寶塔山特長公路隧道斜井設計技術

李忠陶

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

進入21世紀以來，隨著我國高速公路網布局的不斷完善，高速公路正持續不斷地向山區延伸，公路隧道建設正處于高速發展時期，截止2015年底，我國公路隧道已建成14 006座，全長12 684 km，其中特長隧道744座，全長3 300 km。隨著公路特長隧道的增多，斜井的設置也逐漸被業內人士所重視，斜井的設置不僅可以增加隧道工作面，改善施工條件，解決施工期間通風、排水、棄渣等問題[1]，同時對合理安排施工組織、有效縮短施工工期、妥善處理環境保護問題，確保運營期通風、防災救援甚至實現國防戰備等建設目標均有著非常重要的現實意義。本文結合寶塔山隧道的實際情況，介紹了寶塔山特長公路隧道斜井設計時考慮的影響因素及主要設計情況，希望能對其他隧道工程有一定的參考價值。

1 工程概述

汾陽至邢臺高速公路平遙至榆社段，按雙向四車道高速公路標準建設，設計速度采用80 km/h，路基寬24.5 m，寶塔山隧道作為該項目的控制性工程，左洞長10 191.696 m，右洞長10 479.611 m，主線設計指標見表1。隧址區位于太岳山脈北中部，為基巖中山區地貌，隧址內地勢最大相對高差約639 m，地形起伏變化較大，地質條件復雜。

表1 寶塔山隧道主線設計指標一覽表

2 斜井方案的確定

寶塔山特長隧道斜井方案的確定是以沿線地質、地形條件為基礎，以滿足整個隧道運營期送排風量為主，以兼顧施工工期要求，合理避讓超山自然保護區，綜合通風、環境保護及后期使用維護等多種因素，充分考慮施工及運營安全的情況下，本著例行節約、經濟合理的原則綜合確定的。

寶塔山隧道的工程特點：寶塔山隧道以平遙至榆社方向劃分，左線以下坡為主（上坡長∶下坡長=2 270∶8 049.6），交通量為重交通；右線以上坡為主（上坡長∶下坡長=8 170∶2 290），交通量為特重交通。主線最大縱坡為1.8%?？紤]隧道左線以輕載車輛為主，右線以重載車輛為主的交通組成特點，結合隧道縱坡坡度，計算出隧道的送排風需求為：左線需要1座送排風斜井，右線需要兩座送排風斜井。其中1號、2號斜井采用地下風機房，3號斜井采用地面風機房方式進行送排風。

2.1 地質、地形條件

寶塔山隧道位于太行山脈北中部，其巖層結構為泥砂巖互層，地形起伏大，地面植被茂密，巖層內含水量豐富，整個隧道主線穿越大小不等的22個斷層，地質條件復雜。3座斜井的布設盡可能對斷層等不良地段進行了避讓，特別是1號、2號斜井與主線相交處，由于地下風機房洞室群規模大，施工難度大，對地質條件要求較高。地下風機房洞室群所處區域、地質條件應相對穩定，這不僅對施工期，同時對運營期整個隧道的安全都有著非常重要的意義。

2.2 斜井與主線位置的均衡性

寶塔山隧道斜井的布設，首先要考慮3座斜井與主線的均衡關系。在大的布局上，通過綜合計算，斜井的數量確定后，各個斜井所承擔的送排風量以及施工期間各斜井所能承擔主洞部分的工作量應相互均衡。斜井與主線位置均衡設置的優點：首先是所配置的通風設備的功率相近，且能充分保證主洞運營期各段落間的通風效果；其次是各斜井施工期所承擔主洞工作量相對均衡，有利于整個隧道施工期工程的均衡推進；再次是施工期各斜井運距經濟，有利于節約成本，降低工程造價。寶塔山隧道3座斜井的布設基本滿足了這一基本要求。1號斜井位于右線隧道約1/3位置處，為右線送排風；2號斜井位于左線隧道大約中間位置，為左線送排風；3號斜井位于右線隧道約2/3位置處，為右線送排風。詳見圖1斜井相對于主線的平面布置示意圖。

圖1 斜井相對于工線的平面布置示意圖

2.3 井口位置的選擇

斜井井口位置的選擇主要考慮了以下6個因素：通風對井口的要求、排水對井口的要求、施工便道及后期運營維護對井口的要求、棄渣場地對井口的要求、井口所需場地的要求、環境保護對井口的要求。

寶塔山隧道3座斜井井口為了滿足上述要求，井口均選擇在3條自然溝的側面，這樣不僅可滿足斜井送排風的需要，同時也較好地解決了井口綜合排水問題。3座斜井在距井口300～500 m左右的支溝中均有較好的棄渣場地，棄渣運距短，可有效地節約施工成本，同時也可最大程度地避免損毀原地面植被，較好滿足了環境保護的要求?？紤]到3座斜井均需在斜井井口布置送排風煙囪，3號斜井尚需預留風機房布置場地。但3個斜井井口均面對3條自然溝，能提供的場地受到自然條件的限制，為保證斜井井口排水與布置排風煙囪或風機房需要，采取的具體措施是：在1號斜井井口處溝內設置1-3.0 m×2.0 m拱涵，在2號斜井井口處溝內設置1-3.0 m×2.0 m拱涵，在3號斜井地上風機房處溝內設置2-5.0 m×4.0 m小橋，在斜井井口處的平臺周邊設置擋墻，防止沖刷。在斜井井口周邊設置截水溝和排水溝將井口周邊的水引導排出，截水溝和排水溝的尺寸根據實地情況調整完善。對施工便道，斜井設地下風機房時井口外道路采用臨時道路；斜井設地上風機房時井口外道路采用永久道路，并按三級公路標準設計。

3 斜井的規模及運輸方式

3.1 斜井的規模

a）1號斜井位于右線右側，長1 337.478 m，斜井洞身開挖量為60 387 m3，地下風機房洞室群開挖量為38 159 m3,1號斜井總開挖量98 546 m3。

b）2號斜井位于主線左側，長1 269.301 m，斜井洞身開挖量為47 015 m3，地下風機房洞室群開挖量為33 590 m3,2號斜井總開挖量80 605 m3。

c）3號斜井位于主線右側，長881.354 m，斜井總開挖量為39 793 m3。

3.2 運輸方式

斜井運輸方式主要分為有軌運輸和無軌運輸，確定運輸方式主要考慮的因素：承擔的工作量、施工效率、施工經濟性、環境保護的要求。

從運輸所承擔的工作量分析，最大的1號斜井開挖量達 98 546 m3，最小的 3號斜井也有39 793 m3，如再考慮承擔主洞施工任務工作量非常大；從施工效率看采用無軌運輸將更方便，特別是各斜井開始承擔主洞施工任務后無軌運輸更能體現其方便、快捷、直達的優越性；從施工的經濟性分析，無軌運輸可直接將洞渣運達指定地點，不需要進行二次倒運，可降低施工成本；從環境保護的要求考慮，無軌運輸可以減少二次倒運造成的環境污染，更好地滿足環保要求，同時也利于井口附近相對較小場地的合理布置。綜合上述情況本項目的3座斜井均確定采用無軌運輸的方式進行運輸。

4 斜井的結構設計

4.1 斜井斷面設計

本隧道3座斜井橫斷面都采用直墻拱形斷面，考慮了通風面積要求、施工設備要求、結構安全等因素。斜井襯砌結構采用復合式襯砌結構，采用30 cm厚鋼筋混凝土中隔板將送風道和排風道隔開，詳見圖2。

圖2 斜井內輪廓斷面圖

4.2 斜井的縱坡設計

斜井縱坡設計，《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）[2]中對于無軌運輸斜井的坡度要求不大于12°，即縱坡不大于21%。 但事實上，如按21%的坡率設計，國產出渣車的爬坡能力是很難滿足這一坡率要求的。國內有的學者提出無軌運輸斜井坡率不宜大于13%的觀點是有一定的道理的[3]。開始布置1號、2號斜井時坡率分別按19.629%（11.11°）和20.069%（11.35°）設計，3號斜井坡率為14.04%（7.99°），但通過對國內隧道無軌運輸斜井實際情況的調研，認為1號、2號斜井的坡率偏大，這樣大的坡率將給施工運輸造成很大的不便，綜合國產出渣車爬坡能力、運載量能力、施工工期、車輛行駛環境等因素，設計時考慮項目3年工期以及地處超山自然保護區環境保護的要求，在斜井與主洞的交叉位置不變、斷面尺寸不變的情況下，對1號、2號斜井的井口位置和縱坡設計進行調整。3座斜井縱坡均每隔約300 m增設了一段緩坡段（見圖3），緩坡段長30 m，坡度為3%。

圖3 斜井縱坡圖（單位：m）

1號斜井調整后，斜井比原設計增長了318.075 m，坡率降為14%；2號斜井調整后，斜井比原設計增長了369.457 m，坡率降為12.8%。兩座斜井的井口位置均向外移動了300 m，適當降低了斜井坡度（見表2），斜井坡度及井口位置調整后不僅滿足了自然保護區環境保護的硬性要求，同時由于坡度的減緩，既有利于加快了施工進度并與總的施工組織相適應，也有利于降低施工期車輛運輸時的尾氣排放，為施工提供了一個較好的工作環境。3座斜井的坡率優化和調整情況詳見表2。

表2 斜井縱坡調整一覽表

在通風方面，斜井縱坡調整后對隧道的通風和機電設施重新進行了驗算，調整后對隧道的整體通風和機電基本沒影響。

4.3 斜井輔助坑道的設計

斜井長度長，斜井施工過程中施工機械和車輛在斜井中調頭、錯車、爬坡較困難，為方便施工，增設了施工輔助坑道。施工輔助坑道根據斜井施工現場情況和地質條件確定，1號和2號斜井各設置兩處，3號斜井設置一處。

斜井施工輔助坑道每處長6 m，輔助坑道凈寬為10 m，凈高為4.5 m。斜井施工輔助坑道襯砌參考主洞支護參數，考慮到只做初期支護，不做二次襯砌，支護參數均較應正常情況下的設計提高一級，施工輔助坑道一般設在緩坡段。

4.4 斜井襯砌結構的動態設計

考慮現場施工3座斜井均需承擔通主洞施工任務的情況，如果斜井二次襯砌與初期支護跟進施工，完成整個斜井的進度將不能滿足斜井施工作業周期和整體隧道施工組織的進度要求，嚴重影響斜井承擔主洞施工任務的施工組織安排?？紤]到斜井二次襯砌施工需在承擔并完成主洞施工任務后再施工，對斜井的襯砌方式進行了動態設計，針對圍巖的地質情況，對斜井支護結構進行了調整。強化了初期支護參數，如對Ⅳ級圍巖段在初期支護中增設了縱向間距為120 cm的I12.6工字鋼拱架支撐，施工時適當增加了C25噴射混凝土的厚度，系統錨桿采用φ22早強速凝藥包錨桿，并進行梅花型布置等措施。原則是結合圍巖實際，保證結構安全，合理控制費用，對于地質條件好的優化結構，地質條件差的加強結構。確保初砌結構在施工期的安全性。

4.5 斜井防排水設計

斜井防排水設計，采用φ300中央排水管。初襯后采用立體防水板，提高排水的通暢性。二次襯砌的施工縫、變形縫、沉降縫、明暗洞相接處布設中埋式橡膠止水帶或背帖式止水帶，在富水段采用中埋式橡膠止水帶加背貼式止水帶。斜井地下風機房的防排水設計在《公路隧道設計規范》中有單獨要求，施工時需高度重視。

5 地下風機房的布設

1號和2號斜井地下風機房洞室群的組成相近，具體尺寸根椐風機規格的不同略有差異。主要組成有送風機房、排風機房、風機房聯絡通道、送風聯絡通道、排風聯絡通道、送風口、排風口、排煙道、風機搬入通道、配電室、人行通道，詳細布設見圖4。對公路特長隧道地下風機房布置、構造、作用及功能介紹的論文較多詳細的內容這里不再贅述。

圖4 1號斜井地下風機房洞室群平面布設圖（單位：m）

6 小結及建議

寶塔山特長公路隧道基本按照項目要求工期順利完成，特長公路隧道斜井設計在建設過程中也得到了較好的驗證。本文主要對寶塔山隧道斜井設計技術進行了分析總結，希望能為大家提供參考。

a）斜井的布置和設計技術需要從多方面進行綜合分析比選確定。主要考慮項目工程特點和地質、地形條件、斜井功能及作用、斜井工程規模、斜井施工效率、隧址區環保要求、斜井風機房型式、隧址區施工條件、項目工期、斜井施工組織安排等綜合分析比選。

b）根據斜井長度，考慮施工運輸車輛爬坡能力和運載量，建議斜井采用無軌運輸方式時縱坡應不超過15%，斜井長度超過300 m時,每隔約300 m設置長度30 m左右的坡率小于3%的緩坡段，這樣的坡度要求和緩坡段設計在3座斜井的施工中得到了較好的驗證，無論對施工安全、環保要求或車輛使用等均是比較合理的。

c）斜井較長時，需考慮車輛錯車和調頭要求，設置施工輔助坑道。施工輔助坑道一般設在緩坡段較好。

d）斜井作為隧道施工通道，需要承擔主隧道施工任務時，斜井的襯砌結構，可按照斜井二次襯砌在隧道施工完成后才施做考慮，初期支護應適當提高，二次襯砌可適當降低。

e）斜井的施工便道，需考慮斜井的風機房位置來設計，斜井設地下風機房時施工采用臨時道路，斜井設地上風機房時采用等級公路標準設計，斜井、風機房及承擔的主洞施工完成后鋪筑路面結構作為運營養護道路。