华蓥山特长公路隧道通风竖井设计与施工

骆 驰

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

0 引言

随着高等级公路的不断发展，山岭隧道越来越长，隧道断面越来越大，隧道的运营通风技术也随着隧道不断向长、大方向发展而发展。从目前的工程实践来看，在特长隧道中控制洞内风速在规范［1］的限值以内，同时实现分段通风及排烟最主要的手段就是设置通风竖井。

就隧道通风竖井的设计而言，其重点主要在于竖井围岩压力的计算。马英明［2］对几种竖井地压计算理论进行了介绍和评价，并根据我国煤炭系统若干竖井表土地压的实测数据提出似重液地压和水土分算地压等经验公式;李计发［3］通过对竖井地压计算理论及作用在井壁上的其他荷载的分析，提出了井壁计算中存在的问题，对解决办法进行了初步探讨。在竖井施工方面，全断面开挖法有着技术成熟、工艺简单的特点，而钻机反井法机械化程度高、施工速度快的特点使其越来越受到青睐［4-6］。上述对于公路隧道竖井设计的研究大多是对设计方案、设计参数的阐述，而结合工点对竖井围岩压力计算的深入探讨比较少，同时国内大部分已建或在建的公路隧道竖井地质条件一般较为单一，相关研究也少有涉及复杂地质条件下隧道竖井的施工。本文结合在建的南(充)—大(竹)—梁(平)(川渝界)高速公路华蓥山特长公路隧道通风竖井，介绍竖井围岩压力的计算理论及采用的竖井围岩压力计算方法，探讨竖井施工方法的选择及当竖井穿越膨胀岩、岩溶洞穴或地下暗河等不良地质时的处治措施。

1 工程概况

南—大—梁高速公路是四川省最便捷的东北向通江达海的出川快速通道，直接通往西安和万州。华蓥山隧道为本项目的控制性工程，隧道位于四川盆地东部，横穿北东走向的华蓥山背斜北段，路线走向与越岭山脊走向近于正交。隧道采用设计车速80 km/h的双洞四车道高速公路技术标准，进、出口分别位于渠县临巴镇杨家湾和大竹县田坝乡李家榜附近;隧道左洞长8 151m，最大埋深577m，右洞长8 168m，最大埋深604 m，左、右洞线间距28．9～37．328 m;全隧共设车行横洞11个，人行横洞14个，右线隧道设一平行导坑。

结合通风需风量及地形、地质条件，华蓥山隧道左、右线通风方式均采用单座竖井分2段送排式纵向通风，其中:左线竖井位于Z3K110+350左侧87．25m处，距左线隧道进口4 481 m，井深461 m;右线竖井位于K109+050右侧87．25 m处，距右线隧道进口3 181 m，井深393 m。竖井主体采用中隔板将送、排风道隔开，竖井底部分别通过联络风道与地下风机房连接。风塔送风口朝向区域常年主风向，排风口朝上，置于送风口以上10 m，左、右线送、排风口水平间距分别约为18 m和25 m。

图1 华蓥山隧道通风竖井布置示意图Fig．1 Layout of ventilation shafts of Huayingshan tunnel

根据华蓥山隧道地质详勘报告，竖井井口处自然斜坡10～29°，表层为坡残积(Qdl+el4)粉质黏土和坡崩积(Qdl+c4)松散的碎、块石土覆盖，厚度0～7 m，下伏基岩为Tl2地层，岩性主要为薄-中厚层状的泥灰岩、泥质灰岩、灰岩和灰质白云岩等，局部夹岩溶角砾岩及薄层石膏。井口段围岩受风化作用，节理、裂隙发育，土层较厚，围岩稳定性差，易坍塌，属Ⅴ级围岩;井身段围岩一般较完整，属Ⅲ级围岩;局部岩溶发育段、较破碎的泥灰岩段和岩溶角砾岩段围岩稳定性差，属Ⅳ级围岩。

2 竖井地压计算理论

由于竖井地压的影响因素较多，目前国内外尚无一套完整且准确的竖井地压计算理论。在我国，通常选用的有挡土墙理论(秦氏理论、普氏理论)、轴对称极限平衡理论(别氏理论)、重液地压理论和夹心墙地压理论等。其中轴对称理论、重液理论和夹心墙理论均是基于深表土地层竖井地压问题的计算理论;此外有学者曾根据我国煤炭系统若干竖井表土地压的实测数据提出似重液地压经验公式和水土分算地压经验公式等也属于此范畴。华蓥山隧道通风竖井表土层厚0～7 m，故本文对深表土竖井地压的计算理论不作更多阐述。

参照《煤矿立井井筒及硐室设计规范》［7］，基岩段竖井地压采用了秦氏理论，公路行业的推荐性标准《公路隧道设计细则》［8］中竖井地压的计算也采用了秦氏理论。秦氏理论的基本假定为竖井周围每层岩层受破坏时出现滑动棱柱体，并将其上的覆盖层视为作用于破坏棱柱体上的均布荷载。根据秦氏理论，华蓥山隧道竖井围岩压力荷载分别取各层岩土体的底部进行计算，并以此为各衬砌类型段落的控制断面进行结构检算;同时考虑到工程实际中竖井所受到的侧压力一般不均匀，计算中按竖井所处地层的倾角计入其不均匀侧压力系数，则

式中:pmin和 pmax为最小、最大侧压力;γ1，γ2，…，γn为各层岩土的容重;h1，h2，…，hn为各层岩土的厚度;λn为各层岩土的水平侧压力系数，按λn=tan2(45°-φn/2)计算;φn为各层岩土的内摩擦角;β为不均匀侧压力系数，根据本工程所处地层的岩层倾角(12～20°)取 0．2。

3 竖井设计

3．1 竖井结构设计

3．1．1 竖井净空设计

根据华蓥山隧道的送、排风需要，拟定通风竖井的内净空尺寸，其中左线竖井内径7．5 m，排风道净空面积 15．16 m2，周长16．32 m，送风道净空面积 26．48 m2，周长20．15 m;右线竖井内径8．0 m，排风道净空面积18．96 m2，周长 18．12 m，送风道净空面积 28．63 m2，周长21．04 m。竖井净空断面见图2。

3．1．2 井身段结构设计

公路隧道通风竖井的设计一般采用复合式衬砌结构，其支护参数主要根据结构检算同时类比相似工程的设计经验综合确定。从各地层段落井壁在不均匀侧压力作用下的结构检算成果出发，通过对现行规范所推荐的支护参数与当前国内若干公路隧道竖井支护参数的整理和分析，以确定本隧道竖井井身段衬砌支护参数(见表1)。

图2 竖井净空断面图(单位:cm)Fig．2 Cross-section of ventilation shafts(cm)

表1 华蓥山隧道竖井支护参数表Table 1 Supporting parameters of ventilation shafts of Huayingshan tunnel

3．1．3 锁口及马头门设计

竖井井口表土段采用60 cm厚现浇钢筋混凝土锁口，锁口圈底部采用2 m的扩大基础，四周采用浆砌片石回填以防止施工期间锁口圈横向位移。根据井口地形、地质条件，左、右线竖井锁口圈高度均设为8 m，以保证锁口结构基础置于基岩之上。竖井井口结构见图3。

图3 竖井井口结构(单位:cm)Fig．3 Collar of ventilation shaft(cm)

井底马头门采用矩形开挖断面，以利于竖井与联络风道在直墙上连接，方便施工。马头门上部设置长5 m过渡段，以使上部井身段到马头门开挖断面在此段落顺利过渡。井底过渡段与马头门二次衬砌均采用50 cm厚钢筋混凝土加强处理。井底过渡段结构见图4。

图4 井底过渡段结构(单位:cm)Fig．4 Structure of shaft bottom transition section(cm)

3．1．4 壁座设计

竖井壁座采用钢筋混凝土双锥型式，高1．3 m。壁座设置原则为井身Ⅴ级围岩段每8 m设置一处，Ⅳ级围岩段每15 m设置一处，Ⅲ级围岩段每20 m设置一处，此外井底过渡段上方须设置一处。壁座结构见图5。

图5 壁座结构(单位:cm)Fig．5 Structure of wall foundation(cm)

3．1．5 中隔板设计

中隔板作为分开送、排风道的隔板，考虑其免维护性及两侧风压差和温度差的影响，采用30 cm厚钢筋混凝土，板内设双层钢筋，并使其与井壁衬砌钢筋焊接(素混凝土衬砌处保证锚固牢靠)，以确保结构安全。

3．1．6 辅助工程措施

对于竖井井口Ⅴ级围岩及井身Ⅳ级围岩段，考虑其岩土局部较为破碎，围岩稳定性较差，开挖后易产生坍塌，因此设计中采用3．5m长φ42mm超前注浆小导管进行加强支护。

3．2 竖井防排水设计

隧道通风竖井的防水通常采用结构自防水+结构缝防水的组合形式，排水则根据地质条件在初期支护与二次衬砌间沿竖向间隔一定距离设置盲沟(管)，通过竖向盲沟(管)将地下水引至井底集水井/水沟，经过下部隧洞排出洞外。华蓥山隧道竖井根据《公路隧道设计细则》对竖井防水等级的规定及《地下工程防水技术规范》［9］对相应防水等级的防水措施要求，并结合隧道竖井所处地质情况，参照类似工程的防、排水设计经验确定防排水设计。

3．2．1 防水设计

竖井防水等级为三级，二次衬砌采用抗渗等级≥S6的防水混凝土，施工缝采用遇水膨胀橡胶止水条和橡胶止水带组合防水，并在新、老混凝土间涂刷界面剂。

3．2．2 排水设计

竖井二次衬砌和喷射混凝土间设置4根自上而下竖向拉通的φ100mmHDPE双壁打孔波纹管作为竖井排水的主通道，竖向间隔10m(富水区段适当加密)设置一道φ50mm单壁打孔波纹环向排水盲管，井底与两侧联络风道连接处各设置一道15 cm×15 cm(宽×高)的截水槽截取井壁渗水，并通过倒虹吸与联络风道的边沟连接，将水经由联络风道排至地下风机房排水系统。

此外，为防止竖井井底产生积水，井底路面设置1%的横坡和2%的纵坡，以使井底积水通过联络风道及地下风机房排水系统排出。

4 竖井施工方法

4．1 竖井施工方法概述

根据国内外煤炭、冶金及水利水电等行业在竖井施工方面的经验，目前竖井的基本施工方法可按照主隧道与竖井建成的先后进行选择如下。

4．1．1 主隧道后于竖井建成

此时宜采用自井口全断面向下开挖。全断面法又可细分为全井单行、长段单行、短段单行及长段平行作业法，其中全井单行作业法是各行业竖井的传统施工方法，也是目前国内采用最为普遍的施工方法。采用全断面法施工的工程案例有:秦岭终南山隧道2#竖井(井径11．2 m，井深708．5 m)、垫邻高速的明月山隧道竖井(井径7．4 m，井深277．4 m)和沪蓉西高速的夹活岩隧道竖井(井径8 m，井深365 m)等。

4．1．2 主隧道先于竖井建成

此时即具备了竖井下部出渣条件，可选用反井法施工。反井法又可细分为吊罐反井、爬罐反井及钻机反井正向扩大法，其中吊罐法和爬罐法现已很少使用。采用反井法施工的工程案例有:秦岭终南山隧道1#(井径10．8 m，井深 190 m)和 3#(井径 10．5 m，井深392 m)竖井、邵怀高速的雪峰山隧道3#竖井(井径6．5 m，井深360 m)、广梧高速的石牙山隧道竖井(井径7 m，井深157 m)和台州至金华高速的苍岭隧道竖井(井径8．6 m，井深273．7 m)等。

4．1．3 竖井施工方法比较

见表2。

当主隧道后于竖井建成时，由于竖井底部不具备出渣条件，只能选择全断面正井开挖;而当主隧道先于竖井建成时，竖井施工方法的选择除了全断面正井施工外，还可以选择反井法施工。由表2可以看出:全断面正井开挖具备工艺简单的特点，同时又有出渣及排水困难、需机械通风、工期一般较长、安全性相对较差等诸多弊端，而钻机反井法施工具有总费用低、工期短、安全性好、导井有利于出渣、排水及通风等特点，但该法视钻井设备的技术参数对井深有一定的限制。吊罐法与爬罐法由于应用的局限性较大且施工安全性差，现已很少采用。

表2 竖井施工方法比较Table 2 Comparison and contrast among different shaft sinking methods

4．2 本工程施工方法的选择

对于华蓥山隧道通风竖井而言，全断面法和反井法均具备施工条件，但左线竖井井口附近没有任何山路可以作为施工便道，且竖井深达461 m，山高坡陡，另修便道比较困难;此外，华蓥山隧道通风竖井所穿越地层存在局部地段岩溶裂隙发育等不良地质现象，地质条件较复杂，采用全断面法正井施工不但出渣和排水困难、施工效率低，且施工风险性也较大;再者，虽然钻机反井法钻机设备的费用较高，但其施工费用低，整体成本较低。总而言之，采用钻机反井法无需很大的山上施工场地、施工设备相对较少、机械化程度高、施工人员少、劳动强度低、作业安全、施工速度快、效率高、成本低、施工时不破坏围岩、井璧光滑、成井质量好、无需在山上弃渣、有利于环保、对自然环境破坏小。鉴于本工程竖井的建设仅作营运通风之用，可在地下风机房及联络风道施工完毕后采用钻机反井法施工。目前，国内已建的采用钻机反井法施工的隧道竖井很多，而根据国内反井钻机设备的最新技术成果，目前国产钻机已能满足井径5 m、井深600 m的竖井施工，可满足本工程的实际需要。

4．3 具体施工方案

4．3．1 锁口段

左、右线竖井井口锁口段深各8 m，采用挖掘机直接开挖，自卸汽车运至弃渣场;挖掘机挖不到的部分采用临时龙门架系统等提升出渣施工。锁口结构施工完毕后，其背后采用浆砌片石回填至井口工作平面，同时安装反井钻机，连接好各部分液压系统管路和电缆，进行运转调试，准备施工导井。

4．3．2 导井

导井作为竖井后续扩挖时的卸渣孔，在地下风机房系统开挖至竖井位置(联络风道)后采用钻机反井法施工。钻机就位后，自上而下钻进φ350 mm导向孔(图6(a))，导向孔与下部联络风道贯通后，在井底拆掉导孔钻头，连接扩孔钻头，开始自下而上将导向孔扩钻为φ3．5m的导井(图6(b))。扩孔钻进时破碎下来的岩屑靠自重落到井底，由出渣设备运出。导井全部扩透后，经过钻头拉固、主机放倒、整体吊离等工作后结束导井施工，开始凿井施工设施(地面井架、绞车等和井下配套设施)的布置工作，同时开展井口防护工作，准备井筒的扩挖施工。

4．3．3 扩挖

扩挖施工准备工作完毕后，自上向下进行全断面光面爆破，炮渣直落井底，自井底经由风机房出渣至弃渣场。扩挖过程中，初期支护紧跟掌子面(图6(c))，喷射混凝土在井口拌和，溜灰管下放至掌子面，经人工二次拌和后使用，人员上下、物料运输由井架及提升机完成。井底马头门施工时，架设工字钢架柱及钢架梁，以保证马头门施工期间的安全。同时进行施工设备的调整，准备井壁二次衬砌及中隔板的施工。

4．3．4 井壁衬砌及中隔板

二次衬砌在井身全部扩挖完成后从下至上进行浇筑(图6(d))，混凝土在井口拌合站拌和，通过溜灰管送至衬砌工作面，中间设缓冲器，防止混凝土离析，人工入模、机械振捣、自然或洒水养护。竖井井壁与中隔板采用两半圆滑模一次浇筑施工，隔板与井壁的连接采用φ18 mm二级钢筋进行加固，混凝土入模顺序为先中隔板后竖井衬砌，为防止模板偏压造成模板移位，混凝土应采用对称入模和振捣。混凝土浇筑时分层厚度控制在30～40 cm，且每层浇筑时间应控制在45 min以内。考虑到本工程竖井较深，为避免二次衬砌在自重作用下产生过大压应力，竖井沿竖向每30 m设置一道施工缝。

图6 竖井施工方法简图Fig．6 Sketch of shaft sinking method

4．3．5 不良地质处治措施

华蓥山隧道竖井地勘资料显示，竖井井身局部地段岩溶裂隙发育，穿越灰岩夹岩溶角砾岩及薄层石膏地层。设计考虑利用先行钻孔(导向孔)对竖井地质条件进行初探，扩孔时采用地质雷达探测井壁周边不良地质，当发现重大不良地质时则采用水平钻孔进行验证。对于一般的裂隙发育地段、局部夹岩溶角砾岩地段及穿越薄层石膏地段，可采用加强的初期支护与衬砌结构，但当竖井需全断面穿越厚层硬石膏地层或遇岩溶洞穴及地下暗河时，须采取相应的工程措施进行处治。

膨胀岩压力的施工效应是导致地下工程变形病害的主要原因，施工中若遇竖井需全断面穿越厚层硬石膏地层时，应以尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，并尽量采用人工开挖，如风镐、液压镐等;采用双层注浆小导管加强超前支护，在开挖过程中尽可能缩短围岩暴露时间，及时封闭，并按照“先柔后刚、先让后顶、分层支护”的原则采用2层初期支护，第1层和第2层分别采用格栅钢架和可缩接头型钢钢架，喷混凝土采用钢纤维混凝土，系统锚杆分别采用药包锚杆和自进式锚杆。同时对于竖井所穿越的含盐溶角砾岩及石膏的地层按具有中等硫酸盐和中等溶出型侵蚀设计，竖井初期支护喷混凝土、二次衬砌及中隔板、井壁壁座、井底底板、锚杆的砂浆和浆液均采用中抗硫酸盐硅酸盐水泥掺入耐腐蚀剂的混凝土，以使通风竖井结构达到耐久性要求。

竖井在岩溶发育地段施工遇岩溶洞穴及地下暗河时，可根据具体情况采取如下原则进行处理:对管道岩溶水及地下暗河应采取宜疏不宜堵的原则进行处理;非充填型溶洞可采用混凝土或浆砌片石直接进行封堵;充填型溶洞，若充填物为静水或土石，需先将水排干或挖除充填土石再进行封堵，若充填物为动水，应在竖井周边设置盲沟、暗管、涵洞或钢管对其改道疏导后再进行封堵;竖井施工中遇地下暗河时，需对其进行改道疏导后进行封堵。

5 结论与建议

通风与防灾技术是制约长大公路隧道发展的一个重要瓶颈，而竖井的设置是实现分段通风、降低运营费用的有效途径，对公路隧道通风竖井的设计理论及施工方法进行研究具有重大的意义。

1)对于公路隧道竖井的设计，行业内尚无成熟的规定或规范，目前只能借鉴煤炭系统、水利水电系统等的相关经验，行业之间的差异令公路隧道的竖井设计存在一定的困难和极大的不确定性;因此，迫切需要结合国内及各地区的工程实际，制定出一套公路行业可行的竖井设计与施工的规范、规程。

2)秦氏竖井地压理论侧压力系数的计算及取值存在较大的不确定性，其最终呈现的侧压力随竖井埋深线性增加的规律也在某种程度上与实际相悖;因此建议根据各地区已建的工程案例收集、整理竖井围岩压力数据、岩土体物理力学参数指标，对当前的计算公式加以修正和完善，推导出具备一定区域适用性的、结果更为准确的计算理论。

3)竖井的全断面施工方法是技术上最成熟、各行业工程案例最多的施工方法，而钻机反井法不可取代的优越性使其越来越受到青睐。目前国内反井钻机设备能够满足的最大井深为600 m，而国外早已达到km以上，因此建议国内可以引进或研发更为先进的设备和技术，使公路隧道通风竖井的施工工艺得到长足的进步。

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