特长隧道通风井设计与施工探讨

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路
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不论是竖井还是斜井， 都希望能在稳定的地质 条件下修建。但有时根据地形条件选择的通风井其 地质条件却只适合修建竖井， 或者相反， 这时地质条 件可能成为通风井方案选择需考虑的首要因素。一 般而言， 因竖井内施工空间狭小， 一些施工措施不易 实施， 所以， 相对来说对地质条件要求较高； 斜井内 施工空间相对较大， 超前支护或加强支护也较易实 施， 工程质量容易保障， 所以， 斜井对其穿越的地质 条件要求相对较低。 1. 2 经济因素的影响 各种通风井方案的技术经济指标是通风井方案 选择的重要依据。这些技术经济指标的确定有时相 当复杂。影响方案的经济指标主要有工程造价和运 营费用。前者包括土建工程造价和通风设备购置安 装费， 后者则包括运营期的能耗与设施养护费等。 隧道通风系统的工程造价发生在建设期， 相对 容易计算和比较。计算工程造价并在不同方案之间 进行比较时， 必须全面准确。值得指出的是， 不同的 系统方案可能对施工便道的要求不同。一般来说， 竖 井对施工便道的要求高， 斜井对施工便道的要求低。 隧道运营期的费用计算和比较相对较难。一方 面， 由于排送组合通风系统的风压风量计算比较困 难； 另一方面隧道通风系统的运营时间需要估算， 容 易造成分析结果的多解性。在计算风压损失时， 要 注意局部阻力和沿程阻力两个方面， 且应准确无误。 各个隧道的通风井都有其特定的设计参数， 无法给 出斜井或竖井通风系统孰优孰劣的一般性结论。 1. 3 施工因素的影响 不论是竖井还是斜井， 相对于一般的隧道本身 施工而言都是比较困难的， 所以在选择通风井方案 时必须慎重考虑施工因素。在断面、 长度相同或相 近的情况下， 一般说来， 竖井的施工比斜井的施工稍 难。在大多数情况下， 斜井的施工难度随其倾角的 增加而增加。 竖井在施工时， 随着开挖直径的增大， 施工井架 和井口其他设施的规格也随之增大； 随着井筒深度 的增加， 施工的难度也随之增加。一些比较小的通 风竖井， 施工方法比较灵活， 施工设施也较为简单。 因此， 设计时应尽量避免大而深的竖井的出现。 斜井的优点是， 可以直接从隧道洞内 （ 即斜井 底部） 自下而上地向地表施工， 从而降低了对井口 地表条件的要求。在应用斜井方案时， 倾角等设计 参数有很大的选择余地。目前， 通风斜井在设计时，
公路 2007 年 4 月
第4 期
HIGHWAY
Apr. 2007
NO. 4
文章编号： 0451 - 0712 （ 2007 ） 04 - 0211 - 07
中图分类号： U453. 3
文献标识码： B
特长隧道通风井设计与施工探讨
吕康成1 ，杨荣尚2 ，李高旺2 ，陈
（ 1. 长安大学公路学院 西安市 710064 ；2. 陕西西汉高速公路有限公司
［ 1 ］ 赵秋林， 魏军政 . 秦岭终南山特长公路隧道竖井设计 及施工方法探讨 ［ J］ . 公路， 2005 ， （ 8 ）. ［ 2 ］ 陈璋， 陈光明， 程久胜， 等 . 龙潭隧道竖井、 斜井设计 ［ J］ . 公路， 2005 ， （8） .
型反井钻机还将应用于湖南邵怀高速公路雪峰山隧 道通风竖井导井施工中。反井钻井施工技术将为我 国高速公路建设做出更大贡献。
伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙伙 $" 结语 开辟了高速公路隧道竖井施工的新途径， BMC400 高速公路长大隧道通风竖井， 采用先用反井钻 机施工导井， 然后再用爆破方法扩大的施工工艺， 在 施工速度、 质量、 安全方面具有明显的优势， 特别是 占地少， 环保效益非常显著， 由于出渣在隧道内， 不 破坏植被也不影响环境。这种工艺在高速公路建设 中有广泛的推广应用前景。 在终南 山 高 速 公 路 隧 道 通 风 竖 井 工 程， 采用 BMC400 和 BMC300 型反井钻机钻成深度在 170 ~ 380 m， 直径为 1. 4 m 的 2 条导井， 钻速快、 质量好， 参考文献：
由于斜井带有 2l 的坡度， 隧道内的常规装运 机械难以正常使用。导洞的排渣可借助矿用耙斗机 来完成。爆破之后， 导洞内的渣堆如图 2 所示形状。 2l 的倾角尚不能使岩渣自动下滑。为了运渣， 可用 牵引绳和尾绳沿斜坡上下往复移动耙斗， 耙斗每一 次下移都能运走与其容积相当的岩渣。耙斗向前移 动 （ 向下） 由牵引钢丝绳拉动， 耙斗后移 （ 向上） 由尾 绳拉动。耙斗的尾绳经导向轮变向， 尾绳的绞车与 牵引绳的绞车同在工作面下方某一位置。尾轮为一 定滑轮， 用锚杆固定在掌子面上。值得注意的是， 耙 斗的绞车不能直接设在斜井的下方， 否则， 绞车会受 到导洞内的飞石或滚石的破坏， 工人正常操作耙斗 时也会十分危险， 因此， 必须将耙斗的绞车设在不受 爆破飞石与斜坡滚石威胁的地方。为此， 需要在斜 井井底设牵引绳与尾绳的导向轮， 使绞车与导向轮 之间的连线与斜井的轴线垂直， 见图 3 所示。现有 绞车的容绳量为 l00 m 左右， 也就是耙斗的移动长 度约 l00 m。如果斜井的斜长超过 l00 m， 则可在斜 井的一侧开挖横洞， 在其内设置绞车， 形成一级岩渣 转运系统。转运系统的平面布置方式与图 4 类似， 通过逐级接力便可将岩渣运至斜井底的装载区。多 级转运时， 下级的耙斗尾轮挂在横向钢丝绳上。钢丝 绳两端挂在边墙的锚杆上， 绳上用绳卡固定了若干圈 套， 供挂尾轮之用。导洞内的排渣也可采用刮板运输 机与耙斗机组合的方式来完成。先由耙斗机将岩渣 耙至刮板运输机， 再由后者将岩渣运至装载区。
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第4 期
吕康成等： 特长隧道通风井设计与施工探讨
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进而减少隧道的长期运营费用。总之， 隧道通风斜 井的倾角不要受矿山常用的斜井倾角的限制， 应视 隧道的具体工程条件灵活取用。 3 某隧道通风井方案比较 某特长隧道长度近 6 000 m， 原设计的通风井为 单坡度 （ 2l ） 斜井， 由井底的联络风道直达地面井 口。由于该斜井的倾角关系， 常规的隧道施工方法 与机械难以应用， 承包商认为该方案施工难度大而 无法实施。为了解决施工问题， 有关方面提出了缓 斜井 （l3 ） 加竖井 （ 深 35 m ） 方案， 此方案因风道系 统出现急弯而使通风阻力大幅上升， 并且风道系统 后期管理与养护相当困难。在进行了大量的调查研 究之后， 又提出了缓斜井加陡斜井方案。该方案具有 通风阻力小， 运营管理与养护方便， 施工容易等优点。 3. 1 3. 1. 1 单坡度斜井方案 （ 方案 l ） 设计概况 方案 l 的斜井倾角为 2l ， 斜井的实际长度为 304. 26 m。图 l 为方案 l 通风斜井、 井底风道、 地面 进风口和出风口的连接示意图。由图 l 可以看出， 隧道的排风通道 （ 联络风道—斜井—排风塔—出风 口） 和隧道的送风通道 （ 进风口—进风道—斜井—联 络风道） 长度较小、 弯缓弯少， 隧道通风阻力较小， 有 利于隧道后期经济运营。由于可在斜井内设置人行 道与运输轨道， 此方案对隧道后期运营管理有利。
旭2
西安市 710064 ）
摘
要：特长公路隧道的通风系统设计合理与否， 对整个隧道的工程造价及后期运营有着至关重要的影响。
针对目前一些特长隧道通风井设计与施工中出现的问题， 介绍了选择竖井与斜井时的影响因素， 以及若干典型施 工方法； 结合隧道通风斜井可采用自下而上的反井法施工的特点， 提出了注意应用倾角为 32 ~ 45 的陡斜井的建 议， 并简要探讨了其实施方案； 通过某特长隧道通风井设计方案的比较， 分析了各种通风井的施工难点及可行的应 对工程措施。 关键词：特长隧道；通风井；设计；施工
图1
单坡度斜井方案示意 图2 纵断面耙斗布置
3. 1. 2
施工方案
上述隧道通风斜井井口位于秦岭主峰的沟谷地 带， 通风斜井只能采用自下而上的方法— — —反井法施 工。通风斜井的倾角为 2l ， 对于反井法来说， 该倾角 是较大的。对此， 可采用以下施工方案： 在斜井范围 内， 先自下而上形成一个排渣导洞， 然后再自上而下逐 段扩大至设计断面， 最后自下而上完成衬砌。此方案 的施工难点在于导洞开挖和断面扩大过程中的排渣。
随 着 我 国 公 路 建 设 的 快 速 发 展， 长度超过 5 000 m的特长隧道大量出现。由于稀释特长公路 隧道内的有害气体比较困难， 所以特长公路隧道建 设中面临的首要问题便是隧道的通风问题。特长隧 道的复杂通风系统不仅使隧道工程造价急剧增加， 而且还使隧道运营费用大幅上升。相对于一般的隧 道工程而言， 国内在特长隧道通风系统设计和施工 方面的经验还比较欠缺， 有时会因为缺少施工经验 而使设计的工程无法施工， 有时会因为过多地考虑 了施工而使通风系统能耗较大。所以， 在我国倡导节 约型社会的背景下， 认真搞好特长隧道的通风设计对 公路建设的可持续发展具有重要意义。特长隧道通 风系统涉及通风方式、 机械设备和通风井工程等诸多 方面， 本文仅就通风井设计中的有关问题进行讨论， 并以陕西省境内的某特长公路隧道的通风井方案比 较为例， 对若干特殊的施工方案予以简要说明。
收稿日期： 2006 - 11 - 13
!" 斜井与竖井的选择 !# !" 地形地质条件的影响 国内目前设有通风井的公路隧道多为特长山岭 隧道。这些山岭隧道皆因为山大沟深才使其成为特 长隧道。地形条件常是通风井方案选择的首要依 据。如果选择竖井方案， 则必须井口地面比较平坦， 并且井口容易使人员与施工设备通达。因为不论采 用何种竖井施工方法， 井口地面的井架和提升绞车 都是必需的， 没有平坦的地面， 施工将无法进行。斜 井则有所不同， 可直接利用反井法自下而上施工， 可 以不考虑井口地面平整与否。当然， 在斜井采用正 井法施工时， 也要求井口容易使人员与施工设备通 达。比较而言， 竖井对井口的位置与地形要求高， 斜 井要求较低。
由于施工技术与施工工艺等方面的原因， 其倾角被 限定在一个较小的范围内。 1. 4 环境保护的影响 随着生态环境保护意识的增强， 国家对生态保 护区内的工在自然保护区内， 则斜井 方案较竖井方案有较大优势。竖井不但要求井口平 整， 而且要求施工便道， 这些都会对环境造成很大的 破坏。若这时选择斜井方案， 并利用反井法施工， 则 只需在合适的位置设置风井口便可， 从而将工程建 设期和运营期对生态环境的影响降低到最低限度。 2 斜井倾角的选择 斜井的倾角是斜井设计的一个重要参数。目前 许多通风斜井的倾角都是由斜井的施工方法确定 的。斜井的基本施工方法是自上而下的传统方法， 此法通常要求斜井的倾角小于 25 ， 以便提升运输 岩渣。传统方法的优点是施工技术成熟， 施工风险 小； 缺点是： （l） 要求在井口地面 “ 三通一平” ， 工程 造价高； （2） 弃渣和便道工程会影响环境 与 生 态； （3） 排水通风不便， 施工条件差。 由于许多隧道的通风斜井是在隧道贯通后， 或 是在通风斜井的井底段隧道已经开挖后才开始施工 的， 所以斜井井底有一定的施工条件。斜井采用自 下而上的方法施工时， 关键工序是运渣。由于斜井 具有一定的倾角， 常规的运输机械不便安全使用， 非 常规的机械使用时又有特殊要求。事实上， 在斜井 设计过程中， 如果考虑到斜井全长或部分采用自下 而上的方法施工， 则可将斜井的倾角调整到一个稍 大的角度。该倾角使岩渣能自动地沿着斜井底板或 专用的无动力运输溜槽下滑， 便可使复杂的排渣运 输问题变得比较简单。斜井倾角加大后带来的问题 是钻爆作业比较困难， 特别是在全断面开挖的情况 下问题尤为突出。为了解决斜井施工的钻爆问题， 可采用如下工艺流程： 先自下而上开挖导洞， 形成斜 井的排渣系统与材料运输系统， 并形成后续施工的 通风通道； 然后自上而下进行扩大开挖与支护， 这时 的施工条件与传统方法的条件相近， 钻爆时斜井倾角 稍大一些， 但排渣十分容易； 最后自下而上浇筑衬砌。 根据工程的具体条件灵活选取斜井倾角， 不仅 能够为斜井的施工提供方便， 而且经常还可能因倾 角的变化减少斜井的长度。从而一方面可能减少工 程造价， 另一方面会减少风流在斜井内的沿程阻力，