長大公路隧道中部豎井設(shè)計及施工方案比選

王柳殊

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610000)

在長大隧道施工及運(yùn)營期間，隧道通風(fēng)都是隧道安全極其重要的一環(huán)，隨著大量公路隧道進(jìn)入西部山區(qū)，在地形允許條件下采用豎井進(jìn)行輔助通風(fēng)，已成為隧道通風(fēng)設(shè)計的共識。近年來，為了解決豎井從煤礦行業(yè)直接引入公路隧道中的局限性，許多學(xué)者對通風(fēng)豎井在公路隧道中的設(shè)計及施工技術(shù)進(jìn)行了研究。王巍[1]、趙順義等[2]對公路隧道豎井施工中爆破參數(shù)、機(jī)械選擇、滑模施工及注漿防水技術(shù)進(jìn)行了介紹，為同類工程提供借鑒；駱馳等[3]以華鎣山特長公路隧道為背景，對深豎井圍巖壓力秦氏計算理論及其參數(shù)取值進(jìn)行了探討，為公路行業(yè)豎井施工方法的設(shè)計提出了建議；陳光明等[4]通過對現(xiàn)有豎井設(shè)計方案的調(diào)研，闡述了豎井位置、與聯(lián)絡(luò)風(fēng)道交叉形式及機(jī)械化施工對豎井施工的影響；姚志剛、方勇等[5]通過數(shù)值模擬的方法，對深大硬巖通風(fēng)豎井井壁位移、應(yīng)力規(guī)律以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了分析，認(rèn)為硬巖豎井施工時應(yīng)考慮巖爆風(fēng)險。

以上研究對公路隧道通風(fēng)豎井的設(shè)計、施工、受力等進(jìn)行了分析并提出了建議，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合米倉山隧道工程實(shí)際、地形地貌及地質(zhì)水文條件，通過對通風(fēng)阻力、工期、風(fēng)險和造價的綜合考量，最終確定了最優(yōu)的豎井設(shè)計及施工方案。

1 工程概況

某長大隧道位于巴陜高速公路川陜交界位置[6]，隧址區(qū)地形具有“一山兩嶺夾一谷”的特點(diǎn)，隧道最大埋深約1 000m，隧道進(jìn)口段以砂泥巖、白云巖為主，出口段以石英閃長巖為主。隧道左線長13 833m，右線長13 792m，為左右行分離的特長公路隧道，主洞左、右線起止樁號為ZK39+699～ZK53+532、K39+734～K53+526，豎井位于隧道埋深約430m的中部谷地，樁號為ZK46+813，圍巖級別Ⅲ級。

2 豎井方案比選

根據(jù)資料調(diào)研與煤礦豎井設(shè)計施工經(jīng)驗(yàn)，對米倉山隧道豎井設(shè)計提出三種方案：

(1)方案1：送排風(fēng)豎井分離見圖1(a)，采用復(fù)合式襯砌[7]配合長段掘砌單行作業(yè)。

(2)方案2：送排風(fēng)豎井二合一見圖1(b)，采用復(fù)合式襯砌配合長段掘砌單行作業(yè)。

(3)方案3：送排風(fēng)豎井二合一，采用模筑單層襯砌配合短段掘砌混合作業(yè)。

(a) 送排風(fēng)分離豎井

(b) 送排風(fēng)二合一豎井

三種方案具體信息如表1所示，下文將通過通風(fēng)阻力、施工工期、風(fēng)險和施工造價四個方面對方案進(jìn)行比選，并推薦最優(yōu)的設(shè)計及施工方案，為類似工程提供借鑒。

表1 各豎井方案基本信息

2.1 通風(fēng)阻力

豎井通風(fēng)阻力由沿程阻力和局部阻力組成，其中，局部阻力主要產(chǎn)生在進(jìn)口和出口處[8]，具體按式(1)計算。

(1)

式中：H為豎井通風(fēng)阻力(Pa)；ζj為豎井入口局部損失系數(shù)，取0.6；ζc為豎井出口局部損失系數(shù)，取1.0；λr為豎井壁面摩阻損失系數(shù)，取0.02；Dr為豎井當(dāng)量直徑，即4A/U，U為隧道周長(m)；L為豎井長度(m)；ρ為風(fēng)流密度，取1.2kg/m3；v為豎井中的風(fēng)速(m/s)。

經(jīng)計算，方案1通風(fēng)阻力為795.1Pa，方案2和方案3的通風(fēng)阻力為793.3Pa，通風(fēng)阻力相差0.23 %。因此從通風(fēng)阻力方面看，三個方案均是可行的。

2.2 施工工期

施工工期的長短，即鉆爆開挖、通風(fēng)、出渣以及進(jìn)行支護(hù)所耗費(fèi)的時間，其中，支護(hù)措施所占時間比重最大。方案1、方案2采用復(fù)合式襯砌，即在豎井鉆爆法開挖后，進(jìn)行初期噴錨支護(hù)、鋪鋼筋網(wǎng)，再施做二次襯砌，在Ⅵ、Ⅶ級圍巖區(qū)段還需架立格柵鋼架；結(jié)合豎井施工區(qū)段以Ⅲ級圍巖為主，方案3采用直接澆筑單層60cm厚模筑混凝土的支護(hù)措施，只需在Ⅵ、Ⅶ級圍巖區(qū)段進(jìn)行臨時噴錨。施工工期比較如表2所示，由于施工設(shè)備只有一套，方案1的送、排風(fēng)豎井需要依次施工，總工期為32個月，方案2需要21個月，而方案3只需11個月。

表2 各豎井方案工期 單位:月

2.3 風(fēng)險分析

考慮到豎井施工的復(fù)雜性，從三方面對風(fēng)險進(jìn)行分析。

2.3.1 施工方法

小井筒施工大型機(jī)具無法進(jìn)入，通常人工手持鉆機(jī)鉆眼、人工裝渣，井下作業(yè)人數(shù)較多，而大井筒作業(yè)面積大，便于機(jī)械化作業(yè)；并且短段掘砌混合施工與長段掘砌單行施工相比，風(fēng)險更小，因此在施工方法方面，方案3的風(fēng)險最低。

2.3.2 施工工序

復(fù)合式襯砌需要施作噴錨支護(hù)、初噴混凝土、錨桿鉆孔、安裝鋼筋網(wǎng)與錨桿，必要時架設(shè)鋼架，然后復(fù)噴混凝土，與直接澆筑單層模筑混凝土相比，工序密度大且轉(zhuǎn)換時間短，增加了風(fēng)險積累，因此在施工工序方面，方案3的風(fēng)險最低。

2.3.3 施工時間

總施工工期越長，潛在的危險因子就越大，在施工時間方面，方案3的風(fēng)險最低。

綜上所述，在風(fēng)險評估方面，方案3最優(yōu)。

2.4 施工造價

根據(jù)豎井投標(biāo)報價，三個方案每延米單價及總建設(shè)安裝費(fèi)如表3所示。

表3 各豎井方案造價

在施工造價方面，方案1造價最低，方案2、方案3分別比方案1高22 %、5.8 %。

2.5 綜合比較

上文分別對三種豎井方案的通風(fēng)性能、風(fēng)險、工期以及造價進(jìn)行了計算和比較，現(xiàn)分析如下：三種方案的通風(fēng)阻力相差0.23 %，因此通風(fēng)性能相差不大；在豎井造價方面，方案1和方案3在同一水平上，而方案2的造價偏高；在風(fēng)險和工期方面，方案3均是最優(yōu)選擇。由于米倉山隧道是巴陜高速公路的控制性工程，工期壓力較大，且施工安全是整個豎井項(xiàng)目的重點(diǎn)，因此推薦方案3作為米倉山隧道的豎井設(shè)計及施工方案。

3 結(jié)論與建議

在長大公路隧道建設(shè)過程中，其豎井的設(shè)計及施工方案需要結(jié)合多方面進(jìn)行綜合考慮：

(1)隧址區(qū)地形及工程地質(zhì)條件，是豎井支護(hù)措施的主要考量標(biāo)準(zhǔn)。

(2)作為施工及后期運(yùn)營的主要功能，豎井通風(fēng)性能決定了隧道通風(fēng)費(fèi)用。

(3)施工風(fēng)險分析，對豎井方案是否合理提供了重要參考。

(4)施工工期及造價。

本文綜合以上因素，推薦米倉山隧道采用送排井二合一風(fēng)豎，并進(jìn)行模筑單層襯砌配合短段掘砌混合作業(yè)，精簡了豎井設(shè)計及施工方案，可為類似工程提供借鑒。