公路工程与运辑 ２０ｏ８年第１２期上（总第１８６期） 掳长公路隧厘斜竖井设计旋工的 ／＼ ＜ 、 ／ 一 、 。＼ 关 键 技 木＞ ｌ、．．．，， 、， 、、、 ／ ， 王 飞 （安徽省公路勘测设计院，安徽合肥２３０ｏ４１） 摘要：在特长隧道斜竖井设计施工中，竖井数量、位置、坡度、断面形状和大小、开挖方法等因素互相关联，在设计时 科学统筹并进行充分论证，方可制定出合理的设计施工方案，达到快速安全的目的。 关键词：特长隧道；斜竖井；设计；施工 中图分类号：Ｕ４５２．２；Ｕ４５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—４７８６（２００８）ｌ２—００６Ｏ一０４ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎ０ｌ０ｇｉｅｓ ０ｆ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃ０ｎｓｔｒｕｃｔｉ０ｎ ０ｆ Ｉｎｃｌｉｎｅｄ Ｓｈａｆｔｓ ａｎｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｓｈａｆｔｓ ｉｎ Ｅｘｔｒａ—ｌ０ｎｇ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ ＷＡＮＧ Ｆｅｉ （Ｈｉｇｈｗａｙ Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈｅ ｉ ２３００４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ， ｌｏｃａｔｉｏｎ， ｇｒａｄｉｅｎｔ， ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｏｆ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ， ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｈａｆｔｓ ａｎｄ ０ｔｈｅｒ ｆａｅｔ０ｒｓ ａＩ．ｅ ｉｎｔｅＩＴｅｌａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔＩ１Ｊｃｔｉｏｎ ０ｆ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｈａｆｔｓ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｈａｆｔｓ ｉｎ ｅｘｔｒａ—ｌｏｎｇ ｔｕｎｎｅｌｓ， ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｍ０ｎｓｔｒａｔｅｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉＶｅｌｙ ａｎｄ ａｄｅｑｕａｔｅｌｙ ｄｕｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｉｎ ０ｒｄｅｒ ｔ０ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｒｅａｓ０ｎａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔＩ１ｌｃｔｉ０ｎ ｐｌａｎ ａｎｄ ａｃｈｉｅＶｅ ｔｈｅ ｐｕＩｐ０ｓｅ ０ｆ ｓｐｅｅｄｉｎｅｓｓ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ． Ｋｅｙ ｗ０ｒｄｓ： ｅｘｔｒａ—ｌ０ｎｇ ｔｕｎｎｅｌ； ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｈａｆｔ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｈａｆｔ； ｄｅｓｉｇｎ； ｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎ 近年来，随着我国高速公路向山区的延伸，出 现了越来越多的特长隧道。在这些特长隧道中，大 显的不足。到目前为止，斜竖井的设计施工仍处于 借鉴和探索阶段。为了更系统地开展研究，笔者收 集了国内部分特长隧道斜竖井设计施工的相关成 果，对若干关键技术进行了整理，并提出了一点浅 薄的认识，供大家探讨。 １斜竖井实例 多采用斜竖井通风。斜竖井通风系统造价高、影响 大，不仅与隧道排烟降尘问题紧密联系，还与隧道 建养的成本控制、环境保护、斜竖井施工技术及安 全管理等息息相关。由于我国特长公路隧道建设起 步较晚。虽然诸多学者开展了大量的研究，取得了 一目前国内建成的特长公路隧道有陕西西安至安 些成果，但在斜竖井设计施工方面仍存在着较明 康高速公路秦岭终南山隧道，湖南邵阳至怀化高速 京：机械工业出版社，２００４． 作者简介：李明（１９８４一），男，硕士研究生，现在兰州交通 大学攻读岩土工程专业，研究方向为隧道与地下工程。 收稿日期：２００８一Ｏ４—０２ 【４】李树忱，李术才，杨春武．软岩隧道建造过程 三维有限元仿真分析［Ｊ］．山东科技大学学报，２０Ｏ１， ２０（２）：９７—９９． ［５１龚曙光．ＡＮＳＹＳ操作命令与参数化编程［Ｍ１．北 ２００８年第１２期上（总第１８６期） 公路工鏖与运辘 设期，相对容易计算和比较，其运营成本则与多方 面的因素揉杂在一起，要准确确定十分困难。例 如，由于竖井排送组合通风涉及隧址自然风风压、 复杂风道通风计算等问题．目前对这些问题虽然开 公路雪峰山隧道。山西新广武至原平高速公路雁门 关隧道等十余座【ｌ＿”］，这些隧道分别设有一座或多 座斜竖井。为了保证这些斜竖井的建设，相关单位 开展了大量的研究工作，使我国特长公路隧道斜竖 井建设水平有了很大的提高。表１列出了部分斜竖 井的设计施工情况。 表１ 国内部分特长公路隧道斜竖井案例 隧道名称 所在线路 长度 （ｋｍ） 斜竖井 方案 斜竖井 断面 施工方法 展了不少研究，但并未得出公认的合理解算方 法【’ ，这就导致了运营过程中实际所需通风量、装 机容量及实际工作模式、运转时间等的不确定。 从技术角度看．隧道远期通风需求是一个动态 发展的系统问题。隧道通风运营设计的各项技术都 终南山隧道 西安至安康 高速公路 １８．０２ ３座竖井 圆形 正井施工 存在认识的不确定性和发展的不确定性。认识的不 秦岭１号 确定性包括前面提到的对竖井送排风通风模式的认 隧道 西安至汉中 高速公路 ６．１０ ｌ座斜井 马蹄形 反井施工 识尚不明确：发展的不确定性包括决定隧道通风需 雪峰山隧道 邵阳至怀化 ６２座斜井＋ 马蹄形（斜井） 中心扩孔 高速公路 求，确定通风模式的各因素的发展情况。例如，随 ．９５ ｌ座竖井 圆形（竖井） 法（竖井） 着汽车工业的发展、环境保护要求的提高和新型汽 中粱山隧道 成都至重庆 高速公路 ３．１６ （２２７１座竖井 车动力的开发，汽车排污量在日后的下降幅度不确 ．６５ｍ） 圆形 正井施工 大坪里隧道 牛背至天水 定。又比如，目前我国在长隧道和特长隧道中多采 高速公路 １２－２Ｏ （推荐方案）５座竖井 圆形 正井施工 用射流风机通风，被污染的空气直接通过井口和隧 夹活岩隧道 宜昌至恩施 高速公路 ５．２２ ｌ座竖井 圆形 正井施工 道洞门排到洞外，如果将静电除尘技术应用到我国 隧道通风领域．则可能彻底改变我国长隧道和特长 龙潭隧道 宜昌至恩施 高速公路 ８．６９ ２座斜井＋ ２座竖井 马蹄形（斜井）圆形（竖井） 正井施工 隧道的通风模式。此外，隧道建成后交通量的增长 美菰岭隧道 京福高速 情况也具有一定的不确定性。 公路 ５．５７ １座竖井 圆形 正井施工 ２．２ 井口位置 石牙山隧道 广梧高速 公路 ４．６０ １座竖井 圆形 正井施工 井口位置主要由隧址地形条件、地质条件、环 境保护要求等因素决定。竖井井口一般标高较大， 乌池坝隧道 恩施至利川 高速公路 ６７１ １座斜井＋ ｌ座竖井 马蹄形（斜井）．圆形（竖井） 正井施工 选择时应注意保证井口地面比较平坦，并且容易使 雁门关隧道 新广武至原 ５２座竖井 人员与施工设备通达。因为在竖井施工中，井口地 平高速公路 ．２３ （推荐方案） 圆形 正井施工 面的井架和提升绞车都是必需的．没有平坦的地 ２斜竖井方案选择 面，施工将无法进行。而且斜井井口标高较低，施 斜竖井方案包括斜竖井座数、井口位置、斜竖 工方法可以灵活考虑正井法或反井法，选择的余地 井坡度选择等。这些是特长隧道通风系统设计中首 较大。从环保角度考虑，竖井井口较高，有利于污 先要确定的问题，往往需要综合考虑多方面的因 染空气的扩散，选择余地较大；斜井井口则相反。 素，开展专项研究来确定。 此外，环保方面还要充分考虑对周边村落、生态环 ２．１斜竖井座数 境等的影响。 斜竖井座数主要根据隧道长度、交通量、隧址 ２．３斜竖井坡度选择 地形及经济技术条件来确定。其中隧道长度、交通 从理论上看．斜竖井坡度由洞内联络风道位置 量、隧址地形情况在规划和勘察阶段基本可以确 和井口位置直接确定。联络风道常根据隧道通风来 定，对斜竖井方案的影响是固定的。而经济技术条 计算确定污染空气排出位置和新鲜空气送入位置． 件则是一个比较复杂的问题。 一般考虑将斜竖井均匀布置在隧道范围内，实际操 从经济成本的角度看．隧道通风运营成本可分 作时应根据可能的井口位置进行局部调整。 为建设成本和运营成本。前者包括土建工程造价和 为了尽量缩短风道长度、减小通风阻力、降低 通风设备购置安装费，后者则包括运营期的能耗与 运营成本．联络风道与井口之间应尽可能采用直线 设施养护费等。隧道通风系统的建设成本发生在建 连接。但是，由于施工技术的限制，坡度为２５。～ 公路工程与运输 ３０。的斜井施工难度很大，往往很少采用。当斜井 坡度为２５。～３０。时．常规机械的爬坡性能都不能满足 要求，隧道弃渣也不能自溜排出。当联络风道与井 口之间直线坡度在此范围内时，往往将斜井设计成 ２ｏ０８年第１２期上（总第１８６期） 斜竖井断面面积，主要根据隧道送排风量的大 小及设计的经济风速来共同确定。理论和工程实践 表明。斜竖井内风速应控制在ｌ２ｎ１／ｓ～１８ｍ／ｓ范围内， 低于或超过这个速度都不经济。通过计算获得送排 风量ｐ，初步确定设计风速 ，得到通风面积 ＝ 。缓坡（小于２５。）与陡坡（大于３０。）或缓坡与竖井（９Ｏ。） 的组合。在进行这种缓坡与陡坡组合的通风井设计 时，两段通风井之间的转角对通风的运营成本有很 大影响，因此应充分进行论证。以西汉高速公路秦 在送排风分离的通风井中，求得的面积可直接 作为断面参考值；如果送排风道共用同一通风井， 则总面积为排风道与送风道面积之和。由于斜竖井 送排风通风系统流场分析较为复杂，实际确定参数 时．一般应根据上述粗估的风道断面面积。确定断 面形状和大小，然后对整个通风系统进行理论或模 岭１＃隧道为例，文献『１３１讨论了中等坡度斜井、缓 坡斜井＋竖井、缓坡斜井＋陡坡斜井三种方案（见图 １）。结论是：中等坡度方案斜井能耗最低．但施工 相当困难：缓坡斜井＋竖井方案施工难度较大。能 型试验的分析验证，并反复修正，最终确定合理的 通风井断面面积。 斜竖井断面形状主要为圆形和马蹄形两种（见 耗甚大，为中等坡度方案的１．６６倍；缓坡斜井＋陡 坡斜井方案施工较方便，能耗与中等坡度方案相当。 图２）。为了施工方便，斜井一般为马蹄形，少数为 风口 圆形；竖井为圆形。马蹄形断面根据行业不同略有 差别，在公路隧道领域，多为曲墙断面（见图２ｂ）； 在铁路隧道领域，多为直墙断面（见图２ｃ）；在水工 领域。两种断面都有。圆形断面的优点是断面利用 率高，受力合理，便于衬砌滑模施工；缺点是在斜 风 图１秦岭１＃隧道通风井方案 井条件下开挖成形较困难．因而多应用在竖井中。 马蹄形断面的优点是施工和养护时人员、机械可在 ３斜竖井断面设计 斜竖井断面设计包括断面面积、断面形状和送 排风道划分。 其中行走，施工和养护较方便，缺点是断面利用率 不高，受力不尽合理，支护衬砌较困难，成本高。 ａ）圆形断面 ｂ）曲墙马蹄形断面 ｃ）直墙马蹄形断面 图２几种常见的斜竖井断面 斜竖井内的风道划分主要根据设计送排风量比 例确定，有些斜竖井为单一送风或单一排风通风 井，则不需要进行风道划分。 ４斜竖井的开挖方法 正井法开挖为自通风井井口向井底正向开挖， 这是在矿山中常用的一种开挖方法。对于公路特长 隧道，只有在井口标高不大、井口场地条件较好时 采用。竖井正井法开挖，在井口安装井架和升降设 备进行出渣和运送材料；斜井正井法开挖，多采用 斜竖井的开挖方法对斜竖井的设计有重大影 响，从国内已建公路隧道的斜竖井来看，施工方法 往往决定了斜竖井的设计方案。斜竖井常用的施工 方法有正井法开挖、反井法开挖、导井法开挖三 绞车有轨运输。 ４．２反井法开挖 反井法开挖为自井底向井口反向开挖。在铁路 和矿山中，反向开挖斜井、竖井的案例都有。反向 坡度越大，反井施工越困难，机械设备、安全管理 种（见图３），导井法又分为正导井法与反导井法。 ４．１正井法开挖 一ｃ（孙ＩＭＵ ２００８年第１２期上（总第１８６期） 公路工露与运辑 井 井 井 ａ）正井法 ｂ）反井法 ｃ）正导井法 ｄ）反导井法 图３斜竖井主要开挖方法 要求越高。竖井和陡坡斜井（大于３０。）可以采用自 ［２］杨彦民，曹振．秦岭特长公路隧道群通风设计 溜排渣的方法．即岩石在自重作用下直接溜到井 ＩＪ１．公路，２ｏ０５，４（４）：１８６—１９１． 底。再用装载设备转运。对于缓坡斜井（小于 【３］张涛，郭小红，周国光．雪峰山隧道通风竖井 ２５。），岩石一般不能自溜，但由于坡度较缓，常规 设计ｌＪ１．中南公路工程，２００６，２（１）：１０９—１１２． 装载设备可用于出渣。坡度在２５。～３０。之间的斜井 ［４］陈金镕．中梁山隧道通风竖井施工ｆＪ】．公路， 岩石既不能自溜，常规装载设备也不适用。施工相 １９９４，９（９）：４２—４４． 当困难．因而一般不推荐使用反井法开挖。当必须 ．采用反井法开挖时．则需要设计溜槽并根据实际坡 中南公路工程，２００６，２（１）：８３—８７． 度和坡长．为溜槽进行振动以增加动力。粕线面 萼 一 铭一 一 ［５］乔春江，柯小华．大坪里隧道通风方案设计【ＪＪ ［６】刘柏林，程久胜，董健．夹活岩隧道通风竖井 ４－３导井法开挖 及风机房设计ＩＪ１．公路隧道，２００６，４（４）：４９—５３． 导井法是在通风井开挖一端施工条件很差、开 ［７］陈璋，陈光明，程久胜，等．龙潭隧道斜井、 挖困难的情况下，通过开挖导井改善施工条件的施 竖井设计［Ｊ］．公路，２０（）５，８（８）：ｌ７Ｏ一１７５． 工方法。根据开挖方向的不同，导井也可分为正导 ［８］何以群．美菰岭隧道设计中的几个技术问题［Ａ］． 井与反导井： ２Ｏ０１年全国公路隧道学术年会论文集［Ｃ】．北京：人 ａ）正导井 当斜竖井井口便道条件很差时，大 民交通出版社．２００１．８６—９２． 型设备、材料都不能运到井口，弃渣也不能运走 ［９］潘晓马．石牙山特长隧道竖井及风道防排水设 时，从井口向下开挖一个小的导井到井底，通过导 计［Ｊ］．广东公路交通，２００６，４（４）：４６—４８． 井将设备和材料提升到井口再进行扩挖，弃渣通过 ［１０］陈光明，胡良年，詹建辉，等．乌池坝特长公 导井从井底运走： 路隧道斜井、竖井设计［Ｊ］．现代隧道技术，２００６， ｂ）反导井 当斜竖井井口完全不能到达时，只 ６（３）： １２一ｌ７． 能从井底向上开挖．考虑到完全反井开挖速度慢， ［１１］夏永旭，张进县，王永东，等．雁门关公路隧 安全系数低．可以先反向开挖一个导井到井口，提 道通风方案『Ｊ１．长安大学学报：自然科学版，２００３， 升材料和设备，再按正井法进行扩挖。 ７（４）：４６—５Ｏ． ５结语 ［１２Ｊ吕康成，伍毅敏．特长公路隧道通风设计若干 在特长隧道斜竖井设计施工中，竖井数动量、 问题与对策ｌＪＪ．现代隧道技术，２００６，１２（６）：３５— 位置、坡度、断面形状和大小、开挖方法等因素互 ３９． 相关联．在设计时科学统筹并进行充分论证，方可 ［１３】吕康成，杨荣尚，李高旺，等．特长隧道通风 制定出合理的设计施工方案，达到快速安全的目 井设计与施工探讨ｌＪ１．公路，２００６，４（４）：２ｌ２— 的。 ２】７． 参考文献 作者简介：王飞（１９７８一），男，大学本科，工程师，安徽省 ［１】夏永旭，王永东，赵峰．秦岭终南山公路隧道 公路勘测设计院岩土分院副院长，主要从事隧道工程设计 通风方案探讨『Ｊ］．长安大学学报：自然科学版， 研究工作。 ２００２，９（５）：４８—５０． 收稿日期：２００８—０３—１９