城开特长公路隧道竖井结构设计及施工方案

　　摘要：城开特长公路隧道拟采用三区段纵向式送排风方案，开县端设置为送排风竖井。细致阐述了竖井结构设计方案，尤其是对锁口圈及交叉口部位的设计。同时，介绍了本隧道竖井采用的施工方案，以及各复杂部位的施工注意事项。最后得出以下结论：①竖井锁口圈及交叉口部位宜采用钢筋混凝土结构;②通风联络道与隧道主洞交叠部位间距不宜小于5m;③结合竖井地质情况、水文条件、井口场地、运输条件、技术设备及工期要求等选择合理的施工方案。

　　关键词：竖井;通风联络道;锁口圈;交叉口

　　近年来在国家战略交通先行的背景下，我国交通投资、建设规模持续攀升。崇山峻岭之间建设高速公路，需要修建越来越多的特长隧道，长度甚至超过10km。为满足运营通风及防灾救援通风要求，5km以上公路隧道需于隧道洞身段设置竖井或斜井形成分段纵向式通风。竖井作为一种特殊的、有别于常规隧道的竖向地下结构型式，无论从结构设计还是施工技术，均需要根据其特点进行分析研究。虽然，国内外学者和建设者对竖井设计及施工开展了大量的研究，但由于每个工程项目有其自身的特点和要求，施工设备也在不断提升和改进，施工水平也在持续进步，因而，竖井结构设计及施工相关的研究对于高速公路建设仍具有重要的指导意义。

　　1工程概况

　　城开特长隧道是银川至百色国家高速公路重庆开县至城口(渝陕界)段高速公路重大控制性工程之一，左线隧道起讫桩号为ZK71+781~ZK83+270m，长11489m;右线隧道起讫桩号为K71+778~K83+234m，长11456m，最大埋深约为1366m;隧道采用三区段纵向式送排风方案，城口端通风斜井长791m(平长)，坡度22.3°。开县端送风竖井长303.6m，排风竖井长303m。综合考虑隧道通风、地质条件、路线布置、竖井施工等多方面的因素。

　　竖井井位属于构造剥蚀中高山地貌，地形坡度较平缓，一般地形坡度15°~30°，局部地段呈陡坎状。上覆全新统崩坡积层(Q4col+dl)，厚度约为3.5m，下伏基岩为志留系下统新滩组+罗惹坪组(S1x+l)砂质页岩。竖井围岩级别除洞口30m为Ⅴ级外，其余段均为Ⅳ级。综合地下径流模数法和大气降水渗入法，竖井平水期涌水量预测值为1005m3/d，丰水期涌水量预测值为3015m3/d。

　　2竖井结构设计方案研究

　　2.1竖井、联络风道、送排风口内轮廓

　　竖井、联络风道的面积是根据通风计算确定的经济断面，结合围岩条件和各结构开挖断面大小，竖井采用圆形结构(送风井内径为8.4m，排风井内径为7m)，联络风道采用直边墙结构。通风联络道排风口与隧道正洞垂直，受排风口风速的限制，排风口面积满足风速v<8m/s的要求;面积为37.84m2。排风口跨度比较大，风道与隧道相接处，衬砌结构受力复杂，结合本隧道排风口的围岩情况，采用直墙+半圆拱的拱形结构。

　　通风联络道送风口设在正洞的顶部。隧道左洞利用正洞建筑限界外的上部空间，设置长度20m和厚度30cm钢筋混凝土隔板的送风口，送风口面积满足风速v=25~30m/s的要求，竖井左线竖井送风口面积14.42m2;竖井右线竖井送风口面积9.25m2;风道拐角处设置导流板，减小风阻。

　　2.2竖井结构支护参数

　　目前竖井结构的支护参数确定主要采用经验类比法。其围岩压力计算时基本假定为竖井周围每层岩层受破坏时出现滑动棱柱体，将其上的覆盖层视为作用于破坏棱柱体上的均布荷载(即秦氏竖井围岩压力)。按新奥法原理进行洞室结构设计，即以系统锚杆、喷砼、钢筋网、钢架组成初期支护与二次衬砌钢筋砼相结合的复合衬砌形式：根据工程类比并结合结构检算结果拟定竖井、联络风道衬砌支护参数。

　　2.3锁口圈结构设计

　　井口锁口圈类似隧道洞门，是防止井口坍塌、落石，保证施工安全的重要结构[1]。结合竖井口地形及地质情况，井口处设置8m高钢筋混凝土锁口圈，厚度为80cm。并参照《公路隧道设计细则》公式(20.2.4-1)~式(20.2.4-6)计算锁口圈井壁内的轴力及弯矩[2]，并进行相应结构验算及配筋计算。于锁口圈底部设置壁座。锁口圈高出周围地面至少1m，避免施工期间地表水流入及异物坠入，同时，于周边设置截水沟。

　　2.4交叉口部位及交叠部位结构设计

　　竖井系统主要有3种交叉口部位：联络风道与竖井交叉口(见图4)、排风联络道与隧道主洞交叉口及送风联络道与隧道主洞交叉口。交叉口部位是水平结构和竖向结构的交叉点，结构特殊，受力复杂[1]。其设计原则为：(1)结构稳定，安全合理：合理进行空间布局，减少各部位间相关干扰，并根据工程类比法及必要的计算进行钢筋混凝土结构设计。(2)过渡顺畅，利于通风，便于施工：风道内截面突变引起局部风阻，因此，交叉口处应设置过渡段，降低风阻的同时，也方便了施工。联络风道与主洞交叠部位需结合该处地质情况及高程关系综合确定两者间距。为确保结构的长期稳定及降低施工相互干扰，综合以往类似工程经验，建议两者间距小于5m。

　　2.5竖井防排水设计方案

　　(1)防水设计：竖井防水体系不同于隧道正洞，可不设置防水层，主要通过周边围岩的注浆止水及二次衬砌结构自防水实现。不设置变形缝。施工缝采用中埋式橡胶止水带和背贴式止水带防水。

　　(2)排水设计：竖井衬砌背后竖向设置四道Φ100HDPE双壁打孔波纹管(外裹无纺布)，将竖井水引入联络风道纵向边沟内。其余各衬砌左右边墙背后设置Φ100HDPE双壁打孔波纹管(外裹无纺布)各一道，其纵坡与风道纵坡一致。排风联络道衬砌两侧设置纵向边沟，接入正洞中心水沟内。

　　(3)施工期间排水：竖井的开挖，每100m左右在竖井井壁上设置临时储水洞一处，用于放置水泵及转运水箱，储水洞的设置间距及大小可根据水泵扬程等现场实际情况进行调整，竖井施工期间排水采用水泵逐级提取。竖井施工完成后采用C15砼对储水洞进行回填。

　　3竖井施工方案研究

　　3.1目前常用的竖井施工方法

　　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隧道主洞与竖井建成的先后进行选择:正井法及反井法。正井法：从井口开始全断面开挖，自上而下施工，井筒开挖一次凿岩爆破成型，采用抓岩机装渣，采用吊桶提升运输洞渣和材料，出渣完成后施作初期支护和二次衬砌。优点：工艺简单、技术成熟，可提前开工。缺点：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。反井法：先开挖用于溜渣的导洞，然后再用传统的钻爆法自上而下扩挖成井[3]。优点：施工场地小，施工设备相对较少，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。缺点：需要主洞施工至竖井处才能开始竖井施工;该法视钻井设备的技术参数对井深有一定的限制[4]。

　　3.2本项目拟采用的施工方案

　　(1)竖井总体施工方案：结合竖井地质情况、水文条件、井口场地、运输条件、技术设备及工期要求等，本隧道竖井施工拟采用正井法。洞口搭设提升绞架，使用罐笼垂直提升运输洞渣及其他材料，自上而下竖向钻爆施工。竖井施工通风采用压入式通风，保障井下作业面充分通风，必要时为作业人员配备氧气袋。竖井钢筋混凝土衬砌应优先采用一体化液压滑动模板或滑框倒模工艺，由下至上施工，断面形状不规则段可采用小模板拼装。竖井排水采用扬程不小于100m的水泵逐级提升至洞外，随开挖深度的加深每100m左右在竖井壁设置临时储水洞作为抽水转运使用。

　　(2)联络风道上跨正洞或其他联络风道时，施工顺序为：①先施工正洞和下部联络风道;②再施工上跨联络风道。当联络风道底部距离初期支护距离较近时，应采用控制爆破(必要时采用非爆破开挖)，并应加强监控量测。

　　(3)交叉口部位的施工顺序均要在先期实施洞室的二次衬砌施工完成达到设计强度后，再实施下一洞室，不同联络风道不能同时施工，并采用控制爆破，后施工联络风道爆破开挖时，中岩墙靠近先行联络风道一侧直墙中间部位的最大震动速度不超过15cm/s，并加强监控量测。

　　(4)竖井中隔板作为分开风道的钢筋混凝土结构，厚度为30cm，其水平筋与衬砌预留钢筋焊接，中隔板和二次衬砌采用一体化液压模板由下至上一次成型施工技术，使中隔板自身重力全部作用在竖井井壁上。

　　3.3竖井施工安全

　　(1)竖井口施工时应尽快完成锁口圈二次衬砌浇筑，保证竖井口施工安全。(2)竖井运输时，井口、井下及提升机房处均应明确统一联络信号，有条件时在相应点实行视频监控。提升、下放、停止等，均应有简明、易记的色灯信号并有相应的音频信号支持。(3)应设有安全防护设施和检查步梯或爬梯，施工阶段井筒内应设安全步梯。竖井还应设置可靠的防坠器。(4)提升设备操作人员必须经过专业培训，经考试合格取得合格证书后，方可从事本项工作。司机上岗前，应认真阅读提升机操作使用说明书及注意事项等，熟练掌握操作要领，严格操作规程。(5)提升机各系统必须定期按使用说明书的有关条文进行维修保养，严禁带故障、超负荷运行。

　　4结论与建议

　　竖井通风系统结构设计和施工均较为复杂，本隧道设计方案及施工方案在已建项目工程经验基础上进行了一定的归纳总结，并基于秦氏竖井地压理论等对围岩压力等进行了计算。得出了以下结论：(1)竖井锁口圈及交叉口部位宜采用钢筋混凝土结构。(2)通风联络道与隧道主洞交叠部位间距不宜小于5m。(3)结合竖井地质情况、水文条件、井口场地、运输条件、技术设备及工期要求等选择合理的施工方案。但是目前的竖井相关设计理论不够系统化，且与工程建设实际仍有部分脱节。建议对竖井仍采用隧道主洞的围岩级别评判标准及设计理论的现状合理性进行深入的研究，对竖井的支护方式进行更新、更合理的探索，尽快制定竖井设计及施工方面针对性的规范、标准以供参照。

　　参考文献:

　　[1]公路隧道设计规范第一册土建工程[S].北京：人民交通出版社,2019.

　　[2]公路隧道设计细则[S].北京：人民交通出版社,2010.

　　[3]陈光明，韦薇，胡益华.特长公路隧道斜井、竖井设计技术与经验[J].隧道建设,2015,35(4):342-349.

　　[4]骆驰.华蓥山特长公路隧道通风竖井设计与施工[J].隧道建设,2012,32(3):355-371.

　　[5]混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2015.

　　作者：张孝伟

　　公路建设论文投稿刊物：《隧道建设》杂志是隧道及地下工程领域实践性很强的技术类科技期刊，北大核心期刊。主要刊载内容为国内外隧道及地下工程领域的新理论、新方法、新技术、新工艺、新设备、新材料、新经验和工程实录，相关领域的国内外科技信息、行业动态等。选稿突出创新性、实用性、系统性和导向性。