蔣道東 余 村

(中交二航局技術中心，湖北 武漢 430000)

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復雜地質(zhì)條件下風井先隧后井設計方案研究

蔣道東 余 村

(中交二航局技術中心，湖北 武漢 430000)

以佛山地鐵2號線南莊—湖涌中間風井工程為例，闡述了傳統(tǒng)盾構隧道中間風井施工方法存在的問題，提出了先隧后井的設計方案，并闡述了該方案的施工工藝，在節(jié)約成本、縮短工期的同時，降低了基坑施工的風險。

風井，先隧后井，連接段，數(shù)值模擬

在城市地鐵軌道建設中，為充分排出地鐵系統(tǒng)運行當中所產(chǎn)生的熱量，使設備的預期壽命不會因為溫度過高產(chǎn)生老化而下降，同時為盡快排出地下產(chǎn)生的煙氣，為乘客創(chuàng)造舒適和安全的地下環(huán)境，通常在超過一定距離的隧道區(qū)間內(nèi)會設置中間風井。常規(guī)的風井一般先施工風井基坑，然后盾構機在風井基坑內(nèi)部穿越，需要盾構機完成進出洞工序各一次。基于這種先風井后隧道施工理念設置的風井，具有開挖深度大、開挖范圍廣、造價高、工期長等特點，同時盾構機到達和始發(fā)工序也具有一定風險，若在高水頭及狹小空間等復雜地質(zhì)條件下施工風險則更高。

本文通過對佛山地鐵2號線一期工程南莊至湖涌隧道區(qū)間中間風井初步設計方案進行分析研究，提出一種新的設計方案：首先開挖淺基坑形成風井主體結(jié)構，然后盾構機從風井底部穿越形成隧道結(jié)構，最后采用吊筑法施工風井結(jié)構底板與隧道結(jié)構間的通風通道。此方案避免了開挖較深的風井基坑，也無需盾構機進行進出洞工序。

1 工程概況

佛山地鐵2號線一期工程南莊至湖涌隧道區(qū)間中間風井位于紫洞北路西側(cè)，場地現(xiàn)狀如圖1所示：西側(cè)為工業(yè)池塘，東側(cè)為通拓帆布廠房，北側(cè)則為新恒陶瓷廠。施工期間圍擋內(nèi)房屋類建筑均進行拆除，池塘回填。

為滿足通風及施工要求，初步設計方案中風井的尺寸為：長26.4 m，寬24.2 m，基坑埋深35.2 m。施工場地地層從上到下依次為：①-1素填土、②-1B淤泥質(zhì)黏土、②-5淤泥質(zhì)粉土、③-1粉砂、④N-2可塑狀黏性土、③-4礫砂與圓礫以及⑦-2砂巖，其中盾構機穿越風井段主要位于③-4礫砂與圓礫層，如圖2所示。此外，主要的含水層為③-1粉砂層和③-4礫砂與圓礫層，同時此區(qū)域地下水易受地表水補給，水量豐富。

2 初步設計方案

初步設計方案中風井采用明挖法施工，風井基坑圍護結(jié)構采用厚1 200 mm的地下連續(xù)墻+7道混凝土支撐方式，底部嵌入⑦-2砂巖層5 m，在基坑施工過程中針對地層進行管井降水?？紤]到盾構機進出洞為施工高風險源，且隧道洞身主要位于③-4礫砂與圓礫層中，風井兩端頭的地層將采用“U”型厚1 000 mm素混凝土連續(xù)墻+φ850@600三軸攪拌樁進行加固。

針對初步設計方案，采用增量法原理模擬圍護結(jié)構的施工過程，計算結(jié)果表明結(jié)構的內(nèi)力和變形均能滿足要求。

初步設計方案采用了較為保守的圍護支撐體系，但是在施工過程中仍然存在如下問題。

2.1 盾構掘進洞通壓力較大

根據(jù)工籌安排，佛山地鐵2號線一期工程全線洞通時間為2017年7月，南莊至湖涌區(qū)間段計劃2016年6月從南莊始發(fā)，全段長2 241 m，盾構掘進根據(jù)相關工程經(jīng)驗按照250 m/月考慮，盾構過風井計劃工期為1個月，則預計2017年6月能實現(xiàn)區(qū)間洞通。然而由于南莊站拆遷等原因?qū)е缕涫及l(fā)延后2個月，按照初步設計方案則無法按期滿足洞通要求。

2.2 盾構進出洞施工風險較大

盾構機進出洞為施工高風險源，按照初步設計方案中的傳統(tǒng)施工方法，風井結(jié)構將增加盾構進出洞工序各一次。雖然方案中采用素混凝土連續(xù)墻+三軸攪拌樁等處理技術對洞門處土體進行加固，但加固深度近40 m，對于砂礫、圓礫等空隙比較大的土層，加固質(zhì)量難以保證。

2.3 超深基坑支撐拆除較繁瑣

初步設計方案中風井基坑采用6道混凝土支撐及1道倒撐，這些支撐在后期施工過程中需全部拆除，施工工期較長。同時倒撐支護位置與盾構洞門開口處沖突，拆除施工也較為不便。

3 先隧后井設計方案

3.1 優(yōu)化思路

采用先隧后井的設計方案可有效地克服或避免上述傳統(tǒng)設計方案中存在的問題。先隧后井設計方案的思路為：首先在不改變風井平面尺寸的情況下抬高風井底板，即以開挖淺基坑的形式形成風井主體結(jié)構，并在底板位置預留風口接駁器，然后盾構機從風井底部穿越形成隧道結(jié)構，最后采用吊筑法施工風井結(jié)構底板與隧道結(jié)構間的通風通道。先隧后井方案風井縱剖面圖見圖3。

3.2 方案的具體施工工序

風井結(jié)構采用蓋挖逆作法施工，施工過程中預留出土口(后期為通風口)，待風機結(jié)構施工完畢后采用吊筑法施工連接通道，具體施工工序如下：

1)待場地平整后進行基底旋噴樁加固，施工圍護墻及中間立柱，中間立柱可采用格構柱或者鋼管柱，后期作為主體結(jié)構柱骨架。

2)基坑開挖至頂板底面下0.5 m處,鑿除圍護墻與頂板搭界處連續(xù)墻，施工頂板、頂梁，敷設頂板防水層。頂板處預留出土孔，后期作為通風口。

3)從上至下開挖基坑，依次施工主體結(jié)構至底板，各層板預留出土口，出土口后期為風道口，底板預留連接段風口，并預留鋼筋接駁器與后期施工風道側(cè)墻主筋連接。

4)風井灌水至一定標高后，盾構隧道從已施工風井下方穿越，與風井連接處管片采用鋼管片。

5)從底板自上而下開挖風道處土層，分層施工側(cè)墻，側(cè)墻底部預留鋼筋接駁器與后續(xù)側(cè)墻主筋連接，共分3段施工。

6)待風道側(cè)墻施工完畢后，依次拆除鋼管片后完成整個工程。

3.3 風險源的計算模擬分析

先隧后井方案中最大的風險在于施工連接通道時，隧道上方土體的開挖對管片產(chǎn)生的影響，對此本文采用有限元程序ABAQUS對其進行了模擬。各相關計算參數(shù)詳見表1。

表1 模型的主要計算參數(shù)

有限元計算模型見圖4，為盡量減少邊界條件的影響，除上部結(jié)構，模型土向四周各延伸20 m。

計算步驟如下：

先對原狀土體進行地應力平衡，然后移除風井主體結(jié)構需要開挖的土體，建立上部結(jié)構，接下來開挖連接段土體并澆筑襯砌，最后拆除隧道管片，實現(xiàn)隧道與上部結(jié)構之間的聯(lián)通。本文主要研究其中的2個具體步驟工況：開挖連接段土體；拆除隧道管片。

1)開挖連接段土體。

風井后續(xù)基坑開挖對隧道變形會產(chǎn)生顯著的影響，如果隧道的變形量過大則會妨礙隧道的正常使用。根據(jù)計算結(jié)果，連接段施工后，原有隧道的最大位移為2.79 cm，未出現(xiàn)拉應力，最大壓應力為21.7 MPa，均滿足結(jié)構設計要求(如圖5，圖6所示)。

2)拆除隧道管片。

對已建隧道進行局部管片的拆除將不可避免地對拆除區(qū)域鄰近的其他管片產(chǎn)生擾動，如其他管片產(chǎn)生較大的位移甚至張開，那么對于隧道的防水及承壓能力將有嚴重影響。根據(jù)計算結(jié)果，拆除管片后，原有隧道的最大位移為2.35 cm，最大拉應力為1.12 MPa，均滿足結(jié)構設計要求(見圖7，圖8)。

根據(jù)以上的數(shù)值模擬分析，可以看到先隧后井設計在施工實施方面是一種可行、可靠的方案。

4 結(jié)語

風井先隧后井設計方案是隧道區(qū)間風井建造的一種新穎的設計理念，較傳統(tǒng)的施工方法：該方法可較大幅度地減少基坑開挖深度，在節(jié)約成本、縮短工期的同時，大大降低了深基坑施工的風險；同時，該方法還避免了盾構機從風井基坑內(nèi)部進出洞環(huán)節(jié)，對于盾構掘進也大幅降低了施工風險。

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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

蔣道東(1986- )，男，工程師； 余 村(1987- )，男，工程師

U455

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