胡 志 耀

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300308)

目前我國地鐵工程建設發(fā)展迅速，建筑材料的消耗量逐年攀升，在確保安全建設的前提下優(yōu)化地鐵結構設計，降低工程造價值得重視[1-3]。北京、青島、大連、重慶等多個城市的地鐵工程采用暗挖法施工，其中地鐵工程的施工豎井設計常采用工程類比法擬定初期支護與二次襯砌參數(shù)，再驗算支護參數(shù)是否合理[4-5]。此方法過多借鑒了既有經(jīng)驗，具有一定盲目性，造成施工豎井的安全系數(shù)普遍偏大，并沒有充分利用支護與圍巖自身的性能，設計過于保守[6-8]。

以某土巖結合地區(qū)地鐵工程為背景，對地質(zhì)條件為以中-微風化花崗巖為主，上覆破碎地層地區(qū)的施工豎井設計優(yōu)化，提出合理設計方案，優(yōu)化豎井斷面形式及支護參數(shù)。在保證一定結構可靠度的前提下，盡量減少工程造價[9]。

1 地質(zhì)概況

根據(jù)對該地區(qū)地質(zhì)條件分析，對地鐵施工豎井工程建設影響最大的主要是第四系(Q)和以燕山晚期(γ53)花崗巖為主的基巖。其特點可歸納為：

(1) 第四系(Q)主要由全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、全新統(tǒng)洪沖積層(Q4al+pl)、上更新統(tǒng)洪沖積層(Q3al+pl)組成，第四系(Q)在該地區(qū)多為地表以下1 m～6 m的軟土層，也有部分達到13 m左右，局部地段甚至達到19 m。

(2) 基巖巖層起伏較大，且分化程度差異大，呈現(xiàn)明顯的上軟下硬的復合式地層。

(3) 施工豎井總體上處于中、微風化花崗巖中比例較大，且較為集中。

(4) 除局部地段出現(xiàn)富水外，整體上地下水較貧。

2 施工豎井合理斷面型式及結構尺寸研究

2.1 豎井斷面型式選擇

豎井主要由井口圈、井身、井窩，馬頭門及聯(lián)絡通道等部分組成，設計內(nèi)容主要考慮合理選擇井筒裝備及斷面布置形式，以確定施工豎井斷面尺寸及支護結構。施工豎井斷面型式主要采用矩形、圓形、橢圓等型式[10-11]。

豎井位置選擇應綜合考慮施工場地、地質(zhì)條件、工期統(tǒng)籌等，在施工場地可能的情況下、盡量選擇圍巖較好地段。

豎井一般可設置在隧道頂部或隧道中線一側，距離隧道凈距15 m～20 m為宜。

豎井斷面型式選擇應綜合考慮地質(zhì)條件、平面布置、所需設備尺寸、井深、使用功能(永久或臨時)、結構受力等因素[12-13]。

2.2 不同斷面型式尺寸及空間利用率

豎井斷面尺寸確定應按照起吊區(qū)、步梯區(qū)、集水坑、通風管以及下料管道合理布置的原則。

起吊區(qū)：主要滿足設備提升(松挖機、農(nóng)用車外型尺寸(長×寬×高)：4.46 m×1.71 m×2.22 m)、出碴等，考慮施工安全及效率，起吊區(qū)尺寸按照5 m×5 m控制(臨時起吊大型設備時可占用通風管空間)。

步梯區(qū)：考慮人行安全及讓道，步梯總寬度按2 m考慮。

集水坑：豎井底部需設置一處集水坑，以便排出施工期間豎井工區(qū)滲水，按照1 m×1 m考慮(可考慮在起吊區(qū)邊角或步梯下部空地處)。

通風管以及下料管道：根據(jù)施工豎井施工隧道長度及地質(zhì)條件，考慮通風管道空間，可考慮在起吊區(qū)邊角處，起吊大型機械是可不考慮通風管道空間。

根據(jù)一般尺寸要求，對施工豎井三種斷面進行平面布置見圖1。

從占地和利用率出發(fā)，矩形斷面面積最小，為40 m2，利用率最高達100%；其次是橢圓型斷面面積47.1 m2，利用率為85%；圓形斷面面積最大，為50.3 m2，利用率為79.4%。

圖1施工豎井三種斷面形式(單位：mm)

2.3 結構受力研究

2.3.1 荷載組合

施工期間的基本組合：永久荷載+可變荷載，不考慮水壓力影響。

使用階段：(1) 基本組合：永久荷載+可變荷載；(2) 偶然組合：永久荷載+可變荷載+地震荷載。

正常使用極限狀態(tài)下的荷載組合采用標準組合進行計算。

2.3.2 計算模型

由于豎井縱向尺寸長，橫向尺寸小，可以簡化為平面應變問題取每延米作橫向計算。采用ANSYS有限元程序，計算采用荷載-結構模式，二襯采用二維梁單元模擬，梁單元寬度為單位寬度，梁高為實際襯砌厚度。

圍巖抗力采用彈簧單元模擬，彈簧施加范圍及數(shù)量根據(jù)試算中結構的變形情況進行調(diào)整和優(yōu)化，僅當結構產(chǎn)生指向圍巖方向的位移時添加彈簧單元，圍巖彈性抗力系數(shù)按實測圍巖的側向基床系數(shù)和垂向基床系數(shù)選值。計算模型見圖2。

2.3.3 計算結果及分析

施工豎井深度一般在20 m～30 m之間，考慮不同大小側壓荷載作用下(主要考慮100 kPa、200 kPa、300 kPa)，對各種不同斷面受力情況進行比較分析(見圖3)。

圖2計算模型

圖3三種斷面在100kPa側壓力時內(nèi)力圖

根據(jù)計算結果，統(tǒng)計不同豎井斷面在不同外荷載情況下的結構受力情況見表1。

表1 計算結果數(shù)據(jù)分析

由表1分析可知，采用矩形和橢圓斷面在外荷載較大時，結構受力極其不利，需要增加橫撐改善受力狀況，圓形斷面基本不存在彎矩，由受壓控制，受力條件極好。

2.4 斷面型式綜合比選

綜合考慮施工豎井平面布置、功能、井深、作用荷載、施工難度等因素對施工豎井斷面進行比較，見表2。

表2 施工豎井斷面經(jīng)濟技術分析

由表2分析可知，在施工豎井深度較小，結構外荷載作用不大時，采用矩形斷面可節(jié)約空間。在外荷載較大(比如富水地段或第四系地層較厚)時，特別是施工豎井做永久結構需施做二襯時，采用圓形斷面可減少大量鋼筋。橢圓斷面在受力和斷面面積比較均無優(yōu)勢，且在橫通道開洞較為不利。綜合分析各斷面結構總結得到：

(1) 矩形斷面：主要在基巖埋深較淺，圍巖條件較好，地下水較貧乏地段，或者僅作為臨時施工豎井時，可選擇矩形斷面型式。

(2) 橢圓斷面：當采用矩形斷面無法滿足受力的臨時施工豎井，在場地滿足要求的情況下，可考慮采用橢圓斷面以減少橫撐，改善受力條件。

(3) 圓形隧道：對于地層較差，第四系地層覆蓋厚度大，且施工豎井作為永久結構(與風井合建)時采用圓形斷面型式。

3 施工豎井結構參數(shù)研究

3.1 施工豎井支護參數(shù)現(xiàn)狀

對該地區(qū)16個施工豎井統(tǒng)計，豎井尺寸主要為5 m×8 m矩形斷面，個別尺寸有小調(diào)整。且豎井支護參數(shù)由于設計人員不同，在第四系地層、強風化基巖地層、中風化基巖地層、微風化基巖地層中支護參數(shù)差異較大，同類地質(zhì)條件下的支護參數(shù)也呈現(xiàn)多樣化。

3.2 施工豎井支護參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 施工豎井荷載

施工豎井深度一般在30 m以內(nèi)，水平外荷載按朗金主動土壓力公式計算，計算時考慮以下三個因素：(1) 當出現(xiàn)隔水地層時，上部水壓作用帶入計算；(2) 黏性土和粉土按水土合算，其余按照水土分算；(3) 當在完整花崗巖基巖中時，可不考慮圍巖側壓，根據(jù)其裂隙水情況考慮水壓作用。

3.2.2 施工豎井支護參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)特點，上覆第四系地層較薄時，可采用鋼架錨噴支護結構型式。第四系覆土較厚時，錨噴支護不能有效控制變形和圍巖穩(wěn)定性，采用圍護樁進行開挖支護，出現(xiàn)較厚砂層時，根據(jù)需要進行帷幕注漿[14-15]。

(1) 鎖口圈。鎖口圈主要作用是保證豎井頂部圍巖穩(wěn)定和作為龍門吊基礎。

寬度尺寸：考慮到龍門架安裝、以及施工安全便利等因素，取1.5 m寬圓環(huán)，驗算其地基承載力完全滿足要求。

厚度尺寸：按照抗沖剪驗算，當厚度大于0.5 m，上部集中荷載作用面積半徑大于0.5 m時，可承受單個集中荷載可達126 t?？紤]到施工便利及安全因素，可取其厚度為0.8 m。

(2) 施工豎井初期支護參數(shù)。施工豎井初期支護主要采用錨噴支護，可根據(jù)不同地層設置不同的支護參數(shù)，由于該地層層面較多，在不同井深和地質(zhì)條件下，地層側壓力大小見表3。

表3 不同地層不同深度下地層側向土壓力

考慮到結構的整體連接性和地層側壓力大小，可將其按照兩種情況進行分析：一種是強風化巖層及以上第四系地層等軟弱層；另一種是強風化巖層以下中—微風化巖層等硬巖層。

當施工豎井位置上覆土層較淺，或地下水較貧乏地層時，其支護參數(shù)可參照表4。

當施工豎井位置主要以第四系地層為主，或處于底層富水地段，采用鉆孔灌注樁作為圍護結構，其支護參數(shù)可參照表5。

根據(jù)不同深度地層荷載，擬定支護參數(shù)，計算矩形、圓形斷面型式下支護內(nèi)力及安全系數(shù)，計算結果見表6、表7。

表4 施工豎井初期支護參數(shù)

注：噴射混凝土厚度括號內(nèi)數(shù)值為圓形斷面支護參數(shù)。

表5 施工豎井圍護結構

表6 矩形斷面不同地層不同深度受力分析

(3) 施工豎井二次襯砌參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)條件選取斷面型式主要有兩種：圍巖條件較好，多數(shù)處于中-微風化巖層中，表層覆蓋層較薄時，采用矩形斷面。

當圍巖條件較差，或富水地段，采用圓形斷面型式，相應的二次襯砌支護參數(shù)見表8。

表7 圓形斷面不同地層不同深度受力分析

表8 豎井二次襯砌參數(shù)

4 結 論

(1) 施工豎井斷面型式直接影響到結構受力特點、空間利用率、施工便利性以及工程造價，應根據(jù)其地質(zhì)條件不同，施工組織以及工期進行合理選擇，通過豎井施工空間需求，結合地質(zhì)條件下結構受力、工程造價以及施工便利性進行綜合比選進行確定。

(2) 豎井支護參數(shù)應該根據(jù)不同圍巖不同深度下圍巖壓力，計算不同斷面型式下結構受力及其安全系數(shù)確定，保證建設安全的前提下盡量降低造價。