霍 濱

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730043)

0 引言

隨著我國城市交通建設的高速發(fā)展，穿越江河的隧道工程逐漸出現(xiàn)，如上海、南京、武漢、杭州等地先后興建穿越江河的隧道工程[1-4]，同時，穿越黃河的隧道工程也隨之興起，最先出現(xiàn)的是南水北調、西氣東輸穿黃隧道[5-6]。對于穿越黃河地鐵隧道的研究，主要集中在穿越黃河的蘭州地鐵1號線上[7]，國內部分學者從施工技術、模型試驗、數(shù)值分析、風險評估等方面進行深入研究，如張莎莎等[8]對穿黃盾構隧道關鍵施工技術進行研究；王飛[9]分析盾構穿越的施工難點，并提出針對性措施；方勇等[10]開展下穿黃河盾構隧道管片襯砌結構受力特征模型試驗；賈少春[11]采用有限元分析方法對盾構隧道下穿黃河施工對已建橋梁基礎的影響進行模擬分析；賈劍青等[12]建立了下穿黃河隧道盾構施工風險指標體系，并采用層次分析法及多級模糊綜合評價法，對下穿黃河隧道盾構施工風險進行評價研究。目前，對于穿黃區(qū)間通風豎井的研究極少。本文結合蘭州地鐵1號線穿黃通風豎井的位置、結構、防災和通風進行了研究，并針對工程難點，對施工方案進行了深入分析，得出黃河地鐵區(qū)間隧道通風豎井設計思路。

1 工程概況

地鐵隧道穿越黃河工程在蘭州地鐵1號線一期工程首次實現(xiàn)，工程全長26km，1號線在安寧—西固的“三灘”地區(qū)兩次下穿黃河。蘭州地鐵黃河隧道平面線位如圖1所示。

圖1 蘭州地鐵黃河隧道平面

1號線迎門灘站—馬灘站區(qū)間主體采用盾構施工，由迎門灘站出站后，下穿黃河沿銀安路下方鋪設，下穿黃河段里程為YDK13+841—YDK14+245(北岸河堤里程YDK13+841、南岸河堤里程YDK14+245)，下穿黃河段長度約404m。由于周邊規(guī)劃尚未完全形成，場地條件相對較好，線路采用雙線同側繞避銀灘大橋，由大橋上游下穿通過，最后到達馬灘站。區(qū)間主體采用盾構施工。

2 工程地質條件

蘭州地鐵1號線迎門灘-馬灘區(qū)間鉆探深度內地表一般分布人工填土，其下為第四系全新統(tǒng)卵石及中砂透鏡體，第四系下更新統(tǒng)卵石。場地地層自上而下劃分為4層，其地層巖性特征如表1所示。

表1 地層巖性特征

場地地下水類型為沖積松散巖類孔隙水，主要含水層為砂卵礫石層。地下水主要賦存于②⑩和③卵石層中。區(qū)內由砂卵礫石構成的含水層，最大厚度可達316.77m。該區(qū)砂卵礫石層大致可以分為2層，上部150m 左右為疏松的砂礫卵石，下部砂礫卵石顆粒變細，較密實，含水層主要位于上部150m 范圍內?？辈炱陂g區(qū)間地下水位埋深8.86～11.66m。

3 通風豎井工程難點

3.1 無可借鑒工程參考

蘭州地鐵黃河隧道工程屬黃河上首座交通工程類穿河隧道，在黃河上修建通風豎井無相似工程經(jīng)驗可以借鑒。

3.2 周邊環(huán)境復雜

通風豎井等附屬工程規(guī)模大，附屬設施需滿足黃河隧道的走向及線網(wǎng)，豎井工程受控于黃河、橋梁、道路及建筑物等影響，受控因素較多。蘭州地鐵黃河隧道豎井工程周邊條件較為復雜，增加了工程設計和施工難度。

3.3 地質條件特殊

黃河蘭州段屬上游河段，由于地層演變，蘭州地鐵1號線黃河隧道及通風豎井所處地層受七里河斷陷盆地影響，以巨厚層狀強透水砂卵石層為主，工程地質條件較差。地下水主要賦存于卵石層，屬斷陷盆地松散巖類孔隙潛水。卵石土綜合滲透系數(shù)為55～62m/d，為強透水地層。在高水壓、強透水的砂卵石地層條件下，深大豎井的圍護和主體結構實施難度非常大。

4 通風豎井方案研究

4.1 位置分析

4.1.1位置選擇原則

為保證運營階段地鐵防災救援，有必要設置穿越黃河長大區(qū)間通風豎井，位置選擇原則如下。

1)黃河通風豎井需避開河道，與橋梁匝道等不發(fā)生沖突。

2)有相對充足的施工場地滿足豎井施工。

3)按通風防災要求，最佳位置為隧道1/2處，具體以功能計算為依據(jù)。

4)中間通風豎井與聯(lián)絡通道、泵房、盾構檢修井盡量合設。

4.1.2豎井選址

黃河通風豎井選址需綜合考慮通風、結構、規(guī)劃、拆遷、豎井周圍條件等因素。對黃河通風豎井設置在河堤濕地公園、黃河北岸、黃河南岸3種方案進行對比研究。

1)黃河河堤濕地公園進入汛期后，濕地公園將被黃河水淹沒，成為黃河水體的一部分，豎井設置于公園內，受黃河水體影響非常明顯，很容易誘發(fā)滲漏涌水等事故，施工期間將無法降水，存在很大的施工風險，對后期永久性的運營結構而言也非常不利，因此該方案不可行。

2)黃河南岸通風豎井位置方案位于4S店臨時地塊上，因拆遷賠付問題協(xié)商無果，4S店拆遷代價太大，黃河通風豎井無法“落地”。

3)黃河北岸通風豎井方案中，通風豎井與聯(lián)絡通道合設，聯(lián)絡通道兼泵房設置于黃河南岸。通風豎井位置相對全隧道不均衡，通風功能略有損失，經(jīng)計算,采用通風措施后能夠保證功能要求，防災疏散能夠保證同一時間段,一個區(qū)間只發(fā)生一處火災等事故。方案可減少拆遷，解決拆遷協(xié)調問題；減少豎井結構施工難度，南岸增加的聯(lián)絡通道兼泵房可通過加固措施保證安全實施，減少工程投資。

黃河通風豎井南、北岸兩個方案的技術經(jīng)濟比選如表2所示。對比分析可知，北岸方案技術可行，投資最少，黃河隧道通風豎井最終設置于黃河北岸。

表2 技術經(jīng)濟比選

4.2 通風豎井結構形式

4.2.1豎井寬度

黃河底部砂卵石地層透水性強，自穩(wěn)性較差，為最大限度避免左、右線在掘進過程中的相互影響，兩管隧道中間凈土厚度建議大于2D(隧道洞徑D=6.2m)，中間通風豎井位置與兩隧道最大凈距11.8m，確定中間通風豎井主體結構設計長度為28.8m，凈空25.8m(見圖2)。

圖2 黃河隧道通風豎井寬度設計

4.2.2豎井深度

以工程所在處河道沖刷論證報告為基礎，考慮最大沖刷線以下預留一定安全距離，兼顧兩端車站埋深、區(qū)間附屬修建及線路坡度等因素，根據(jù)自然沖刷、一般沖刷及橋墩局部沖刷計算得出沖刷影響包絡線，按河床最大沖刷深度以下預留不小于1D安全距離為主，以控制隧道縱斷面坡度及走向，通風豎井考慮大坡度快速提升問題，降低豎井埋深，迎門灘—馬灘豎井深37m。

4.2.3豎井布置形式

通風豎井等附屬設施受控因素較多，需考慮通風布局及黃河隧道盾構工程籌劃等影響，經(jīng)過布局設計、系列專題研究，最終確定黃河豎井合理的布置形式(見圖3)。

圖3 黃河通風豎井結構布置

4.3 通風豎井防災研究

黃河隧道通風豎井結合疏散平臺及聯(lián)絡通道的組合方案，實現(xiàn)兩管隧道互為疏散救援，通風豎井送風、排煙等功能，保證黃河隧道行車、運營、通風及防災疏散安全。

1)根據(jù)GB50157—2013《地鐵設計規(guī)范》要求，將通風豎井設置于黃河北岸，受工程條件限制，通風豎井位置距離最近迎門灘站站端約595m,設置位置小于區(qū)間隧道長度的1/3，不滿足規(guī)范要求，偏離區(qū)間隧道中部較遠，通風豎井至兩端區(qū)間隧道氣流分布較不平衡，功能有損失，需計算論證。

根據(jù)黃河隧道通風豎井防災原則，為保證讓追蹤的列車位于不同通風區(qū)段之間，同一時間段一個區(qū)間隧道只發(fā)生一處火災等事故，通過行車模擬計算，區(qū)間隧道通風豎井與最遠一端的車站端機械/活塞通風豎井之間列車運行時間約73s，可保證同一時間段一個區(qū)間只發(fā)生一處火災等事故。設置通風豎井后在運營使用中，可保證每個通風的區(qū)段內只有一列車出現(xiàn)，通過縱向推拉式通風可以有效地解決事故工況下隧道內的通風排煙問題。

2)按照同一時間段一個區(qū)間隧道只發(fā)生一處火災等事故為前提條件，黃河隧道按不大于600m設一處聯(lián)絡通道，滿足人員從事故區(qū)間在合理時間內經(jīng)聯(lián)絡通道疏散至相鄰區(qū)間的要求。

4.4 豎井通風研究

黃河隧道通風系統(tǒng)由活塞通風和事故機械通風組成。在兩端車站及通風豎井的隧道通風機房中各設置2臺隧道通風機，兩端車站按單活塞風道設置即可，通風豎井采用雙活塞風道。車站采用直接蒸發(fā)冷卻通風降溫的設計方案，保證站內環(huán)境溫濕度滿足要求。列車在該區(qū)間內出現(xiàn)阻塞或者火災時，由列車前后兩端的隧道通風機對區(qū)間分別送排風，進行縱向通風排煙，保證人員疏散要求。發(fā)生火災時，可實現(xiàn)洞內排煙，保證煙氣不經(jīng)過洞內人群，人員可在新鮮空氣環(huán)境下逆風疏散。

隧道內一旦發(fā)生火災，正常通風立即改變?yōu)槭鹿释L，隧道火災事故通風方案能夠保證安全，此時的通風模式如下。

1)通風有利于人員逃生避難，風速大小可盡量減少傳到人體上的熱量，還可避免因縱向風流的湍流和渦流作用而使洞內煙霧彌漫，最大程度地給人員避難創(chuàng)造條件。

2)通風可避免和盡量減少火場高溫氣體的擴散，防止熾熱氣流引燃火場以外的車輛等物品，使火場擴大。

3)通風有利于消防隊員救火，使消防隊能從上風方向接近火場，開展滅火工作。

4)通風使隧道內形成一定的風速，誘導人員迎著新鮮空氣疏散。

5 豎井施工方案

5.1 豎井基坑降水解決方案

1 )圍護結構未隔斷③11卵石層，且本工程基坑面積小，降水幅度巨大，擬采用坑內+坑外聯(lián)合降水形式進行處理，并盡可能減少坑外抽水時間。

2)若坑內降水井井深不宜超過圍護結構，需設置43m降水井；若坑外降水井井深需超過圍護結構10m以上，需設置56m降水井。

3)在基坑開挖25m以內采用坑內降水井進行降水，坑內設置9口降水井(含1口備用觀測井)；開挖25～34.49m時采用坑內結合坑外降水井聯(lián)合抽水，坑外設置38口降水井(含4口備用觀測井)。

4)為確?？觾冉邓婚g斷工作，施工現(xiàn)場應有雙電源保證措施，應配置備用發(fā)電機組。

5)坑內降水井在底板澆筑完畢之后首先封井，然后封閉坑外降水井。

6)針對本工程水文地質條件以及基坑工程特點，坑內外成井施工完成后，建議降水正式運行前及時做群井抽水試驗，應同步觀測坑內和坑外承壓水水位變化情況，以判斷降水效果和現(xiàn)場降水電路、排水情況，對所提出的基坑降水方案進行調整或優(yōu)化。

通風豎井基坑止水帷幕與降水深井位置關系如圖4所示。

圖4 通風豎井基坑止水帷幕與降水深井位置關系示

5.2 圍護結構

豎井圍護結構采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，厚度1 200mm，墻體嵌固深度11.00m。地下連續(xù)墻共設計3種幅寬形式：第1種為矩形結構，幅寬4m，共16幅；第2種為矩形結構，幅寬5m，共4幅；第3種為L形結構，幅寬3.7m，共4幅；相鄰墻幅間采用型鋼接頭連接。為便于盾構掘進范圍內鋼筋破除，地下連續(xù)墻結構范圍內受力筋采用GFRP玻璃纖維筋代替鋼筋，GFRP筋與HRB400鋼筋搭接采用綁扎搭接，搭接長度不小于46d。墻頂設置鋼筋混凝土冠梁，截面尺寸為b×h=2.3m×1.5m。

5.3 端頭及井內加固

通風豎井端頭及井內地基加固采用地面袖閥管注漿并采取降水措施。地層注漿加固總體順序為施作導向墻之前井外加固，施作主體結構至地下2層中板標高時進行井內加固。其中，井外加固采用先周邊孔雙液漿加固，后中心孔單液漿加固，再檢測的方式。井內加固采用先封底，后檢測，再上部注漿固結的工序，注漿后的加固體形成類似封閉體，然后再降水至封閉體頂，以盡量降低地下水對工程的影響。

導向墻基底加固采用10cm PVC管進行地表加固，平面布置1.2m×1.2m，加固寬度3.6m，加固深度6.0m。

為確保注漿質量，經(jīng)袖閥管和PVC加固的土體均應有很好的連續(xù)性、均勻性、密實性、密貼性。施工完畢后，應對加固體進行檢驗，其28d無側限抗壓強度應>1.0MPa，滲透系數(shù)應<1.0×10-6cm/s，若達不到設計要求，應及時補充注漿。

加固前應先對加固范圍的管線及地下構筑物等進行普查，調查清楚，與相關產(chǎn)權單位接洽，干擾管線應先進行改遷處理。

盾構機進入通風豎井端頭加固區(qū)及破除地下連續(xù)墻進入通風豎井過程中，必須加強該段的同步注漿和二次注漿，并通過管片手孔檢查注漿效果，減少盾構機掘進方向周邊地下水流入通風豎井的風險。后續(xù)通風豎井分層開挖時，從主體2層中板標高處打探測孔，滿足加固強度且無涌水時，方可繼續(xù)分層開挖，若不滿足相應強度要求或有涌突水情況，應及時加強同步注漿及二次注漿。加固平面如圖5所示。

圖5 通風豎井端頭及井內注漿加固平面

盾構機通過端頭加固區(qū)后進入通風豎井內加固體，井內加固深度從主體結構第2層中板至底板以下8m，與端頭加固體形成整體加固，避免盾構機破地下連續(xù)墻而入及后續(xù)通風豎井開挖時地下水通過圍巖與管片間隙涌入井內，同時底板以下加固體對通風豎井形成有效封底，避免產(chǎn)生井底突涌水事故。

5.4 施工工序

通風豎井平面尺寸21m×17m(長×寬)，井深約37m，圍護結構采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，結構采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結構，采用逆作法施工。通風豎井施工步驟為：地下建(構)筑物情況調查以及地面障礙物處理→井外地表加固→施工導向墻及地下連續(xù)墻→基坑降水→開挖土方→由上而下逆作施工主體結構至結構上方1D范圍(主體結構地下2層中板標高處)→井內地基加固→盾構機掘進通過通風豎井(井內檢修)→繼續(xù)開挖土方并逆作施工主體→通過管片手孔對管片四周二次徑向注漿加固→拆除管片→清理基底、施工接地及防水層、鋪設墊層→澆筑地下4層主體結構(包括施作結構外包防水層)→分層碾壓回填土方→恢復場地。

6 結語

闡述了穿越黃河的地鐵隧道通風豎井工程難點，對通風豎井位置方案進行比選分析，并對通風豎井結構形式、通風及防災模式進行研究論證，系統(tǒng)分析得出黃河區(qū)間隧道通風豎井施工方案，主要結論如下。

1)蘭州地鐵1號線黃河隧道通風豎井工程規(guī)模和深度非常大，無相似工程經(jīng)驗可以借鑒，目前

通風豎井的設計及施工方案對后續(xù)類似工程具有借鑒與參考意義。

2)黃河隧道通風豎井的選址需綜合通風、結構、規(guī)劃、拆遷、豎井周圍條件等多因素進行確定。

3)黃河隧道通風豎井結合黃河隧道疏散平臺及聯(lián)絡通道組合方案，實現(xiàn)兩管隧道互為疏散救援，通風豎井送風、排煙等功能，保證黃河隧道行車、運營、通風及防災疏散安全。

4)因隧道位置的特殊性和空間的局限性，其封閉環(huán)境導致隧道內發(fā)生火災時疏散困難、救援困難、排煙困難和滅火困難，需重視通風處理。

5)在黃河地鐵深大豎井工程中首次采用雙層地下連續(xù)墻+端頭井內注漿加固+坑內坑外降水的綜合施工方案，有效阻隔黃河水系的聯(lián)通，確保豎井開挖過程中的安全。

6)由于穿越黃河區(qū)間隧道強透水砂卵石地層的特殊性，緊密結合黃河隧道地質條件，對通風豎井實施風險管控，確保工程有序安全實施。