駱 馳

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

0 引言

隨著高等級公路的不斷發(fā)展，山嶺隧道越來越長，隧道斷面越來越大，隧道的運營通風技術也隨著隧道不斷向長、大方向發(fā)展而發(fā)展。從目前的工程實踐來看，在特長隧道中控制洞內風速在規(guī)范［1］的限值以內，同時實現(xiàn)分段通風及排煙最主要的手段就是設置通風豎井。

就隧道通風豎井的設計而言，其重點主要在于豎井圍巖壓力的計算。馬英明［2］對幾種豎井地壓計算理論進行了介紹和評價，并根據(jù)我國煤炭系統(tǒng)若干豎井表土地壓的實測數(shù)據(jù)提出似重液地壓和水土分算地壓等經驗公式;李計發(fā)［3］通過對豎井地壓計算理論及作用在井壁上的其他荷載的分析，提出了井壁計算中存在的問題，對解決辦法進行了初步探討。在豎井施工方面，全斷面開挖法有著技術成熟、工藝簡單的特點，而鉆機反井法機械化程度高、施工速度快的特點使其越來越受到青睞［4-6］。上述對于公路隧道豎井設計的研究大多是對設計方案、設計參數(shù)的闡述，而結合工點對豎井圍巖壓力計算的深入探討比較少，同時國內大部分已建或在建的公路隧道豎井地質條件一般較為單一，相關研究也少有涉及復雜地質條件下隧道豎井的施工。本文結合在建的南(充)—大(竹)—梁(平)(川渝界)高速公路華鎣山特長公路隧道通風豎井，介紹豎井圍巖壓力的計算理論及采用的豎井圍巖壓力計算方法，探討豎井施工方法的選擇及當豎井穿越膨脹巖、巖溶洞穴或地下暗河等不良地質時的處治措施。

1 工程概況

南—大—梁高速公路是四川省最便捷的東北向通江達海的出川快速通道，直接通往西安和萬州。華鎣山隧道為本項目的控制性工程，隧道位于四川盆地東部，橫穿北東走向的華鎣山背斜北段，路線走向與越嶺山脊走向近于正交。隧道采用設計車速80 km/h的雙洞四車道高速公路技術標準，進、出口分別位于渠縣臨巴鎮(zhèn)楊家灣和大竹縣田壩鄉(xiāng)李家榜附近;隧道左洞長8 151m，最大埋深577m，右洞長8 168m，最大埋深604 m，左、右洞線間距28．9～37．328 m;全隧共設車行橫洞11個，人行橫洞14個，右線隧道設一平行導坑。

結合通風需風量及地形、地質條件，華鎣山隧道左、右線通風方式均采用單座豎井分2段送排式縱向通風，其中:左線豎井位于Z3K110+350左側87．25m處，距左線隧道進口4 481 m，井深461 m;右線豎井位于K109+050右側87．25 m處，距右線隧道進口3 181 m，井深393 m。豎井主體采用中隔板將送、排風道隔開，豎井底部分別通過聯(lián)絡風道與地下風機房連接。風塔送風口朝向區(qū)域常年主風向，排風口朝上，置于送風口以上10 m，左、右線送、排風口水平間距分別約為18 m和25 m。

圖1 華鎣山隧道通風豎井布置示意圖Fig．1 Layout of ventilation shafts of Huayingshan tunnel

根據(jù)華鎣山隧道地質詳勘報告，豎井井口處自然斜坡10～29°，表層為坡殘積(Qdl+el4)粉質黏土和坡崩積(Qdl+c4)松散的碎、塊石土覆蓋，厚度0～7 m，下伏基巖為Tl2地層，巖性主要為薄-中厚層狀的泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r、灰?guī)r和灰質白云巖等，局部夾巖溶角礫巖及薄層石膏。井口段圍巖受風化作用，節(jié)理、裂隙發(fā)育，土層較厚，圍巖穩(wěn)定性差，易坍塌，屬Ⅴ級圍巖;井身段圍巖一般較完整，屬Ⅲ級圍巖;局部巖溶發(fā)育段、較破碎的泥灰?guī)r段和巖溶角礫巖段圍巖穩(wěn)定性差，屬Ⅳ級圍巖。

2 豎井地壓計算理論

由于豎井地壓的影響因素較多，目前國內外尚無一套完整且準確的豎井地壓計算理論。在我國，通常選用的有擋土墻理論(秦氏理論、普氏理論)、軸對稱極限平衡理論(別氏理論)、重液地壓理論和夾心墻地壓理論等。其中軸對稱理論、重液理論和夾心墻理論均是基于深表土地層豎井地壓問題的計算理論;此外有學者曾根據(jù)我國煤炭系統(tǒng)若干豎井表土地壓的實測數(shù)據(jù)提出似重液地壓經驗公式和水土分算地壓經驗公式等也屬于此范疇。華鎣山隧道通風豎井表土層厚0～7 m，故本文對深表土豎井地壓的計算理論不作更多闡述。

參照《煤礦立井井筒及硐室設計規(guī)范》［7］，基巖段豎井地壓采用了秦氏理論，公路行業(yè)的推薦性標準《公路隧道設計細則》［8］中豎井地壓的計算也采用了秦氏理論。秦氏理論的基本假定為豎井周圍每層巖層受破壞時出現(xiàn)滑動棱柱體，并將其上的覆蓋層視為作用于破壞棱柱體上的均布荷載。根據(jù)秦氏理論，華鎣山隧道豎井圍巖壓力荷載分別取各層巖土體的底部進行計算，并以此為各襯砌類型段落的控制斷面進行結構檢算;同時考慮到工程實際中豎井所受到的側壓力一般不均勻，計算中按豎井所處地層的傾角計入其不均勻側壓力系數(shù)，則

式中:pmin和 pmax為最小、最大側壓力;γ1，γ2，…，γn為各層巖土的容重;h1，h2，…，hn為各層巖土的厚度;λn為各層巖土的水平側壓力系數(shù)，按λn=tan2(45°-φn/2)計算;φn為各層巖土的內摩擦角;β為不均勻側壓力系數(shù)，根據(jù)本工程所處地層的巖層傾角(12～20°)取 0．2。

3 豎井設計

3．1 豎井結構設計

3．1．1 豎井凈空設計

根據(jù)華鎣山隧道的送、排風需要，擬定通風豎井的內凈空尺寸，其中左線豎井內徑7．5 m，排風道凈空面積 15．16 m2，周長16．32 m，送風道凈空面積 26．48 m2，周長20．15 m;右線豎井內徑8．0 m，排風道凈空面積18．96 m2，周長 18．12 m，送風道凈空面積 28．63 m2，周長21．04 m。豎井凈空斷面見圖2。

3．1．2 井身段結構設計

公路隧道通風豎井的設計一般采用復合式襯砌結構，其支護參數(shù)主要根據(jù)結構檢算同時類比相似工程的設計經驗綜合確定。從各地層段落井壁在不均勻側壓力作用下的結構檢算成果出發(fā)，通過對現(xiàn)行規(guī)范所推薦的支護參數(shù)與當前國內若干公路隧道豎井支護參數(shù)的整理和分析，以確定本隧道豎井井身段襯砌支護參數(shù)(見表1)。

圖2 豎井凈空斷面圖(單位:cm)Fig．2 Cross-section of ventilation shafts(cm)

表1 華鎣山隧道豎井支護參數(shù)表Table 1 Supporting parameters of ventilation shafts of Huayingshan tunnel

3．1．3 鎖口及馬頭門設計

豎井井口表土段采用60 cm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土鎖口，鎖口圈底部采用2 m的擴大基礎，四周采用漿砌片石回填以防止施工期間鎖口圈橫向位移。根據(jù)井口地形、地質條件，左、右線豎井鎖口圈高度均設為8 m，以保證鎖口結構基礎置于基巖之上。豎井井口結構見圖3。

圖3 豎井井口結構(單位:cm)Fig．3 Collar of ventilation shaft(cm)

井底馬頭門采用矩形開挖斷面，以利于豎井與聯(lián)絡風道在直墻上連接，方便施工。馬頭門上部設置長5 m過渡段，以使上部井身段到馬頭門開挖斷面在此段落順利過渡。井底過渡段與馬頭門二次襯砌均采用50 cm厚鋼筋混凝土加強處理。井底過渡段結構見圖4。

圖4 井底過渡段結構(單位:cm)Fig．4 Structure of shaft bottom transition section(cm)

3．1．4 壁座設計

豎井壁座采用鋼筋混凝土雙錐型式，高1．3 m。壁座設置原則為井身Ⅴ級圍巖段每8 m設置一處，Ⅳ級圍巖段每15 m設置一處，Ⅲ級圍巖段每20 m設置一處，此外井底過渡段上方須設置一處。壁座結構見圖5。

圖5 壁座結構(單位:cm)Fig．5 Structure of wall foundation(cm)

3．1．5 中隔板設計

中隔板作為分開送、排風道的隔板，考慮其免維護性及兩側風壓差和溫度差的影響，采用30 cm厚鋼筋混凝土，板內設雙層鋼筋，并使其與井壁襯砌鋼筋焊接(素混凝土襯砌處保證錨固牢靠)，以確保結構安全。

3．1．6 輔助工程措施

對于豎井井口Ⅴ級圍巖及井身Ⅳ級圍巖段，考慮其巖土局部較為破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，開挖后易產生坍塌，因此設計中采用3．5m長φ42mm超前注漿小導管進行加強支護。

3．2 豎井防排水設計

隧道通風豎井的防水通常采用結構自防水+結構縫防水的組合形式，排水則根據(jù)地質條件在初期支護與二次襯砌間沿豎向間隔一定距離設置盲溝(管)，通過豎向盲溝(管)將地下水引至井底集水井/水溝，經過下部隧洞排出洞外。華鎣山隧道豎井根據(jù)《公路隧道設計細則》對豎井防水等級的規(guī)定及《地下工程防水技術規(guī)范》［9］對相應防水等級的防水措施要求，并結合隧道豎井所處地質情況，參照類似工程的防、排水設計經驗確定防排水設計。

3．2．1 防水設計

豎井防水等級為三級，二次襯砌采用抗?jié)B等級≥S6的防水混凝土，施工縫采用遇水膨脹橡膠止水條和橡膠止水帶組合防水，并在新、老混凝土間涂刷界面劑。

3．2．2 排水設計

豎井二次襯砌和噴射混凝土間設置4根自上而下豎向拉通的φ100mmHDPE雙壁打孔波紋管作為豎井排水的主通道，豎向間隔10m(富水區(qū)段適當加密)設置一道φ50mm單壁打孔波紋環(huán)向排水盲管，井底與兩側聯(lián)絡風道連接處各設置一道15 cm×15 cm(寬×高)的截水槽截取井壁滲水，并通過倒虹吸與聯(lián)絡風道的邊溝連接，將水經由聯(lián)絡風道排至地下風機房排水系統(tǒng)。

此外，為防止豎井井底產生積水，井底路面設置1%的橫坡和2%的縱坡，以使井底積水通過聯(lián)絡風道及地下風機房排水系統(tǒng)排出。

4 豎井施工方法

4．1 豎井施工方法概述

根據(jù)國內外煤炭、冶金及水利水電等行業(yè)在豎井施工方面的經驗，目前豎井的基本施工方法可按照主隧道與豎井建成的先后進行選擇如下。

4．1．1 主隧道后于豎井建成

此時宜采用自井口全斷面向下開挖。全斷面法又可細分為全井單行、長段單行、短段單行及長段平行作業(yè)法，其中全井單行作業(yè)法是各行業(yè)豎井的傳統(tǒng)施工方法，也是目前國內采用最為普遍的施工方法。采用全斷面法施工的工程案例有:秦嶺終南山隧道2#豎井(井徑11．2 m，井深708．5 m)、墊鄰高速的明月山隧道豎井(井徑7．4 m，井深277．4 m)和滬蓉西高速的夾活巖隧道豎井(井徑8 m，井深365 m)等。

4．1．2 主隧道先于豎井建成

此時即具備了豎井下部出渣條件，可選用反井法施工。反井法又可細分為吊罐反井、爬罐反井及鉆機反井正向擴大法，其中吊罐法和爬罐法現(xiàn)已很少使用。采用反井法施工的工程案例有:秦嶺終南山隧道1#(井徑10．8 m，井深 190 m)和 3#(井徑 10．5 m，井深392 m)豎井、邵懷高速的雪峰山隧道3#豎井(井徑6．5 m，井深360 m)、廣梧高速的石牙山隧道豎井(井徑7 m，井深157 m)和臺州至金華高速的蒼嶺隧道豎井(井徑8．6 m，井深273．7 m)等。

4．1．3 豎井施工方法比較

見表2。

當主隧道后于豎井建成時，由于豎井底部不具備出渣條件，只能選擇全斷面正井開挖;而當主隧道先于豎井建成時，豎井施工方法的選擇除了全斷面正井施工外，還可以選擇反井法施工。由表2可以看出:全斷面正井開挖具備工藝簡單的特點，同時又有出渣及排水困難、需機械通風、工期一般較長、安全性相對較差等諸多弊端，而鉆機反井法施工具有總費用低、工期短、安全性好、導井有利于出渣、排水及通風等特點，但該法視鉆井設備的技術參數(shù)對井深有一定的限制。吊罐法與爬罐法由于應用的局限性較大且施工安全性差，現(xiàn)已很少采用。

表2 豎井施工方法比較Table 2 Comparison and contrast among different shaft sinking methods

4．2 本工程施工方法的選擇

對于華鎣山隧道通風豎井而言，全斷面法和反井法均具備施工條件，但左線豎井井口附近沒有任何山路可以作為施工便道，且豎井深達461 m，山高坡陡，另修便道比較困難;此外，華鎣山隧道通風豎井所穿越地層存在局部地段巖溶裂隙發(fā)育等不良地質現(xiàn)象，地質條件較復雜，采用全斷面法正井施工不但出渣和排水困難、施工效率低，且施工風險性也較大;再者，雖然鉆機反井法鉆機設備的費用較高，但其施工費用低，整體成本較低。總而言之，采用鉆機反井法無需很大的山上施工場地、施工設備相對較少、機械化程度高、施工人員少、勞動強度低、作業(yè)安全、施工速度快、效率高、成本低、施工時不破壞圍巖、井璧光滑、成井質量好、無需在山上棄渣、有利于環(huán)保、對自然環(huán)境破壞小。鑒于本工程豎井的建設僅作營運通風之用，可在地下風機房及聯(lián)絡風道施工完畢后采用鉆機反井法施工。目前，國內已建的采用鉆機反井法施工的隧道豎井很多，而根據(jù)國內反井鉆機設備的最新技術成果，目前國產鉆機已能滿足井徑5 m、井深600 m的豎井施工，可滿足本工程的實際需要。

4．3 具體施工方案

4．3．1 鎖口段

左、右線豎井井口鎖口段深各8 m，采用挖掘機直接開挖，自卸汽車運至棄渣場;挖掘機挖不到的部分采用臨時龍門架系統(tǒng)等提升出渣施工。鎖口結構施工完畢后，其背后采用漿砌片石回填至井口工作平面，同時安裝反井鉆機，連接好各部分液壓系統(tǒng)管路和電纜，進行運轉調試，準備施工導井。

4．3．2 導井

導井作為豎井后續(xù)擴挖時的卸渣孔，在地下風機房系統(tǒng)開挖至豎井位置(聯(lián)絡風道)后采用鉆機反井法施工。鉆機就位后，自上而下鉆進φ350 mm導向孔(圖6(a))，導向孔與下部聯(lián)絡風道貫通后，在井底拆掉導孔鉆頭，連接擴孔鉆頭，開始自下而上將導向孔擴鉆為φ3．5m的導井(圖6(b))。擴孔鉆進時破碎下來的巖屑靠自重落到井底，由出渣設備運出。導井全部擴透后，經過鉆頭拉固、主機放倒、整體吊離等工作后結束導井施工，開始鑿井施工設施(地面井架、絞車等和井下配套設施)的布置工作，同時開展井口防護工作，準備井筒的擴挖施工。

4．3．3 擴挖

擴挖施工準備工作完畢后，自上向下進行全斷面光面爆破，炮渣直落井底，自井底經由風機房出渣至棄渣場。擴挖過程中，初期支護緊跟掌子面(圖6(c))，噴射混凝土在井口拌和，溜灰管下放至掌子面，經人工二次拌和后使用，人員上下、物料運輸由井架及提升機完成。井底馬頭門施工時，架設工字鋼架柱及鋼架梁，以保證馬頭門施工期間的安全。同時進行施工設備的調整，準備井壁二次襯砌及中隔板的施工。

4．3．4 井壁襯砌及中隔板

二次襯砌在井身全部擴挖完成后從下至上進行澆筑(圖6(d))，混凝土在井口拌合站拌和，通過溜灰管送至襯砌工作面，中間設緩沖器，防止混凝土離析，人工入模、機械振搗、自然或灑水養(yǎng)護。豎井井壁與中隔板采用兩半圓滑模一次澆筑施工，隔板與井壁的連接采用φ18 mm二級鋼筋進行加固，混凝土入模順序為先中隔板后豎井襯砌，為防止模板偏壓造成模板移位，混凝土應采用對稱入模和振搗。混凝土澆筑時分層厚度控制在30～40 cm，且每層澆筑時間應控制在45 min以內?？紤]到本工程豎井較深，為避免二次襯砌在自重作用下產生過大壓應力，豎井沿豎向每30 m設置一道施工縫。

圖6 豎井施工方法簡圖Fig．6 Sketch of shaft sinking method

4．3．5 不良地質處治措施

華鎣山隧道豎井地勘資料顯示，豎井井身局部地段巖溶裂隙發(fā)育，穿越灰?guī)r夾巖溶角礫巖及薄層石膏地層。設計考慮利用先行鉆孔(導向孔)對豎井地質條件進行初探，擴孔時采用地質雷達探測井壁周邊不良地質，當發(fā)現(xiàn)重大不良地質時則采用水平鉆孔進行驗證。對于一般的裂隙發(fā)育地段、局部夾巖溶角礫巖地段及穿越薄層石膏地段，可采用加強的初期支護與襯砌結構，但當豎井需全斷面穿越厚層硬石膏地層或遇巖溶洞穴及地下暗河時，須采取相應的工程措施進行處治。

膨脹巖壓力的施工效應是導致地下工程變形病害的主要原因，施工中若遇豎井需全斷面穿越厚層硬石膏地層時，應以盡量減少對圍巖產生擾動和防止水的浸濕為原則，并盡量采用人工開挖，如風鎬、液壓鎬等;采用雙層注漿小導管加強超前支護，在開挖過程中盡可能縮短圍巖暴露時間，及時封閉，并按照“先柔后剛、先讓后頂、分層支護”的原則采用2層初期支護，第1層和第2層分別采用格柵鋼架和可縮接頭型鋼鋼架，噴混凝土采用鋼纖維混凝土，系統(tǒng)錨桿分別采用藥包錨桿和自進式錨桿。同時對于豎井所穿越的含鹽溶角礫巖及石膏的地層按具有中等硫酸鹽和中等溶出型侵蝕設計，豎井初期支護噴混凝土、二次襯砌及中隔板、井壁壁座、井底底板、錨桿的砂漿和漿液均采用中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥摻入耐腐蝕劑的混凝土，以使通風豎井結構達到耐久性要求。

豎井在巖溶發(fā)育地段施工遇巖溶洞穴及地下暗河時，可根據(jù)具體情況采取如下原則進行處理:對管道巖溶水及地下暗河應采取宜疏不宜堵的原則進行處理;非充填型溶洞可采用混凝土或漿砌片石直接進行封堵;充填型溶洞，若充填物為靜水或土石，需先將水排干或挖除充填土石再進行封堵，若充填物為動水，應在豎井周邊設置盲溝、暗管、涵洞或鋼管對其改道疏導后再進行封堵;豎井施工中遇地下暗河時，需對其進行改道疏導后進行封堵。

5 結論與建議

通風與防災技術是制約長大公路隧道發(fā)展的一個重要瓶頸，而豎井的設置是實現(xiàn)分段通風、降低運營費用的有效途徑，對公路隧道通風豎井的設計理論及施工方法進行研究具有重大的意義。

1)對于公路隧道豎井的設計，行業(yè)內尚無成熟的規(guī)定或規(guī)范，目前只能借鑒煤炭系統(tǒng)、水利水電系統(tǒng)等的相關經驗，行業(yè)之間的差異令公路隧道的豎井設計存在一定的困難和極大的不確定性;因此，迫切需要結合國內及各地區(qū)的工程實際，制定出一套公路行業(yè)可行的豎井設計與施工的規(guī)范、規(guī)程。

2)秦氏豎井地壓理論側壓力系數(shù)的計算及取值存在較大的不確定性，其最終呈現(xiàn)的側壓力隨豎井埋深線性增加的規(guī)律也在某種程度上與實際相悖;因此建議根據(jù)各地區(qū)已建的工程案例收集、整理豎井圍巖壓力數(shù)據(jù)、巖土體物理力學參數(shù)指標，對當前的計算公式加以修正和完善，推導出具備一定區(qū)域適用性的、結果更為準確的計算理論。

3)豎井的全斷面施工方法是技術上最成熟、各行業(yè)工程案例最多的施工方法，而鉆機反井法不可取代的優(yōu)越性使其越來越受到青睞。目前國內反井鉆機設備能夠滿足的最大井深為600 m，而國外早已達到km以上，因此建議國內可以引進或研發(fā)更為先進的設備和技術，使公路隧道通風豎井的施工工藝得到長足的進步。

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