許 微 微

(沈陽(yáng)鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

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地鐵長(zhǎng)區(qū)間深豎井結(jié)構(gòu)方案研究

許 微 微

(沈陽(yáng)鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

根據(jù)大連地鐵1號(hào)線高新園區(qū)站—河口站區(qū)間的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況，制定了豎井的支護(hù)措施，闡述了豎井側(cè)墻開(kāi)橫通道馬頭門(mén)的施工技術(shù)，并對(duì)豎井結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，保證了豎井施工的安全性。

地鐵，豎井，馬頭門(mén)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，受力分析

1 工程概況

1.1 工程基本概況

大連市地鐵1號(hào)線工程高新園區(qū)站—河口站區(qū)間右線全長(zhǎng)1 742.2單線米，左線全長(zhǎng)1 757.145單線米。根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置風(fēng)井及風(fēng)道1座[1]。風(fēng)井橫斷面為2跨，分為風(fēng)井和樓梯間，內(nèi)凈空尺寸分別為5.0 m×4.0 m和4.0 m×4.0 m，中隔墻厚為0.4 m,豎井深約37.483 m；本風(fēng)井在施工期間作為施工豎井使用。豎井平面布置見(jiàn)圖1。橫通道內(nèi)凈寬為7.0 m，施工期間作為施工通道使用；運(yùn)營(yíng)階段作為風(fēng)道、聯(lián)絡(luò)通道和疏散通道使用，為永久結(jié)構(gòu)。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

豎井穿越素填土①1、強(qiáng)風(fēng)化板巖②2、中風(fēng)化板巖②3等地層，豎井底板處于中風(fēng)化板巖②3層。

各巖土層分述如下，其中圍巖分級(jí)依據(jù)現(xiàn)行《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》[2]執(zhí)行。

①1素填土：灰黃～黃褐色，0 m～0.5 m為瀝青路面；0.5 m～2.0 m主要以粘性土為主，少量碎石；2.0 m以下主要成分為粘性土和碎石，硬雜物質(zhì)含量25%～40%，局部含有少量漂石、礫砂等。土質(zhì)不均、松散，壓縮變形量大。該層各鉆孔均有揭露，厚度0.90 m～5.80 m，層底高程16.98 m～21.38 m。

②2強(qiáng)風(fēng)化板巖：黃褐色～灰色，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著編號(hào)，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、碎片狀，少量呈土狀，碎塊、碎片手可折斷，遇水易軟化。該層于場(chǎng)區(qū)內(nèi)普遍存在，層厚2.60 m～6.70 m，層底高程10.78 m～18.19 m。巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

②3中風(fēng)化板巖：灰～青灰色，板狀構(gòu)造，板理、節(jié)理較發(fā)育，裂隙面多見(jiàn)有黃褐色水銹，巖芯呈短柱狀、柱狀、塊狀。該層于本區(qū)間各孔均有揭露，層頂高程10.78 m～21.38 m。巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

本場(chǎng)地地下水按賦存條件主要為孔隙水及基巖裂隙水。孔隙水主要賦存在卵石層中，基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化板巖中。本次勘察期間穩(wěn)定地下水位埋深2 m～8.2 m。①1素填土在本場(chǎng)地廣泛分布，素填土具中等透水性，滲透系數(shù)K=5 m/d；②2強(qiáng)風(fēng)化板巖具中等透水性，滲透系數(shù)K=9.00 m/d；②3中風(fēng)化板巖具中等透水性，滲透系數(shù)K=7.00 m/d。

1.3 豎井主要特點(diǎn)及重難點(diǎn)

該豎井施工階段作為施工豎井使用，運(yùn)營(yíng)期間作為風(fēng)井和疏散井使用，為永久結(jié)構(gòu)。豎井深37.483 m，底部地層土壓力較大。地下水位埋深最淺處為2 m，且滲透系數(shù)較高，豎井底板標(biāo)高處水壓達(dá)到最大值0.355 MPa。較大的地層壓力和水壓力使得豎井井壁必須達(dá)到一定的厚度才能滿足結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，豎井結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足施工階段和使用階段的受力和變形要求。

風(fēng)道開(kāi)挖寬度和高度分別為8.5 m和14.12 m，斷面面積110.09 m2，斷面面積大。豎井施工階段的受力轉(zhuǎn)換和豎井破橫通道馬頭門(mén)方案是本豎井工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 豎井方案設(shè)計(jì)

2.1 豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)受力計(jì)算和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，擬定豎井初期支護(hù)截面厚為300 mm，二次襯砌截面厚為500 mm。施工豎井除地表下3 m井口段范圍內(nèi)一次開(kāi)挖并襯砌外，其余以下部分隨挖隨支護(hù)。豎井上部格柵間距750 mm，下部格柵間距500 mm；在開(kāi)挖時(shí)沿豎井井壁打設(shè)φ22砂漿錨桿加固地層，錨桿長(zhǎng)L=3.5 m，傾角為10°，橫向間距1 m，豎向間距同格柵。

豎井初期支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

2.2 豎井側(cè)墻開(kāi)橫通道馬頭門(mén)方案設(shè)計(jì)

馬頭門(mén)開(kāi)挖改變了原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，如施工不當(dāng)容易造成原結(jié)構(gòu)的變形，增大地表的沉陷，嚴(yán)重時(shí)甚至引起結(jié)構(gòu)破壞[3]。本工程豎井深度大，同時(shí)橫通道斷面面積也較大，因此本豎井開(kāi)橫通道馬頭門(mén)是本工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)認(rèn)真詳細(xì)的方案比較及受力分析，確定了施工措施和主要步驟如下：

1)豎井施工至橫通道拱頂部位后，在豎井內(nèi)沿馬頭門(mén)拱頂180°范圍內(nèi)打設(shè)雙排φ25超前中空注漿錨桿，當(dāng)開(kāi)挖至第一臺(tái)階底下4 m后井底臨時(shí)施作封底混凝土，架設(shè)施工平臺(tái)，然后對(duì)開(kāi)挖范圍內(nèi)豎井橫撐進(jìn)行倒換，繼而破除井壁，施工橫通道上臺(tái)階；待上臺(tái)階施工大于5 m后，可繼續(xù)開(kāi)挖豎井至第二臺(tái)階底下4 m，臨時(shí)施作封底混凝土，對(duì)開(kāi)挖范圍內(nèi)豎井橫撐進(jìn)行倒換，然后破除第二臺(tái)階井壁，施工橫通道第二臺(tái)階；待第二臺(tái)階施工大于5 m后，可繼續(xù)開(kāi)挖豎井至設(shè)計(jì)標(biāo)高，施作封底混凝土，對(duì)開(kāi)挖范圍內(nèi)豎井橫撐進(jìn)行倒換，然后破除第三臺(tái)階井壁，施工橫通道第三臺(tái)階；之后三臺(tái)階可相繼推進(jìn)，直至橫通道開(kāi)挖初支完成。馬頭門(mén)加固措施見(jiàn)圖3。

2)在豎井與橫通道馬頭門(mén)處要加強(qiáng)處理(設(shè)置臨時(shí)型鋼鋼架、超前支護(hù)措施)。

3)掌子面視情況或在工序轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)無(wú)法開(kāi)挖或停工時(shí)用早強(qiáng)混凝土臨時(shí)封閉。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，詳細(xì)進(jìn)行了初期支護(hù)、二次襯砌及豎井馬頭門(mén)等的受力分析，研究結(jié)構(gòu)施工過(guò)程及使用階段的力學(xué)形態(tài)。

初期支護(hù)和二次襯砌均采用荷載—結(jié)構(gòu)平面桿系有限元模型進(jìn)行計(jì)算。驗(yàn)算初支的強(qiáng)度、檢算二襯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，結(jié)構(gòu)和地層的相互作用通過(guò)僅受壓的彈簧單元模擬。

豎井開(kāi)橫通道馬頭門(mén)處的受力分析采用三維有限元模型進(jìn)行模擬。二次襯砌采用實(shí)體單元，土壓力采用僅受壓的彈簧單元模擬。

3.1 計(jì)算模型

豎井初期支護(hù)和二次襯砌的有限元模型分別如圖4，圖5所示。

由于馬頭門(mén)受力復(fù)雜，隨時(shí)間呈三維空間受力狀態(tài)。豎井二襯及馬頭門(mén)同時(shí)采用三維計(jì)算模型，單元類(lèi)型采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，計(jì)算模型及Z向位移見(jiàn)圖6。荷載按照水土分算的原則進(jìn)行施加。

3.2 結(jié)果分析

在本工程方案擬定期間，對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了封閉斷面及馬頭門(mén)開(kāi)口斷面的受力分析，制定了經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案和技術(shù)措施。豎井及馬頭門(mén)位移見(jiàn)圖6。由圖可以看出，豎井井壁及馬頭門(mén)處在地鐵運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下Z向水平位移最大值約5 mm，滿足規(guī)范要求。

二襯內(nèi)力按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表1，鋼筋配置滿足強(qiáng)度和裂縫寬度要求。

表1 豎井二襯控制內(nèi)力及配筋驗(yàn)算

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵區(qū)間豎井一般僅在施工期間使用，施工完畢后進(jìn)行回填。本豎井除作為施工豎井外，運(yùn)營(yíng)階段同風(fēng)道一起作為風(fēng)井和風(fēng)道使用，為永久結(jié)構(gòu)。結(jié)合本豎井?dāng)嗝婧蜕疃染^大的特點(diǎn)，豎井支護(hù)采用了錨噴網(wǎng)+內(nèi)支撐的聯(lián)合支護(hù)措施，保證了豎井自身的安全及整個(gè)區(qū)間的各項(xiàng)作業(yè)。橫通道斷面大，豎井井壁破馬頭門(mén)設(shè)置了雙排超前中空注漿錨桿的加強(qiáng)措施，并采取三臺(tái)階法破洞，保證了豎井順利進(jìn)入橫通道的安全施工。施工期間各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，該工程已經(jīng)通車(chē)運(yùn)營(yíng)。

經(jīng)過(guò)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算和工程類(lèi)比，采用了安全有效的豎井支護(hù)參數(shù)，制定了豎井進(jìn)橫通道馬頭門(mén)的加強(qiáng)措施和施工方法，設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中均積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，可為地鐵豎井類(lèi)似工程設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

[1] GB 50157—2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50307—2012，城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3] 賀長(zhǎng)俊，蔣中庸，崔志杰，等.城市地下工程施工中的馬頭門(mén)開(kāi)挖技術(shù)[J].市政技術(shù)，2012(3)：17-21.

[4] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

1009-6825(2016)22-0144-03

2016-05-24

許微微(1983- )，女，碩士，工程師

TU231

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