公路特長隧道通風豎井設計方法及施工技術

李曉俊

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

隨著中國高速公路建設的發展，長大隧道越來越多，對于長大隧道的通風豎井建設也將會受到更多的關注。公路隧道因井位的選擇、地質條件的差異、功能上的差異、結構安全的差異等，還需要進行深入的研究。通風條件是制約長大公路隧道建設的主要因素之一，因此，建設好豎井工程對長大公路的建設至關重要。

1 一般規定

（1）豎井結構主要包括鎖口圈、井身、馬頭門。

（2）鎖口圈設置于隧道口部，主要承受地表土層的土壓力、井口建筑物及設備的荷載，其基礎應盡量置于基巖中。鎖口圈通常采用敞口開挖，采用鋼筋混凝土結構。

（3）馬頭門為井身與聯絡通道交叉處結構，形狀特殊，受力復雜，并承受井身二次襯砌傳來荷載，應考慮加強處理。馬頭門斷面應能滿足施工所用的材料、設備的運輸及運營期間導流葉片的安裝。

（4）井身是豎井的主要組成部分，它上接鎖口圈，下接馬頭門。當豎井較深時，或井身需要承受上方較大荷載時，應設置壁座；壁座通常設置于井口段、地質條件較差的井身段及馬頭門的上方。

（5）井身支護一般采用噴錨防護的復合襯砌結構形式，初期支護為主要的承載結構，二次襯砌通常作為安全儲備及減少運營期間通風阻力的作用。

（6）從結構受力、施工難易程度以及通風效率等多方面考慮，豎井斷面以圓形斷面較為合適，其內徑的大小應根據《公路隧道通風照明設計規范》規定的“風道內設計風速宜在13 m/s～18m/s范圍內取值”而確定，高低的取值與通風井的長度有關系（即考慮井內摩阻力變化對送排風機功率的影響）。當通風井偏長時，應取較低的風速，當通風井偏短時可以取較高的風速，如果通風井長度小于100 m，井內風速即使取20 m/s對風機功率影響也是可以接受的。

（7）采用送排式通風方案時，根據需要還應設置15 cm～20 cm厚的鋼筋混凝土結構的中隔墻。

圖1 某工程豎井立面

2 結構設計

2.1 鎖口圈設計

（1）鎖口圈高度h應根據地質地形情況而定，通常應大于覆蓋層厚度，盡量埋置于較好的基巖上，為避免施工期間水的流入，鎖口圈應高出地面h1>1.0 m。

（2）鎖口圈底部一般采用擴大的鋼筋混凝土基礎，考慮井口土質一般較松軟且井口附近有建筑物及車輛荷載，鎖口圈厚度一般為0.4 m～0.6 m，擴大基礎通常加厚至1.5 m～2.0 m；四周采用漿砌片石等回填壓實，防止施工期間鎖口圈橫向移位。

（3）明洞襯砌頂部宜擱置于鎖口圈頂部，以使鎖口圈能承受明洞豎向自重荷載。

（4）當鎖口圈上作用有建筑時（如井架、通風塔），應核算其截面垂直應力是否滿足要求，計算公式：

式中：K：安全系數2.4；

N：垂直方向合力，kN；

Ra：混凝土的抗壓極限強度，kN；

A：鎖口圈井壁最薄處橫截面積，m2。

圖2 豎井鎖口圈計算模型

（5）鎖口圈井壁軸力彎矩采用彈性力學。

厚壁筒公式計算，計算模型及公式：

圖3 豎井鎖口圈構造圖

式中：N：井壁環向每延米的軸力，kN；

M：井壁環向每延米的彎矩，kN·m；

r1：井壁內半徑，m；

r2：井壁外半徑，m；

P：井壁水平力，kN；

μ：泊桑比；

r：土體容種，kN/m3；

h：鎖口圈高度，m。

計算軸力、彎矩后，即可按規范中混凝土偏心受壓構件抗壓強度驗算。

2.2 井身設計

（1）豎井襯砌按新奧法原理采用復合襯砌，考慮到施工安全，2次襯砌原則上要求在豎井施工完成后再施作，以免對施工產生過大干擾，因此初期支護應適當加強。

（2）豎井底部馬頭門處由于周邊圍巖受力狀態復雜，設計上應對初期支護與二次襯砌進行加強處理。

（3）豎井井口段地質一般較差，通常采用敞口開挖，修筑明洞結構形式。對于土層地段，應優先考慮在地表采用處理措施，如鉆孔咬合樁、地下連續墻、鋼板樁、高壓旋噴樁、水泥攪拌樁等基坑加固措施。

（4）井身襯砌承受的地層壓力可采用太沙基理論計算（不夠完善，計算結果與實際有一定出入），推薦采用三維有限元計算，結果相對合理。

（5）由于二次襯砌原則上都是由底部向上進行澆筑，因此，豎井一般可不設壁座。當豎井埋深較大時，應考慮二次襯砌所承受的自重，其允許支撐高度H計算如下（不計與防水板之間的摩阻力）：

式中：h：2次襯砌允許支撐高度，m；

K：安全系數，2.4；

r：混凝土重度，23 kN/m3；

Ra：混凝土的抗壓極限強度，kN。

當2次襯砌采用C25混凝土時，h計算為226 m。因此，若豎井深度大于200m時，應在井壁中設置壁座，一般設計可按100m～150 m設置一處（設在巖石較好地段）。

（6）壁座高度h應不小于2次襯砌厚度d的2.5倍，一般取1.0 m～1.3 m；寬度b不小于1.5 d（Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段b=0.6 m～0.8m，Ⅳ級圍巖地段b=1.0m～1.2m，Ⅴ級圍巖地段b不大于1.5m），傾角α可按以下角度取值：

α=50°～60°（Ⅴ級級圍巖地段）

α=25°～45°（Ⅳ級圍巖地段）

α=0°～15°（Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段）

（7）井底馬頭門與聯絡風道連接處通常采用似矩形斷面，以保證豎井與聯絡風道在直墻上連接，方便設計與施工。考慮到豎井井身與井底風道的順接以及導流頁片的布置，豎井底部可設置一段不小于5 m長的圓變方過渡段，豎井斷面由圓形漸變為正方形。

3 施工方法

（1）豎井施工需要專門的配套設施，如吊盤、抓巖機、吊桶、穩車等，施工設備及技術相對復雜，井筒內需設置安全梯等安全設施，并采取相關安全措施，防止在提升工程中因為斷繩、脫鉤產生溜車（掉罐）或過卷，以及在豎井中發生碰撞事故。

（2）豎井施工方法根據主隧道后于豎井建成還是先于豎井建成，以及豎井開挖和襯砌是單獨作業還是平行作業，主要可以分為以下幾種方式：①全井單行作業法；②主隧道先于豎井建成，可選擇反井方法包括：吊罐反井正向擴大法、爬罐反井正向擴大法、鉆機反井正向擴大法。

4 結束語

豎井工程是綜合的系統工程，如何建設好豎井，須從不同的方面綜合考慮，尤其在設計階段應從多方面綜合考慮及充分論證方能達到預期的效果。望能通過文章對豎井設計的綜合論述，對豎井工程的建設提供幫助。

[1]中華人民共和國行業標準.《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）.北京：人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國行業標準.《公路隧道施工技術規范》（JTG F60—2009）.北京：人民交通出版社，2009