廈門臨海復(fù)雜地質(zhì)條件下大型風(fēng)井結(jié)構(gòu)設(shè)計

王立宏 郭 銳

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

對于長大隧道的施工與運營，通風(fēng)顯得尤為重要。采用縱向式通風(fēng)系統(tǒng)的長大隧道，一般需設(shè)置風(fēng)井。受隧道縱坡的影響，風(fēng)井開挖深度大。武漢地鐵四號線武昌岸風(fēng)井位于紫陽路上，屬4號線二期復(fù)攔區(qū)間，長25.7 m，寬11.4 m，深度達(dá)到48 m，采用明挖法修建；廈門翔安海底隧道本島岸風(fēng)井，采用圓形斷面，直徑9.7 m，暗挖法修建；根據(jù)以上工程案例可以看出，一般越江跨海隧道風(fēng)井多采用明挖或暗挖結(jié)構(gòu)。廈門海滄隧道全長6.28 km，采用明挖與暗挖的組合形式。根據(jù)通風(fēng)要求，共需設(shè)置風(fēng)井三座。其中3號風(fēng)井為排風(fēng)井，對左右線進行排風(fēng)。由于風(fēng)井位于原填海區(qū)，且?guī)r石差異風(fēng)化明顯，加之風(fēng)井開挖深度大，穿越的地層較多，需采用明挖與暗挖相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。

2 風(fēng)井建設(shè)條件

隧道島內(nèi)風(fēng)塔設(shè)置于廈門自貿(mào)區(qū)象嶼碼頭內(nèi)，象嶼碼頭為前期填海所成。3號風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)距離西側(cè)港中路4.1 m，距離北側(cè)進出港區(qū)卡口2.15 m。

3號風(fēng)井所在區(qū)域第四系覆蓋層由雜填土、淤泥、殘積粘性土組成，總厚度7.8 m～20.3 m，土體承載力低，無自穩(wěn)能力；基巖為花崗巖全、強風(fēng)化基巖，其埋深7.4 m～42.8 m，散體狀，自穩(wěn)能力差。中風(fēng)化帶僅局部發(fā)育，最大厚度9 m，巖體較破碎，巖質(zhì)較軟～硬。微風(fēng)化巖呈塊狀砌體結(jié)構(gòu)，微透水性，巖質(zhì)較硬，埋深較淺，厚度大。地下水埋深4 m～5 m，賦存于地表雜填土的砂層中，與海水聯(lián)系密切，水量豐富。根據(jù)施工單位后期補勘揭示，風(fēng)井北側(cè)的基巖面埋深為27.3 m，南側(cè)的基巖面埋深為20.5 m。基巖面高差約6.8 m，巖面傾角28°。3號風(fēng)井的深度為51.2 m，需穿越地表覆蓋層、全～強風(fēng)化層及基巖，采取單一的明挖結(jié)構(gòu)或暗挖結(jié)構(gòu)難以保證結(jié)構(gòu)的安全。

3 風(fēng)井結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題

根據(jù)建筑設(shè)計及通風(fēng)設(shè)計的要求，風(fēng)井結(jié)構(gòu)由地下風(fēng)機房段及排風(fēng)井段組成，其中排風(fēng)段分成正常段和喇叭口擴大段。風(fēng)井深度為51.2 m，其中地下風(fēng)機房段長15.1 m、漸變段長12 m以及正常段23.1 m。地下風(fēng)機房段結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空為12 m×18 m，正常段為10 m×10 m，漸變段尺寸由10 m×10 m漸變至12 m×18 m，詳見圖1。由于結(jié)構(gòu)尺寸的多變，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來一定的困難。

3.1 風(fēng)井結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

風(fēng)井結(jié)構(gòu)一般應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況和自身的尺寸綜合確定。參考現(xiàn)有的地鐵風(fēng)井、盾構(gòu)始發(fā)、接收井以及已建成特長隧道風(fēng)井的結(jié)構(gòu)形式，在土質(zhì)圍巖和風(fēng)化嚴(yán)重的巖層中可采用明挖結(jié)構(gòu)，在石質(zhì)圍巖中宜采用暗挖結(jié)構(gòu)[1]。

根據(jù)建筑設(shè)計，地面以下15.1 m為地下風(fēng)機房，其下為12 m的喇叭口漸變段，以下為排風(fēng)井正常段。結(jié)合后期補勘，風(fēng)井北側(cè)的基巖面埋深為27.3 m，南側(cè)的基巖面埋深為20.5 m，根據(jù)上述原則最終確定基坑的開挖深度為28 m，采用鉆孔灌注樁加支撐的圍護體系。采用明挖機構(gòu)。南側(cè)由于基巖面埋深小，采用落底樁則圍巖鉆進的長度大，施工功效低，遂采用不落底樁，樁基入弱風(fēng)化巖面不小于2 m。由于地面28 m以下均為微風(fēng)化花崗巖，遂采用暗挖復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。喇叭口段采用等尺寸的明挖結(jié)構(gòu)后，后期需采用C20混凝土回填以減小風(fēng)阻。設(shè)計實際采用的結(jié)構(gòu)縱斷面如圖2所示。

運營期間內(nèi)襯墻需承受全部水土壓力。經(jīng)結(jié)構(gòu)計算，并參考國內(nèi)外類似工程案例，3號風(fēng)井內(nèi)襯墻采用1 m厚C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于場地受限，風(fēng)塔結(jié)構(gòu)無法設(shè)置單獨的樁基礎(chǔ)。經(jīng)研究討論，并參考南京緯三路過江隧道風(fēng)井結(jié)構(gòu)，將風(fēng)塔結(jié)構(gòu)放置于風(fēng)井內(nèi)襯上。

3.2 地面2層以下明挖結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)建筑的要求并考慮風(fēng)井動載要求，風(fēng)機房的地面1層板、地下1層板及地下2層板均采用1.2 m厚的樓板，中間需預(yù)留6個4 m×4 m的孔洞以安裝風(fēng)機。對于地下2層板以下的明挖結(jié)構(gòu)，埋深15.1 m～28 m，高12.9 m。內(nèi)襯墻的結(jié)構(gòu)尺寸為12.9 m×20.5 m。對于內(nèi)襯墻，由于兩個方向的尺寸之比為1.59<2，為典型的雙向板結(jié)構(gòu)。建筑上對該段無設(shè)置梁、柱等結(jié)構(gòu)的要求。

設(shè)計采用ANSYS對風(fēng)井進行結(jié)構(gòu)計算?？紤]到風(fēng)井側(cè)墻為雙向板結(jié)構(gòu)，采用平面應(yīng)變模型不能較為準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的真實受力，遂建立三維模型分析結(jié)構(gòu)受力。內(nèi)襯墻需承受全部水土壓力。除砂層采用水土風(fēng)算外，其余(巖)土層均采用水土合算。由于該段地下水與海水連通，并受潮汐影響，地下水偏安全地取至地表。土壓力采用靜止土壓力。經(jīng)過計算可以看出，原設(shè)計(不設(shè)井字梁)的內(nèi)襯的最大正彎矩標(biāo)準(zhǔn)值位于跨中，為1 210 kN·m。最大負(fù)彎矩位于內(nèi)襯墻兩端，為2 400 kN·m。具體的彎矩分布見圖3。取兩端最大負(fù)彎矩標(biāo)準(zhǔn)值進行裂縫驗算，內(nèi)襯墻需采用1.5 m厚，結(jié)構(gòu)尺寸過大。且上部內(nèi)襯墻的厚度為1 m，兩者之間需設(shè)置過渡段。

鑒于此，設(shè)計者需提出一定的結(jié)構(gòu)措施以解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)內(nèi)力過大的問題，遂提出在結(jié)構(gòu)的豎向加設(shè)兩道井字梁。當(dāng)加設(shè)兩道井字形肋梁后，最大正彎矩的位置位于跨中，約為642 kN·m。位于1/6跨處出現(xiàn)了一處正彎矩峰值，約為420 kN·m。最大負(fù)彎矩位于內(nèi)襯墻兩端，值為1 350 kN·m。具體見圖4。根據(jù)裂縫驗算，采用1 m厚結(jié)構(gòu)即可滿足要求。

兩種結(jié)構(gòu)形式的最大彎矩對比見表1。通過對比可知，增設(shè)肋梁后，最大彎矩均有較大程度的降低。

表1 最大彎矩對比表

需要指出的是，增設(shè)的兩道井字形肋梁，對通風(fēng)效果會有影響，但影響較小。綜合權(quán)衡通風(fēng)效果和土建結(jié)構(gòu)，設(shè)計最終增設(shè)了兩道井字形肋梁。

3.3 結(jié)構(gòu)施作順序

對于深大的風(fēng)井基坑，多采用明挖順作，而采用逆作法的基坑主要存在如下兩個問題[2]：

1)采用逆作法，土方開挖空間受限，總體施工進度慢；

2)隧道的防水較難施作。根據(jù)本風(fēng)井的地質(zhì)情況，風(fēng)井周邊巖面起伏大，一般可設(shè)置吊腳樁。但風(fēng)井北側(cè)角點離自貿(mào)區(qū)現(xiàn)有卡口的距離不足1 m，無法預(yù)留足夠的巖肩以實施吊腳樁，只能采用無法落底的嵌巖樁。

根據(jù)施工組織設(shè)計，基坑一邊開挖，一邊設(shè)置對撐。當(dāng)基坑開挖至15.9 m深處，澆筑地下2層樓板。樓板澆筑完成后，繼續(xù)向上澆筑內(nèi)襯墻、拆除鋼支撐、冠梁，接長圍護樁鋼筋，使其彎入地下1層板上部，并與地下1層板整澆。自此就完成了上半部分明挖的順作，同時也為后期的逆作法打好了基礎(chǔ)，類似于井壁倒掛法。順作的過程中每處樓板需預(yù)留6個4 m×4 m的風(fēng)機孔洞。自15.9 m深處向下逆作施工。向下開挖基坑，邊開挖邊分塊施做內(nèi)襯墻、中隔墻及第一道肋梁，直至第一道肋梁深度范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)全部施工完畢。完成第一道肋梁后開始往下開挖，順次施作內(nèi)襯墻、第二道肋梁和基坑底板。自此就完成了風(fēng)井整個明挖結(jié)構(gòu)的施工。整個施工工序見圖5。

3.4 暗挖結(jié)構(gòu)施工

在確定暗挖結(jié)構(gòu)斷面形式時，提出了圓形斷面和方形斷面兩種結(jié)構(gòu)形式。考慮到圓形斷面施工較為不便，風(fēng)井與聯(lián)絡(luò)風(fēng)道連接處施工與防水處理均較難實施，同時考慮風(fēng)井圍巖主要為微風(fēng)化巖層，水土壓力相對較小，經(jīng)綜合比選采用了方形斷面。暗挖段采用復(fù)合式襯砌。初期支護采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、工字鋼及錨桿。初期支護角部設(shè)置斜撐。二次襯砌采用C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

1)海滄隧道3號風(fēng)井深約51.2 m，需穿越第四系覆蓋層、回填砂層及全～微風(fēng)化花崗巖，對于中風(fēng)化以上地層采用明挖結(jié)構(gòu)，中風(fēng)化以及地層采用暗挖結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟合理的。當(dāng)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)無法單獨設(shè)置基礎(chǔ)時，可考慮將風(fēng)塔結(jié)構(gòu)放置于風(fēng)井內(nèi)襯上。風(fēng)塔重力荷載對內(nèi)襯受力是有利的。

2)風(fēng)井結(jié)構(gòu)首先應(yīng)該滿足通風(fēng)和建筑功能的需要。對于地下2層板以下的明挖結(jié)構(gòu)，建筑上無特殊要求，但根據(jù)計算分析該段需采用較厚的內(nèi)襯墻和較大的配筋率，設(shè)計增設(shè)了兩道井字肋梁可大幅減小結(jié)構(gòu)的受力，這可為深大風(fēng)井的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

3)對于地下2層板以下圍護樁長度不一致、無法設(shè)置對撐及吊腳樁的情況，采用了地下2層板以上結(jié)構(gòu)順作，地下2層板以下結(jié)構(gòu)逆作的方案，在保證結(jié)構(gòu)安全的同時，最大限度的降低了樁基的入巖深度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李 陽,漆岳泰.地鐵中間風(fēng)井深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析[J].鐵道建筑,2014(2):38-42.

[2] 陳宏偉.地鐵區(qū)間風(fēng)井內(nèi)襯墻結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2013(3):52-55.