云臨高速大亮山隧道豎井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭勇 ZHENG Yong；陳星宇 CHEN Xing-yu；段曉彬 DUAN Xiao-bin；雷華 LEI Hua；張偉 ZHANG Wei；王安民 WANG An-min

（①云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650041；②云南交投集團(tuán)云嶺建設(shè)有限公司，昆明 650041）

0 引言

云南地處云貴高原，國土面積的94%以上為山地，受山區(qū)地形影響，一大批特長、超長高速公路隧道正在云南設(shè)計(jì)和施工，特長公路隧道往往需要通風(fēng)井來解決運(yùn)營通風(fēng)的問題。相比其它井型，豎井在運(yùn)營通風(fēng)方面具有長度短、摩阻小等優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛采用。目前公路隧道行業(yè)的豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用初支（噴錨支護(hù)）+二襯（模筑混凝土）的復(fù)合式襯砌，如陜西的秦嶺終南山隧道2 號(hào)隧道豎井、云南的五老山隧道豎井和阿扎河隧道豎井等均采用此設(shè)計(jì)，此法存在成井速度慢、造價(jià)偏高等缺點(diǎn)。

本文參考并吸收煤炭行業(yè)建井的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，探索了單層模筑、鋼波紋板+模筑襯砌的豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和短段掘砌的快速施工方法，實(shí)踐證明，該方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、成井速度快、造價(jià)成本低，可作為公路隧道深大豎井建設(shè)的新方法。

1 大亮山隧道豎井原設(shè)計(jì)概況

1.1 隧道總體設(shè)計(jì)概況

云縣至臨滄高速公路大亮山隧道單幅長10210m，為單洞雙車道隧道，左右幅線間距約為28～40m。為滿足輔助施工和運(yùn)營通風(fēng)的需求，隧道設(shè)置1 座斜井和1 座豎井；云縣端設(shè)置長約1700m 的1 號(hào)斜井，臨滄端設(shè)置深約472m 的1 號(hào)豎井。（圖1）

圖1 大亮山隧道斜（豎）井布置示意圖

大亮山隧道豎井圍巖以片巖、花崗質(zhì)片巖和花崗巖為主。隧址區(qū)表層分布有大量碎石、粉質(zhì)黏土層，為第四系孔隙水類型，多以潛水形式出現(xiàn)，富水性中等～較強(qiáng)。

根據(jù)送排風(fēng)量、風(fēng)速的要求，并考慮施工、結(jié)構(gòu)受力等因素，豎井內(nèi)輪廓內(nèi)徑確定為8.0m，中隔墻的斷面布設(shè)位置根據(jù)豎井送、排風(fēng)量確定。

1.2 隧道豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)豎井所處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，采用初期支護(hù)+二次襯砌的復(fù)合式襯砌，其支護(hù)襯砌參數(shù)按工程類比，并結(jié)合數(shù)值分析確定。

表1 隧道豎井襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)表（原設(shè)計(jì)）

豎井初期支護(hù)以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)為主要支護(hù)手段，洞口段設(shè)置豎井鎖口，在豎井上部V 級(jí)圍巖段采用豎向帷幕注漿止水同時(shí)兼有加固地層的作用，并設(shè)置鋼拱架加強(qiáng)初期支護(hù)剛度二次襯砌采用C35 模筑混凝土結(jié)構(gòu)。為防止豎井二襯掉落，增加豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)與地層間的嵌固力，設(shè)計(jì)沿豎井設(shè)置鋼筋混凝土壁座，Ⅴ級(jí)圍巖壁座縱向間隔20m 設(shè)置一處，Ⅳ級(jí)圍巖壁座縱向間隔30m 設(shè)置一處，Ⅲ級(jí)圍巖壁座縱向間隔40m 設(shè)置一處。

2 大亮山隧道豎井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

優(yōu)化后的豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：考慮到優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，井口段60m 范圍已完成施工，該段采用原設(shè)計(jì)；井身段60～215m、井底段280～472m 范圍采用模筑混凝土一次成型的支護(hù)體系（S5b）；考慮到井身段215～280m 范圍圍巖破碎且富水，該段采用初支（鋼波紋板/PZJ-5.0 型）+二襯（模筑混凝土）的支護(hù)體系（S4a、S4b 和S3）。

按《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50384-2016）中普通鑿井法井筒支護(hù)的相關(guān)規(guī)定和工程類比法確定豎井的井壁厚度，S5b 模筑混凝土厚70cm，S4a、S4b 和S3 模筑混凝土厚50cm。結(jié)合豎井施工工藝、工序和支護(hù)體系的特征，對(duì)于S5b 的襯砌類型，模筑混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前，波紋板作為初期（臨時(shí)）支護(hù)承擔(dān)荷載，保障施工安全；運(yùn)營階段，按照全部荷載由模筑混凝土承擔(dān)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，波紋板作為安全儲(chǔ)備。豎井二襯壁座設(shè)計(jì)同原設(shè)計(jì)。

表2 隧道豎井襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)表（優(yōu)化后）

2.2 豎井井壁厚度驗(yàn)算

根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50384-2016），混凝土井壁厚度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：

t——井壁厚度，m；

rn——計(jì)算處井壁內(nèi)半徑，m；

fs——井壁材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MN/m2；

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C35 混凝土，16.7MN/m2；

f′y——鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，360MN/m2；

Pk——作用在井壁上的均勻荷載標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；

P——計(jì)算處作用在井壁上的設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值，MPa；

ρmin——井壁圓環(huán)截面的最小配筋率，全截面配筋率不應(yīng)小于0.4%，截面單側(cè)配筋率不應(yīng)小于0.2%；

νk——結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，均勻壓力νk=1.35，不均勻壓力νk=1.10；

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.10。

如表3，按厚壁圓筒井壁厚度計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)算，變更后的各段井壁厚度滿足要求。

表3 混凝土井壁厚度計(jì)算

2.3 豎井井壁環(huán)向穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50384-2016）有關(guān)規(guī)定，保證井壁環(huán)向穩(wěn)定應(yīng)符合下列基本條件：

式中：

L0——計(jì)算處井壁圓環(huán)計(jì)算長度（m）；

r0——計(jì)算處井壁中心半徑（m）；

t——計(jì)算處井壁厚度（m）。

大亮山隧道豎井變更后采用一次模筑混凝土成型，井壁環(huán)向穩(wěn)定分析主要對(duì)模筑襯砌進(jìn)行驗(yàn)算。

如表4，按井壁環(huán)向穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)算，各段井壁環(huán)向穩(wěn)定性滿足要求。

表4 井壁環(huán)向穩(wěn)定性計(jì)算表

2.4 豎井井壁圓環(huán)截面內(nèi)力及承載力驗(yàn)算

2.4.1 均勻壓力作用下模筑襯砌承載力驗(yàn)算

按厚壁圓筒圓環(huán)截面軸向力公式進(jìn)行驗(yàn)算：（圖2）

圖2 厚壁井壁圓環(huán)截面軸向力計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：σt——井壁圓環(huán)截面切向應(yīng)力（MPa）；

rw——計(jì)算處井壁外半徑（m）；

rn——計(jì)算處井壁內(nèi)半徑（m）。

素混凝土井壁圓環(huán)截面承載力應(yīng)按下式計(jì)算：

表5 均勻壓力作用下井壁承載力驗(yàn)算表

經(jīng)驗(yàn)算，豎井模筑襯砌整體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

2.4.2 不均勻壓力作用下模筑襯砌承載力驗(yàn)算

按《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50384-2016）相關(guān)公式，不均勻壓力作用下井壁整體圓環(huán)內(nèi)力及承載力計(jì)算。（圖3）

圖3 厚壁井壁彎矩和軸向力計(jì)算簡(jiǎn)圖

①ω=0°（A 截面）時(shí)，應(yīng)按下列公式計(jì)算：

②ω=90°（B 截面）時(shí)，應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：NA、NB——A、B 截面的軸向力計(jì)算值（MN）；

MA、MB——A、B 截面的彎矩計(jì)算值（MN·m）；

PA、PB——A、B 截面的壓力計(jì)算值（MPa）；

β——不均勻荷載系數(shù)，表土段，β=βt=0.2～0.3，基巖段，β=βy，當(dāng)巖石傾角≤55°，可取0.2，本次設(shè)計(jì)取0.2。

表6 不均勻壓力作用下井壁控制性斷面彎矩和軸力計(jì)算表

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1－2018）規(guī)定，混凝土偏心受壓構(gòu)件按破壞階段進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，具體計(jì)算方法為根據(jù)材料的極限強(qiáng)度，得出截面安全系數(shù)：

表7 不均勻壓力作用下井壁控制性斷面安全系數(shù)

3 大亮山隧道豎井施工情況

大亮山隧道豎井井身段60～472m 段，若按照原設(shè)計(jì)復(fù)合式襯砌豎井結(jié)構(gòu)采用長段單行作業(yè)施工，施工工期約需要13 個(gè)月。實(shí)際按照優(yōu)化后的單層模筑襯砌豎井結(jié)構(gòu)采用短段掘砌施工，該段施工時(shí)間為2021年4月至10月，施工時(shí)間7 個(gè)月，成井月進(jìn)尺約59m，最快月進(jìn)尺85m，創(chuàng)下了云南公路隧道豎井施工的月進(jìn)尺記錄，節(jié)省工期約6 個(gè)月，工期優(yōu)勢(shì)明顯。

圖4 大亮山隧道豎井施工現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)論和建議

通過工程實(shí)例，結(jié)合筆者設(shè)計(jì)和后期服務(wù)的經(jīng)歷，總結(jié)大亮山隧道豎井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，提出如下結(jié)論與建議。①豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用單層模筑襯砌，施工采用短段掘砌的方法，實(shí)踐證明，該方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、成井速度快、造價(jià)成本低，可作為公路隧道深大豎井建造的一種新方法。②隨著公路隧道豎井設(shè)計(jì)和施工水平的不斷提高，加上豎井在運(yùn)營通風(fēng)上的優(yōu)勢(shì)，公路隧道井型的選擇可重點(diǎn)考慮豎井。③雖然豎井井筒施工工藝日漸成熟，但豎井中隔板的施工仍存在諸多問題，如中隔板與井筒鋼筋的搭接問題、中隔板的施工控制問題等，往后中隔板的材料設(shè)計(jì)和施工方案可作為重點(diǎn)研究對(duì)象。