复杂地质条件下风井先隧后井设计方案研究

蒋道东 余 村

(中交二航局技术中心，湖北 武汉 430000)



复杂地质条件下风井先隧后井设计方案研究

蒋道东 余 村

(中交二航局技术中心，湖北 武汉 430000)

以佛山地铁2号线南庄—湖涌中间风井工程为例，阐述了传统盾构隧道中间风井施工方法存在的问题，提出了先隧后井的设计方案，并阐述了该方案的施工工艺，在节约成本、缩短工期的同时，降低了基坑施工的风险。

风井，先隧后井，连接段，数值模拟

在城市地铁轨道建设中，为充分排出地铁系统运行当中所产生的热量，使设备的预期寿命不会因为温度过高产生老化而下降，同时为尽快排出地下产生的烟气，为乘客创造舒适和安全的地下环境，通常在超过一定距离的隧道区间内会设置中间风井。常规的风井一般先施工风井基坑，然后盾构机在风井基坑内部穿越，需要盾构机完成进出洞工序各一次。基于这种先风井后隧道施工理念设置的风井，具有开挖深度大、开挖范围广、造价高、工期长等特点，同时盾构机到达和始发工序也具有一定风险，若在高水头及狭小空间等复杂地质条件下施工风险则更高。

本文通过对佛山地铁2号线一期工程南庄至湖涌隧道区间中间风井初步设计方案进行分析研究，提出一种新的设计方案：首先开挖浅基坑形成风井主体结构，然后盾构机从风井底部穿越形成隧道结构，最后采用吊筑法施工风井结构底板与隧道结构间的通风通道。此方案避免了开挖较深的风井基坑，也无需盾构机进行进出洞工序。

1 工程概况

佛山地铁2号线一期工程南庄至湖涌隧道区间中间风井位于紫洞北路西侧，场地现状如图1所示：西侧为工业池塘，东侧为通拓帆布厂房，北侧则为新恒陶瓷厂。施工期间围挡内房屋类建筑均进行拆除，池塘回填。

为满足通风及施工要求，初步设计方案中风井的尺寸为：长26.4 m，宽24.2 m，基坑埋深35.2 m。施工场地地层从上到下依次为：①-1素填土、②-1B淤泥质黏土、②-5淤泥质粉土、③-1粉砂、④N-2可塑状黏性土、③-4砾砂与圆砾以及⑦-2砂岩，其中盾构机穿越风井段主要位于③-4砾砂与圆砾层，如图2所示。此外，主要的含水层为③-1粉砂层和③-4砾砂与圆砾层，同时此区域地下水易受地表水补给，水量丰富。

2 初步设计方案

初步设计方案中风井采用明挖法施工，风井基坑围护结构采用厚1 200 mm的地下连续墙+7道混凝土支撑方式，底部嵌入⑦-2砂岩层5 m，在基坑施工过程中针对地层进行管井降水。考虑到盾构机进出洞为施工高风险源，且隧道洞身主要位于③-4砾砂与圆砾层中，风井两端头的地层将采用“U”型厚1 000 mm素混凝土连续墙+φ850@600三轴搅拌桩进行加固。

针对初步设计方案，采用增量法原理模拟围护结构的施工过程，计算结果表明结构的内力和变形均能满足要求。

初步设计方案采用了较为保守的围护支撑体系，但是在施工过程中仍然存在如下问题。

2.1 盾构掘进洞通压力较大

根据工筹安排，佛山地铁2号线一期工程全线洞通时间为2017年7月，南庄至湖涌区间段计划2016年6月从南庄始发，全段长2 241 m，盾构掘进根据相关工程经验按照250 m/月考虑，盾构过风井计划工期为1个月，则预计2017年6月能实现区间洞通。然而由于南庄站拆迁等原因导致其始发延后2个月，按照初步设计方案则无法按期满足洞通要求。

2.2 盾构进出洞施工风险较大

盾构机进出洞为施工高风险源，按照初步设计方案中的传统施工方法，风井结构将增加盾构进出洞工序各一次。虽然方案中采用素混凝土连续墙+三轴搅拌桩等处理技术对洞门处土体进行加固，但加固深度近40 m，对于砂砾、圆砾等空隙比较大的土层，加固质量难以保证。

2.3 超深基坑支撑拆除较繁琐

初步设计方案中风井基坑采用6道混凝土支撑及1道倒撑，这些支撑在后期施工过程中需全部拆除，施工工期较长。同时倒撑支护位置与盾构洞门开口处冲突，拆除施工也较为不便。

3 先隧后井设计方案

3.1 优化思路

采用先隧后井的设计方案可有效地克服或避免上述传统设计方案中存在的问题。先隧后井设计方案的思路为：首先在不改变风井平面尺寸的情况下抬高风井底板，即以开挖浅基坑的形式形成风井主体结构，并在底板位置预留风口接驳器，然后盾构机从风井底部穿越形成隧道结构，最后采用吊筑法施工风井结构底板与隧道结构间的通风通道。先隧后井方案风井纵剖面图见图3。

3.2 方案的具体施工工序

风井结构采用盖挖逆作法施工，施工过程中预留出土口(后期为通风口)，待风机结构施工完毕后采用吊筑法施工连接通道，具体施工工序如下：

1)待场地平整后进行基底旋喷桩加固，施工围护墙及中间立柱，中间立柱可采用格构柱或者钢管柱，后期作为主体结构柱骨架。

2)基坑开挖至顶板底面下0.5 m处,凿除围护墙与顶板搭界处连续墙，施工顶板、顶梁，敷设顶板防水层。顶板处预留出土孔，后期作为通风口。

3)从上至下开挖基坑，依次施工主体结构至底板，各层板预留出土口，出土口后期为风道口，底板预留连接段风口，并预留钢筋接驳器与后期施工风道侧墙主筋连接。

4)风井灌水至一定标高后，盾构隧道从已施工风井下方穿越，与风井连接处管片采用钢管片。

5)从底板自上而下开挖风道处土层，分层施工侧墙，侧墙底部预留钢筋接驳器与后续侧墙主筋连接，共分3段施工。

6)待风道侧墙施工完毕后，依次拆除钢管片后完成整个工程。

3.3 风险源的计算模拟分析

先隧后井方案中最大的风险在于施工连接通道时，隧道上方土体的开挖对管片产生的影响，对此本文采用有限元程序ABAQUS对其进行了模拟。各相关计算参数详见表1。

表1 模型的主要计算参数

有限元计算模型见图4，为尽量减少边界条件的影响，除上部结构，模型土向四周各延伸20 m。

计算步骤如下：

先对原状土体进行地应力平衡，然后移除风井主体结构需要开挖的土体，建立上部结构，接下来开挖连接段土体并浇筑衬砌，最后拆除隧道管片，实现隧道与上部结构之间的联通。本文主要研究其中的2个具体步骤工况：开挖连接段土体；拆除隧道管片。

1)开挖连接段土体。

风井后续基坑开挖对隧道变形会产生显著的影响，如果隧道的变形量过大则会妨碍隧道的正常使用。根据计算结果，连接段施工后，原有隧道的最大位移为2.79 cm，未出现拉应力，最大压应力为21.7 MPa，均满足结构设计要求(如图5，图6所示)。

2)拆除隧道管片。

对已建隧道进行局部管片的拆除将不可避免地对拆除区域邻近的其他管片产生扰动，如其他管片产生较大的位移甚至张开，那么对于隧道的防水及承压能力将有严重影响。根据计算结果，拆除管片后，原有隧道的最大位移为2.35 cm，最大拉应力为1.12 MPa，均满足结构设计要求(见图7，图8)。

根据以上的数值模拟分析，可以看到先隧后井设计在施工实施方面是一种可行、可靠的方案。

4 结语

风井先隧后井设计方案是隧道区间风井建造的一种新颖的设计理念，较传统的施工方法：该方法可较大幅度地减少基坑开挖深度，在节约成本、缩短工期的同时，大大降低了深基坑施工的风险；同时，该方法还避免了盾构机从风井基坑内部进出洞环节，对于盾构掘进也大幅降低了施工风险。

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Study about method of airshaft constructing with tunnels followed by airshaft under complicated geological conditions

Jiang Daodong Yu Cun

(TechnicalCenter,CCCCNo.2HarborEngineeringBureau,Wuhan430000,China)

Taking Nanzhuang-Huyong middle airshaft project at Nanzhuang along the No.2 subway in Foshan as the example, the paper illustrates the problems in the middle airshaft construction methods of the traditional shield tunnels, points out the design scheme for the airshaft tunnel followed by airshaft, and illustrates its construction craft, so as to save cost, shorten construction period, and lower the risks of the foundation pit construction.

airshaft tunnel, airshaft tunnel followed by airshaft, continuous section, numeric simulation

1009-6825(2016)31-0190-03

2016-08-24

蒋道东(1986- )，男，工程师； 余 村(1987- )，男，工程师

U455

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