山区高速公路特长隧道斜（竖）井设计经验与总结

文/王安民、李涛、胡晶、郑勇、王少飞

1 研究背景

云南省地处云贵高原，94%以上面积为山地，山势陡峭险峻，地质构造复杂多变，水文地质条件差，立体型垂直气候明显，修建高速公路十分困难。另外，近些年来人们对环保的要求越来越高，对生态环境破坏小、行车舒适性佳的公路隧道成为高速公路建设者的首选。一大批特长、超长高速公路隧道正在云南规划、建设。而特长隧道的建设和运营避免不了建设期间的工期问题和运营期间的通风防灾问题，本文限于篇幅主要介绍有代表性的4 座隧道：杨林隧道、大亮山隧道、阿扎河隧道和五老山隧道[1]。

2 特长隧道斜（竖）井及风机房设计概况

表1 为四座特长隧道斜（竖）井设计概况表。

表1 四座特长隧道斜（竖）井设计概况表

上表中的杨林隧道1#斜井仅用于辅助施工，1#竖井仅用于运营通风；另外，由于杨林隧道交通量大，大车比例高，隧道左幅设2 处静电除尘洞室，以净化洞内空气。大亮山隧道1#斜井和1#竖井既用于辅助施工，又用于运营通风。阿扎河隧道2 座竖井既用于辅助施工又用于运营通风。五老山隧道1#竖井仅用于运营通风。

3 特长隧道斜（竖）井及风机房设计

3.1 斜井、竖井的方案选择

斜井和竖井能够解决特长隧道建设过程中的辅助施工和运营通风两大问题，但都存在优缺点和适应性，斜井和竖井的方案选择要从地形地质、工程水文、施工组织、建设及运营费用、工期要求和工程的难易程度等方面综合考虑。

3.1.1 斜井（特指无轨运输的斜井）

优点：斜井辅助主洞施工功效高，能显著缩短工期；斜井无轨运输不需要专用的提升设备，施工技术成熟、组织管理简单；斜井可通过选择合适地形进洞，达到降低井口高程和减少通风井长度的目的，进而降低工程造价和提升通风效率；斜井可通过调整自身轴线和隧道轴线的夹角，达到优化通风分段的目的。

缺点：对云南山区大部分类似“馒头”的地形，很难找到合适的斜井口，为满足斜井的坡率不得不增加井身长度，提高了土建费用。同时，斜井井身长，增加了机电设备后期的运营费用。

3.1.2 竖井

优点：缩短井身的长度，从而大幅度减少通风阻力；充分利用竖井的烟囱效应，降低轴流风机功率，从而降低运营通风费用。

缺点：竖井施工需垂直运输，需要一套专用设备，且施工设备较斜井复杂；竖井施工进度较慢；竖井辅助主洞施工时出渣与下料均是垂直运输，辅助主洞的施工能力不如斜井；正井法施工时，竖井内积水的排出较困难。

3.1.3 工程案例

杨林隧道右幅长9420m、左幅长9462m，为单洞三车道隧道（紧急停车带为单洞四车道），建设工期四年；从工期看，增加隧道的工作面实现“长隧短打”是最有效的方案；从运营通风看，隧道采用通风井送排式纵向通风为最优方案。从隧址区地形看，隧道中部位置正好有一处低洼地适合建设斜（竖）井，斜井长约1000m，竖井深约150m。斜（竖）井位置的总通风面积约需要70m2，斜井若只用于辅助施工，断面约需要50m2；最后从工期需求、施工难易、建设及运营经济对比等方面综合考虑，隧道左幅分两段纵向通风（4921m+4541m），右幅采用全射流通风。1#斜井仅用于辅助施工，1#竖井仅用于运营通风，并在隧道左幅设置两处静电除尘洞室。

五老山隧道右幅长6640m；左幅长6685m，为单洞两车道隧道（紧急停车带为单洞三车道），建设工期四年；从工期看，双向掘进可满足建设工期；从运营通风看，隧道左幅采用通风井送排式纵向通风为最优方案，且隧道左幅为人字坡（+0.400/1845、-1.900/4840），通风井布置在靠进口端为更优方案。从隧址区地形看，隧道中部高两端低，进出口端地势较低处适于布置斜井、竖井。本隧道的辅助通道设置原则为：正（正常通风工况）异（防灾排烟工况）结合、最经济原则、在安全前提下管理最简单。最后，从工期需求、地质地形、通风防灾、建设及运营经济对比等方面综合考虑，在隧道靠进口端设置1#竖井，深约300m，竖井只用于运营通风和火灾工况，不参与辅助施工。隧道左幅分两段纵向通风（2460m+4225m），右幅采用全射流通风。

3.2 地上、地下风机房的方案选择

3.2.1 地上风机房

优点：值班人员工作环境好，房屋的采光和空气质量好，值班室、设备房和生活用房宽敞；大型设备的出入、更换起吊方便；井下联络风道和洞室规模减小，可节省土建费用；地面房屋施工工期短。

缺点：需多占地表土地；风机房设置于山顶时值班人员生活、交通不便；建设地面房屋可能会破坏生态环境。

3.2.2 地下风机房

优点：地表征地少，对生态环境破坏小；值班人员便于由隧道进入工作地点；值班室为地下结构，四季温差小。

缺点：地下结构难度大、造价高；采光和通风条件差，值班人员工作环境较差；空间狭小，设备拆装相对困难。

3.3 风机房选择

当地下围岩较差，而地表场地开阔、交通便利且没有特殊的生态环保要求，宜设置为地上风机房。对于斜井，多采用轴流风机为卧式的地上风机房；对于竖井，多采用轴流风机为立式的地上风机房。

当地下围岩较好，而地表场地受限、交通不便且有特殊的生态环保要求，宜设置为地下风机房。地下风机房宜靠近隧道布置，其空间布置应满足通风功能要求和消防要求，布置轴流风机洞室、设备洞室、值班洞室、搬运洞室和疏散通道等。

3.4 工程案例

杨林隧道、大亮山隧道和阿扎河隧道在充分考虑了功能要求、地形地质、地面交通、环境保护、外观协调和运营维护管理等多个方面因素后采用地上风机房，五老山隧道采用地下风机房。

4 特长隧道斜（竖）井及地下风机房设计经验

4.1 总体设计

4.1.1 斜井设计应避免“一坡到底”，宜每隔约300m 设置一处约30m 长缓坡段，并在缓坡段设置掉头洞室。斜井底部与正洞交叉处宜设置一段缓坡段，以便施工。

4.1.2 斜井或竖井底部排水沟应设置沉砂池，以便检修和防止堵塞。

4.1.3 排烟道（通风道）上跨主洞时的坡度宜≤20%，增设连接竖井。

4.1.4 当设计为地上风机房时，竖井宜布置在两幅隧道中间，以减小地下联络道的工程规模。

4.1.5 地下联络道各类衬砌断面变化处应平顺，不宜有突变，保证风流顺畅，减少通风风流局部风压损失，达到降低隧道运营费用的目的。

4.1.6 带横隔板的送风口段过渡到正常断面时，应设置一定长度的不带横隔板但断面大小不变的过渡段，以利于风流的顺畅。

4.2 结构设计

4.2.1 地下风机房断面类型应尽可能少，一般不宜超过3 种，不应超过5 种，以方便施工组织和模板利用效率，提高施工效率。

4.2.2 隧道带横隔板的送风口段的扩大型断面，宜采用从起拱线位置往上设置直线段的方法增大断面面积，以达到提高施工模板利用效率、减少异形模板、降低施工成本和提高施工效率的目的。

5 结语

通过工程实例，本文提出如下结论与建议：

斜（竖）井及风机房的布置需与多个专业的工程师密切配合；项目的不同，隧道的长度、隧址区地形、送排风需风量等信息也不尽相同，每一个项目应充分考虑地形地质条件灵活设计、创新设计。

斜井和竖井方案的比选要从辅助施工和运营通风两个最终目的出发，从地形地质、工程水文、施工组织、建设及运营费用、工期要求和工程的难易程度等方面综合考虑、择优选择。

地上风机房和地下风机房都有成功的案例，隧道风机房的形式选择应在充分考虑功能要求、地形地质、地面交通、环境保护、外观协调和运营维护管理等多个方面因素后择优选择。