇

斜豎井方案包括斜豎井座數(shù)、井口位置、斜豎井坡度選擇等,這是特長隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先要確定的問題,往往需要綜合考慮多方面的因素,開展專項(xiàng)研究來確定。

2.1 斜豎井座數(shù)

斜豎井座數(shù)主要根據(jù)隧道長度、交通量、隧址地形及經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件來確定。其中隧道長度、交通量、隧址地形情況在規(guī)劃和勘查階段基本可以確定,對斜豎井方案的影響是固定的。經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件則是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。

從經(jīng)濟(jì)成本角度看,隧道通風(fēng)運(yùn)營成本可分成建設(shè)成本和運(yùn)營成本。前者包括土建工程造價(jià)和通風(fēng)設(shè)備購置安裝費(fèi),后者則包括運(yùn)營期的能耗與設(shè)施養(yǎng)護(hù)費(fèi)等。隧道通風(fēng)系統(tǒng)的建設(shè)成本發(fā)生在建設(shè)期,相對容易計(jì)算和比較,其運(yùn)營成本則與多方面的因素揉雜在一起,要準(zhǔn)確確定十分困難。例如,由于豎井排送組合通風(fēng)涉及隧址自然風(fēng)風(fēng)壓、復(fù)雜風(fēng)道通風(fēng)計(jì)算等問題,目前對這些問題雖然開展了不少研究,但并未得出公認(rèn)的合理解算方法[12],這就導(dǎo)致了運(yùn)營過程中實(shí)際所需通風(fēng)量、裝機(jī)容量及實(shí)際工作模式、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等的不確定。

從技術(shù)角度看,隧道遠(yuǎn)期通風(fēng)需求是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的系統(tǒng)問題。隧道通風(fēng)運(yùn)營設(shè)計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)都存在認(rèn)識(shí)和發(fā)展的不確定性。認(rèn)識(shí)的不確定性包括前面提到的對豎井送排風(fēng)通風(fēng)模式的認(rèn)識(shí)尚不明確。發(fā)展的不確定性包括對決定隧道通風(fēng)需求,確定通風(fēng)模式的各因素的發(fā)展情況。例如,隨著汽車工業(yè)的發(fā)展、環(huán)境保護(hù)要求的提高、新型汽車動(dòng)力的開發(fā),汽車排污量在日后的下降幅度不確定。又比如,目前我國在長隧道和特長隧道中多采用射流風(fēng)機(jī)通風(fēng),污染空氣直接通過井口和隧道洞門排到洞外,如果將靜電除塵技術(shù)應(yīng)用到我國隧道通風(fēng)領(lǐng)域,則可能徹底改變我國長隧道和特長隧道通風(fēng)模式。此外,隧道建成后交通量的增長情況也具有不確定性。

2.2 井口位置

井口位置主要由隧址地形條件、地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)要求等因素決定。豎井井口一般標(biāo)高較大,選擇時(shí)應(yīng)注意保證井口地面比較平坦,并且井口容易使人員與施工設(shè)備通達(dá),因?yàn)樵谪Q井施工中,井口地面的井架和提升絞車都是必需的,沒有平坦的地面,施工將無法進(jìn)行。斜井井口標(biāo)高較低,施工方法可以靈活考慮正井法或反井法,選擇余地較大。從環(huán)保角度考慮,豎井井口較高,有利于污染空氣的擴(kuò)散,選擇余地較大;斜井井口則相反。此外,環(huán)保方面還要充分考慮對周邊村落、生態(tài)環(huán)境等的影響。

2.3 斜豎井坡度選擇

理論上看,斜豎井坡度直接由洞內(nèi)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道位置和井口位置直接確定。聯(lián)絡(luò)風(fēng)道的位置常根據(jù)隧道通風(fēng)計(jì)算確定污染空氣排出位置和新鮮空氣送入位置。一般考慮將斜豎井均勻布置在隧道范圍內(nèi),實(shí)際操作時(shí)應(yīng)根據(jù)可能的井口位置進(jìn)行局部調(diào)整。

為了盡量縮短風(fēng)道長度,減小通風(fēng)阻力,降低運(yùn)營成本,聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與井口之間盡可能采用直線連接。但是,由于施工技術(shù)的限制,坡度在25°～30°的斜井施工難度很大,往往很少采用。當(dāng)斜井坡度在25°～30°時(shí),常規(guī)機(jī)械的爬坡性能都不能滿足要求,隧道棄渣也不能自溜排出。當(dāng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與井口之間直線坡度在此范圍內(nèi)時(shí),往往將斜井設(shè)計(jì)成緩坡(小于25°)與陡坡(大于30°)或豎井(90°)的組合。在進(jìn)行這種緩坡與陡坡組合的通風(fēng)井設(shè)計(jì)時(shí),兩段通風(fēng)井之間的轉(zhuǎn)角對通風(fēng)運(yùn)營成本有很大影響,因此應(yīng)充分進(jìn)行論證。以西漢高速公路秦嶺1號隧道為例,文獻(xiàn)[13]討論了中等坡度斜井、緩坡斜井+豎井、緩坡斜井+陡坡斜井3種方案(如圖1),結(jié)論是:中等坡度方案斜井能耗最低,但施工相當(dāng)困難;緩坡斜井+豎井方案施工難度較大,能耗甚大,為中等坡度方案的1.66倍;緩坡斜井+陡坡斜井方案施工較方便,能耗與中等坡度方案相當(dāng)。

圖1 秦嶺1號隧道通風(fēng)井方案

3 斜豎井?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)

斜豎井?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)包括斷面面積、斷面形狀和送排風(fēng)道劃分。

斜豎井?dāng)嗝婷娣e的確定,主要根據(jù)隧道送排風(fēng)量的大小及設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)速來共同確定。理論和工程實(shí)踐表明,斜豎井內(nèi)風(fēng)速在12～18 m/s,低于或超過這個(gè)速度都不經(jīng)濟(jì)。通過計(jì)算獲得送排風(fēng)量Q,初步確定設(shè)計(jì)風(fēng)速V,得到通風(fēng)面積A=Q/V。在送排風(fēng)分離的通風(fēng)井中,求得的面積可直接作為斷面參考值;如果送排風(fēng)道共用同一通風(fēng)井,則總面積為排風(fēng)道和送風(fēng)道面積之和。由于斜豎井送排風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)流場分析較為復(fù)雜,實(shí)際確定參數(shù)時(shí),一般應(yīng)根據(jù)上述粗估的風(fēng)道斷面積,確定斷面形狀和大小,然后對整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行理論或模型試驗(yàn)分析驗(yàn)證,并反復(fù)修正,最終確定合理的通風(fēng)井?dāng)嗝娣e。

斜豎井?dāng)嗝嫘螤钪饕獮閳A形和馬蹄形2種(圖2)。為了施工方便,斜井一般為馬蹄形,少數(shù)為圓形;豎井為圓形。馬蹄形斷面根據(jù)行業(yè)不同略有差別,在公路隧道領(lǐng)域,多為曲墻斷面(圖2b);在鐵路隧道領(lǐng)域,多為直墻斷面(圖2c);在水工領(lǐng)域,2種斷面都有。圓形斷面的優(yōu)點(diǎn)是斷面利用率高,受力合理,便于襯砌滑模施工;缺點(diǎn)是斜井條件下開挖成形較困難,因而多應(yīng)用在豎井中。馬蹄形斷面的優(yōu)點(diǎn)是施工和養(yǎng)護(hù)時(shí)人員、機(jī)械可在其中行走,施工和養(yǎng)護(hù)較方便,缺點(diǎn)是斷面利用率不高,受力不盡合理,支護(hù)襯砌較困難,成本高。

圖2 幾種常見斜豎井?dāng)嗝?/p>

斜豎井內(nèi)風(fēng)道劃分主要根據(jù)設(shè)計(jì)送排風(fēng)量比例確定。有些斜豎井為單一送風(fēng)或單一排風(fēng)通風(fēng)井,則不需要進(jìn)行風(fēng)道劃分。

4 斜豎井開挖方法

斜豎井開挖方法對斜豎井的設(shè)計(jì)有重大影響,從國內(nèi)已建公路隧道斜豎井來看,施工工法往往決定了斜豎井設(shè)計(jì)方案。斜豎井常用的施工工法(圖3)有正井法開挖、反井法開挖、導(dǎo)井法開挖。

4.1 正井法開挖(圖3a)

正井法開挖為自通風(fēng)井井口向井底正向開挖。這是在礦山中常用的一種開挖方法,對于公路特長隧道,只有在井口標(biāo)高不大、井口場地條件較好時(shí)采用。豎井正井法開挖,在井口安裝井架和升降設(shè)備進(jìn)行出渣和運(yùn)送材料。斜井正井法開挖,多采用絞車有軌運(yùn)輸。

4.2 反井法開挖(圖3b)

反井法開挖為自井底向井口反向開挖。在鐵路和礦山中,反向開挖斜井、豎井的案例都有。反向坡度越大,反井施工越困難,機(jī)械設(shè)備、安全管理要求越高。豎井和陡坡斜井(大于30°)可以采用自溜排渣,巖石在自重作用下直接溜到井底,再用裝載設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)。對于緩坡斜井(小于25°),巖石一般不能自溜,但由于坡度較緩,常規(guī)裝載設(shè)備可用于出渣。坡度在25°～30°之間的斜井巖石既不能自溜,常規(guī)裝載設(shè)備也不適用,施工相當(dāng)困難,因而一般不推薦使用反井法開挖。必須采用反井法開挖時(shí),則需要設(shè)計(jì)溜槽并根據(jù)實(shí)際坡度和坡長,為溜槽進(jìn)行震動(dòng)增加動(dòng)力。

4.3 導(dǎo)井法開挖(圖3c、圖3d)

導(dǎo)井法是在通風(fēng)井開挖一端施工條件很差,開挖困難的情況,通過開挖導(dǎo)井改善施工條件的施工方法。根據(jù)開挖方向的不同,導(dǎo)井也可分為正導(dǎo)井和反導(dǎo)井。

1)正導(dǎo)井(圖3c):當(dāng)斜豎井井口便道條件很差時(shí),大型設(shè)備、材料都不能運(yùn)到井口,棄渣也不能運(yùn)走時(shí),從井口向下開挖一個(gè)小的導(dǎo)井到井底,通過導(dǎo)井將設(shè)備和材料提升到井口再進(jìn)行擴(kuò)挖,棄渣通過導(dǎo)井從井底運(yùn)走。

2)反導(dǎo)井(圖3d):當(dāng)斜豎井井口完全不能到達(dá)時(shí),只能從井底向上開挖?？紤]到完全反井開挖速度慢,安全系數(shù)低,可以先反向開挖一個(gè)導(dǎo)井到井口,提升材料和設(shè)備,再按正井法進(jìn)行擴(kuò)挖。

圖3 斜豎井主要開挖方法

5 結(jié)語

在特長隧道斜豎井設(shè)計(jì)施工中,豎井?dāng)?shù)量、位置、坡度,斷面形狀和大小,開挖方法等因素互相關(guān)聯(lián),在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌地充分進(jìn)行論證,方可制定合理的設(shè)計(jì)施工方案,達(dá)到快速安全的目的。

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