特长公路隧道斜井、竖井设计技术与经验

陈光明，韦 薇，胡益华

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056;⒉湖北省交通规划设计院，湖北武汉 430051)

0 引言

随着我国经济和社会的不断进步，公路建设向山区发展，特长公路隧道斜井、竖井不断纳入建设规划，斜井、竖井设计对特长公路隧道纵向分段式通风方案起决定性作用，关系隧道工程规模、工期、后期营运费用和防灾救援。然而设计规范对其规定比较简略，无论在设计理论还是工程实践，我国均缺乏必要的积累，可借鉴的资料少，经验缺乏。公路隧道斜井、竖井设计主要借鉴铁路、冶金、煤炭等行业，但其具有自身特殊性，考虑的重点是解决运营期间通风和防灾救援难题。铁路隧道辅助坑道主要目的是提高施工进度，缩短工期，解决施工期间的通风问题。矿山工程考虑的重点是斜井、竖井的运输能力，以及运输效率。目前国内学者针对特定工程条件下公路隧道斜井、竖井设计方面做了一系列技术工作，取得了一些成果。文献［1－2］介绍了太岳山隧道和米仓山隧道斜井、竖井方案研究;文献［3］介绍了佛岭隧道斜井、竖井设计;文献［4］介绍了石门垭隧道斜井纵坡优化设计;文献［5－6］介绍了雪峰山隧道和华蓥山隧道竖井设计和施工。公路隧道斜井、竖井设计不仅涉及到岩土工程和结构工程，还要结合路线平纵断面，与隧道通风、消防、供配电等交通工程息息相关。考虑因素多，导致制订方案时纳入同精度比选方案多，工作既繁琐，又难以抓住重点，需系统研究。本文结合龙潭隧道、大坪山隧道、乌池坝隧道3座特长隧道设计实践(见表1)和文献［7－10］，对有关设计内容进行细化与规范，提出具体设计原则、指标和图例供参考;阐述工程应用情况和设计理由，达到提高认识，合理选用技术标准的目的。

表1 3座特长公路隧道斜井、竖井设置情况Table 1 Inclined shafts and vertical shafts of Longtan tunnel，Dapingshan tunnel and Wuchiba tunnel

1 斜井、竖井的布置

斜井、竖井可解决采用纵向通风隧道受长度限制的问题，能有效缩短工期，其布置需分析隧址区地形地貌、可设置通风井的位置、工程地质条件和土建费用;研究隧道通风分段、防灾救援要求和营运通风费用;考虑施工可行性、施工组织、施工工期等要求。

1.1 地形地貌和工程地质条件

1)隧道洞身埋置不深或虽埋深大，但隧道适宜位置处傍侧有低洼地形可利用，且地质条件较好，因而宜设置斜井、竖井。

2)斜井、竖井井身应选择在工程地质和水文地质条件较好的地层中，尽可能避免井身穿过松软地层、断层破碎带及含水层;要注意井口处排水方便，不要被水淹没;井口应有适合于布置提升设备、材料堆放、布设各种管线和生产房屋、弃渣的场所。

3)不应过分地强调均匀分段而不考虑地势地形条件，以免造成斜井、竖井、连接风道的土建费用增多;同时由于过长的斜井、竖井、连接风道也会增加通风阻力，造成运营费用增高。

1.2 通风分段和防灾救援

斜井、竖井井底位置由通风分段决定，通风分段主要取决于隧道需风量，而需风量的影响因素主要有隧道长度、设计交通量、设计车速、纵坡等。

1)每段设计风速宜为2.5～10 m/s，最好在6～8 m/s，相邻两段风速不宜超过5 m/s，以免增加通风控制难度，满足通风技术要求。

2)通风分段不宜过短，斜井、竖井施工难度大，设备投入多，土建费用高，分段越多土建费用越高，同时加大通风控制困难，分段长度一般大于2 000 m。

3)通风分段不宜过长，需考虑火灾工况下的排烟，受火灾排烟区段长度控制，一般情况下排烟区段长度不宜大于5 000 m。

4)考虑排风容易、送风困难，当有条件时，宜适当增加排风段分段长度，减少送风段的分段长度，以降低轴流风机功率，节省能耗。

1.3 施工因素

1)考虑斜井、竖井本身施工技术和设备的限制，目前竖井最大深度不宜超过700 m，有轨运输斜井不宜超过1 000 m，无轨运输斜井不宜超过2 000 m。

2)隧道施工组织、工期的需要，在方案比选中分析斜井、竖井本身工期及其缩短主体工程工期的作用，达到降低工程造价、提高经济效益、一井多用的目的。

1.4 工程应用

1.4.1 龙潭隧道与大坪山隧道

龙潭隧道采用三段式通风，大坪山隧道采用二段式通风，2隧道工程规模虽相差不大，但斜井、竖井布置差异较大，主要理由如下。

1)交通量的差异。龙潭隧道位于沪渝高速，为东西向国道主干线，远期交通量大，为37 672 Pcu/d;大坪山隧道位于谷竹高速公路，隧道出口为保康北枢纽互通，为谷竹高速和麻竹高速的T型交叉，麻竹高速是国家高速公路网上海至安康高速公路(G4213)的重要组成部分，分流了相当大部分交通量，远期交通量小，为 21 968 Pcu/d。

2)路线纵坡的差异。龙潭隧道为1.50%的单向坡，坡度大;大坪山隧道为+0.51%，－0.89%人字坡，变坡点基本位于隧道中心，纵坡平缓，汽车污染物排放量小。

3)地形的差异。龙潭隧道中部地势高，不适合设置斜井、竖井，适合通风井的位置分别靠近进口和出口，同时考虑隧道纵坡和交通量大，采用三段式通风;大坪山隧道适合通风井的位置靠近隧道中部，且最大分段长度左洞为4 752 m，右洞为5 115 m，可满足防灾救援的要求，同时考虑隧道纵坡和交通量小，采用二段式通风，节省土建和营运通风费用。

1.4.2 乌池坝隧道

乌池坝隧道右洞采用三段式通风，左洞采用二段式通风，主要原因如下。

1)右洞为上坡隧道，远期交通量大，为42 407 Pcu/d，需风量大，采用斜井集中排出式+竖井送排式+射流风机纵向通风。竖井将右洞隧道分为3 825 m+2 870 m 2段，第Ⅰ段通风长度偏长，与第Ⅱ段通风长度相差1.0 km，相差50%，导致2段风速相差大，通风控制困难，需设置射流风机调压;通过斜井排出第Ⅰ段部分风量，减少风速差，降低轴流风机和射流风机功率，降低竖井面积。

2)左洞为下坡隧道，需风量小，采用斜井集中排出式+射流风机纵向通风。斜井将左洞隧道分为4 250 m+2 460 m 2段，通过斜井排出第Ⅰ段部分污染空气，降低第Ⅱ段风速，降低射流风机功率。

3)考虑左洞入口段火灾时的排烟，在右洞竖井处设置了专用排烟通道连接竖井排风道，再加上斜井对左右洞排烟，对防灾、救灾非常有利。

2 斜井、竖井方案的比选

斜井和竖井的比选需从地形地貌、工程地质、施工组织、工程造价、营运费用和工程的难易各方面综合考虑。

2.1 斜井优缺点

1)有利因素。可利用斜井辅助主洞施工，缩短工期;斜井施工需要一定的提升设备，主要有提升绞车、矿车、轨道、信号和安全设施等。施工设备和施工技术较竖井简单，工程难度小;调整斜井轴线与隧道轴线夹角，可以达到优化隧道通风分段的目的;斜井可有效降低井口标高，从而减少通风井长度，并减少上山的施工便道，既满足了洞口自然坡体和植被不被破坏的要求，又解决了斜井施工便道坡度大、施工车辆安全保障性低的难题。

2)不利因素。当斜井、竖井井口井底高差相同，斜井倾角取25°时，斜井长度是竖井长度的2.2倍，土建费用略高于竖井，增加通风沿程阻力，增加轴流风机功率，增加通风费用。

2.2 竖井优缺点

1)有利因素。缩短井身长度，可大大减少通风阻力，充分利用竖井烟囱效应，降低轴流风机功率，从而降低运营通风费用。

2)不利因素。竖井施工需垂直运输，需要一套专门设施，主要有提升绞车、吊盘、抓岩机、吊桶、稳车、信号和安全设施等。施工设备较斜井复杂，竖井施工进度慢，水的排出困难，造价高，安全性也差，测量投点困难;竖井出渣与下料均为垂直运输，辅助主洞施工能力不如斜井。

2.3 工程应用

2.3.1 进口段应用

龙潭隧道进口段设置2座斜井，大坪山隧道设置2座斜井，乌池坝隧道进口段设置1座斜井，主要理由如下。

1)龙潭隧道斜井口距进口约2.0 km，如采用竖井，会导致第Ⅰ段通风长度偏短，与第Ⅱ段长度相差1.6 km，通过设置斜井，使2段长度之差降至0.8 km，通风分段均匀，利于通风控制，节省营运期间费用。

2)大坪山隧道斜井口距进口约2.7 km，如采用竖井，第Ⅱ段通风长度将达5.5 km，防灾排烟距离过长，需要在隧道出口段再设置1处通风井。在大坪山隧道特定的交通量、平纵断面及地形条件下，设置斜井可使隧道通风分段合理，左洞为3 511 m+4 752 m，右洞为3 127 m+5 115 m，达到了比较理想的状态，可采用二段式纵向通风，左右洞只需各设置1座斜井，减少通风井数量，降低工程规模。

3)设置斜井降低了井口标高，将大坪山隧道地下风机房调整为地面风机房，土建费用省。

4)可利用斜井辅助主洞施工，缩短工期，斜井施工较竖井方便、安全，工程难度小，土建费用较竖井低。

5)斜井可有效降低井口标高，从而减少通风井长度，并减少上山的施工便道，既满足了洞口自然坡体和植被不被破坏的要求，又解决了施工便道坡度大、施工车辆安全保障性低的难题。

2.3.2 出口段应用

龙潭隧道出口段设置2座竖井，乌池坝隧道出口段设置1座竖井，主要理由如下。

1)竖井处埋深较大，龙潭隧道、乌池坝隧道分别达355 m和289 m，设置竖井可以大大减少通风阻力，从而降低通风运营费用;若设斜井辅助主洞施工效率会很低，成本高，提高施工效率作用有限。

2)距离乌池坝隧道竖井400 m有一处地表消坑，且据深孔钻探资料表明岩层裂隙发育，有大量填充物，第四纪覆盖层厚度达140 m，如设置斜井，斜井洞身和井底位于地表消坑，施工难度大。

3 斜井倾角与提升方案的选择

3.1 斜井倾角

斜井倾角的大小，影响井筒的长度、提升设备的选型和建井速度，关系斜井工程造价和运营阶段通风费用，且一旦建成，便很难更改和调整。

斜井倾角的选择需考虑隧道地形、地质情况，当倾角过大，纵坡虽大，但斜井井口位于隧道轴线地势较高处，造成井口与井底高差大，井身长度相应增加;当倾角过小，纵坡小，井口上升高程有限，同样会增加斜井井身长度，且使井口位于浅埋、软弱地层的长度增加。选择倾角时，应使斜井井身位于工程地质和水文地质条件较好的地层中。

一般认为斜井倾角小，对斜井本身的修建速度有所提高，工作人员上下方便安全，并可提高斜井的提升能力，对隧道快速施工起到一定的作用。施工方一般考虑降低机械设备的投入，施工便利，加快施工进度，一般要求采用缓坡斜井。

设计考虑公路隧道斜井的首要功能是作为运营通风风道，其次作为施工期间辅助主洞施工的通道。为降低通风沿程阻力损失，降低轴流风机功率，一般推荐采用陡坡斜井，缩短通风井长度，以控制斜井土建工程造价和运营阶段的通风费用。

设计中需综合考虑施工条件、施工工法、工期、造价以及运营通风，应视具体工程条件灵活选取斜井倾角。防止仅为施工方便而采用缓坡斜井，导致斜井长度增加过多，增加工程造价，增加通风阻力，造成运营通风费用过高;同时缓坡斜井长度长，本身施工时间长，对缩短施工工期作用有限。

3.2 斜井提升方案

提升方案与斜井倾角密切相关，当采用矿车提升，倾角超过一定的角度就会出现掉块，倾角越大掉块现象越严重;同时还容易掉道，开挖、装渣难度加大，装渣效率低，故采用矿车提升的倾角一般不宜大于25°。采用箕斗提升倾角可适当加大至35°，以缩短斜井长度，增大提升能力，加快斜井提升速度。胶带运输机结合冶金部门经验，倾角一般不大于15°。缓坡斜井采用汽车无轨运输，一般倾角不超过7°。各类斜井提升方案比较见表2。

表2 斜井提升方案比较表Table 2 Comparison and contrast between track transportation and trackless transportation in inclined shaft

斜井提升方案和方式应根据提升量、斜井长度及井口地形选择，在满足提升量要求的前提下，选取工程量小、投资省、安装简易、施工方便的方案。目前公路隧道陡坡斜井主流的方法是矿车出渣，箕斗法一般在矿山工程中采用。

3.3 工程应用

龙潭隧道、大坪山隧道和乌池坝隧道均采用陡坡斜井，斜井倾角接近25°，采用矿车提升，主要理由如下。

1)控制斜井长度，减小通风阻力，降低轴流风机功率，控制斜井土建工程造价和运营阶段通风费用。

2)方便提升设备的选型，公路隧道斜井具有要求投产快、使用期短、方便适用及安全可靠的特点，矿车斜井具有工程量小、投产快、成本低、设备简单的优点，利于施工。

3)龙潭隧道、大坪山隧道、乌池坝隧道长分别为8 694，8 263，6 710 m，工作面少，工期较紧张，需要斜井辅助主洞施工;同时斜井处埋深分别为187，186，163 m，斜井长度分别为 465.8，463.0，406.4 m，可为主洞施工提供便利。在实际施工中，通过斜井出渣、下料，施工主洞上台阶100～350 m，减缓了隧道的工期压力。

4 斜井与联络风道相交设计

4.1 相交设计难点

斜井与联络风道相交设计是难点和关键:1)斜井和联络风道净空断面类型多，变化大;斜井为圆形断面，联络风道考虑施工方便，采用半圆形拱形断面，两者在形状、高度、宽度上差异大，且斜井需同时与送风、排风联络风道衔接。2)通风技术要求风流顺畅，减少通风风流局部风压损失，达到降低隧道运营费用的目的。各类衬砌断面变化处应平顺，不宜有突变，保证风流顺畅，目前设计主要采用错位布置式和分岔布置式。

4.2 工程应用

龙潭隧道和乌池坝隧道采用错位布置式，平面布置见图1。优点是结构简单，设计容易，施工组织方便;缺点是土建工程量较大，风流在斜井底部容易形成湍流。

图1 龙潭隧道1号斜井井底平面布置图(单位:cm)Fig.1 Plan layout of bottom of No.1 inclined shaft of Longtan tunnel(cm)

大坪山隧道采用分岔布置式，开展技术创新，斜井井底采用叉洞结构，由大拱段、连拱段、小净距段3部分组成，减少断面变化，平面布置见图2。在选定联络风道净空断面的过程中，合理选定拱部半径与直墙高度，以利于斜井与大拱段、大拱段与连拱段的连接;同时，斜井井底曲墙式衬砌与叉洞大拱段直墙式衬砌之间设置3 m渐变段。优点是斜井与送排风联络风道连接平顺、顺畅，减少通风阻力，工程费用省;缺点是设计及施工繁琐。

图2 大坪山隧道2号斜井井底叉洞段平面布置图(单位:cm)Fig.2 Plan layout of fork section of No.2 inclined shaft of Dapingshan tunnel(cm)

5 竖井施工方案

竖井施工的特点:1)作业工序具有单一性。井筒开挖与支护不能平行作业，施工干扰大、条件差、进度慢。2)安全措施要求高。由于空间狭小，大部分施工设备需利用井架或井壁悬挂，出渣、进料均为竖直运输，危险源非常多。井筒内需设置安全梯等安全设施，并应采取相关安全措施，防止设备在提升过程中因为断绳、脱钩产生溜车(掉罐)或过卷，以及在竖井中发生碰撞事故。

5.1 竖井施工方案比选

竖井常用施工方法主要有正井法(凿岩爆破一次成型法)和反井法(先导井、后扩挖)，竖井施工国内煤炭、冶金及矿山部门经验虽多，但公路交通建设中工程实例仍比较少，需进行比选研究。

5.1.1 正井法

从井口开始全断面开挖，自上而下施工，井筒开挖一次凿岩爆破成型，采用抓岩机装渣，采用吊桶提升运输洞渣和材料，出渣完成后施作初期支护和二次衬砌。凿岩爆破一次成型法优点是施工技术成熟，可提前开工，解决主洞施工通风难题;缺点是装渣、出渣效率低，建井进度较低，空间狭小，地下水排出困难，存在一些安全隐患。

根据竖井深度、地质情况、施工设备和施工顺序，凿岩爆破一次成型法又分为全井单行作业法、长段单行作业法、短段单行作业法、长段平行作业法。竖井正井法各方案比较见表3。

表3 竖井正井法各方案比较表Table 3 Comparison and contrast among different construction technologies of normal shaft sinking method

5.1.2 反井法

具体方法是先开挖用于溜渣的导洞，然后再用传统的钻爆法自上而下扩挖成井。反井法的优点:1)山上施工场地小，施工设备相对较少，不需要在山上弃渣，有利于环保，对自然环境破坏小;2)由于有反井的自由面存在，扩大施工时爆破效率高，有利于实现深孔光面爆破;3)地下水和爆破下来的岩石直接落到下部隧道内，提高了出渣和清底的速度，加快凿井进度;4)减小吊桶容积和提升设备规模，节省吊泵等临时排水设备，降低成本。缺点:1)只有主洞施工到竖井处才能开始竖井施工，不能缩短主洞施工通风距离;2)反井贯通后，仍需正井扩挖，上口需布置一套提升吊挂设施和设备;3)随着竖井深度的增加，反井钻孔容易产生偏斜，施工难度越来越大，速度越来越慢，造价也相应增加了。

导洞施工现行的主要方法是钻机反井正向扩大法，吊罐反井正向扩大法、爬罐反井正向扩大法作为落后工艺，现已很少采用。竖井反井法各方案比较见表4。

表4 竖井反井法各方案比较表Table 4 Comparison and contrast among different construction technologies of raise-boring method

5.2 工程应用

龙潭隧道和乌池坝隧道竖井施工采用凿岩爆破一次成型法，全井单行作业法施工。从井口开始全断面开挖，采用吊桶提升运输洞渣及其材料，只有竖井洞口段二次衬砌可根据监控量测情况要求提前施作，其他地段原则上要求在竖井施工完成之后再施作二次衬砌，因此加强了初期支护，主要理由如下。

1)当隧道主洞施工到竖井处，可以利用竖井缩短施工期间的通风距离，提高通风效率，改善洞内作业环境，降低施工费用，加快主洞施工进度。

2)隧道主洞施工如出现断层、突泥、涌水、溶洞、软弱破碎带、硬岩岩爆和软岩大变形等不良地质，工期紧张时，可利用竖井辅助主洞施工，确保隧道按期建成。

3)2座隧道竖井井口临近现有国道、省道，交通便利，大型机械设备进场容易。

4)2座隧道竖井穿过地层地质较好，除井口分布有0.5～1.5 m厚碎石土层岩外，井身穿过岩体地质较好，岩性单一，主要为中至弱风化灰岩，Ⅲ级围岩约占90%，围岩稳定好。

5)全井单行作业法施工工序单一，施工干扰小，减少了混凝土施工缝，井身围岩渗水量小。

6 结论与建议

通过工程实例，结合笔者设计、研究和咨询审查工作，总结公路隧道斜井、竖井设计技术和经验，提出如下结论与建议。

1)斜井、竖井的布置需与通风、地质、结构和路线专业工程师密切配合，充分利用地形、地质条件，灵活设计、创作设计。不应过分强调均匀分段，同时应防止缺乏整体规划，不顾经济效益，仅从施工方便考虑，随意设置斜井、竖井，造成工程上的浪费。

2)斜井、竖井方案比选需改变“竖井通风阻力小，可利用烟囱效应，优于斜井”的惯性思维，斜井具有可调整优化通风分段的优点，当隧道轴线600 m附近范围有低洼地形可以利用时，选择斜井可利用地形，降低井口标高，缩短井身长度，降低施工难度，达到降低工程造价和运营费用的目的。

3)当隧道轴线周围确有深峻沟谷可利用，斜井长度增加不多时，采用缓坡斜井可基本不增加投资，实现通风功能不变、降低施工难度、加快施工进度的目的。但在实际工程中，部分缓坡斜井仅考虑施工方便，导致斜井长度增加1倍多，增加了建设成本和运营通风费用;同时缓坡斜井自身施工时间长，对缩短主洞工期作用有限，得不偿失。

4)斜井与联络风道相交设计建议采用分岔布置式，虽然结构较复杂，增加设计和施工难度，但是土建工程量较小，各类衬砌断面变化处平顺，无突变，风流顺畅，有效地减少了风流局部风压损失。

5)正井法技术成熟，工程案例最多。随着钻井技术进步，反井法在降低劳动强度，降低施工成本，提高机械化施工水平方面的优点越来越明显，工程应用逐年增多。目前国内反井钻机设备与国外相比尚存在一定差距，在钻井过程中导孔偏斜率不易控制，建议国内引进或研发更为先进的设备和技术，改进施工工艺，促进竖井的施工工艺进步。

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