宝塔山特长公路隧道斜井设计技术

李忠陶

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

进入21世纪以来，随着我国高速公路网布局的不断完善，高速公路正持续不断地向山区延伸，公路隧道建设正处于高速发展时期，截止2015年底，我国公路隧道已建成14 006座，全长12 684 km，其中特长隧道744座，全长3 300 km。随着公路特长隧道的增多，斜井的设置也逐渐被业内人士所重视，斜井的设置不仅可以增加隧道工作面，改善施工条件，解决施工期间通风、排水、弃渣等问题[1]，同时对合理安排施工组织、有效缩短施工工期、妥善处理环境保护问题，确保运营期通风、防灾救援甚至实现国防战备等建设目标均有着非常重要的现实意义。本文结合宝塔山隧道的实际情况，介绍了宝塔山特长公路隧道斜井设计时考虑的影响因素及主要设计情况，希望能对其他隧道工程有一定的参考价值。

1 工程概述

汾阳至邢台高速公路平遥至榆社段，按双向四车道高速公路标准建设，设计速度采用80 km/h，路基宽24.5 m，宝塔山隧道作为该项目的控制性工程，左洞长10 191.696 m，右洞长10 479.611 m，主线设计指标见表1。隧址区位于太岳山脉北中部，为基岩中山区地貌，隧址内地势最大相对高差约639 m，地形起伏变化较大，地质条件复杂。

表1 宝塔山隧道主线设计指标一览表

2 斜井方案的确定

宝塔山特长隧道斜井方案的确定是以沿线地质、地形条件为基础，以满足整个隧道运营期送排风量为主，以兼顾施工工期要求，合理避让超山自然保护区，综合通风、环境保护及后期使用维护等多种因素，充分考虑施工及运营安全的情况下，本着例行节约、经济合理的原则综合确定的。

宝塔山隧道的工程特点：宝塔山隧道以平遥至榆社方向划分，左线以下坡为主（上坡长∶下坡长=2 270∶8 049.6），交通量为重交通；右线以上坡为主（上坡长∶下坡长=8 170∶2 290），交通量为特重交通。主线最大纵坡为1.8%。考虑隧道左线以轻载车辆为主，右线以重载车辆为主的交通组成特点，结合隧道纵坡坡度，计算出隧道的送排风需求为：左线需要1座送排风斜井，右线需要两座送排风斜井。其中1号、2号斜井采用地下风机房，3号斜井采用地面风机房方式进行送排风。

2.1 地质、地形条件

宝塔山隧道位于太行山脉北中部，其岩层结构为泥砂岩互层，地形起伏大，地面植被茂密，岩层内含水量丰富，整个隧道主线穿越大小不等的22个断层，地质条件复杂。3座斜井的布设尽可能对断层等不良地段进行了避让，特别是1号、2号斜井与主线相交处，由于地下风机房洞室群规模大，施工难度大，对地质条件要求较高。地下风机房洞室群所处区域、地质条件应相对稳定，这不仅对施工期，同时对运营期整个隧道的安全都有着非常重要的意义。

2.2 斜井与主线位置的均衡性

宝塔山隧道斜井的布设，首先要考虑3座斜井与主线的均衡关系。在大的布局上，通过综合计算，斜井的数量确定后，各个斜井所承担的送排风量以及施工期间各斜井所能承担主洞部分的工作量应相互均衡。斜井与主线位置均衡设置的优点：首先是所配置的通风设备的功率相近，且能充分保证主洞运营期各段落间的通风效果；其次是各斜井施工期所承担主洞工作量相对均衡，有利于整个隧道施工期工程的均衡推进；再次是施工期各斜井运距经济，有利于节约成本，降低工程造价。宝塔山隧道3座斜井的布设基本满足了这一基本要求。1号斜井位于右线隧道约1/3位置处，为右线送排风；2号斜井位于左线隧道大约中间位置，为左线送排风；3号斜井位于右线隧道约2/3位置处，为右线送排风。详见图1斜井相对于主线的平面布置示意图。

图1 斜井相对于工线的平面布置示意图

2.3 井口位置的选择

斜井井口位置的选择主要考虑了以下6个因素：通风对井口的要求、排水对井口的要求、施工便道及后期运营维护对井口的要求、弃渣场地对井口的要求、井口所需场地的要求、环境保护对井口的要求。

宝塔山隧道3座斜井井口为了满足上述要求，井口均选择在3条自然沟的侧面，这样不仅可满足斜井送排风的需要，同时也较好地解决了井口综合排水问题。3座斜井在距井口300～500 m左右的支沟中均有较好的弃渣场地，弃渣运距短，可有效地节约施工成本，同时也可最大程度地避免损毁原地面植被，较好满足了环境保护的要求。考虑到3座斜井均需在斜井井口布置送排风烟囱，3号斜井尚需预留风机房布置场地。但3个斜井井口均面对3条自然沟，能提供的场地受到自然条件的限制，为保证斜井井口排水与布置排风烟囱或风机房需要，采取的具体措施是：在1号斜井井口处沟内设置1-3.0 m×2.0 m拱涵，在2号斜井井口处沟内设置1-3.0 m×2.0 m拱涵，在3号斜井地上风机房处沟内设置2-5.0 m×4.0 m小桥，在斜井井口处的平台周边设置挡墙，防止冲刷。在斜井井口周边设置截水沟和排水沟将井口周边的水引导排出，截水沟和排水沟的尺寸根据实地情况调整完善。对施工便道，斜井设地下风机房时井口外道路采用临时道路；斜井设地上风机房时井口外道路采用永久道路，并按三级公路标准设计。

3 斜井的规模及运输方式

3.1 斜井的规模

a）1号斜井位于右线右侧，长1 337.478 m，斜井洞身开挖量为60 387 m3，地下风机房洞室群开挖量为38 159 m3,1号斜井总开挖量98 546 m3。

b）2号斜井位于主线左侧，长1 269.301 m，斜井洞身开挖量为47 015 m3，地下风机房洞室群开挖量为33 590 m3,2号斜井总开挖量80 605 m3。

c）3号斜井位于主线右侧，长881.354 m，斜井总开挖量为39 793 m3。

3.2 运输方式

斜井运输方式主要分为有轨运输和无轨运输，确定运输方式主要考虑的因素：承担的工作量、施工效率、施工经济性、环境保护的要求。

从运输所承担的工作量分析，最大的1号斜井开挖量达 98 546 m3，最小的 3号斜井也有39 793 m3，如再考虑承担主洞施工任务工作量非常大；从施工效率看采用无轨运输将更方便，特别是各斜井开始承担主洞施工任务后无轨运输更能体现其方便、快捷、直达的优越性；从施工的经济性分析，无轨运输可直接将洞渣运达指定地点，不需要进行二次倒运，可降低施工成本；从环境保护的要求考虑，无轨运输可以减少二次倒运造成的环境污染，更好地满足环保要求，同时也利于井口附近相对较小场地的合理布置。综合上述情况本项目的3座斜井均确定采用无轨运输的方式进行运输。

4 斜井的结构设计

4.1 斜井断面设计

本隧道3座斜井横断面都采用直墙拱形断面，考虑了通风面积要求、施工设备要求、结构安全等因素。斜井衬砌结构采用复合式衬砌结构，采用30 cm厚钢筋混凝土中隔板将送风道和排风道隔开，详见图2。

图2 斜井内轮廓断面图

4.2 斜井的纵坡设计

斜井纵坡设计，《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）[2]中对于无轨运输斜井的坡度要求不大于12°，即纵坡不大于21%。 但事实上，如按21%的坡率设计，国产出渣车的爬坡能力是很难满足这一坡率要求的。国内有的学者提出无轨运输斜井坡率不宜大于13%的观点是有一定的道理的[3]。开始布置1号、2号斜井时坡率分别按19.629%（11.11°）和20.069%（11.35°）设计，3号斜井坡率为14.04%（7.99°），但通过对国内隧道无轨运输斜井实际情况的调研，认为1号、2号斜井的坡率偏大，这样大的坡率将给施工运输造成很大的不便，综合国产出渣车爬坡能力、运载量能力、施工工期、车辆行驶环境等因素，设计时考虑项目3年工期以及地处超山自然保护区环境保护的要求，在斜井与主洞的交叉位置不变、断面尺寸不变的情况下，对1号、2号斜井的井口位置和纵坡设计进行调整。3座斜井纵坡均每隔约300 m增设了一段缓坡段（见图3），缓坡段长30 m，坡度为3%。

图3 斜井纵坡图（单位：m）

1号斜井调整后，斜井比原设计增长了318.075 m，坡率降为14%；2号斜井调整后，斜井比原设计增长了369.457 m，坡率降为12.8%。两座斜井的井口位置均向外移动了300 m，适当降低了斜井坡度（见表2），斜井坡度及井口位置调整后不仅满足了自然保护区环境保护的硬性要求，同时由于坡度的减缓，既有利于加快了施工进度并与总的施工组织相适应，也有利于降低施工期车辆运输时的尾气排放，为施工提供了一个较好的工作环境。3座斜井的坡率优化和调整情况详见表2。

表2 斜井纵坡调整一览表

在通风方面，斜井纵坡调整后对隧道的通风和机电设施重新进行了验算，调整后对隧道的整体通风和机电基本没影响。

4.3 斜井辅助坑道的设计

斜井长度长，斜井施工过程中施工机械和车辆在斜井中调头、错车、爬坡较困难，为方便施工，增设了施工辅助坑道。施工辅助坑道根据斜井施工现场情况和地质条件确定，1号和2号斜井各设置两处，3号斜井设置一处。

斜井施工辅助坑道每处长6 m，辅助坑道净宽为10 m，净高为4.5 m。斜井施工辅助坑道衬砌参考主洞支护参数，考虑到只做初期支护，不做二次衬砌，支护参数均较应正常情况下的设计提高一级，施工辅助坑道一般设在缓坡段。

4.4 斜井衬砌结构的动态设计

考虑现场施工3座斜井均需承担通主洞施工任务的情况，如果斜井二次衬砌与初期支护跟进施工，完成整个斜井的进度将不能满足斜井施工作业周期和整体隧道施工组织的进度要求，严重影响斜井承担主洞施工任务的施工组织安排。考虑到斜井二次衬砌施工需在承担并完成主洞施工任务后再施工，对斜井的衬砌方式进行了动态设计，针对围岩的地质情况，对斜井支护结构进行了调整。强化了初期支护参数，如对Ⅳ级围岩段在初期支护中增设了纵向间距为120 cm的I12.6工字钢拱架支撑，施工时适当增加了C25喷射混凝土的厚度，系统锚杆采用φ22早强速凝药包锚杆，并进行梅花型布置等措施。原则是结合围岩实际，保证结构安全，合理控制费用，对于地质条件好的优化结构，地质条件差的加强结构。确保初砌结构在施工期的安全性。

4.5 斜井防排水设计

斜井防排水设计，采用φ300中央排水管。初衬后采用立体防水板，提高排水的通畅性。二次衬砌的施工缝、变形缝、沉降缝、明暗洞相接处布设中埋式橡胶止水带或背帖式止水带，在富水段采用中埋式橡胶止水带加背贴式止水带。斜井地下风机房的防排水设计在《公路隧道设计规范》中有单独要求，施工时需高度重视。

5 地下风机房的布设

1号和2号斜井地下风机房洞室群的组成相近，具体尺寸根椐风机规格的不同略有差异。主要组成有送风机房、排风机房、风机房联络通道、送风联络通道、排风联络通道、送风口、排风口、排烟道、风机搬入通道、配电室、人行通道，详细布设见图4。对公路特长隧道地下风机房布置、构造、作用及功能介绍的论文较多详细的内容这里不再赘述。

图4 1号斜井地下风机房洞室群平面布设图（单位：m）

6 小结及建议

宝塔山特长公路隧道基本按照项目要求工期顺利完成，特长公路隧道斜井设计在建设过程中也得到了较好的验证。本文主要对宝塔山隧道斜井设计技术进行了分析总结，希望能为大家提供参考。

a）斜井的布置和设计技术需要从多方面进行综合分析比选确定。主要考虑项目工程特点和地质、地形条件、斜井功能及作用、斜井工程规模、斜井施工效率、隧址区环保要求、斜井风机房型式、隧址区施工条件、项目工期、斜井施工组织安排等综合分析比选。

b）根据斜井长度，考虑施工运输车辆爬坡能力和运载量，建议斜井采用无轨运输方式时纵坡应不超过15%，斜井长度超过300 m时,每隔约300 m设置长度30 m左右的坡率小于3%的缓坡段，这样的坡度要求和缓坡段设计在3座斜井的施工中得到了较好的验证，无论对施工安全、环保要求或车辆使用等均是比较合理的。

c）斜井较长时，需考虑车辆错车和调头要求，设置施工辅助坑道。施工辅助坑道一般设在缓坡段较好。

d）斜井作为隧道施工通道，需要承担主隧道施工任务时，斜井的衬砌结构，可按照斜井二次衬砌在隧道施工完成后才施做考虑，初期支护应适当提高，二次衬砌可适当降低。

e）斜井的施工便道，需考虑斜井的风机房位置来设计，斜井设地下风机房时施工采用临时道路，斜井设地上风机房时采用等级公路标准设计，斜井、风机房及承担的主洞施工完成后铺筑路面结构作为运营养护道路。