華鎣山特長(zhǎng)公路隧道地下風(fēng)機(jī)房設(shè)計(jì)與施工

熊文亮

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

0 引言

近年來(lái)，長(zhǎng)大隧道越來(lái)越多，隧道通風(fēng)是高速公路長(zhǎng)大隧道建設(shè)中必須認(rèn)真研究和解決的重要問(wèn)題。地下風(fēng)機(jī)房在實(shí)際工程中越來(lái)越多地被采用，在隧道通風(fēng)中起著舉足輕重的作用，但地下風(fēng)機(jī)房具有斷面多、跨度大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、交叉洞室多和施工難度大等特點(diǎn)。

就隧道地下風(fēng)機(jī)房設(shè)計(jì)而言，其重點(diǎn)在于布置方式的選擇、洞室交叉結(jié)構(gòu)的安全及地下風(fēng)機(jī)房系統(tǒng)內(nèi)防災(zāi)救援措施等。目前在有關(guān)隧道地下風(fēng)機(jī)房的研究中:文獻(xiàn)［1］介紹了方斗山隧道地下風(fēng)機(jī)房的施工技術(shù)方案和關(guān)鍵施工技術(shù);文獻(xiàn)［2］介紹了夾活巖隧道地下風(fēng)機(jī)房的總體設(shè)計(jì);文獻(xiàn)［3－4］介紹了斜井進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù);文獻(xiàn)［5］介紹了地鐵區(qū)間隧道通風(fēng)機(jī)房的幾種典型布置形式，總結(jié)了各典型布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)隧道地下風(fēng)機(jī)房的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)尚未成熟，需要更多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及更多的工程技術(shù)人員進(jìn)行總結(jié)及探討。本文從地下風(fēng)機(jī)房的布置方式介紹地下風(fēng)機(jī)房的總體設(shè)計(jì)，總結(jié)地下風(fēng)機(jī)房布置原則及要求，通過(guò)工程類比及結(jié)構(gòu)計(jì)算確定出洞室支護(hù)參數(shù)，詳述地下風(fēng)機(jī)房施工方案及交叉洞室施工技術(shù)，并總結(jié)地下風(fēng)機(jī)房的優(yōu)點(diǎn)及設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，探討地下風(fēng)機(jī)房的發(fā)展趨勢(shì)。

1 工程概況

四川省南充—大竹—梁平(川渝界)公路是四川省最便捷的東北向通江達(dá)海的出川快速通道，直接通往陜西西安和重慶萬(wàn)州。其中華鎣山隧道為此項(xiàng)目的控制性工程，位于四川盆地東部，橫穿走向北北東向的華鎣山背斜北段，路線走向與越嶺山脊走向近于正交，隧道最大埋深604 m。華鎣山隧道為雙洞單向行駛隧道，左線隧道長(zhǎng)8 151 m，右線隧道長(zhǎng)8 168 m。左右線進(jìn)、出口均位于不設(shè)超高平曲線上，中部位于直線上，左右線隧道縱坡均為+1.46%、－0.6%及－1.48%的人字坡。根據(jù)隧道地質(zhì)、通風(fēng)及防災(zāi)救援等因素綜合確定左右洞隧道通風(fēng)方式均采用單座豎井分兩段送排式縱向通風(fēng)，左右洞外側(cè)各設(shè)一座豎井，豎井中間設(shè)置中隔板，將其分為送風(fēng)道及排風(fēng)道，并在左、右洞豎井底部均設(shè)置一地下風(fēng)機(jī)房，在地下風(fēng)機(jī)房與隧道、豎井間均設(shè)置聯(lián)絡(luò)風(fēng)道。

2 地下風(fēng)機(jī)房設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)概況

左線隧道地下風(fēng)機(jī)房位于T2l(雷口坡組)地層，巖性主要為中－厚層狀，泥質(zhì)灰?guī)r，圍巖較完整，局部地段巖溶裂隙發(fā)育區(qū)圍巖穩(wěn)定性較差;右線地下風(fēng)機(jī)房位于T1j(嘉陵江組)地層，巖性主要為中－厚層狀，灰質(zhì)白云巖，圍巖較完整，局部地層遇不利節(jié)理切割會(huì)出現(xiàn)掉快，局部地段巖溶裂隙發(fā)育區(qū)圍巖穩(wěn)定性較差;左、右線地下風(fēng)機(jī)房處圍巖均為Ⅲ級(jí)圍巖。圍巖物理力學(xué)參數(shù)為:容重24 kN/m3，彈性抗力系數(shù)800 MPa/m，變形模量13 GPa，泊松比0.28，內(nèi)摩擦角45°，黏聚力 1.2 MPa，計(jì)算摩擦角 65°。

2.2 地下風(fēng)機(jī)房總體布置

地下風(fēng)機(jī)房洞室斷面多、跨度大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、交叉洞室多，設(shè)計(jì)中必須在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，考慮大型軸流風(fēng)機(jī)及相應(yīng)電器的操作、維護(hù)人員在洞內(nèi)的空間位置，而且還需考慮設(shè)備運(yùn)輸、安裝、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等各方面對(duì)地下空間的特殊要求，同時(shí)滿足通風(fēng)、排煙、防災(zāi)救援等功能要求［6－7］。

隧道風(fēng)機(jī)房的布置必須滿足以下要求:

1)能滿足各種工況下的通風(fēng)、防災(zāi)救援的風(fēng)量和風(fēng)向要求;

2)能滿足布置軸流風(fēng)機(jī)、電器設(shè)備、控制設(shè)備和其他輔助機(jī)電設(shè)備的要求，并有大型設(shè)備搬運(yùn)通道和工作通道等;

3)當(dāng)風(fēng)機(jī)分期安裝時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)留空間和連接設(shè)置;

4)能滿足設(shè)備檢修的需要;

5)通風(fēng)損失小，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)空氣質(zhì)量好。

在滿足以上要求的前提下從功能要求、地形地質(zhì)條件、外觀協(xié)調(diào)、環(huán)境保護(hù)、養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營(yíng)管理等各方面因素綜合考慮選取風(fēng)機(jī)房布置形式。

地下風(fēng)機(jī)房整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)包括送風(fēng)道、排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)房、救援通道、運(yùn)輸通道等，考慮各種洞室的位置關(guān)系、通風(fēng)的作用、設(shè)計(jì)施工難度、造價(jià)等因素綜合確定地下風(fēng)機(jī)房的布置見(jiàn)圖1。

圖1 地下風(fēng)機(jī)房總體布置圖Fig.1 General layout of underground ventilation equipment chamber

2.3 凈空斷面設(shè)計(jì)

地下風(fēng)機(jī)房的內(nèi)輪廓根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)、電器設(shè)備、控制設(shè)備、其他輔助機(jī)電設(shè)備所需空間，綜合考慮安裝、檢修、營(yíng)運(yùn)維護(hù)空間和工作人員安全等。

運(yùn)輸通道、聯(lián)絡(luò)風(fēng)道、排煙通道、救援通道、電器室等斷面均根據(jù)各斷面的用途及功能要求，綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力安全和施工的難易程度擬定。為了便于安裝風(fēng)機(jī)及與聯(lián)絡(luò)風(fēng)道連接，將洞室的凈空斷面設(shè)計(jì)為直墻圓拱式。

根據(jù)隧道各段的控制風(fēng)量及較經(jīng)濟(jì)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)［8］，得出各類型風(fēng)道的斷面面積見(jiàn)表1。

表1 地下風(fēng)機(jī)房系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道凈空面積Table 1 Clearance areas of connection galleries of underground ventilation equipment chamber m2

綜合以上因素確定:

1)地下風(fēng)機(jī)房?jī)魧?0 m、凈高13 m;

2)風(fēng)機(jī)消音器安裝斷面凈寬10.5 m、凈高7.5 m;

3)風(fēng)機(jī)房與隧道間聯(lián)絡(luò)風(fēng)道凈寬9.00 m、凈高6.45 m;

4)送風(fēng)通道及排風(fēng)通道凈寬6.50 m、凈高4.65 m。

洞室內(nèi)凈空斷面圖可參見(jiàn)各洞室襯砌設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。

2.4 洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 襯砌支護(hù)參數(shù)

地下風(fēng)機(jī)房系統(tǒng)內(nèi)各型襯砌均采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌支護(hù)參數(shù)根據(jù)圍巖級(jí)別、跨度、埋深、地質(zhì)條件等因素，主要按工程類比，并結(jié)合有限元數(shù)值分析確定。地下風(fēng)機(jī)房系統(tǒng)洞室多，本文僅列出幾個(gè)大斷面洞室(地下風(fēng)機(jī)房、風(fēng)機(jī)消音器安裝斷面及地下風(fēng)機(jī)房與隧道間聯(lián)絡(luò)風(fēng)道)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其襯砌支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 襯砌支護(hù)參數(shù)表(適用于Ⅲ級(jí)圍巖)Table 2 Support parameters(applicable in GradeⅢsurrounding rock)

2.4.2 地下風(fēng)機(jī)房牛腿設(shè)計(jì)

為滿足地下風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)軸流風(fēng)機(jī)等大些設(shè)備的運(yùn)輸及安裝，在地下風(fēng)機(jī)房邊墻上部設(shè)置牛腿，并在牛腿上設(shè)置運(yùn)輸軌道。根據(jù)地下風(fēng)機(jī)房牛腿在運(yùn)輸和安裝設(shè)備時(shí)所需承受的起重機(jī)及設(shè)備質(zhì)量確定牛腿設(shè)計(jì)荷載為15 t。

2.5 洞室防排水設(shè)計(jì)

地下風(fēng)機(jī)房系統(tǒng)內(nèi)洞室多，且大多洞室防水要求高，地下風(fēng)機(jī)房及風(fēng)道內(nèi)均嚴(yán)禁滲漏水，為較好得達(dá)到防排水效果，力爭(zhēng)做到“不滲不漏”，在初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)分離式防水層(凹凸HDPE防排水板+無(wú)紡布+EVA防水板防水)，二次襯砌環(huán)向施工縫采用外貼式橡膠止水帶+中埋式橡膠止水帶組合防水，縱向施工縫采用外貼式橡膠止水帶+中埋式BW型遇水膨脹橡膠止水條組合防水。

為使襯砌背后地下水更順暢地引入洞室邊溝，襯砌背后縱向每10m(可根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整)設(shè)一道φ50 mm HDPE單壁打孔波紋管環(huán)向排水盲管(外裹無(wú)紡布);邊墻腳設(shè)φ100 mm HDPE單壁打孔波紋管(外裹無(wú)紡布)，在通道交叉處縱向盲管均應(yīng)相互連通并通過(guò)縱向盲管和橫向?qū)芘胖僚潘厹?每10 m(可根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整)設(shè)一道φ100 mm單壁無(wú)孔橫向?qū)y管。

3 地下風(fēng)機(jī)施工方案

3.1 施工順序

1)當(dāng)正洞掌子面施工至排風(fēng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道時(shí)，同時(shí)施工正洞和隧道排風(fēng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道;

2)當(dāng)正洞掌子面施工至運(yùn)輸通道后，同時(shí)施工正洞和運(yùn)輸通道;

3)施工運(yùn)輸通道途經(jīng)電器室時(shí)施工電器室及運(yùn)輸通道與排風(fēng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道間通道;

4)運(yùn)輸通道施工完成后進(jìn)入地下風(fēng)機(jī)房施工，然后向兩端施工地下風(fēng)機(jī)房;

圖2 各洞室襯砌斷面設(shè)計(jì)圖Fig.2 Cross-sections of lining of different galleries

6)施工排風(fēng)通道;

7)施工豎井(需提前進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆探作業(yè)，且保證隧道施工至豎井位置時(shí)導(dǎo)向孔施作完畢，以便于對(duì)豎井進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，為豎井施工縮短工期，但豎井工期不控制隧道工期)。

3.2 施工方法

3.2.1 地下風(fēng)機(jī)房

地下風(fēng)機(jī)房采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，送風(fēng)道及排風(fēng)道采用全斷面法開(kāi)挖，其余斷面均采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖。地下風(fēng)機(jī)房施工工序見(jiàn)圖3。

圖3 地下風(fēng)機(jī)房施工工序圖Fig.3 Construction procedure of underground ventilation equipment chamber

3.2.2 通道交叉

運(yùn)輸通道進(jìn)入地下風(fēng)機(jī)房:自運(yùn)輸通道進(jìn)入地下風(fēng)機(jī)房開(kāi)挖后，逐漸抬高開(kāi)挖斷面拱部，抬高開(kāi)挖至地下風(fēng)機(jī)房另一側(cè)拱部(剛進(jìn)入地下風(fēng)機(jī)房時(shí)略擴(kuò)大開(kāi)挖斷面預(yù)留施作運(yùn)輸通道與地下風(fēng)機(jī)房連接處的門型鋼架空間)，然后對(duì)風(fēng)機(jī)房進(jìn)行挑頂［9］。運(yùn)輸通道進(jìn)入地下風(fēng)機(jī)房施工工序見(jiàn)圖4。

地下風(fēng)機(jī)房進(jìn)入聯(lián)絡(luò)風(fēng)道:開(kāi)挖風(fēng)機(jī)房時(shí)，在聯(lián)絡(luò)風(fēng)道位置架設(shè)門型鋼架，待地下風(fēng)機(jī)房施工完成后再開(kāi)挖聯(lián)絡(luò)風(fēng)道。地下風(fēng)機(jī)房與風(fēng)道交叉口門型鋼架示意見(jiàn)圖5。

其余交叉口在主洞架設(shè)完鋼架后直接施工。

4 結(jié)論與討論

1)地下風(fēng)機(jī)房能有效地解決隧道通風(fēng)運(yùn)營(yíng)及管理問(wèn)題，雖施工難度大、工程造價(jià)較高，但具有占地少、風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)四季溫差小、便于管理等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中不斷被采用。

2)地下風(fēng)機(jī)房設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于布置方式的選擇及地下風(fēng)機(jī)房系統(tǒng)內(nèi)的防災(zāi)救援、防潮、防塵、降噪、溫度調(diào)節(jié)等設(shè)計(jì)，建議在今后的地下風(fēng)機(jī)房設(shè)計(jì)中將這些作為設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。

3)隧道公路行業(yè)的不斷發(fā)展，公路不斷向山嶺重丘地區(qū)延伸，為了改善線形、縮短里程、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高運(yùn)輸效益等，隧道在公路建設(shè)中越來(lái)越得到重視，便出現(xiàn)大量的長(zhǎng)大隧道。通風(fēng)與防災(zāi)救援技術(shù)是制約長(zhǎng)大公路隧道發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸，而通風(fēng)豎井、斜井的設(shè)置是實(shí)現(xiàn)分段通風(fēng)、降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的有效途徑，且必須配備風(fēng)機(jī)房。較地面風(fēng)機(jī)房而言，地下風(fēng)機(jī)房具有較多優(yōu)點(diǎn)，地下風(fēng)機(jī)房勢(shì)必在今后的隧道發(fā)展過(guò)程中得到廣泛的使用。

4)目前地下風(fēng)機(jī)房的研究在我國(guó)還處于起步階段，沒(méi)有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范或書(shū)籍對(duì)地下風(fēng)機(jī)房進(jìn)行詳細(xì)的論述。因此，本文通過(guò)介紹華鎣山隧道地下風(fēng)機(jī)房的設(shè)計(jì)與施工，對(duì)今后地下風(fēng)機(jī)房的發(fā)展及研究具有積極意義。

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［3］ 付國(guó)宏.7號(hào)斜井進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(9):77－79.

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［6］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［7］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T D70—2010公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京:人民交通出版社，2010.

［8］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 026.1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［9］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTG F60—2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2009.