彭長勝

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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地鐵超深中間風(fēng)井關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)和研究

彭長勝

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：為解決地鐵超深中間風(fēng)井的設(shè)計(jì)和施工高風(fēng)險(xiǎn)問題，結(jié)合武漢地鐵4號線越江區(qū)間超深中間風(fēng)井，通過對超深中間風(fēng)井設(shè)計(jì)方案的比選，分析超深中間風(fēng)井設(shè)計(jì)和施工中的重難點(diǎn)，得出超深中間風(fēng)井圍護(hù)、止水降水方案、盾構(gòu)穿越中間風(fēng)井等關(guān)鍵技術(shù)的詳細(xì)方案，成功解決超深風(fēng)井的高風(fēng)險(xiǎn)問題。

關(guān)鍵詞：地鐵；越江隧道； 中間風(fēng)井；設(shè)計(jì)

1工程概況

武漢地鐵4號線攔江路站—復(fù)興路站區(qū)間隧道穿越長江，區(qū)間隧道位于長江一橋上游約1.4 km處，連接漢陽和武昌，河床寬約1 400 m，江底平順，北坡平緩，南坡較陡，主槽位于右岸(武昌岸)，區(qū)間采用2臺(tái)盾構(gòu)施工，兩條盾構(gòu)隧道的外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m。區(qū)間隧道全長約3 003 m。

列車以最大速度、正常速度運(yùn)行情況下在該區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間分別為3 min13 s、3 min25 s，大于2 min均不超過4 min[1]，因此該區(qū)間內(nèi)最多有2列列車在同時(shí)運(yùn)行。一旦出現(xiàn)前方列車車尾或后方列車車頭著火等工況，無論從哪個(gè)方向通風(fēng)，都必然使其中一列列車乘客處于高溫?zé)煔鈪^(qū)，將會(huì)嚴(yán)重危害到乘客生命安全[2-3]。通過設(shè)置中間風(fēng)井將整個(gè)區(qū)間分成幾個(gè)通風(fēng)區(qū)段，確保在一個(gè)通風(fēng)區(qū)段內(nèi)只有1列列車，但由于江面較寬，無法在區(qū)間的中點(diǎn)設(shè)置中間風(fēng)井，只能在武昌岸和漢陽岸分別設(shè)置1座中間風(fēng)井。由于長江側(cè)的深槽靠近武昌岸，因而武昌岸附近隧道的埋深較深，導(dǎo)致武昌岸中間風(fēng)井深度較深，達(dá)到48 m，屬于城區(qū)內(nèi)超深基坑。本文主要結(jié)合武昌風(fēng)井的工程情況，對地鐵超深中間風(fēng)井的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

武昌中間風(fēng)井位于武昌主城區(qū)張之洞路上，中心里程為右DK15+105.6，地面高程為26.3 m，風(fēng)井左側(cè)為武漢音樂學(xué)院6層辦公樓及2～4層民宅；右側(cè)有武漢造船廠19層辦公樓，距離長江大堤約235 m，根據(jù)通風(fēng)要求和防煙樓梯的布置，中間風(fēng)井寬約11.4 m，長約27.7 m，深約48 m。

2工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

2.1工程地質(zhì)

風(fēng)井距離長江較近，屬于長江I級階地，風(fēng)井底板以上的地層主要有：1-1雜填土， 3-5層粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層，4-2粉細(xì)砂，8-1粉細(xì)砂。底板以下地層為：8-1粉細(xì)砂，9圓礫土，20a-1強(qiáng)風(fēng)化泥巖等。強(qiáng)透水的粉細(xì)砂層厚度較大且與江中的透水地層連通，對基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)較大[4]。

2.2水文地質(zhì)

上層滯水主要賦存于場區(qū)上部的人工填土中，無統(tǒng)一自由水面，接受大氣降水和供、排水管道滲漏水補(bǔ)給，水量有限。第四系松散砂土類孔隙水主要賦存于砂土層中，為本場區(qū)主要含水層，與長江具密切水力聯(lián)系，補(bǔ)給主要來源于長江水，水量豐富；場區(qū)砂土層多低于長江水面，故其內(nèi)孔隙水多具承壓性，承壓水頭與長江水位相近?；鶐r裂隙水主要賦存于中～微風(fēng)化基巖裂隙中，場區(qū)基巖多為軟巖，節(jié)理、裂隙多為密閉型，基巖裂隙水貧乏，基巖為主要的隔水層[4]。

3中間風(fēng)井方案比選

區(qū)間隧道的中間風(fēng)井井內(nèi)或就近應(yīng)設(shè)置直通地面的防煙樓梯[5]，因此，中間風(fēng)井不僅考慮通風(fēng)還需要防煙樓梯的設(shè)置要求。根據(jù)中間風(fēng)井與區(qū)間兩者的平面位置關(guān)系，有2種中間風(fēng)井方案：一種中間風(fēng)井橫跨兩線區(qū)間，即兩線區(qū)間從風(fēng)井中穿越；另一種，風(fēng)井放置在兩線區(qū)間的之間，區(qū)間從風(fēng)井兩側(cè)通過，風(fēng)井通過暗挖風(fēng)道與兩線區(qū)間聯(lián)通。

3.1橫跨兩線方案

左右兩線線間距與前后段同為13 m，風(fēng)井橫跨左右兩線方案，其平面尺寸為27.7 m×11.4 m，見圖1。該方案先施工風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)、開挖、施作主體結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)穿越。盾構(gòu)隧道需要二進(jìn)二出穿越風(fēng)井，地面風(fēng)亭通過風(fēng)井直接與區(qū)間的頂部連通，過風(fēng)面積超過20 m2。

圖1　橫跨兩線風(fēng)井平面(單位：mm)

3.2兩線中間方案

本方案將左右線路的線間距拉大到23.207 m，風(fēng)井設(shè)在兩線路中間，風(fēng)井中心里程為右CK15+100，基坑深度49 m。盾構(gòu)隧道從風(fēng)井兩側(cè)經(jīng)過。在盾構(gòu)隧道與風(fēng)井之間通過設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道來滿足通風(fēng)和疏散要求。根據(jù)隧道通風(fēng)以及風(fēng)井結(jié)構(gòu)受力的要求，確定風(fēng)井結(jié)構(gòu)外包尺寸為12.4 m×25.9 m，箱形框架結(jié)構(gòu)，平面如圖2所示。

圖2　兩線中間風(fēng)井平面(單位：mm)

根據(jù)通風(fēng)要求需要設(shè)置4條風(fēng)道，其中1條風(fēng)道兼做聯(lián)絡(luò)通道，風(fēng)道高3 m，寬1.2 m，如圖3所示。4條風(fēng)道的總面積為14.4 m2，由于電力電纜需要從區(qū)間引入風(fēng)井內(nèi)，需要占用面積0.88 m2，因此風(fēng)道的過風(fēng)面積為13.52 m2。聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)均采用鋼管片，鋼管片的環(huán)寬為1.5 m，左、右線共24環(huán)鋼管片。

圖3　區(qū)間與風(fēng)井連接(單位：mm)

3.3風(fēng)井方案比選(表1)

橫跨兩線風(fēng)井方案中，盾構(gòu)穿越風(fēng)井后，拆除風(fēng)井內(nèi)的管片，其形成風(fēng)道面積可超過20 m2。兩線中間方案由于風(fēng)道通過后期暗挖的通道來連接，在盾構(gòu)管片上的開孔，開孔處管片需要采用鋼管片，共設(shè)置24環(huán)管片，為了盡量滿足通風(fēng)面積和疏散通道的要求，在每2環(huán)上開孔，開孔高度達(dá)到4.315 m，形成6條風(fēng)道和2條疏散通道，風(fēng)道面積僅為13.52 m2，正常通風(fēng)和火災(zāi)排煙效果較差。大大削弱了管片的整體受力，加大了連接處漏水的風(fēng)險(xiǎn)；由于管片開孔需要采用通縫拼裝，拼裝的管片形成的直線與實(shí)際曲線線路偏差達(dá)到124 mm，雖然能滿足限界要求，但減小了施工的富裕量，由于施工誤差導(dǎo)致侵限的可能性較大。

橫跨兩線方案的線間距為13 m，兩線盾構(gòu)區(qū)間無需側(cè)穿周邊建筑物，而兩線中間風(fēng)井方案的線間距達(dá)到23.347 m2，導(dǎo)致盾構(gòu)需要穿越1棟6層樓的建筑物，大大增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)。

兩線中間風(fēng)井方案對區(qū)間盾構(gòu)施工影響相對橫跨兩線方案較小，但橫跨兩線風(fēng)井方案在通風(fēng)效果、交通疏解、施工風(fēng)險(xiǎn)、造價(jià)等方面具有較多優(yōu)勢，本工程推薦橫跨兩線中間風(fēng)井。當(dāng)中間風(fēng)井影響到盾構(gòu)區(qū)間的工期時(shí)，可考慮采用兩線中間方案，但需要注意對風(fēng)道和聯(lián)絡(luò)通道周邊土體的加固，同時(shí)做好管片與通道接頭的防水處理。

4設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)

(1)基坑深

根據(jù)前述由于長江河床沖刷和通風(fēng)區(qū)間的要求，武昌風(fēng)井靠近長江大堤，風(fēng)井深度達(dá)到48 m，為目前國內(nèi)城市市區(qū)內(nèi)最深的基坑之一。深基坑工程的變形和安全對支護(hù)設(shè)計(jì)和施工要求較高。

(2)水壓高

武昌風(fēng)井基坑的深度較深，基坑開挖范圍內(nèi)粉細(xì)砂層較厚，透水性較強(qiáng)，由于長江下切，河床達(dá)下部砂層中，因而江水與兩岸粉細(xì)砂層中地下水存在互補(bǔ)關(guān)系，水力聯(lián)系密切，水位動(dòng)態(tài)隨季節(jié)變化，水量較豐富。武昌風(fēng)井處孔隙水具有高承壓性，承壓水頭與長江水位相近，最大水壓力達(dá)到0.42 MPa。高水壓對于基坑和永久結(jié)構(gòu)工程的影響較大，是設(shè)計(jì)方案需解決的重點(diǎn)。

(3)盾構(gòu)穿越

中間風(fēng)井較深，兩端連接著盾構(gòu)區(qū)間，實(shí)施時(shí)，盾構(gòu)需要從中間風(fēng)井當(dāng)中穿越。在高水壓、大埋深的條件下穿越風(fēng)井，從鑿除穿越區(qū)混凝土、穿越、后期施作洞門各個(gè)環(huán)節(jié)，均存在高風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)方案中應(yīng)針對各個(gè)施工環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)的措施。

5設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

5.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案

目前國內(nèi)深度達(dá)到46 m以上的基坑工程的實(shí)例較少，在市區(qū)周邊環(huán)境修建超深基坑的更少，因此，本工程需要充分計(jì)算、論證，來選擇合適的、安全基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)方案是保障超深基坑在開挖過程中的安全的根本。

5.1.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，超深基坑工程中可采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施方案主要有地下墻圍護(hù)明挖法、沉井法。

地下連續(xù)墻技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：工程施工時(shí)對環(huán)境的影響??；墻體剛度大、整體性好，因而結(jié)構(gòu)和地基變形較小，既可適用于超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，也可與內(nèi)襯形成疊合結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)；地下連續(xù)墻耐久性好，抗?jié)B性能亦較好，對基坑形式適用范圍廣，目前地下連續(xù)墻施工實(shí)例很多，施工精度較為可靠，能夠確保盾構(gòu)穿越；地下連續(xù)墻剛度較大，可較好減小對周邊環(huán)境的影響。

沉井是修筑地下結(jié)構(gòu)和深基礎(chǔ)的一種結(jié)構(gòu)形式[2]，它具有占地面積小、挖土量少，對鄰近建筑物影響較小等優(yōu)點(diǎn)。在工程用地與環(huán)境條件受到制約或結(jié)構(gòu)埋深較大的地下構(gòu)筑物工程中被廣泛運(yùn)用。在市政工程中常被用于橋墩基礎(chǔ)、泵站等市政工程，但是沉井在制作、下沉糾偏、水中封底、平面定位和高程精度等各方面都有一定的施工難度，沉井與圓隧道的接頭對沉井的施工精度要求較高，一旦沉井精度控制不好會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)無法穿越。在沉井下沉階段會(huì)對四周土體破壞，引起周邊土體的擾動(dòng)、裂縫、沉降。

綜合比較與盾構(gòu)隧道穿越的可靠性和對周邊環(huán)境影響方面，推薦采用地下連續(xù)墻圍護(hù)。

5.1.2施工方法和支撐體系

明挖法施工主要有2種：一種是明挖順作法；一種明挖逆作法[6]。明挖順作法主要是先采用臨時(shí)支撐逐步向下開挖，然后從下往上拆除臨時(shí)支撐和澆筑主體結(jié)構(gòu)。明挖逆作法與順作法不同，在向下逐層開挖基坑時(shí)，同時(shí)澆筑主體結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)的框架或樓板作為圍護(hù)的支撐，不需設(shè)置臨時(shí)支撐，主體結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度后，再繼續(xù)挖下一層，澆筑一層，直到基坑底。逆作法施工也有較多成功例子。

本工程風(fēng)井深度較深，風(fēng)井平面較小，如采用明挖順作法施工，臨時(shí)支撐、圍檁需要占用較大空間，施工工效會(huì)大大降低，同時(shí)由于基坑深，圍護(hù)及支撐承受較大的荷載，臨時(shí)鋼支撐和圍檁較難滿足受力和控制變形的要求。

結(jié)合風(fēng)井運(yùn)營階段的需要，在施工期根據(jù)水土荷載的大小和施工開挖步序，采用中墻和環(huán)梁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的圍檁和支撐，采用明挖逆作法進(jìn)行施工，每開挖一層及時(shí)澆筑中墻和加強(qiáng)框架。采用增量法根據(jù)各個(gè)開挖步序承擔(dān)的荷載進(jìn)行計(jì)算[7]，連續(xù)墻厚度為1.5 m，共需設(shè)置11道加強(qiáng)框架，如圖4[8]所示，中墻厚度為600～800 mm，加強(qiáng)框架截面1 500 mm×1 200 mm、1 500 mm×1 800 mm。采用逆作法施工，計(jì)算和實(shí)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移均小于30 mm，有效地控制結(jié)構(gòu)變形。加強(qiáng)框架和中墻作為永久結(jié)構(gòu)的一部分，還應(yīng)同時(shí)滿足運(yùn)營階段荷載的要求，并控制其裂縫寬度小于0.2 mm，因此，在結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算時(shí)要考慮施工期和運(yùn)營期兩者的內(nèi)力包絡(luò)值。

圖4　中間風(fēng)井縱剖面(單位：mm)

5.2基坑封水、降水方案

本工程是位于建筑物較為密集的市中心的超深基坑，最大水壓達(dá)到0.42 MPa，高水頭地下水是該深基坑開挖期間的主要的風(fēng)險(xiǎn)源[9]。盾構(gòu)后期要穿越風(fēng)井，需要在風(fēng)井內(nèi)澆筑完主體結(jié)構(gòu)后，對已施工好的連續(xù)墻的待穿越區(qū)域進(jìn)行鑿除，鑿除過程中將面臨高水壓的具體風(fēng)險(xiǎn)，控制不好將發(fā)生災(zāi)難性的后果。因此妥善處理好地下水是施工的關(guān)鍵，大大降低工程的風(fēng)險(xiǎn)。對地下水處理一般主要為封水(止水)、降水措施。封水、降水既要保證基坑開挖和連續(xù)墻鑿除的順利進(jìn)行，又要使降水不至于對周邊環(huán)境(長江大堤和周邊建筑物)產(chǎn)生較大影響，設(shè)計(jì)方案中采取以下措施：

(1)將地下連續(xù)墻底部深入到弱透水的強(qiáng)風(fēng)化泥巖形成一道隔水措施；

(2)在地連墻槽段間的接頭采用銑接頭，確保前后槽段在接縫處咬合，同時(shí)在接縫處外側(cè)采用高壓旋噴樁進(jìn)行封水處理；

(3)在基坑開挖過程中，由于地連墻水下澆筑質(zhì)量、施工精度及地連墻的受力變形導(dǎo)致接縫劈叉，加大了在基坑開挖過程中的漏水風(fēng)險(xiǎn)，為了確保不出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，在連續(xù)墻的外側(cè)設(shè)置一圈封閉塑性混凝土防滲墻，見圖5；

圖5　基坑封降水平面示意(單位：mm)

(4)將塑性混凝土防滲墻在沿線路方向與地下連續(xù)墻之間拉開約8 m的距離，在兩端8 m范圍內(nèi)各設(shè)置3口降水井。

在開挖前，對降水井進(jìn)行了試抽水，由于降水井設(shè)在塑性混凝土防滲墻以內(nèi)，降水井的出水量較小，輕松的把水位降到基坑底，同時(shí)，對周邊環(huán)境的影響微乎其微。在整個(gè)基坑開挖過程中，基坑滲漏水很少，說明整個(gè)封水體系是比較成功的。

5.3盾構(gòu)穿越方案

根據(jù)施工籌劃，越江區(qū)間盾構(gòu)在攔江路站始發(fā)，自漢陽向武昌掘進(jìn)，盾構(gòu)需在大埋深、高水壓下進(jìn)出中間風(fēng)井，盾構(gòu)穿越需要保證風(fēng)井安全。盾構(gòu)穿越風(fēng)井方案和實(shí)例較多[9-12]，由于本工程的高風(fēng)險(xiǎn)，通過比選采取以下穿越措施：(1)施作鋼筋混凝土連續(xù)墻；(2)在鋼筋混凝土連續(xù)墻外側(cè)施作塑性混凝土防滲墻止水，深至不透水層；(3)采用高壓旋噴樁和凍結(jié)進(jìn)行端頭加固(加固體強(qiáng)度要求能夠抵擋外側(cè)的土壓力和水壓力，防止涌水、涌砂)；(4)井內(nèi)降水；(5)按照逆做法開挖并施作混凝土支撐、圍檁及內(nèi)襯至基坑底；(6)必要時(shí)采用防滲墻和地下連續(xù)墻間降水； (7)鑿除穿越區(qū)連續(xù)墻，并預(yù)埋環(huán)向凍結(jié)管；(8)邊鑿除、邊回填塑性混凝土至基坑底以上13 m處；(9)盾構(gòu)機(jī)穿越；(10)通過環(huán)向凍結(jié)管凍結(jié)和洞內(nèi)注漿，二次開挖，拆除管片；(11)施作洞門；(12)拆除所有降水井。

整個(gè)穿越過程的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要在鑿除洞門、二次開挖拆除管片的過程中。鑿除穿越區(qū)連續(xù)墻的過程中，周邊的土體和地下水易通過鑿除掉連續(xù)墻的區(qū)域涌入到風(fēng)井內(nèi)，需對鑿除區(qū)域外側(cè)土體進(jìn)行加固，一般的地鐵車站端頭加固采用旋噴樁或攪拌樁，本工程中加固深度最深達(dá)到50 m，攪拌樁機(jī)的施工深度很難達(dá)到，旋噴樁的深度能夠達(dá)到要求，但其在50 m深處的加固質(zhì)量很難保證，因此，在選用旋噴樁加固的同時(shí)，增加垂直凍結(jié)，對鑿除區(qū)外側(cè)2 m范圍的土體進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)。二次開挖過程中，基坑內(nèi)外水土壓力再次失去平衡，水土?xí)刂芷投慈χg的空隙涌入基坑內(nèi)，一般可通過隧道內(nèi)對管片二次注漿孔進(jìn)行注漿封堵，但在高水壓的作用下，很難有效封堵，因此，通過在鑿除連續(xù)墻時(shí)預(yù)埋的環(huán)向凍結(jié)管，采用液氮快速凍結(jié)，能夠徹底封堵外側(cè)水土壓力。

6結(jié)語

武漢地鐵4號線越江區(qū)間中間風(fēng)井是目前國內(nèi)最深的中間風(fēng)井，于2012年2月開工，2013年完成風(fēng)井施工，2014年2月完成盾構(gòu)穿越。在整個(gè)基坑開挖、盾構(gòu)穿越、二次開挖過程中風(fēng)險(xiǎn)較大，做好整個(gè)過程中的設(shè)計(jì)方案，是工程成功實(shí)施的基礎(chǔ)。通過對中間風(fēng)井方案比選以及工程潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案、封降水方案、盾構(gòu)穿越方案等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述，可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

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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

中圖分類號：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.022

文章編號：1004-2954(2016)04-0091-04

作者簡介：彭長勝(1979—)，男，高級工程師，2004年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：185697419@qq.com。

收稿日期：2015-08-11； 修回日期：2015-09-21