寶塔山特長(zhǎng)公路隧道斜井設(shè)計(jì)技術(shù)

李忠陶

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)布局的不斷完善，高速公路正持續(xù)不斷地向山區(qū)延伸，公路隧道建設(shè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，截止2015年底，我國(guó)公路隧道已建成14 006座，全長(zhǎng)12 684 km，其中特長(zhǎng)隧道744座，全長(zhǎng)3 300 km。隨著公路特長(zhǎng)隧道的增多，斜井的設(shè)置也逐漸被業(yè)內(nèi)人士所重視，斜井的設(shè)置不僅可以增加隧道工作面，改善施工條件，解決施工期間通風(fēng)、排水、棄渣等問(wèn)題[1]，同時(shí)對(duì)合理安排施工組織、有效縮短施工工期、妥善處理環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，確保運(yùn)營(yíng)期通風(fēng)、防災(zāi)救援甚至實(shí)現(xiàn)國(guó)防戰(zhàn)備等建設(shè)目標(biāo)均有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合寶塔山隧道的實(shí)際情況，介紹了寶塔山特長(zhǎng)公路隧道斜井設(shè)計(jì)時(shí)考慮的影響因素及主要設(shè)計(jì)情況，希望能對(duì)其他隧道工程有一定的參考價(jià)值。

1 工程概述

汾陽(yáng)至邢臺(tái)高速公路平遙至榆社段，按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度采用80 km/h，路基寬24.5 m，寶塔山隧道作為該項(xiàng)目的控制性工程，左洞長(zhǎng)10 191.696 m，右洞長(zhǎng)10 479.611 m，主線設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。隧址區(qū)位于太岳山脈北中部，為基巖中山區(qū)地貌，隧址內(nèi)地勢(shì)最大相對(duì)高差約639 m，地形起伏變化較大，地質(zhì)條件復(fù)雜。

表1 寶塔山隧道主線設(shè)計(jì)指標(biāo)一覽表

2 斜井方案的確定

寶塔山特長(zhǎng)隧道斜井方案的確定是以沿線地質(zhì)、地形條件為基礎(chǔ)，以滿足整個(gè)隧道運(yùn)營(yíng)期送排風(fēng)量為主，以兼顧施工工期要求，合理避讓超山自然保護(hù)區(qū)，綜合通風(fēng)、環(huán)境保護(hù)及后期使用維護(hù)等多種因素，充分考慮施工及運(yùn)營(yíng)安全的情況下，本著例行節(jié)約、經(jīng)濟(jì)合理的原則綜合確定的。

寶塔山隧道的工程特點(diǎn)：寶塔山隧道以平遙至榆社方向劃分，左線以下坡為主（上坡長(zhǎng)∶下坡長(zhǎng)=2 270∶8 049.6），交通量為重交通；右線以上坡為主（上坡長(zhǎng)∶下坡長(zhǎng)=8 170∶2 290），交通量為特重交通。主線最大縱坡為1.8%?？紤]隧道左線以輕載車輛為主，右線以重載車輛為主的交通組成特點(diǎn)，結(jié)合隧道縱坡坡度，計(jì)算出隧道的送排風(fēng)需求為：左線需要1座送排風(fēng)斜井，右線需要兩座送排風(fēng)斜井。其中1號(hào)、2號(hào)斜井采用地下風(fēng)機(jī)房，3號(hào)斜井采用地面風(fēng)機(jī)房方式進(jìn)行送排風(fēng)。

2.1 地質(zhì)、地形條件

寶塔山隧道位于太行山脈北中部，其巖層結(jié)構(gòu)為泥砂巖互層，地形起伏大，地面植被茂密，巖層內(nèi)含水量豐富，整個(gè)隧道主線穿越大小不等的22個(gè)斷層，地質(zhì)條件復(fù)雜。3座斜井的布設(shè)盡可能對(duì)斷層等不良地段進(jìn)行了避讓，特別是1號(hào)、2號(hào)斜井與主線相交處，由于地下風(fēng)機(jī)房洞室群規(guī)模大，施工難度大，對(duì)地質(zhì)條件要求較高。地下風(fēng)機(jī)房洞室群所處區(qū)域、地質(zhì)條件應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，這不僅對(duì)施工期，同時(shí)對(duì)運(yùn)營(yíng)期整個(gè)隧道的安全都有著非常重要的意義。

2.2 斜井與主線位置的均衡性

寶塔山隧道斜井的布設(shè)，首先要考慮3座斜井與主線的均衡關(guān)系。在大的布局上，通過(guò)綜合計(jì)算，斜井的數(shù)量確定后，各個(gè)斜井所承擔(dān)的送排風(fēng)量以及施工期間各斜井所能承擔(dān)主洞部分的工作量應(yīng)相互均衡。斜井與主線位置均衡設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)：首先是所配置的通風(fēng)設(shè)備的功率相近，且能充分保證主洞運(yùn)營(yíng)期各段落間的通風(fēng)效果；其次是各斜井施工期所承擔(dān)主洞工作量相對(duì)均衡，有利于整個(gè)隧道施工期工程的均衡推進(jìn)；再次是施工期各斜井運(yùn)距經(jīng)濟(jì)，有利于節(jié)約成本，降低工程造價(jià)。寶塔山隧道3座斜井的布設(shè)基本滿足了這一基本要求。1號(hào)斜井位于右線隧道約1/3位置處，為右線送排風(fēng)；2號(hào)斜井位于左線隧道大約中間位置，為左線送排風(fēng)；3號(hào)斜井位于右線隧道約2/3位置處，為右線送排風(fēng)。詳見(jiàn)圖1斜井相對(duì)于主線的平面布置示意圖。

圖1 斜井相對(duì)于工線的平面布置示意圖

2.3 井口位置的選擇

斜井井口位置的選擇主要考慮了以下6個(gè)因素：通風(fēng)對(duì)井口的要求、排水對(duì)井口的要求、施工便道及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)對(duì)井口的要求、棄渣場(chǎng)地對(duì)井口的要求、井口所需場(chǎng)地的要求、環(huán)境保護(hù)對(duì)井口的要求。

寶塔山隧道3座斜井井口為了滿足上述要求，井口均選擇在3條自然溝的側(cè)面，這樣不僅可滿足斜井送排風(fēng)的需要，同時(shí)也較好地解決了井口綜合排水問(wèn)題。3座斜井在距井口300～500 m左右的支溝中均有較好的棄渣場(chǎng)地，棄渣運(yùn)距短，可有效地節(jié)約施工成本，同時(shí)也可最大程度地避免損毀原地面植被，較好滿足了環(huán)境保護(hù)的要求。考慮到3座斜井均需在斜井井口布置送排風(fēng)煙囪，3號(hào)斜井尚需預(yù)留風(fēng)機(jī)房布置場(chǎng)地。但3個(gè)斜井井口均面對(duì)3條自然溝，能提供的場(chǎng)地受到自然條件的限制，為保證斜井井口排水與布置排風(fēng)煙囪或風(fēng)機(jī)房需要，采取的具體措施是：在1號(hào)斜井井口處溝內(nèi)設(shè)置1-3.0 m×2.0 m拱涵，在2號(hào)斜井井口處溝內(nèi)設(shè)置1-3.0 m×2.0 m拱涵，在3號(hào)斜井地上風(fēng)機(jī)房處溝內(nèi)設(shè)置2-5.0 m×4.0 m小橋，在斜井井口處的平臺(tái)周邊設(shè)置擋墻，防止沖刷。在斜井井口周邊設(shè)置截水溝和排水溝將井口周邊的水引導(dǎo)排出，截水溝和排水溝的尺寸根據(jù)實(shí)地情況調(diào)整完善。對(duì)施工便道，斜井設(shè)地下風(fēng)機(jī)房時(shí)井口外道路采用臨時(shí)道路；斜井設(shè)地上風(fēng)機(jī)房時(shí)井口外道路采用永久道路，并按三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

3 斜井的規(guī)模及運(yùn)輸方式

3.1 斜井的規(guī)模

a）1號(hào)斜井位于右線右側(cè)，長(zhǎng)1 337.478 m，斜井洞身開(kāi)挖量為60 387 m3，地下風(fēng)機(jī)房洞室群開(kāi)挖量為38 159 m3,1號(hào)斜井總開(kāi)挖量98 546 m3。

b）2號(hào)斜井位于主線左側(cè)，長(zhǎng)1 269.301 m，斜井洞身開(kāi)挖量為47 015 m3，地下風(fēng)機(jī)房洞室群開(kāi)挖量為33 590 m3,2號(hào)斜井總開(kāi)挖量80 605 m3。

c）3號(hào)斜井位于主線右側(cè)，長(zhǎng)881.354 m，斜井總開(kāi)挖量為39 793 m3。

3.2 運(yùn)輸方式

斜井運(yùn)輸方式主要分為有軌運(yùn)輸和無(wú)軌運(yùn)輸，確定運(yùn)輸方式主要考慮的因素：承擔(dān)的工作量、施工效率、施工經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)的要求。

從運(yùn)輸所承擔(dān)的工作量分析，最大的1號(hào)斜井開(kāi)挖量達(dá) 98 546 m3，最小的 3號(hào)斜井也有39 793 m3，如再考慮承擔(dān)主洞施工任務(wù)工作量非常大；從施工效率看采用無(wú)軌運(yùn)輸將更方便，特別是各斜井開(kāi)始承擔(dān)主洞施工任務(wù)后無(wú)軌運(yùn)輸更能體現(xiàn)其方便、快捷、直達(dá)的優(yōu)越性；從施工的經(jīng)濟(jì)性分析，無(wú)軌運(yùn)輸可直接將洞渣運(yùn)達(dá)指定地點(diǎn)，不需要進(jìn)行二次倒運(yùn)，可降低施工成本；從環(huán)境保護(hù)的要求考慮，無(wú)軌運(yùn)輸可以減少二次倒運(yùn)造成的環(huán)境污染，更好地滿足環(huán)保要求，同時(shí)也利于井口附近相對(duì)較小場(chǎng)地的合理布置。綜合上述情況本項(xiàng)目的3座斜井均確定采用無(wú)軌運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行運(yùn)輸。

4 斜井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 斜井?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)

本隧道3座斜井橫斷面都采用直墻拱形斷面，考慮了通風(fēng)面積要求、施工設(shè)備要求、結(jié)構(gòu)安全等因素。斜井襯砌結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，采用30 cm厚鋼筋混凝土中隔板將送風(fēng)道和排風(fēng)道隔開(kāi)，詳見(jiàn)圖2。

圖2 斜井內(nèi)輪廓斷面圖

4.2 斜井的縱坡設(shè)計(jì)

斜井縱坡設(shè)計(jì)，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）[2]中對(duì)于無(wú)軌運(yùn)輸斜井的坡度要求不大于12°，即縱坡不大于21%。 但事實(shí)上，如按21%的坡率設(shè)計(jì)，國(guó)產(chǎn)出渣車的爬坡能力是很難滿足這一坡率要求的。國(guó)內(nèi)有的學(xué)者提出無(wú)軌運(yùn)輸斜井坡率不宜大于13%的觀點(diǎn)是有一定的道理的[3]。開(kāi)始布置1號(hào)、2號(hào)斜井時(shí)坡率分別按19.629%（11.11°）和20.069%（11.35°）設(shè)計(jì)，3號(hào)斜井坡率為14.04%（7.99°），但通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)隧道無(wú)軌運(yùn)輸斜井實(shí)際情況的調(diào)研，認(rèn)為1號(hào)、2號(hào)斜井的坡率偏大，這樣大的坡率將給施工運(yùn)輸造成很大的不便，綜合國(guó)產(chǎn)出渣車爬坡能力、運(yùn)載量能力、施工工期、車輛行駛環(huán)境等因素，設(shè)計(jì)時(shí)考慮項(xiàng)目3年工期以及地處超山自然保護(hù)區(qū)環(huán)境保護(hù)的要求，在斜井與主洞的交叉位置不變、斷面尺寸不變的情況下，對(duì)1號(hào)、2號(hào)斜井的井口位置和縱坡設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。3座斜井縱坡均每隔約300 m增設(shè)了一段緩坡段（見(jiàn)圖3），緩坡段長(zhǎng)30 m，坡度為3%。

圖3 斜井縱坡圖（單位：m）

1號(hào)斜井調(diào)整后，斜井比原設(shè)計(jì)增長(zhǎng)了318.075 m，坡率降為14%；2號(hào)斜井調(diào)整后，斜井比原設(shè)計(jì)增長(zhǎng)了369.457 m，坡率降為12.8%。兩座斜井的井口位置均向外移動(dòng)了300 m，適當(dāng)降低了斜井坡度（見(jiàn)表2），斜井坡度及井口位置調(diào)整后不僅滿足了自然保護(hù)區(qū)環(huán)境保護(hù)的硬性要求，同時(shí)由于坡度的減緩，既有利于加快了施工進(jìn)度并與總的施工組織相適應(yīng)，也有利于降低施工期車輛運(yùn)輸時(shí)的尾氣排放，為施工提供了一個(gè)較好的工作環(huán)境。3座斜井的坡率優(yōu)化和調(diào)整情況詳見(jiàn)表2。

表2 斜井縱坡調(diào)整一覽表

在通風(fēng)方面，斜井縱坡調(diào)整后對(duì)隧道的通風(fēng)和機(jī)電設(shè)施重新進(jìn)行了驗(yàn)算，調(diào)整后對(duì)隧道的整體通風(fēng)和機(jī)電基本沒(méi)影響。

4.3 斜井輔助坑道的設(shè)計(jì)

斜井長(zhǎng)度長(zhǎng)，斜井施工過(guò)程中施工機(jī)械和車輛在斜井中調(diào)頭、錯(cuò)車、爬坡較困難，為方便施工，增設(shè)了施工輔助坑道。施工輔助坑道根據(jù)斜井施工現(xiàn)場(chǎng)情況和地質(zhì)條件確定，1號(hào)和2號(hào)斜井各設(shè)置兩處，3號(hào)斜井設(shè)置一處。

斜井施工輔助坑道每處長(zhǎng)6 m，輔助坑道凈寬為10 m，凈高為4.5 m。斜井施工輔助坑道襯砌參考主洞支護(hù)參數(shù)，考慮到只做初期支護(hù)，不做二次襯砌，支護(hù)參數(shù)均較應(yīng)正常情況下的設(shè)計(jì)提高一級(jí)，施工輔助坑道一般設(shè)在緩坡段。

4.4 斜井襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

考慮現(xiàn)場(chǎng)施工3座斜井均需承擔(dān)通主洞施工任務(wù)的情況，如果斜井二次襯砌與初期支護(hù)跟進(jìn)施工，完成整個(gè)斜井的進(jìn)度將不能滿足斜井施工作業(yè)周期和整體隧道施工組織的進(jìn)度要求，嚴(yán)重影響斜井承擔(dān)主洞施工任務(wù)的施工組織安排?？紤]到斜井二次襯砌施工需在承擔(dān)并完成主洞施工任務(wù)后再施工，對(duì)斜井的襯砌方式進(jìn)行了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，針對(duì)圍巖的地質(zhì)情況，對(duì)斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。強(qiáng)化了初期支護(hù)參數(shù)，如對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖段在初期支護(hù)中增設(shè)了縱向間距為120 cm的I12.6工字鋼拱架支撐，施工時(shí)適當(dāng)增加了C25噴射混凝土的厚度，系統(tǒng)錨桿采用φ22早強(qiáng)速凝藥包錨桿，并進(jìn)行梅花型布置等措施。原則是結(jié)合圍巖實(shí)際，保證結(jié)構(gòu)安全，合理控制費(fèi)用，對(duì)于地質(zhì)條件好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件差的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。確保初砌結(jié)構(gòu)在施工期的安全性。

4.5 斜井防排水設(shè)計(jì)

斜井防排水設(shè)計(jì)，采用φ300中央排水管。初襯后采用立體防水板，提高排水的通暢性。二次襯砌的施工縫、變形縫、沉降縫、明暗洞相接處布設(shè)中埋式橡膠止水帶或背帖式止水帶，在富水段采用中埋式橡膠止水帶加背貼式止水帶。斜井地下風(fēng)機(jī)房的防排水設(shè)計(jì)在《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中有單獨(dú)要求，施工時(shí)需高度重視。

5 地下風(fēng)機(jī)房的布設(shè)

1號(hào)和2號(hào)斜井地下風(fēng)機(jī)房洞室群的組成相近，具體尺寸根椐風(fēng)機(jī)規(guī)格的不同略有差異。主要組成有送風(fēng)機(jī)房、排風(fēng)機(jī)房、風(fēng)機(jī)房聯(lián)絡(luò)通道、送風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道、排風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道、送風(fēng)口、排風(fēng)口、排煙道、風(fēng)機(jī)搬入通道、配電室、人行通道，詳細(xì)布設(shè)見(jiàn)圖4。對(duì)公路特長(zhǎng)隧道地下風(fēng)機(jī)房布置、構(gòu)造、作用及功能介紹的論文較多詳細(xì)的內(nèi)容這里不再贅述。

圖4 1號(hào)斜井地下風(fēng)機(jī)房洞室群平面布設(shè)圖（單位：m）

6 小結(jié)及建議

寶塔山特長(zhǎng)公路隧道基本按照項(xiàng)目要求工期順利完成，特長(zhǎng)公路隧道斜井設(shè)計(jì)在建設(shè)過(guò)程中也得到了較好的驗(yàn)證。本文主要對(duì)寶塔山隧道斜井設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了分析總結(jié)，希望能為大家提供參考。

a）斜井的布置和設(shè)計(jì)技術(shù)需要從多方面進(jìn)行綜合分析比選確定。主要考慮項(xiàng)目工程特點(diǎn)和地質(zhì)、地形條件、斜井功能及作用、斜井工程規(guī)模、斜井施工效率、隧址區(qū)環(huán)保要求、斜井風(fēng)機(jī)房型式、隧址區(qū)施工條件、項(xiàng)目工期、斜井施工組織安排等綜合分析比選。

b）根據(jù)斜井長(zhǎng)度，考慮施工運(yùn)輸車輛爬坡能力和運(yùn)載量，建議斜井采用無(wú)軌運(yùn)輸方式時(shí)縱坡應(yīng)不超過(guò)15%，斜井長(zhǎng)度超過(guò)300 m時(shí),每隔約300 m設(shè)置長(zhǎng)度30 m左右的坡率小于3%的緩坡段，這樣的坡度要求和緩坡段設(shè)計(jì)在3座斜井的施工中得到了較好的驗(yàn)證，無(wú)論對(duì)施工安全、環(huán)保要求或車輛使用等均是比較合理的。

c）斜井較長(zhǎng)時(shí)，需考慮車輛錯(cuò)車和調(diào)頭要求，設(shè)置施工輔助坑道。施工輔助坑道一般設(shè)在緩坡段較好。

d）斜井作為隧道施工通道，需要承擔(dān)主隧道施工任務(wù)時(shí)，斜井的襯砌結(jié)構(gòu)，可按照斜井二次襯砌在隧道施工完成后才施做考慮，初期支護(hù)應(yīng)適當(dāng)提高，二次襯砌可適當(dāng)降低。

e）斜井的施工便道，需考慮斜井的風(fēng)機(jī)房位置來(lái)設(shè)計(jì)，斜井設(shè)地下風(fēng)機(jī)房時(shí)施工采用臨時(shí)道路，斜井設(shè)地上風(fēng)機(jī)房時(shí)采用等級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，斜井、風(fēng)機(jī)房及承擔(dān)的主洞施工完成后鋪筑路面結(jié)構(gòu)作為運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)道路。