地铁超深中间风井关键技术设计和研究

彭长胜

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)



地铁超深中间风井关键技术设计和研究

彭长胜

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：为解决地铁超深中间风井的设计和施工高风险问题，结合武汉地铁4号线越江区间超深中间风井，通过对超深中间风井设计方案的比选，分析超深中间风井设计和施工中的重难点，得出超深中间风井围护、止水降水方案、盾构穿越中间风井等关键技术的详细方案，成功解决超深风井的高风险问题。

关键词：地铁；越江隧道； 中间风井；设计

1工程概况

武汉地铁4号线拦江路站—复兴路站区间隧道穿越长江，区间隧道位于长江一桥上游约1.4 km处，连接汉阳和武昌，河床宽约1 400 m，江底平顺，北坡平缓，南坡较陡，主槽位于右岸(武昌岸)，区间采用2台盾构施工，两条盾构隧道的外径6.2 m，内径5.5 m。区间隧道全长约3 003 m。

列车以最大速度、正常速度运行情况下在该区间的运行时间分别为3 min13 s、3 min25 s，大于2 min均不超过4 min[1]，因此该区间内最多有2列列车在同时运行。一旦出现前方列车车尾或后方列车车头着火等工况，无论从哪个方向通风，都必然使其中一列列车乘客处于高温烟气区，将会严重危害到乘客生命安全[2-3]。通过设置中间风井将整个区间分成几个通风区段，确保在一个通风区段内只有1列列车，但由于江面较宽，无法在区间的中点设置中间风井，只能在武昌岸和汉阳岸分别设置1座中间风井。由于长江侧的深槽靠近武昌岸，因而武昌岸附近隧道的埋深较深，导致武昌岸中间风井深度较深，达到48 m，属于城区内超深基坑。本文主要结合武昌风井的工程情况，对地铁超深中间风井的设计关键技术进行论述。

武昌中间风井位于武昌主城区张之洞路上，中心里程为右DK15+105.6，地面高程为26.3 m，风井左侧为武汉音乐学院6层办公楼及2～4层民宅；右侧有武汉造船厂19层办公楼，距离长江大堤约235 m，根据通风要求和防烟楼梯的布置，中间风井宽约11.4 m，长约27.7 m，深约48 m。

2工程地质和水文地质

2.1工程地质

风井距离长江较近，属于长江I级阶地，风井底板以上的地层主要有：1-1杂填土， 3-5层粉质黏土、粉土、粉砂互层，4-2粉细砂，8-1粉细砂。底板以下地层为：8-1粉细砂，9圆砾土，20a-1强风化泥岩等。强透水的粉细砂层厚度较大且与江中的透水地层连通，对基坑工程的风险较大[4]。

2.2水文地质

上层滞水主要赋存于场区上部的人工填土中，无统一自由水面，接受大气降水和供、排水管道渗漏水补给，水量有限。第四系松散砂土类孔隙水主要赋存于砂土层中，为本场区主要含水层，与长江具密切水力联系，补给主要来源于长江水，水量丰富；场区砂土层多低于长江水面，故其内孔隙水多具承压性，承压水头与长江水位相近。基岩裂隙水主要赋存于中～微风化基岩裂隙中，场区基岩多为软岩，节理、裂隙多为密闭型，基岩裂隙水贫乏，基岩为主要的隔水层[4]。

3中间风井方案比选

区间隧道的中间风井井内或就近应设置直通地面的防烟楼梯[5]，因此，中间风井不仅考虑通风还需要防烟楼梯的设置要求。根据中间风井与区间两者的平面位置关系，有2种中间风井方案：一种中间风井横跨两线区间，即两线区间从风井中穿越；另一种，风井放置在两线区间的之间，区间从风井两侧通过，风井通过暗挖风道与两线区间联通。

3.1横跨两线方案

左右两线线间距与前后段同为13 m，风井横跨左右两线方案，其平面尺寸为27.7 m×11.4 m，见图1。该方案先施工风井围护结构、开挖、施作主体结构、盾构穿越。盾构隧道需要二进二出穿越风井，地面风亭通过风井直接与区间的顶部连通，过风面积超过20 m2。

图1　横跨两线风井平面(单位：mm)

3.2两线中间方案

本方案将左右线路的线间距拉大到23.207 m，风井设在两线路中间，风井中心里程为右CK15+100，基坑深度49 m。盾构隧道从风井两侧经过。在盾构隧道与风井之间通过设置联络通道来满足通风和疏散要求。根据隧道通风以及风井结构受力的要求，确定风井结构外包尺寸为12.4 m×25.9 m，箱形框架结构，平面如图2所示。

图2　两线中间风井平面(单位：mm)

根据通风要求需要设置4条风道，其中1条风道兼做联络通道，风道高3 m，宽1.2 m，如图3所示。4条风道的总面积为14.4 m2，由于电力电缆需要从区间引入风井内，需要占用面积0.88 m2，因此风道的过风面积为13.52 m2。联络通道两侧均采用钢管片，钢管片的环宽为1.5 m，左、右线共24环钢管片。

图3　区间与风井连接(单位：mm)

3.3风井方案比选(表1)

横跨两线风井方案中，盾构穿越风井后，拆除风井内的管片，其形成风道面积可超过20 m2。两线中间方案由于风道通过后期暗挖的通道来连接，在盾构管片上的开孔，开孔处管片需要采用钢管片，共设置24环管片，为了尽量满足通风面积和疏散通道的要求，在每2环上开孔，开孔高度达到4.315 m，形成6条风道和2条疏散通道，风道面积仅为13.52 m2，正常通风和火灾排烟效果较差。大大削弱了管片的整体受力，加大了连接处漏水的风险；由于管片开孔需要采用通缝拼装，拼装的管片形成的直线与实际曲线线路偏差达到124 mm，虽然能满足限界要求，但减小了施工的富裕量，由于施工误差导致侵限的可能性较大。

横跨两线方案的线间距为13 m，两线盾构区间无需侧穿周边建筑物，而两线中间风井方案的线间距达到23.347 m2，导致盾构需要穿越1栋6层楼的建筑物，大大增加了施工的风险。

两线中间风井方案对区间盾构施工影响相对横跨两线方案较小，但横跨两线风井方案在通风效果、交通疏解、施工风险、造价等方面具有较多优势，本工程推荐横跨两线中间风井。当中间风井影响到盾构区间的工期时，可考虑采用两线中间方案，但需要注意对风道和联络通道周边土体的加固，同时做好管片与通道接头的防水处理。

4设计的重难点

(1)基坑深

根据前述由于长江河床冲刷和通风区间的要求，武昌风井靠近长江大堤，风井深度达到48 m，为目前国内城市市区内最深的基坑之一。深基坑工程的变形和安全对支护设计和施工要求较高。

(2)水压高

武昌风井基坑的深度较深，基坑开挖范围内粉细砂层较厚，透水性较强，由于长江下切，河床达下部砂层中，因而江水与两岸粉细砂层中地下水存在互补关系，水力联系密切，水位动态随季节变化，水量较丰富。武昌风井处孔隙水具有高承压性，承压水头与长江水位相近，最大水压力达到0.42 MPa。高水压对于基坑和永久结构工程的影响较大，是设计方案需解决的重点。

(3)盾构穿越

中间风井较深，两端连接着盾构区间，实施时，盾构需要从中间风井当中穿越。在高水压、大埋深的条件下穿越风井，从凿除穿越区混凝土、穿越、后期施作洞门各个环节，均存在高风险。设计方案中应针对各个施工环节风险，采取相应的措施。

5设计关键技术

5.1围护结构方案

目前国内深度达到46 m以上的基坑工程的实例较少，在市区周边环境修建超深基坑的更少，因此，本工程需要充分计算、论证，来选择合适的、安全基坑围护结构和支护方案是保障超深基坑在开挖过程中的安全的根本。

5.1.1围护结构选型

根据国内外经验，超深基坑工程中可采用的围护结构实施方案主要有地下墙围护明挖法、沉井法。

地下连续墙技术具有如下优点：工程施工时对环境的影响小；墙体刚度大、整体性好，因而结构和地基变形较小，既可适用于超深基坑围护结构，也可与内衬形成叠合结构作为主体结构；地下连续墙耐久性好，抗渗性能亦较好，对基坑形式适用范围广，目前地下连续墙施工实例很多，施工精度较为可靠，能够确保盾构穿越；地下连续墙刚度较大，可较好减小对周边环境的影响。

沉井是修筑地下结构和深基础的一种结构形式[2]，它具有占地面积小、挖土量少，对邻近建筑物影响较小等优点。在工程用地与环境条件受到制约或结构埋深较大的地下构筑物工程中被广泛运用。在市政工程中常被用于桥墩基础、泵站等市政工程，但是沉井在制作、下沉纠偏、水中封底、平面定位和高程精度等各方面都有一定的施工难度，沉井与圆隧道的接头对沉井的施工精度要求较高，一旦沉井精度控制不好会导致盾构无法穿越。在沉井下沉阶段会对四周土体破坏，引起周边土体的扰动、裂缝、沉降。

综合比较与盾构隧道穿越的可靠性和对周边环境影响方面，推荐采用地下连续墙围护。

5.1.2施工方法和支撑体系

明挖法施工主要有2种：一种是明挖顺作法；一种明挖逆作法[6]。明挖顺作法主要是先采用临时支撑逐步向下开挖，然后从下往上拆除临时支撑和浇筑主体结构。明挖逆作法与顺作法不同，在向下逐层开挖基坑时，同时浇筑主体结构，主体结构的框架或楼板作为围护的支撑，不需设置临时支撑，主体结构达到强度后，再继续挖下一层，浇筑一层，直到基坑底。逆作法施工也有较多成功例子。

本工程风井深度较深，风井平面较小，如采用明挖顺作法施工，临时支撑、围檩需要占用较大空间，施工工效会大大降低，同时由于基坑深，围护及支撑承受较大的荷载，临时钢支撑和围檩较难满足受力和控制变形的要求。

结合风井运营阶段的需要，在施工期根据水土荷载的大小和施工开挖步序，采用中墙和环梁作为围护结构的围檩和支撑，采用明挖逆作法进行施工，每开挖一层及时浇筑中墙和加强框架。采用增量法根据各个开挖步序承担的荷载进行计算[7]，连续墙厚度为1.5 m，共需设置11道加强框架，如图4[8]所示，中墙厚度为600～800 mm，加强框架截面1 500 mm×1 200 mm、1 500 mm×1 800 mm。采用逆作法施工，计算和实测围护结构的最大位移均小于30 mm，有效地控制结构变形。加强框架和中墙作为永久结构的一部分，还应同时满足运营阶段荷载的要求，并控制其裂缝宽度小于0.2 mm，因此，在结构配筋计算时要考虑施工期和运营期两者的内力包络值。

图4　中间风井纵剖面(单位：mm)

5.2基坑封水、降水方案

本工程是位于建筑物较为密集的市中心的超深基坑，最大水压达到0.42 MPa，高水头地下水是该深基坑开挖期间的主要的风险源[9]。盾构后期要穿越风井，需要在风井内浇筑完主体结构后，对已施工好的连续墙的待穿越区域进行凿除，凿除过程中将面临高水压的具体风险，控制不好将发生灾难性的后果。因此妥善处理好地下水是施工的关键，大大降低工程的风险。对地下水处理一般主要为封水(止水)、降水措施。封水、降水既要保证基坑开挖和连续墙凿除的顺利进行，又要使降水不至于对周边环境(长江大堤和周边建筑物)产生较大影响，设计方案中采取以下措施：

(1)将地下连续墙底部深入到弱透水的强风化泥岩形成一道隔水措施；

(2)在地连墙槽段间的接头采用铣接头，确保前后槽段在接缝处咬合，同时在接缝处外侧采用高压旋喷桩进行封水处理；

(3)在基坑开挖过程中，由于地连墙水下浇筑质量、施工精度及地连墙的受力变形导致接缝劈叉，加大了在基坑开挖过程中的漏水风险，为了确保不出现涌水涌砂现象，在连续墙的外侧设置一圈封闭塑性混凝土防渗墙，见图5；

图5　基坑封降水平面示意(单位：mm)

(4)将塑性混凝土防渗墙在沿线路方向与地下连续墙之间拉开约8 m的距离，在两端8 m范围内各设置3口降水井。

在开挖前，对降水井进行了试抽水，由于降水井设在塑性混凝土防渗墙以内，降水井的出水量较小，轻松的把水位降到基坑底，同时，对周边环境的影响微乎其微。在整个基坑开挖过程中，基坑渗漏水很少，说明整个封水体系是比较成功的。

5.3盾构穿越方案

根据施工筹划，越江区间盾构在拦江路站始发，自汉阳向武昌掘进，盾构需在大埋深、高水压下进出中间风井，盾构穿越需要保证风井安全。盾构穿越风井方案和实例较多[9-12]，由于本工程的高风险，通过比选采取以下穿越措施：(1)施作钢筋混凝土连续墙；(2)在钢筋混凝土连续墙外侧施作塑性混凝土防渗墙止水，深至不透水层；(3)采用高压旋喷桩和冻结进行端头加固(加固体强度要求能够抵挡外侧的土压力和水压力，防止涌水、涌砂)；(4)井内降水；(5)按照逆做法开挖并施作混凝土支撑、围檩及内衬至基坑底；(6)必要时采用防渗墙和地下连续墙间降水； (7)凿除穿越区连续墙，并预埋环向冻结管；(8)边凿除、边回填塑性混凝土至基坑底以上13 m处；(9)盾构机穿越；(10)通过环向冻结管冻结和洞内注浆，二次开挖，拆除管片；(11)施作洞门；(12)拆除所有降水井。

整个穿越过程的风险点主要在凿除洞门、二次开挖拆除管片的过程中。凿除穿越区连续墙的过程中，周边的土体和地下水易通过凿除掉连续墙的区域涌入到风井内，需对凿除区域外侧土体进行加固，一般的地铁车站端头加固采用旋喷桩或搅拌桩，本工程中加固深度最深达到50 m，搅拌桩机的施工深度很难达到，旋喷桩的深度能够达到要求，但其在50 m深处的加固质量很难保证，因此，在选用旋喷桩加固的同时，增加垂直冻结，对凿除区外侧2 m范围的土体进行补充加强。二次开挖过程中，基坑内外水土压力再次失去平衡，水土会沿着管片和洞圈之间的空隙涌入基坑内，一般可通过隧道内对管片二次注浆孔进行注浆封堵，但在高水压的作用下，很难有效封堵，因此，通过在凿除连续墙时预埋的环向冻结管，采用液氮快速冻结，能够彻底封堵外侧水土压力。

6结语

武汉地铁4号线越江区间中间风井是目前国内最深的中间风井，于2012年2月开工，2013年完成风井施工，2014年2月完成盾构穿越。在整个基坑开挖、盾构穿越、二次开挖过程中风险较大，做好整个过程中的设计方案，是工程成功实施的基础。通过对中间风井方案比选以及工程潜在的风险进行分析，对围护结构方案、封降水方案、盾构穿越方案等设计关键技术进行了详细论述，可为类似工程的设计和施工提供借鉴。

参考文献：

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Design and Analysis of key technologies for Metro Super-depth Intermediate Ventilation Shaft

PENG Chang-sheng

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd， Wuhan 430063， China)

Abstract：To solve the high risks in the design and construction of metro intermediate ventilation shaft， this paper analyzes the difficulties encountered in the design and construction of super-depth intermediate ventilation shaft with reference to the practices in the super-depth intermediate ventilation shaft of the river-crossing on Wuhan Metro line 4 and based on comparison of design schemes. The results show that the key technologies such as retaining structure， sealing and dewatering solutions and shielding process are proved successful to solve the high risks in the construction.

Key words：Metro; River-crossing tunnel; Intermediate ventilation shaft; Design

中图分类号：U455

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.022

文章编号：1004-2954(2016)04-0091-04

作者简介：彭长胜(1979—)，男，高级工程师，2004年毕业于兰州交通大学岩土工程专业，工学硕士，E-mail：185697419@qq.com。

收稿日期：2015-08-11； 修回日期：2015-09-21