華鎣山特長公路隧道地下風機房設計與施工

熊文亮

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

0 引言

近年來，長大隧道越來越多，隧道通風是高速公路長大隧道建設中必須認真研究和解決的重要問題。地下風機房在實際工程中越來越多地被采用，在隧道通風中起著舉足輕重的作用，但地下風機房具有斷面多、跨度大、結構較復雜、交叉洞室多和施工難度大等特點。

就隧道地下風機房設計而言，其重點在于布置方式的選擇、洞室交叉結構的安全及地下風機房系統內防災救援措施等。目前在有關隧道地下風機房的研究中:文獻［1］介紹了方斗山隧道地下風機房的施工技術方案和關鍵施工技術;文獻［2］介紹了夾活巖隧道地下風機房的總體設計;文獻［3－4］介紹了斜井進正洞挑頂施工技術;文獻［5］介紹了地鐵區間隧道通風機房的幾種典型布置形式，總結了各典型布置形式的優缺點。國內隧道地下風機房的設計和施工經驗尚未成熟，需要更多的工程實踐經驗及更多的工程技術人員進行總結及探討。本文從地下風機房的布置方式介紹地下風機房的總體設計，總結地下風機房布置原則及要求，通過工程類比及結構計算確定出洞室支護參數，詳述地下風機房施工方案及交叉洞室施工技術，并總結地下風機房的優點及設計的重點、難點，探討地下風機房的發展趨勢。

1 工程概況

四川省南充—大竹—梁平(川渝界)公路是四川省最便捷的東北向通江達海的出川快速通道，直接通往陜西西安和重慶萬州。其中華鎣山隧道為此項目的控制性工程，位于四川盆地東部，橫穿走向北北東向的華鎣山背斜北段，路線走向與越嶺山脊走向近于正交，隧道最大埋深604 m。華鎣山隧道為雙洞單向行駛隧道，左線隧道長8 151 m，右線隧道長8 168 m。左右線進、出口均位于不設超高平曲線上，中部位于直線上，左右線隧道縱坡均為+1.46%、－0.6%及－1.48%的人字坡。根據隧道地質、通風及防災救援等因素綜合確定左右洞隧道通風方式均采用單座豎井分兩段送排式縱向通風，左右洞外側各設一座豎井，豎井中間設置中隔板，將其分為送風道及排風道，并在左、右洞豎井底部均設置一地下風機房，在地下風機房與隧道、豎井間均設置聯絡風道。

2 地下風機房設計

2.1 地質概況

左線隧道地下風機房位于T2l(雷口坡組)地層，巖性主要為中－厚層狀，泥質灰巖，圍巖較完整，局部地段巖溶裂隙發育區圍巖穩定性較差;右線地下風機房位于T1j(嘉陵江組)地層，巖性主要為中－厚層狀，灰質白云巖，圍巖較完整，局部地層遇不利節理切割會出現掉快，局部地段巖溶裂隙發育區圍巖穩定性較差;左、右線地下風機房處圍巖均為Ⅲ級圍巖。圍巖物理力學參數為:容重24 kN/m3，彈性抗力系數800 MPa/m，變形模量13 GPa，泊松比0.28，內摩擦角45°，黏聚力 1.2 MPa，計算摩擦角 65°。

2.2 地下風機房總體布置

地下風機房洞室斷面多、跨度大、結構較復雜、交叉洞室多，設計中必須在保證結構安全的前提下，考慮大型軸流風機及相應電器的操作、維護人員在洞內的空間位置，而且還需考慮設備運輸、安裝、運營、維護等各方面對地下空間的特殊要求，同時滿足通風、排煙、防災救援等功能要求［6－7］。

隧道風機房的布置必須滿足以下要求:

1)能滿足各種工況下的通風、防災救援的風量和風向要求;

2)能滿足布置軸流風機、電器設備、控制設備和其他輔助機電設備的要求，并有大型設備搬運通道和工作通道等;

3)當風機分期安裝時，應考慮預留空間和連接設置;

4)能滿足設備檢修的需要;

5)通風損失小，運營費用低，風機房內空氣質量好。

在滿足以上要求的前提下從功能要求、地形地質條件、外觀協調、環境保護、養護維修及運營管理等各方面因素綜合考慮選取風機房布置形式。

地下風機房整個系統內包括送風道、排風道、風機房、救援通道、運輸通道等，考慮各種洞室的位置關系、通風的作用、設計施工難度、造價等因素綜合確定地下風機房的布置見圖1。

圖1 地下風機房總體布置圖Fig.1 General layout of underground ventilation equipment chamber

2.3 凈空斷面設計

地下風機房的內輪廓根據軸流風機、電器設備、控制設備、其他輔助機電設備所需空間，綜合考慮安裝、檢修、營運維護空間和工作人員安全等。

運輸通道、聯絡風道、排煙通道、救援通道、電器室等斷面均根據各斷面的用途及功能要求，綜合考慮結構的受力安全和施工的難易程度擬定。為了便于安裝風機及與聯絡風道連接，將洞室的凈空斷面設計為直墻圓拱式。

根據隧道各段的控制風量及較經濟風速標準［8］，得出各類型風道的斷面面積見表1。

表1 地下風機房系統聯絡風道凈空面積Table 1 Clearance areas of connection galleries of underground ventilation equipment chamber m2

綜合以上因素確定:

1)地下風機房凈寬10 m、凈高13 m;

2)風機消音器安裝斷面凈寬10.5 m、凈高7.5 m;

3)風機房與隧道間聯絡風道凈寬9.00 m、凈高6.45 m;

4)送風通道及排風通道凈寬6.50 m、凈高4.65 m。

洞室內凈空斷面圖可參見各洞室襯砌設計圖見圖2。

2.4 洞室結構設計

2.4.1 襯砌支護參數

地下風機房系統內各型襯砌均采用復合式襯砌結構，襯砌支護參數根據圍巖級別、跨度、埋深、地質條件等因素，主要按工程類比，并結合有限元數值分析確定。地下風機房系統洞室多，本文僅列出幾個大斷面洞室(地下風機房、風機消音器安裝斷面及地下風機房與隧道間聯絡風道)結構設計，其襯砌支護參數見表2。

表2 襯砌支護參數表(適用于Ⅲ級圍巖)Table 2 Support parameters(applicable in GradeⅢsurrounding rock)

2.4.2 地下風機房牛腿設計

為滿足地下風機房內軸流風機等大些設備的運輸及安裝，在地下風機房邊墻上部設置牛腿，并在牛腿上設置運輸軌道。根據地下風機房牛腿在運輸和安裝設備時所需承受的起重機及設備質量確定牛腿設計荷載為15 t。

2.5 洞室防排水設計

地下風機房系統內洞室多，且大多洞室防水要求高，地下風機房及風道內均嚴禁滲漏水，為較好得達到防排水效果，力爭做到“不滲不漏”，在初期支護與二次襯砌之間設分離式防水層(凹凸HDPE防排水板+無紡布+EVA防水板防水)，二次襯砌環向施工縫采用外貼式橡膠止水帶+中埋式橡膠止水帶組合防水，縱向施工縫采用外貼式橡膠止水帶+中埋式BW型遇水膨脹橡膠止水條組合防水。

為使襯砌背后地下水更順暢地引入洞室邊溝，襯砌背后縱向每10m(可根據實際情況作適當調整)設一道φ50 mm HDPE單壁打孔波紋管環向排水盲管(外裹無紡布);邊墻腳設φ100 mm HDPE單壁打孔波紋管(外裹無紡布)，在通道交叉處縱向盲管均應相互連通并通過縱向盲管和橫向導水管排至排水邊溝;每10 m(可根據實際情況作適當調整)設一道φ100 mm單壁無孔橫向導水波紋管。

3 地下風機施工方案

3.1 施工順序

1)當正洞掌子面施工至排風聯絡風道時，同時施工正洞和隧道排風聯絡風道;

2)當正洞掌子面施工至運輸通道后，同時施工正洞和運輸通道;

3)施工運輸通道途經電器室時施工電器室及運輸通道與排風聯絡風道間通道;

4)運輸通道施工完成后進入地下風機房施工，然后向兩端施工地下風機房;

圖2 各洞室襯砌斷面設計圖Fig.2 Cross-sections of lining of different galleries

6)施工排風通道;

7)施工豎井(需提前進行導向孔鉆探作業，且保證隧道施工至豎井位置時導向孔施作完畢，以便于對豎井進行擴孔作業，為豎井施工縮短工期，但豎井工期不控制隧道工期)。

3.2 施工方法

3.2.1 地下風機房

地下風機房采用三臺階法開挖，送風道及排風道采用全斷面法開挖，其余斷面均采用兩臺階法開挖。地下風機房施工工序見圖3。

圖3 地下風機房施工工序圖Fig.3 Construction procedure of underground ventilation equipment chamber

3.2.2 通道交叉

運輸通道進入地下風機房:自運輸通道進入地下風機房開挖后，逐漸抬高開挖斷面拱部，抬高開挖至地下風機房另一側拱部(剛進入地下風機房時略擴大開挖斷面預留施作運輸通道與地下風機房連接處的門型鋼架空間)，然后對風機房進行挑頂［9］。運輸通道進入地下風機房施工工序見圖4。

地下風機房進入聯絡風道:開挖風機房時，在聯絡風道位置架設門型鋼架，待地下風機房施工完成后再開挖聯絡風道。地下風機房與風道交叉口門型鋼架示意見圖5。

其余交叉口在主洞架設完鋼架后直接施工。

4 結論與討論

1)地下風機房能有效地解決隧道通風運營及管理問題，雖施工難度大、工程造價較高，但具有占地少、風機房內四季溫差小、便于管理等優點，在實際工程中不斷被采用。

2)地下風機房設計的難點在于布置方式的選擇及地下風機房系統內的防災救援、防潮、防塵、降噪、溫度調節等設計，建議在今后的地下風機房設計中將這些作為設計研究的重點。

3)隧道公路行業的不斷發展，公路不斷向山嶺重丘地區延伸，為了改善線形、縮短里程、保護生態環境、提高運輸效益等，隧道在公路建設中越來越得到重視，便出現大量的長大隧道。通風與防災救援技術是制約長大公路隧道發展的一個重要瓶頸，而通風豎井、斜井的設置是實現分段通風、降低運營費用的有效途徑，且必須配備風機房。較地面風機房而言，地下風機房具有較多優點，地下風機房勢必在今后的隧道發展過程中得到廣泛的使用。

4)目前地下風機房的研究在我國還處于起步階段，沒有專門的設計規范或書籍對地下風機房進行詳細的論述。因此，本文通過介紹華鎣山隧道地下風機房的設計與施工，對今后地下風機房的發展及研究具有積極意義。

［1］ 辛國平，劉漢紅.高速公路地下風機房施工技術［J］.現代隧道技術，2008(S1):462－465.

［2］ 劉柏林，程久勝，董建.夾活巖隧道通風豎井及風機房設計［J］.公路隧道，2006(4):49－53.

［3］ 付國宏.7號斜井進正洞挑頂施工技術［J］.鐵道標準設計，2005(9):77－79.

［4］ 張金鋒.張茅隧道1號斜井進正洞挑頂施工技術［J］.山西建筑，2006(8):128 －129.(ZHANG Jinfeng.Ripping constncction for 1#oblique well of Zhangmao tunnel which leading to positive carve［J］.Shanxi Architecture，2006(8):128 －129.(in Chinese))

［5］ 謝朝軍.地鐵隧道通風機房的典型布置［J］.隧道建設，2007，27(1):29 － 33，83.(XIE Zhaojun.Typical arrangement modes of ventilation equipment room for Metro tunnel［J］.Tunnel Corstruction，2007，27(1):29 － 33，83.(in Chinese))

［6］ 中華人民共和國交通部.JTG D70—2004公路隧道設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［7］ 中華人民共和國交通部.JTG/T D70—2010公路隧道設計細則［S］.北京:人民交通出版社，2010.

［8］ 中華人民共和國交通部.JTJ 026.1—1999公路隧道通風照明設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［9］ 中華人民共和國交通部.JTG F60—2009公路隧道施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2009.