土岩结合地区地铁工程施工竖井断面形式及支护参数优化研究

胡 志 耀

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308)

目前我国地铁工程建设发展迅速，建筑材料的消耗量逐年攀升，在确保安全建设的前提下优化地铁结构设计，降低工程造价值得重视[1-3]。北京、青岛、大连、重庆等多个城市的地铁工程采用暗挖法施工，其中地铁工程的施工竖井设计常采用工程类比法拟定初期支护与二次衬砌参数，再验算支护参数是否合理[4-5]。此方法过多借鉴了既有经验，具有一定盲目性，造成施工竖井的安全系数普遍偏大，并没有充分利用支护与围岩自身的性能，设计过于保守[6-8]。

以某土岩结合地区地铁工程为背景，对地质条件为以中-微风化花岗岩为主，上覆破碎地层地区的施工竖井设计优化，提出合理设计方案，优化竖井断面形式及支护参数。在保证一定结构可靠度的前提下，尽量减少工程造价[9]。

1 地质概况

根据对该地区地质条件分析，对地铁施工竖井工程建设影响最大的主要是第四系(Q)和以燕山晚期(γ53)花岗岩为主的基岩。其特点可归纳为：

(1) 第四系(Q)主要由全新统人工填土(Q4ml)、全新统洪冲积层(Q4al+pl)、上更新统洪冲积层(Q3al+pl)组成，第四系(Q)在该地区多为地表以下1 m～6 m的软土层，也有部分达到13 m左右，局部地段甚至达到19 m。

(2) 基岩岩层起伏较大，且分化程度差异大，呈现明显的上软下硬的复合式地层。

(3) 施工竖井总体上处于中、微风化花岗岩中比例较大，且较为集中。

(4) 除局部地段出现富水外，整体上地下水较贫。

2 施工竖井合理断面型式及结构尺寸研究

2.1 竖井断面型式选择

竖井主要由井口圈、井身、井窝，马头门及联络通道等部分组成，设计内容主要考虑合理选择井筒装备及断面布置形式，以确定施工竖井断面尺寸及支护结构。施工竖井断面型式主要采用矩形、圆形、椭圆等型式[10-11]。

竖井位置选择应综合考虑施工场地、地质条件、工期统筹等，在施工场地可能的情况下、尽量选择围岩较好地段。

竖井一般可设置在隧道顶部或隧道中线一侧，距离隧道净距15 m～20 m为宜。

竖井断面型式选择应综合考虑地质条件、平面布置、所需设备尺寸、井深、使用功能(永久或临时)、结构受力等因素[12-13]。

2.2 不同断面型式尺寸及空间利用率

竖井断面尺寸确定应按照起吊区、步梯区、集水坑、通风管以及下料管道合理布置的原则。

起吊区：主要满足设备提升(松挖机、农用车外型尺寸(长×宽×高)：4.46 m×1.71 m×2.22 m)、出碴等，考虑施工安全及效率，起吊区尺寸按照5 m×5 m控制(临时起吊大型设备时可占用通风管空间)。

步梯区：考虑人行安全及让道，步梯总宽度按2 m考虑。

集水坑：竖井底部需设置一处集水坑，以便排出施工期间竖井工区渗水，按照1 m×1 m考虑(可考虑在起吊区边角或步梯下部空地处)。

通风管以及下料管道：根据施工竖井施工隧道长度及地质条件，考虑通风管道空间，可考虑在起吊区边角处，起吊大型机械是可不考虑通风管道空间。

根据一般尺寸要求，对施工竖井三种断面进行平面布置见图1。

从占地和利用率出发，矩形断面面积最小，为40 m2，利用率最高达100%；其次是椭圆型断面面积47.1 m2，利用率为85%；圆形断面面积最大，为50.3 m2，利用率为79.4%。

图1施工竖井三种断面形式(单位：mm)

2.3 结构受力研究

2.3.1 荷载组合

施工期间的基本组合：永久荷载+可变荷载，不考虑水压力影响。

使用阶段：(1) 基本组合：永久荷载+可变荷载；(2) 偶然组合：永久荷载+可变荷载+地震荷载。

正常使用极限状态下的荷载组合采用标准组合进行计算。

2.3.2 计算模型

由于竖井纵向尺寸长，横向尺寸小，可以简化为平面应变问题取每延米作横向计算。采用ANSYS有限元程序，计算采用荷载-结构模式，二衬采用二维梁单元模拟，梁单元宽度为单位宽度，梁高为实际衬砌厚度。

围岩抗力采用弹簧单元模拟，弹簧施加范围及数量根据试算中结构的变形情况进行调整和优化，仅当结构产生指向围岩方向的位移时添加弹簧单元，围岩弹性抗力系数按实测围岩的侧向基床系数和垂向基床系数选值。计算模型见图2。

2.3.3 计算结果及分析

施工竖井深度一般在20 m～30 m之间，考虑不同大小侧压荷载作用下(主要考虑100 kPa、200 kPa、300 kPa)，对各种不同断面受力情况进行比较分析(见图3)。

图2计算模型

图3三种断面在100kPa侧压力时内力图

根据计算结果，统计不同竖井断面在不同外荷载情况下的结构受力情况见表1。

表1 计算结果数据分析

由表1分析可知，采用矩形和椭圆断面在外荷载较大时，结构受力极其不利，需要增加横撑改善受力状况，圆形断面基本不存在弯矩，由受压控制，受力条件极好。

2.4 断面型式综合比选

综合考虑施工竖井平面布置、功能、井深、作用荷载、施工难度等因素对施工竖井断面进行比较，见表2。

表2 施工竖井断面经济技术分析

由表2分析可知，在施工竖井深度较小，结构外荷载作用不大时，采用矩形断面可节约空间。在外荷载较大(比如富水地段或第四系地层较厚)时，特别是施工竖井做永久结构需施做二衬时，采用圆形断面可减少大量钢筋。椭圆断面在受力和断面面积比较均无优势，且在横通道开洞较为不利。综合分析各断面结构总结得到：

(1) 矩形断面：主要在基岩埋深较浅，围岩条件较好，地下水较贫乏地段，或者仅作为临时施工竖井时，可选择矩形断面型式。

(2) 椭圆断面：当采用矩形断面无法满足受力的临时施工竖井，在场地满足要求的情况下，可考虑采用椭圆断面以减少横撑，改善受力条件。

(3) 圆形隧道：对于地层较差，第四系地层覆盖厚度大，且施工竖井作为永久结构(与风井合建)时采用圆形断面型式。

3 施工竖井结构参数研究

3.1 施工竖井支护参数现状

对该地区16个施工竖井统计，竖井尺寸主要为5 m×8 m矩形断面，个别尺寸有小调整。且竖井支护参数由于设计人员不同，在第四系地层、强风化基岩地层、中风化基岩地层、微风化基岩地层中支护参数差异较大，同类地质条件下的支护参数也呈现多样化。

3.2 施工竖井支护参数优化

3.2.1 施工竖井荷载

施工竖井深度一般在30 m以内，水平外荷载按朗金主动土压力公式计算，计算时考虑以下三个因素：(1) 当出现隔水地层时，上部水压作用带入计算；(2) 黏性土和粉土按水土合算，其余按照水土分算；(3) 当在完整花岗岩基岩中时，可不考虑围岩侧压，根据其裂隙水情况考虑水压作用。

3.2.2 施工竖井支护参数优化

根据该地区地质特点，上覆第四系地层较薄时，可采用钢架锚喷支护结构型式。第四系覆土较厚时，锚喷支护不能有效控制变形和围岩稳定性，采用围护桩进行开挖支护，出现较厚砂层时，根据需要进行帷幕注浆[14-15]。

(1) 锁口圈。锁口圈主要作用是保证竖井顶部围岩稳定和作为龙门吊基础。

宽度尺寸：考虑到龙门架安装、以及施工安全便利等因素，取1.5 m宽圆环，验算其地基承载力完全满足要求。

厚度尺寸：按照抗冲剪验算，当厚度大于0.5 m，上部集中荷载作用面积半径大于0.5 m时，可承受单个集中荷载可达126 t。考虑到施工便利及安全因素，可取其厚度为0.8 m。

(2) 施工竖井初期支护参数。施工竖井初期支护主要采用锚喷支护，可根据不同地层设置不同的支护参数，由于该地层层面较多，在不同井深和地质条件下，地层侧压力大小见表3。

表3 不同地层不同深度下地层侧向土压力

考虑到结构的整体连接性和地层侧压力大小，可将其按照两种情况进行分析：一种是强风化岩层及以上第四系地层等软弱层；另一种是强风化岩层以下中—微风化岩层等硬岩层。

当施工竖井位置上覆土层较浅，或地下水较贫乏地层时，其支护参数可参照表4。

当施工竖井位置主要以第四系地层为主，或处于底层富水地段，采用钻孔灌注桩作为围护结构，其支护参数可参照表5。

根据不同深度地层荷载，拟定支护参数，计算矩形、圆形断面型式下支护内力及安全系数，计算结果见表6、表7。

表4 施工竖井初期支护参数

注：喷射混凝土厚度括号内数值为圆形断面支护参数。

表5 施工竖井围护结构

表6 矩形断面不同地层不同深度受力分析

(3) 施工竖井二次衬砌参数。根据地质条件选取断面型式主要有两种：围岩条件较好，多数处于中-微风化岩层中，表层覆盖层较薄时，采用矩形断面。

当围岩条件较差，或富水地段，采用圆形断面型式，相应的二次衬砌支护参数见表8。

表7 圆形断面不同地层不同深度受力分析

表8 竖井二次衬砌参数

4 结 论

(1) 施工竖井断面型式直接影响到结构受力特点、空间利用率、施工便利性以及工程造价，应根据其地质条件不同，施工组织以及工期进行合理选择，通过竖井施工空间需求，结合地质条件下结构受力、工程造价以及施工便利性进行综合比选进行确定。

(2) 竖井支护参数应该根据不同围岩不同深度下围岩压力，计算不同断面型式下结构受力及其安全系数确定，保证建设安全的前提下尽量降低造价。