公路特長隧道通風豎井設(shè)計方法及施工技術(shù)

李曉俊

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

隨著中國高速公路建設(shè)的發(fā)展，長大隧道越來越多，對于長大隧道的通風豎井建設(shè)也將會受到更多的關(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，還需要進行深入的研究。通風條件是制約長大公路隧道建設(shè)的主要因素之一，因此，建設(shè)好豎井工程對長大公路的建設(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)應盡量置于基巖中。鎖口圈通常采用敞口開挖，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，受力復雜，并承受井身二次襯砌傳來荷載，應考慮加強處理。馬頭門斷面應能滿足施工所用的材料、設(shè)備的運輸及運營期間導流葉片的安裝。

（4）井身是豎井的主要組成部分，它上接鎖口圈，下接馬頭門。當豎井較深時，或井身需要承受上方較大荷載時，應設(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）井身支護一般采用噴錨防護的復合襯砌結(jié)構(gòu)形式，初期支護為主要的承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌通常作為安全儲備及減少運營期間通風阻力的作用。

（6）從結(jié)構(gòu)受力、施工難易程度以及通風效率等多方面考慮，豎井斷面以圓形斷面較為合適，其內(nèi)徑的大小應根據(jù)《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的“風道內(nèi)設(shè)計風速宜在13 m/s～18m/s范圍內(nèi)取值”而確定，高低的取值與通風井的長度有關(guān)系（即考慮井內(nèi)摩阻力變化對送排風機功率的影響）。當通風井偏長時，應取較低的風速，當通風井偏短時可以取較高的風速，如果通風井長度小于100 m，井內(nèi)風速即使取20 m/s對風機功率影響也是可以接受的。

（7）采用送排式通風方案時，根據(jù)需要還應設(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

2.1 鎖口圈設(shè)計

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

（2）鎖口圈底部一般采用擴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，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）當鎖口圈上作用有建筑時（如井架、通風塔），應核算其截面垂直應力是否滿足要求，計算公式：

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度，kN；

A：鎖口圈井壁最薄處橫截面積，m2。

圖2 豎井鎖口圈計算模型

（5）鎖口圈井壁軸力彎矩采用彈性力學。

厚壁筒公式計算，計算模型及公式：

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)件抗壓強度驗算。

2.2 井身設(shè)計

（1）豎井襯砌按新奧法原理采用復合襯砌，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，以免對施工產(chǎn)生過大干擾，因此初期支護應適當加強。

（2）豎井底部馬頭門處由于周邊圍巖受力狀態(tài)復雜，設(shè)計上應對初期支護與二次襯砌進行加強處理。

（3）豎井井口段地質(zhì)一般較差，通常采用敞口開挖，修筑明洞結(jié)構(gòu)形式。對于土層地段，應優(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算（不夠完善，計算結(jié)果與實際有一定出入），推薦采用三維有限元計算，結(jié)果相對合理。

（5）由于二次襯砌原則上都是由底部向上進行澆筑，因此，豎井一般可不設(shè)壁座。當豎井埋深較大時，應考慮二次襯砌所承受的自重，其允許支撐高度H計算如下（不計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度，kN。

當2次襯砌采用C25混凝土時，h計算為226 m。因此，若豎井深度大于200m時，應在井壁中設(shè)置壁座，一般設(shè)計可按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級圍巖地段b=0.6 m～0.8m，Ⅳ級圍巖地段b=1.0m～1.2m，Ⅴ級圍巖地段b不大于1.5m），傾角α可按以下角度取值：

α=50°～60°（Ⅴ級級圍巖地段）

α=25°～45°（Ⅳ級圍巖地段）

α=0°～15°（Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段）

（7）井底馬頭門與聯(lián)絡(luò)風道連接處通常采用似矩形斷面，以保證豎井與聯(lián)絡(luò)風道在直墻上連接，方便設(shè)計與施工?？紤]到豎井井身與井底風道的順接以及導流頁片的布置，豎井底部可設(shè)置一段不小于5 m長的圓變方過渡段，豎井斷面由圓形漸變?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、吊桶、穩(wěn)車等，施工設(shè)備及技術(shù)相對復雜，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為斷繩、脫鉤產(chǎn)生溜車（掉罐）或過卷，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，以及豎井開挖和襯砌是單獨作業(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：吊罐反井正向擴大法、爬罐反井正向擴大法、鉆機反井正向擴大法。

4 結(jié)束語

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)計階段應從多方面綜合考慮及充分論證方能達到預期的效果。望能通過文章對豎井設(shè)計的綜合論述，對豎井工程的建設(shè)提供幫助。

[1]中華人民共和國行業(yè)標準.《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004）.北京：人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國行業(yè)標準.《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