公路隧道豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方案

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摘要：城開特長公路隧道擬采用三區(qū)段縱向式送排風(fēng)方案，開縣端設(shè)置為送排風(fēng)豎井。細致闡述了豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，尤其是對鎖口圈及交叉口部位的設(shè)計。同時，介紹了本隧道豎井采用的施工方案，以及各復(fù)雜部位的施工注意事項。最后得出以下結(jié)論：①豎井鎖口圈及交叉口部位宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；②通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道與隧道主洞交疊部位間距不宜小于5m；③結(jié)合豎井地質(zhì)情況、水文條件、井口場地、運輸條件、技術(shù)設(shè)備及工期要求等選擇合理的施工方案。

關(guān)鍵詞：豎井;通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道;鎖口圈;交叉口

近年來在國家戰(zhàn)略交通先行的背景下，我國交通投資、建設(shè)規(guī)模持續(xù)攀升。崇山峻嶺之間建設(shè)高速公路，需要修建越來越多的特長隧道，長度甚至超過10km。為滿足運營通風(fēng)及防災(zāi)救援通風(fēng)要求，5km以上公路隧道需于隧道洞身段設(shè)置豎井或斜井形成分段縱向式通風(fēng)。豎井作為一種特殊的、有別于常規(guī)隧道的豎向地下結(jié)構(gòu)型式，無論從結(jié)構(gòu)設(shè)計還是施工技術(shù)，均需要根據(jù)其特點進行分析研究。雖然，國內(nèi)外學(xué)者和建設(shè)者對豎井設(shè)計及施工開展了大量的研究，但由于每個工程項目有其自身的特點和要求，施工設(shè)備也在不斷提升和改進，施工水平也在持續(xù)進步，因而，豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工相關(guān)的研究對于高速公路建設(shè)仍具有重要的指導(dǎo)意義。

1工程概況

城開特長隧道是銀川至百色國家高速公路重慶開縣至城口(渝陜界)段高速公路重大控制性工程之一，左線隧道起訖樁號為ZK71+781~ZK83+270m，長11489m；右線隧道起訖樁號為K71+778~K83+234m，長11456m，最大埋深約為1366m；隧道采用三區(qū)段縱向式送排風(fēng)方案，城口端通風(fēng)斜井長791m（平長），坡度22.3°。開縣端送風(fēng)豎井長303.6m，排風(fēng)豎井長303m。綜合考慮隧道通風(fēng)、地質(zhì)條件、路線布置、豎井施工等多方面的因素，確定豎井通風(fēng)系統(tǒng)的平面總體布置情況見圖1。豎井井位屬于構(gòu)造剝蝕中高山地貌，地形坡度較平緩，一般地形坡度15°~30°，局部地段呈陡坎狀。上覆全新統(tǒng)崩坡積層（Q4col+dl），厚度約為3.5m，下伏基巖為志留系下統(tǒng)新灘組+羅惹坪組（S1x+l）砂質(zhì)頁巖。豎井圍巖級別除洞口30m為Ⅴ級外，其余段均為Ⅳ級。綜合地下徑流模數(shù)法和大氣降水滲入法，豎井平水期涌水量預(yù)測值為1005m3/d，豐水期涌水量預(yù)測值為3015m3/d。

2豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究

2.1豎井、聯(lián)絡(luò)風(fēng)道、送排風(fēng)口內(nèi)輪廓。豎井、聯(lián)絡(luò)風(fēng)道的面積是根據(jù)通風(fēng)計算確定的經(jīng)濟斷面（豎井內(nèi)凈空參數(shù)見表1），結(jié)合圍巖條件和各結(jié)構(gòu)開挖斷面大小，豎井采用圓形結(jié)構(gòu)(送風(fēng)井內(nèi)徑為8.4m，排風(fēng)井內(nèi)徑為7m)，聯(lián)絡(luò)風(fēng)道采用直邊墻結(jié)構(gòu)。通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道排風(fēng)口與隧道正洞垂直，受排風(fēng)口風(fēng)速的限制，排風(fēng)口面積滿足風(fēng)速v<8m/s的要求；面積為37.84m2。排風(fēng)口跨度比較大，風(fēng)道與隧道相接處，襯砌結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，結(jié)合本隧道排風(fēng)口的圍巖情況，采用直墻+半圓拱的拱形結(jié)構(gòu)。通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道送風(fēng)口設(shè)在正洞的頂部。隧道左洞利用正洞建筑限界外的上部空間，設(shè)置長度20m和厚度30cm鋼筋混凝土隔板的送風(fēng)口，送風(fēng)口面積滿足風(fēng)速v=25~30m/s的要求，豎井左線豎井送風(fēng)口面積14.42m2；豎井右線豎井送風(fēng)口面積9.25m2；風(fēng)道拐角處設(shè)置導(dǎo)流板，減小風(fēng)阻。豎井通風(fēng)系統(tǒng)三維視圖見圖2。2.2豎井結(jié)構(gòu)支護參數(shù)。目前豎井結(jié)構(gòu)的支護參數(shù)確定主要采用經(jīng)驗類比法。其圍巖壓力計算時基本假定為豎井周圍每層巖層受破壞時出現(xiàn)滑動棱柱體，將其上的覆蓋層視為作用于破壞棱柱體上的均布荷載（即秦氏豎井圍巖壓力）。按新奧法原理進行洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計，即以系統(tǒng)錨桿、噴砼、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成初期支護與二次襯砌鋼筋砼相結(jié)合的復(fù)合襯砌形式：根據(jù)工程類比并結(jié)合結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果擬定豎井、聯(lián)絡(luò)風(fēng)道襯砌支護參數(shù)，見表2。2.3鎖口圈結(jié)構(gòu)設(shè)計。井口鎖口圈類似隧道洞門，是防止井口坍塌、落石，保證施工安全的重要結(jié)構(gòu)[1]。結(jié)合豎井口地形及地質(zhì)情況，井口處設(shè)置8m高鋼筋混凝土鎖口圈（見圖3），厚度為80cm。并參照《公路隧道設(shè)計細則》公式（20.2.4-1）~式（20.2.4-6）計算鎖口圈井壁內(nèi)的軸力及彎矩[2]，并進行相應(yīng)結(jié)構(gòu)驗算及配筋計算。于鎖口圈底部設(shè)置壁座。鎖口圈高出周圍地面至少1m，避免施工期間地表水流入及異物墜入，同時，于周邊設(shè)置截水溝。2.4交叉口部位及交疊部位結(jié)構(gòu)設(shè)計。豎井系統(tǒng)主要有3種交叉口部位：聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與豎井交叉口(見圖4)、排風(fēng)聯(lián)絡(luò)道與隧道主洞交叉口(見圖5)及送風(fēng)聯(lián)絡(luò)道與隧道主洞交叉口(見圖6)。交叉口部位是水平結(jié)構(gòu)和豎向結(jié)構(gòu)的交叉點，結(jié)構(gòu)特殊，受力復(fù)雜[1]。其設(shè)計原則為：（1）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全合理：合理進行空間布局，減少各部位間相關(guān)干擾，并根據(jù)工程類比法及必要的計算進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。（2）過渡順暢，利于通風(fēng)，便于施工：風(fēng)道內(nèi)截面突變引起局部風(fēng)阻，因此，交叉口處應(yīng)設(shè)置過渡段，降低風(fēng)阻的同時，也方便了施工。聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與主洞交疊部位(見圖7)需結(jié)合該處地質(zhì)情況及高程關(guān)系綜合確定兩者間距。為確保結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定及降低施工相互干擾，綜合以往類似工程經(jīng)驗，建議兩者間距小于5m。2.5豎井防排水設(shè)計方案。（1）防水設(shè)計：豎井防水體系不同于隧道正洞，可不設(shè)置防水層，主要通過周邊圍巖的注漿止水及二次襯砌結(jié)構(gòu)自防水實現(xiàn)。不設(shè)置變形縫。施工縫采用中埋式橡膠止水帶和背貼式止水帶防水。（2）排水設(shè)計：豎井襯砌背后豎向設(shè)置四道Φ100HDPE雙壁打孔波紋管（外裹無紡布），將豎井水引入聯(lián)絡(luò)風(fēng)道縱向邊溝內(nèi)。其余各襯砌左右邊墻背后設(shè)置Φ100HDPE雙壁打孔波紋管（外裹無紡布）各一道，其縱坡與風(fēng)道縱坡一致。排風(fēng)聯(lián)絡(luò)道襯砌兩側(cè)設(shè)置縱向邊溝，接入正洞中心水溝內(nèi)。（3）施工期間排水：豎井的開挖，每100m左右在豎井井壁上設(shè)置臨時儲水洞一處，用于放置水泵及轉(zhuǎn)運水箱，儲水洞的設(shè)置間距及大小可根據(jù)水泵揚程等現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整，豎井施工期間排水采用水泵逐級提取。豎井施工完成后采用C15砼對儲水洞進行回填。

3豎井施工方案研究

3.1目前常用的豎井施工方法。根據(jù)國內(nèi)外煤炭、冶金及水利水電等行業(yè)在豎井施工方面的經(jīng)驗，目前豎井的基本施工方法可按照隧道主洞與豎井建成的先后進行選擇:正井法及反井法。正井法：從井口開始全斷面開挖，自上而下施工，井筒開挖一次鑿巖爆破成型，采用抓巖機裝渣，采用吊桶提升運輸洞渣和材料，出渣完成后施作初期支護和二次襯砌。優(yōu)點：工藝簡單、技術(shù)成熟，可提前開工。缺點：出渣及排水困難、需機械通風(fēng)、工期一般較長、安全性相對較差等。反井法：先開挖用于溜渣的導(dǎo)洞，然后再用傳統(tǒng)的鉆爆法自上而下擴挖成井[3]。優(yōu)點：施工場地小，施工設(shè)備相對較少，總費用低、工期短、安全性好、導(dǎo)井有利于出渣、排水及通風(fēng)等特點。缺點：需要主洞施工至豎井處才能開始豎井施工；該法視鉆井設(shè)備的技術(shù)參數(shù)對井深有一定的限制[4]。3.2本項目擬采用的施工方案。（1）豎井總體施工方案：結(jié)合豎井地質(zhì)情況、水文條件、井口場地、運輸條件、技術(shù)設(shè)備及工期要求等，本隧道豎井施工擬采用正井法。洞口搭設(shè)提升絞架，使用罐籠垂直提升運輸洞渣及其他材料，自上而下豎向鉆爆施工。豎井施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)，保障井下作業(yè)面充分通風(fēng)，必要時為作業(yè)人員配備氧氣袋。豎井鋼筋混凝土襯砌應(yīng)優(yōu)先采用一體化液壓滑動模板或滑框倒模工藝，由下至上施工，斷面形狀不規(guī)則段可采用小模板拼裝。豎井排水采用揚程不小于100m的水泵逐級提升至洞外，隨開挖深度的加深每100m左右在豎井壁設(shè)置臨時儲水洞作為抽水轉(zhuǎn)運使用。（2）聯(lián)絡(luò)風(fēng)道上跨正洞或其他聯(lián)絡(luò)風(fēng)道時，施工順序為：①先施工正洞和下部聯(lián)絡(luò)風(fēng)道；②再施工上跨聯(lián)絡(luò)風(fēng)道。當(dāng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道底部距離初期支護距離較近時，應(yīng)采用控制爆破（必要時采用非爆破開挖），并應(yīng)加強監(jiān)控量測。（3）交叉口部位的施工順序均要在先期實施洞室的二次襯砌施工完成達到設(shè)計強度后，再實施下一洞室，不同聯(lián)絡(luò)風(fēng)道不能同時施工，并采用控制爆破，后施工聯(lián)絡(luò)風(fēng)道爆破開挖時，中巖墻靠近先行聯(lián)絡(luò)風(fēng)道一側(cè)直墻中間部位的最大震動速度不超過15cm/s，并加強監(jiān)控量測。（4）豎井中隔板作為分開風(fēng)道的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為30cm，其水平筋與襯砌預(yù)留鋼筋焊接，中隔板和二次襯砌采用一體化液壓模板由下至上一次成型施工技術(shù)，使中隔板自身重力全部作用在豎井井壁上。3.3豎井施工安全。（1）豎井口施工時應(yīng)盡快完成鎖口圈二次襯砌澆筑，保證豎井口施工安全。（2）豎井運輸時，井口、井下及提升機房處均應(yīng)明確統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號，有條件時在相應(yīng)點實行視頻監(jiān)控。提升、下放、停止等，均應(yīng)有簡明、易記的色燈信號并有相應(yīng)的音頻信號支持。（3）應(yīng)設(shè)有安全防護設(shè)施和檢查步梯或爬梯，施工階段井筒內(nèi)應(yīng)設(shè)安全步梯。豎井還應(yīng)設(shè)置可靠的防墜器。（4）提升設(shè)備操作人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，經(jīng)考試合格取得合格證書后，方可從事本項工作。司機上崗前，應(yīng)認真閱讀提升機操作使用說明書及注意事項等，熟練掌握操作要領(lǐng)，嚴格操作規(guī)程。（5）提升機各系統(tǒng)必須定期按使用說明書的有關(guān)條文進行維修保養(yǎng)，嚴禁帶故障、超負荷運行。

4結(jié)論與建議

豎井通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工均較為復(fù)雜，本隧道設(shè)計方案及施工方案在已建項目工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上進行了一定的歸納總結(jié)，并基于秦氏豎井地壓理論等對圍巖壓力等進行了計算。得出了以下結(jié)論：（1）豎井鎖口圈及交叉口部位宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。（2）通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道與隧道主洞交疊部位間距不宜小于5m。（3）結(jié)合豎井地質(zhì)情況、水文條件、井口場地、運輸條件、技術(shù)設(shè)備及工期要求等選擇合理的施工方案。但是目前的豎井相關(guān)設(shè)計理論不夠系統(tǒng)化，且與工程建設(shè)實際仍有部分脫節(jié)。建議對豎井仍采用隧道主洞的圍巖級別評判標(biāo)準及設(shè)計理論的現(xiàn)狀合理性進行深入的研究，對豎井的支護方式進行更新、更合理的探索，盡快制定豎井設(shè)計及施工方面針對性的規(guī)范、標(biāo)準以供參照。

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作者:張孝偉 單位:重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院