公路特长隧道通风竖井设计方法及施工技术

李晓俊

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

随着中国高速公路建设的发展，长大隧道越来越多，对于长大隧道的通风竖井建设也将会受到更多的关注。公路隧道因井位的选择、地质条件的差异、功能上的差异、结构安全的差异等，还需要进行深入的研究。通风条件是制约长大公路隧道建设的主要因素之一，因此，建设好竖井工程对长大公路的建设至关重要。

1 一般规定

（1）竖井结构主要包括锁口圈、井身、马头门。

（2）锁口圈设置于隧道口部，主要承受地表土层的土压力、井口建筑物及设备的荷载，其基础应尽量置于基岩中。锁口圈通常采用敞口开挖，采用钢筋混凝土结构。

（3）马头门为井身与联络通道交叉处结构，形状特殊，受力复杂，并承受井身二次衬砌传来荷载，应考虑加强处理。马头门断面应能满足施工所用的材料、设备的运输及运营期间导流叶片的安装。

（4）井身是竖井的主要组成部分，它上接锁口圈，下接马头门。当竖井较深时，或井身需要承受上方较大荷载时，应设置壁座；壁座通常设置于井口段、地质条件较差的井身段及马头门的上方。

（5）井身支护一般采用喷锚防护的复合衬砌结构形式，初期支护为主要的承载结构，二次衬砌通常作为安全储备及减少运营期间通风阻力的作用。

（6）从结构受力、施工难易程度以及通风效率等多方面考虑，竖井断面以圆形断面较为合适，其内径的大小应根据《公路隧道通风照明设计规范》规定的“风道内设计风速宜在13 m/s～18m/s范围内取值”而确定，高低的取值与通风井的长度有关系（即考虑井内摩阻力变化对送排风机功率的影响）。当通风井偏长时，应取较低的风速，当通风井偏短时可以取较高的风速，如果通风井长度小于100 m，井内风速即使取20 m/s对风机功率影响也是可以接受的。

（7）采用送排式通风方案时，根据需要还应设置15 cm～20 cm厚的钢筋混凝土结构的中隔墙。

图1 某工程竖井立面

2 结构设计

2.1 锁口圈设计

（1）锁口圈高度h应根据地质地形情况而定，通常应大于覆盖层厚度，尽量埋置于较好的基岩上，为避免施工期间水的流入，锁口圈应高出地面h1>1.0 m。

（2）锁口圈底部一般采用扩大的钢筋混凝土基础，考虑井口土质一般较松软且井口附近有建筑物及车辆荷载，锁口圈厚度一般为0.4 m～0.6 m，扩大基础通常加厚至1.5 m～2.0 m；四周采用浆砌片石等回填压实，防止施工期间锁口圈横向移位。

（3）明洞衬砌顶部宜搁置于锁口圈顶部，以使锁口圈能承受明洞竖向自重荷载。

（4）当锁口圈上作用有建筑时（如井架、通风塔），应核算其截面垂直应力是否满足要求，计算公式：

式中：K：安全系数2.4；

N：垂直方向合力，kN；

Ra：混凝土的抗压极限强度，kN；

A：锁口圈井壁最薄处横截面积，m2。

图2 竖井锁口圈计算模型

（5）锁口圈井壁轴力弯矩采用弹性力学。

厚壁筒公式计算，计算模型及公式：

图3 竖井锁口圈构造图

式中：N：井壁环向每延米的轴力，kN；

M：井壁环向每延米的弯矩，kN·m；

r1：井壁内半径，m；

r2：井壁外半径，m；

P：井壁水平力，kN；

μ：泊桑比；

r：土体容种，kN/m3；

h：锁口圈高度，m。

计算轴力、弯矩后，即可按规范中混凝土偏心受压构件抗压强度验算。

2.2 井身设计

（1）竖井衬砌按新奥法原理采用复合衬砌，考虑到施工安全，2次衬砌原则上要求在竖井施工完成后再施作，以免对施工产生过大干扰，因此初期支护应适当加强。

（2）竖井底部马头门处由于周边围岩受力状态复杂，设计上应对初期支护与二次衬砌进行加强处理。

（3）竖井井口段地质一般较差，通常采用敞口开挖，修筑明洞结构形式。对于土层地段，应优先考虑在地表采用处理措施，如钻孔咬合桩、地下连续墙、钢板桩、高压旋喷桩、水泥搅拌桩等基坑加固措施。

（4）井身衬砌承受的地层压力可采用太沙基理论计算（不够完善，计算结果与实际有一定出入），推荐采用三维有限元计算，结果相对合理。

（5）由于二次衬砌原则上都是由底部向上进行浇筑，因此，竖井一般可不设壁座。当竖井埋深较大时，应考虑二次衬砌所承受的自重，其允许支撑高度H计算如下（不计与防水板之间的摩阻力）：

式中：h：2次衬砌允许支撑高度，m；

K：安全系数，2.4；

r：混凝土重度，23 kN/m3；

Ra：混凝土的抗压极限强度，kN。

当2次衬砌采用C25混凝土时，h计算为226 m。因此，若竖井深度大于200m时，应在井壁中设置壁座，一般设计可按100m～150 m设置一处（设在岩石较好地段）。

（6）壁座高度h应不小于2次衬砌厚度d的2.5倍，一般取1.0 m～1.3 m；宽度b不小于1.5 d（Ⅱ、Ⅲ级围岩地段b=0.6 m～0.8m，Ⅳ级围岩地段b=1.0m～1.2m，Ⅴ级围岩地段b不大于1.5m），倾角α可按以下角度取值：

α=50°～60°（Ⅴ级级围岩地段）

α=25°～45°（Ⅳ级围岩地段）

α=0°～15°（Ⅱ、Ⅲ级围岩地段）

（7）井底马头门与联络风道连接处通常采用似矩形断面，以保证竖井与联络风道在直墙上连接，方便设计与施工。考虑到竖井井身与井底风道的顺接以及导流页片的布置，竖井底部可设置一段不小于5 m长的圆变方过渡段，竖井断面由圆形渐变为正方形。

3 施工方法

（1）竖井施工需要专门的配套设施，如吊盘、抓岩机、吊桶、稳车等，施工设备及技术相对复杂，井筒内需设置安全梯等安全设施，并采取相关安全措施，防止在提升工程中因为断绳、脱钩产生溜车（掉罐）或过卷，以及在竖井中发生碰撞事故。

（2）竖井施工方法根据主隧道后于竖井建成还是先于竖井建成，以及竖井开挖和衬砌是单独作业还是平行作业，主要可以分为以下几种方式：①全井单行作业法；②主隧道先于竖井建成，可选择反井方法包括：吊罐反井正向扩大法、爬罐反井正向扩大法、钻机反井正向扩大法。

4 结束语

竖井工程是综合的系统工程，如何建设好竖井，须从不同的方面综合考虑，尤其在设计阶段应从多方面综合考虑及充分论证方能达到预期的效果。望能通过文章对竖井设计的综合论述，对竖井工程的建设提供帮助。

[1]中华人民共和国行业标准.《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）.北京：人民交通出版社，2004.

[2]中华人民共和国行业标准.《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）.北京：人民交通出版社，2009