通风竖井

第十一章通风竖井

通风竖井是指用于隧道运营通风的竖井。特长隧道内的污染物排放达到一定水平时，通常需要设置通风井来解决隧道的换气问题[1]。即根据隧道内污染物的浓度分布、隧道所在地区的地形地质等情况，设置竖向的通风井，并借助通风机等设施，向隧道内输送新鲜空气或排除洞内的污染空气。由于通风竖井在几何形状、结构受力和施工方法等方面与普通的隧道有很大区别，国内外隧道竖井工程相对较少，许多隧道在通风竖井设计与建设中未能取得十分理想的效果。本章介绍隧道通风竖井设计与施工的基本情况，并就有关问题进行讨论。

第一节竖井分类与断面形式

一、竖井分类

根据使用功能，竖井可分为通风竖井和施工排渣竖井，前者用于运营期的隧道通风；后者用于施工期隧道的排渣，形成开挖工作面，加快工程进度。由于竖井功用的不同，结构形式和断面大小有很大的差异，以后只讨论与通风竖井有关的问题。

根据竖井施工期的排渣方式，可分为上排渣竖井和下排渣竖井。前者以往称为正井法施工竖井，即用传统方法自上而下钻眼、爆破、排渣、支护，由地面施工至井底，然后再自下而上进行井壁防水与衬砌，其爆破的岩渣通过提升设备排至地面；后者以往称为反井法施工竖井，这种方法通常先用地质钻由地表向下钻孔至井底；然后经通道在井底安装向上作用的钻头，通过反井钻机将已有钻孔由井底向上逐渐扩大至地表；再自上而下钻眼、爆破、排渣、支护，循环作业，直到井底，最后自下而上完成井壁防水与衬砌，与上排渣竖井不同的是，所谓的反井法的岩渣通过扩大孔坠至井底，经装运由隧道排出。

二、通风竖井断面形式

通风竖井的横断面主要是圆形。当通风竖井仅用于向隧道内送风或排风时，圆形断面为最佳断面形式。在面积相同的情况下，相对于其它断面形式，圆形断面通风阻力小，建井工程造价小。

当隧道采用排、送组合纵向通风时，通常需对通风竖井进行横向分割，即沿竖向设中隔墙，将通风竖井分割成排风井和送风井。值得强调，当一个圆形断面的通风竖井一分为二成两个通风井时，圆形断面未必是竖井断面的最佳形式，而椭圆形断面可能是竖井的最佳断面。下面比较井深同为l、过流面积同为S、流速同为v，空气密度同为ρ、壁面摩擦阻力系数同为λ的半圆断面竖井和半椭圆断面竖井的沿程通风阻力，借以说明椭圆形断面通风竖井在减小通风阻力和隧道运营节能方面的优势。

图11-1 圆形断面竖井图11-2 椭圆形断面竖井

半圆通风竖井与半椭圆通风竖井的比较表11-1

显然，在一般情况下1r p 与2r p 不等，为了说明两者的差别，下面计算两者的比差，即

121r r r r p p p ε-=

（11-1）

令 b

k a = (01)k ≤

并注意到半圆与半椭圆面积相等， 2r ab =

导得 1r ε= (01)k ≤ （11-2）

为了求r ε的最大值，令 0r d dk ε=

解得 2

k π= （11-3）

此时 max 10.025

r ε=-= （11-4） 即在断面积不变的情况下，仅仅通过将圆形断面改变成适宜的椭圆形断面，则竖井段的

沿程阻力或相应的能耗便可降低约2.5%。常年累月，积少成多，带来的经济效益会十分可

观。

被一分为二的椭圆形断面通风竖井较之圆形断面的还有另外两个优点，一是减小了中隔

墙的宽度，这对高而薄的中隔墙的稳定有利；二是施工期间的锁口盘、固定盘和吊盘的主梁

变短，有利于工程构件受力。

由上述可见，在隧道通风竖井的设计中，应注意椭圆形断面的可行性。尤其当通风井的

断面较大时，应优先选用椭圆形断面。

第二节通风竖井设计

隧道通风竖井设计是在通风设计计算和地质地形勘察的基础上进行的。竖井设计主要包括井位确定、断面形式与几何参数、围岩压力估算、支护方式、井筒防水、衬砌结构等几个方面。

一、井位确定

隧道通风竖井的定位受隧道位置、通风要求、地形条件、地质条件和水文条件等诸多因素影响。

1．竖井井底距隧道应尽可能短，这样可减少井底风道长度，节约工程费用和运营费用；

2．应注意通风区段在隧道纵向的合理分配；

3．井口地形具备竖井施工与运营的基本条件，避免井口受滑坡、崩塌和山洪等灾害的威胁；

4．尽量使井筒具有良好的地质条件，避免各种不良地质，减小施工和运营风险；

5．井筒应具有利的水文地质条件，地层含水少且无突水威胁。

实际设计中，通常综合考虑上述诸因素进行通风竖井位置等的初步设计，然后在初步设计的井位钻井筒检查孔。如果，井筒检查孔提供的资料表明，井筒穿越的地层具有较大的地质构造，或不稳定地层，或过大含水层等，则需对井筒的施工与运营进行风险评估，必要时调整井位，重新设计，直到结果满意。

二、断面与几何参数

前已述及，隧道通风竖井的断面形状多为圆形。事实上，椭圆形或圆角矩形均可。至于竖井断面大小，应通过技术经济比较，择优而选。断面过大，风阻小，但土建工程造价高；断面过小，则土建工程造价小，但风阻大，运营费用高。

三、围岩压力

隧道与地下工程的围岩应力，源于原岩应力，受开挖与支护的影响。作用于衬砌结构上的围岩压力，取决于围岩应力、围岩性质与支护效果。与隧道相比，竖井的围岩应力和围岩压力有以下特点：

1．竖井的开挖方向与地层最大主应力方向基本一致

地层中的原岩应力，其最大主应力通常为铅垂应力，最小主应力与中间主应力在水平面上。最大主应力与中间主应力通常相差较大，中间主应力与最小主应力通常差别较小甚至可视为相等。在进行隧道围岩与结构稳定性分析时，经常将问题简化为平面问题。此时，地层的原岩最大主应力对围岩与结构的稳定性影响较大，因为原岩最大主应力仍在所研究的平面内，铅垂原岩应力与水平原岩应力的差值也较大。而在分析竖井围岩与结构稳定性时，也常将力学问题视为平面问题。而在所研究的平面内，原岩最大主应力不出现，在水平面的两个原岩主应力相差不大，这对竖井围岩与结构的稳定有利。

2．竖井围岩与结构受力问题可近似为轴对称问题

偏压对隧道围岩与结构稳定不利，而对于竖井来说，由于水平原岩主应力可视为相等，所以，从总体上讲，竖井不存在偏压问题。若考虑竖井断面常为圆形，进行力学分析时，还经常把问题简化为轴对称问题，借此实现三维分析。一般的隧道最多只有一个对称面，而竖井则至少有两个对称面，甚至完全轴对称。所以，从力场分布和结构稳定方面看，竖井受力状态较好，较之隧道更易稳定。

竖井的围岩压力不易用简单的方法确定。所幸的是，隧道通风竖井都会选在地质条件较好的位置修建，竖井不需穿越较厚的表土层或流沙层等不良地质。根据大量的矿山竖井的建设经验，在基岩段竖井的围岩压力不大，极少因围岩压力而给工程建设带来较大麻烦。在井