公路特長(zhǎng)隧道通風(fēng)豎井設(shè)計(jì)方法及施工技術(shù)

李曉俊

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

隨著中國(guó)高速公路建設(shè)的發(fā)展，長(zhǎng)大隧道越來(lái)越多，對(duì)于長(zhǎng)大隧道的通風(fēng)豎井建設(shè)也將會(huì)受到更多的關(guān)注。公路隧道因井位的選擇、地質(zhì)條件的差異、功能上的差異、結(jié)構(gòu)安全的差異等，還需要進(jìn)行深入的研究。通風(fēng)條件是制約長(zhǎng)大公路隧道建設(shè)的主要因素之一，因此，建設(shè)好豎井工程對(duì)長(zhǎng)大公路的建設(shè)至關(guān)重要。

1 一般規(guī)定

（1）豎井結(jié)構(gòu)主要包括鎖口圈、井身、馬頭門。

（2）鎖口圈設(shè)置于隧道口部，主要承受地表土層的土壓力、井口建筑物及設(shè)備的荷載，其基礎(chǔ)應(yīng)盡量置于基巖中。鎖口圈通常采用敞口開(kāi)挖，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（3）馬頭門為井身與聯(lián)絡(luò)通道交叉處結(jié)構(gòu)，形狀特殊，受力復(fù)雜，并承受井身二次襯砌傳來(lái)荷載，應(yīng)考慮加強(qiáng)處理。馬頭門斷面應(yīng)能滿足施工所用的材料、設(shè)備的運(yùn)輸及運(yùn)營(yíng)期間導(dǎo)流葉片的安裝。

（4）井身是豎井的主要組成部分，它上接鎖口圈，下接馬頭門。當(dāng)豎井較深時(shí)，或井身需要承受上方較大荷載時(shí)，應(yīng)設(shè)置壁座；壁座通常設(shè)置于井口段、地質(zhì)條件較差的井身段及馬頭門的上方。

（5）井身支護(hù)一般采用噴錨防護(hù)的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式，初期支護(hù)為主要的承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌通常作為安全儲(chǔ)備及減少運(yùn)營(yíng)期間通風(fēng)阻力的作用。

（6）從結(jié)構(gòu)受力、施工難易程度以及通風(fēng)效率等多方面考慮，豎井?dāng)嗝嬉詧A形斷面較為合適，其內(nèi)徑的大小應(yīng)根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“風(fēng)道內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)速宜在13 m/s～18m/s范圍內(nèi)取值”而確定，高低的取值與通風(fēng)井的長(zhǎng)度有關(guān)系（即考慮井內(nèi)摩阻力變化對(duì)送排風(fēng)機(jī)功率的影響）。當(dāng)通風(fēng)井偏長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)取較低的風(fēng)速，當(dāng)通風(fēng)井偏短時(shí)可以取較高的風(fēng)速，如果通風(fēng)井長(zhǎng)度小于100 m，井內(nèi)風(fēng)速即使取20 m/s對(duì)風(fēng)機(jī)功率影響也是可以接受的。

（7）采用送排式通風(fēng)方案時(shí)，根據(jù)需要還應(yīng)設(shè)置15 cm～20 cm厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的中隔墻。

圖1 某工程豎井立面

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鎖口圈設(shè)計(jì)

（1）鎖口圈高度h應(yīng)根據(jù)地質(zhì)地形情況而定，通常應(yīng)大于覆蓋層厚度，盡量埋置于較好的基巖上，為避免施工期間水的流入，鎖口圈應(yīng)高出地面h1>1.0 m。

（2）鎖口圈底部一般采用擴(kuò)大的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，考慮井口土質(zhì)一般較松軟且井口附近有建筑物及車輛荷載，鎖口圈厚度一般為0.4 m～0.6 m，擴(kuò)大基礎(chǔ)通常加厚至1.5 m～2.0 m；四周采用漿砌片石等回填壓實(shí)，防止施工期間鎖口圈橫向移位。

（3）明洞襯砌頂部宜擱置于鎖口圈頂部，以使鎖口圈能承受明洞豎向自重荷載。

（4）當(dāng)鎖口圈上作用有建筑時(shí)（如井架、通風(fēng)塔），應(yīng)核算其截面垂直應(yīng)力是否滿足要求，計(jì)算公式：

式中：K：安全系數(shù)2.4；

N：垂直方向合力，kN；

Ra：混凝土的抗壓極限強(qiáng)度，kN；

A：鎖口圈井壁最薄處橫截面積，m2。

圖2 豎井鎖口圈計(jì)算模型

（5）鎖口圈井壁軸力彎矩采用彈性力學(xué)。

厚壁筒公式計(jì)算，計(jì)算模型及公式：

圖3 豎井鎖口圈構(gòu)造圖

式中：N：井壁環(huán)向每延米的軸力，kN；

M：井壁環(huán)向每延米的彎矩，kN·m；

r1：井壁內(nèi)半徑，m；

r2：井壁外半徑，m；

P：井壁水平力，kN；

μ：泊桑比；

r：土體容種，kN/m3；

h：鎖口圈高度，m。

計(jì)算軸力、彎矩后，即可按規(guī)范中混凝土偏心受壓構(gòu)件抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。

2.2 井身設(shè)計(jì)

（1）豎井襯砌按新奧法原理采用復(fù)合襯砌，考慮到施工安全，2次襯砌原則上要求在豎井施工完成后再施作，以免對(duì)施工產(chǎn)生過(guò)大干擾，因此初期支護(hù)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

（2）豎井底部馬頭門處由于周邊圍巖受力狀態(tài)復(fù)雜，設(shè)計(jì)上應(yīng)對(duì)初期支護(hù)與二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)處理。

（3）豎井井口段地質(zhì)一般較差，通常采用敞口開(kāi)挖，修筑明洞結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于土層地段，應(yīng)優(yōu)先考慮在地表采用處理措施，如鉆孔咬合樁、地下連續(xù)墻、鋼板樁、高壓旋噴樁、水泥攪拌樁等基坑加固措施。

（4）井身襯砌承受的地層壓力可采用太沙基理論計(jì)算（不夠完善，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有一定出入），推薦采用三維有限元計(jì)算，結(jié)果相對(duì)合理。

（5）由于二次襯砌原則上都是由底部向上進(jìn)行澆筑，因此，豎井一般可不設(shè)壁座。當(dāng)豎井埋深較大時(shí)，應(yīng)考慮二次襯砌所承受的自重，其允許支撐高度H計(jì)算如下（不計(jì)與防水板之間的摩阻力）：

式中：h：2次襯砌允許支撐高度，m；

K：安全系數(shù)，2.4；

r：混凝土重度，23 kN/m3；

Ra：混凝土的抗壓極限強(qiáng)度，kN。

當(dāng)2次襯砌采用C25混凝土?xí)r，h計(jì)算為226 m。因此，若豎井深度大于200m時(shí)，應(yīng)在井壁中設(shè)置壁座，一般設(shè)計(jì)可按100m～150 m設(shè)置一處（設(shè)在巖石較好地段）。

（6）壁座高度h應(yīng)不小于2次襯砌厚度d的2.5倍，一般取1.0 m～1.3 m；寬度b不小于1.5 d（Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段b=0.6 m～0.8m，Ⅳ級(jí)圍巖地段b=1.0m～1.2m，Ⅴ級(jí)圍巖地段b不大于1.5m），傾角α可按以下角度取值：

α=50°～60°（Ⅴ級(jí)級(jí)圍巖地段）

α=25°～45°（Ⅳ級(jí)圍巖地段）

α=0°～15°（Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段）

（7）井底馬頭門與聯(lián)絡(luò)風(fēng)道連接處通常采用似矩形斷面，以保證豎井與聯(lián)絡(luò)風(fēng)道在直墻上連接，方便設(shè)計(jì)與施工?？紤]到豎井井身與井底風(fēng)道的順接以及導(dǎo)流頁(yè)片的布置，豎井底部可設(shè)置一段不小于5 m長(zhǎng)的圓變方過(guò)渡段，豎井?dāng)嗝嬗蓤A形漸變?yōu)檎叫巍?/p>

3 施工方法

（1）豎井施工需要專門的配套設(shè)施，如吊盤、抓巖機(jī)、吊桶、穩(wěn)車等，施工設(shè)備及技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，井筒內(nèi)需設(shè)置安全梯等安全設(shè)施，并采取相關(guān)安全措施，防止在提升工程中因?yàn)閿嗬K、脫鉤產(chǎn)生溜車（掉罐）或過(guò)卷，以及在豎井中發(fā)生碰撞事故。

（2）豎井施工方法根據(jù)主隧道后于豎井建成還是先于豎井建成，以及豎井開(kāi)挖和襯砌是單獨(dú)作業(yè)還是平行作業(yè)，主要可以分為以下幾種方式：①全井單行作業(yè)法；②主隧道先于豎井建成，可選擇反井方法包括：吊罐反井正向擴(kuò)大法、爬罐反井正向擴(kuò)大法、鉆機(jī)反井正向擴(kuò)大法。

4 結(jié)束語(yǔ)

豎井工程是綜合的系統(tǒng)工程，如何建設(shè)好豎井，須從不同的方面綜合考慮，尤其在設(shè)計(jì)階段應(yīng)從多方面綜合考慮及充分論證方能達(dá)到預(yù)期的效果。望能通過(guò)文章對(duì)豎井設(shè)計(jì)的綜合論述，對(duì)豎井工程的建設(shè)提供幫助。

[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）.北京：人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2009）.北京：人民交通出版社，2009