特长公路隧道斜竖井设计施工关键技术

黄 廷,伍毅敏

(1.浙江省交通规划设计研究院,浙江杭州 310006; 2.中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075)

近年来,随着我国高速公路向山区延伸,出现了越来越多的特长隧道。在这些特长隧道中,大多采用了斜竖井通风。斜竖井通风系统造价高,影响大,不仅与隧道排烟降尘紧密联系,还与隧道建养成本控制、环境保护、斜竖井施工技术及安全管理等息息相关。由于我国特长公路隧道起步较晚,虽然诸多学者开展了大量的研究,取得了一些成果,但在斜竖井设计施工方面仍存在较明显的不足。到目前为止,斜竖井的设计施工仍处于借鉴和探索阶段。为了更系统地开展研究,笔者收集了国内部分特长隧道斜竖井设计施工的相关成果,对若干关键技术进行了整理,并提出了一点认识,供大家参考和探讨。

1 斜竖井实例

目前国内建成特长公路隧道包括陕西西安至安康高速公路秦岭终南山隧道,湖南邵阳至怀化高速公路雪峰山隧道,山西新广武至原平高速公路雁门关隧道等十余座[1-11],这些隧道分别设有一座或多座斜竖井。为了保证这些斜竖井的建设,相关单位开展了大量的研究工作,使我国特长公路隧道斜竖井建设水平有了很大的提高。表1列出了部分斜竖井的设计施工情况。

表1 国内部分特长公路隧道斜竖井案例

2 斜竖井方案选择

斜竖井方案包括斜竖井座数、井口位置、斜竖井坡度选择等,这是特长隧道通风系统设计中首先要确定的问题,往往需要综合考虑多方面的因素,开展专项研究来确定。

2.1 斜竖井座数

斜竖井座数主要根据隧道长度、交通量、隧址地形及经济技术条件来确定。其中隧道长度、交通量、隧址地形情况在规划和勘查阶段基本可以确定,对斜竖井方案的影响是固定的。经济技术条件则是一个比较复杂的问题。

从经济成本角度看,隧道通风运营成本可分成建设成本和运营成本。前者包括土建工程造价和通风设备购置安装费,后者则包括运营期的能耗与设施养护费等。隧道通风系统的建设成本发生在建设期,相对容易计算和比较,其运营成本则与多方面的因素揉杂在一起,要准确确定十分困难。例如,由于竖井排送组合通风涉及隧址自然风风压、复杂风道通风计算等问题,目前对这些问题虽然开展了不少研究,但并未得出公认的合理解算方法[12],这就导致了运营过程中实际所需通风量、装机容量及实际工作模式、运转时间等的不确定。

从技术角度看,隧道远期通风需求是一个动态发展的系统问题。隧道通风运营设计的各项技术都存在认识和发展的不确定性。认识的不确定性包括前面提到的对竖井送排风通风模式的认识尚不明确。发展的不确定性包括对决定隧道通风需求,确定通风模式的各因素的发展情况。例如,随着汽车工业的发展、环境保护要求的提高、新型汽车动力的开发,汽车排污量在日后的下降幅度不确定。又比如,目前我国在长隧道和特长隧道中多采用射流风机通风,污染空气直接通过井口和隧道洞门排到洞外,如果将静电除尘技术应用到我国隧道通风领域,则可能彻底改变我国长隧道和特长隧道通风模式。此外,隧道建成后交通量的增长情况也具有不确定性。

2.2 井口位置

井口位置主要由隧址地形条件、地质条件、环境保护要求等因素决定。竖井井口一般标高较大,选择时应注意保证井口地面比较平坦,并且井口容易使人员与施工设备通达,因为在竖井施工中,井口地面的井架和提升绞车都是必需的,没有平坦的地面,施工将无法进行。斜井井口标高较低,施工方法可以灵活考虑正井法或反井法,选择余地较大。从环保角度考虑,竖井井口较高,有利于污染空气的扩散,选择余地较大;斜井井口则相反。此外,环保方面还要充分考虑对周边村落、生态环境等的影响。

2.3 斜竖井坡度选择

理论上看,斜竖井坡度直接由洞内联络风道位置和井口位置直接确定。联络风道的位置常根据隧道通风计算确定污染空气排出位置和新鲜空气送入位置。一般考虑将斜竖井均匀布置在隧道范围内,实际操作时应根据可能的井口位置进行局部调整。

为了尽量缩短风道长度,减小通风阻力,降低运营成本,联络风道与井口之间尽可能采用直线连接。但是,由于施工技术的限制,坡度在25°～30°的斜井施工难度很大,往往很少采用。当斜井坡度在25°～30°时,常规机械的爬坡性能都不能满足要求,隧道弃渣也不能自溜排出。当联络风道与井口之间直线坡度在此范围内时,往往将斜井设计成缓坡(小于25°)与陡坡(大于30°)或竖井(90°)的组合。在进行这种缓坡与陡坡组合的通风井设计时,两段通风井之间的转角对通风运营成本有很大影响,因此应充分进行论证。以西汉高速公路秦岭1号隧道为例,文献[13]讨论了中等坡度斜井、缓坡斜井+竖井、缓坡斜井+陡坡斜井3种方案(如图1),结论是:中等坡度方案斜井能耗最低,但施工相当困难;缓坡斜井+竖井方案施工难度较大,能耗甚大,为中等坡度方案的1.66倍;缓坡斜井+陡坡斜井方案施工较方便,能耗与中等坡度方案相当。

图1 秦岭1号隧道通风井方案

3 斜竖井断面设计

斜竖井断面设计包括断面面积、断面形状和送排风道划分。

斜竖井断面面积的确定,主要根据隧道送排风量的大小及设计的经济风速来共同确定。理论和工程实践表明,斜竖井内风速在12～18 m/s,低于或超过这个速度都不经济。通过计算获得送排风量Q,初步确定设计风速V,得到通风面积A=Q/V。在送排风分离的通风井中,求得的面积可直接作为断面参考值;如果送排风道共用同一通风井,则总面积为排风道和送风道面积之和。由于斜竖井送排风通风系统流场分析较为复杂,实际确定参数时,一般应根据上述粗估的风道断面积,确定断面形状和大小,然后对整个通风系统进行理论或模型试验分析验证,并反复修正,最终确定合理的通风井断面积。

斜竖井断面形状主要为圆形和马蹄形2种(图2)。为了施工方便,斜井一般为马蹄形,少数为圆形;竖井为圆形。马蹄形断面根据行业不同略有差别,在公路隧道领域,多为曲墙断面(图2b);在铁路隧道领域,多为直墙断面(图2c);在水工领域,2种断面都有。圆形断面的优点是断面利用率高,受力合理,便于衬砌滑模施工;缺点是斜井条件下开挖成形较困难,因而多应用在竖井中。马蹄形断面的优点是施工和养护时人员、机械可在其中行走,施工和养护较方便,缺点是断面利用率不高,受力不尽合理,支护衬砌较困难,成本高。

图2 几种常见斜竖井断面

斜竖井内风道划分主要根据设计送排风量比例确定。有些斜竖井为单一送风或单一排风通风井,则不需要进行风道划分。

4 斜竖井开挖方法

斜竖井开挖方法对斜竖井的设计有重大影响,从国内已建公路隧道斜竖井来看,施工工法往往决定了斜竖井设计方案。斜竖井常用的施工工法(图3)有正井法开挖、反井法开挖、导井法开挖。

4.1 正井法开挖(图3a)

正井法开挖为自通风井井口向井底正向开挖。这是在矿山中常用的一种开挖方法,对于公路特长隧道,只有在井口标高不大、井口场地条件较好时采用。竖井正井法开挖,在井口安装井架和升降设备进行出渣和运送材料。斜井正井法开挖,多采用绞车有轨运输。

4.2 反井法开挖(图3b)

反井法开挖为自井底向井口反向开挖。在铁路和矿山中,反向开挖斜井、竖井的案例都有。反向坡度越大,反井施工越困难,机械设备、安全管理要求越高。竖井和陡坡斜井(大于30°)可以采用自溜排渣,岩石在自重作用下直接溜到井底,再用装载设备转运。对于缓坡斜井(小于25°),岩石一般不能自溜,但由于坡度较缓,常规装载设备可用于出渣。坡度在25°～30°之间的斜井岩石既不能自溜,常规装载设备也不适用,施工相当困难,因而一般不推荐使用反井法开挖。必须采用反井法开挖时,则需要设计溜槽并根据实际坡度和坡长,为溜槽进行震动增加动力。

4.3 导井法开挖(图3c、图3d)

导井法是在通风井开挖一端施工条件很差,开挖困难的情况,通过开挖导井改善施工条件的施工方法。根据开挖方向的不同,导井也可分为正导井和反导井。

1)正导井(图3c):当斜竖井井口便道条件很差时,大型设备、材料都不能运到井口,弃渣也不能运走时,从井口向下开挖一个小的导井到井底,通过导井将设备和材料提升到井口再进行扩挖,弃渣通过导井从井底运走。

2)反导井(图3d):当斜竖井井口完全不能到达时,只能从井底向上开挖。考虑到完全反井开挖速度慢,安全系数低,可以先反向开挖一个导井到井口,提升材料和设备,再按正井法进行扩挖。

图3 斜竖井主要开挖方法

5 结语

在特长隧道斜竖井设计施工中,竖井数量、位置、坡度,断面形状和大小,开挖方法等因素互相关联,在设计时应统筹地充分进行论证,方可制定合理的设计施工方案,达到快速安全的目的。

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