復(fù)雜地質(zhì)條件下風(fēng)井先隧后井設(shè)計(jì)方案研究

蔣道東 余 村

(中交二航局技術(shù)中心，湖北 武漢 430000)

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復(fù)雜地質(zhì)條件下風(fēng)井先隧后井設(shè)計(jì)方案研究

蔣道東 余 村

(中交二航局技術(shù)中心，湖北 武漢 430000)

以佛山地鐵2號(hào)線南莊—湖涌中間風(fēng)井工程為例，闡述了傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道中間風(fēng)井施工方法存在的問題，提出了先隧后井的設(shè)計(jì)方案，并闡述了該方案的施工工藝，在節(jié)約成本、縮短工期的同時(shí)，降低了基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)井，先隧后井，連接段，數(shù)值模擬

在城市地鐵軌道建設(shè)中，為充分排出地鐵系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中所產(chǎn)生的熱量，使設(shè)備的預(yù)期壽命不會(huì)因?yàn)闇囟冗^高產(chǎn)生老化而下降，同時(shí)為盡快排出地下產(chǎn)生的煙氣，為乘客創(chuàng)造舒適和安全的地下環(huán)境，通常在超過一定距離的隧道區(qū)間內(nèi)會(huì)設(shè)置中間風(fēng)井。常規(guī)的風(fēng)井一般先施工風(fēng)井基坑，然后盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)井基坑內(nèi)部穿越，需要盾構(gòu)機(jī)完成進(jìn)出洞工序各一次?；谶@種先風(fēng)井后隧道施工理念設(shè)置的風(fēng)井，具有開挖深度大、開挖范圍廣、造價(jià)高、工期長(zhǎng)等特點(diǎn)，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)和始發(fā)工序也具有一定風(fēng)險(xiǎn)，若在高水頭及狹小空間等復(fù)雜地質(zhì)條件下施工風(fēng)險(xiǎn)則更高。

本文通過對(duì)佛山地鐵2號(hào)線一期工程南莊至湖涌隧道區(qū)間中間風(fēng)井初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析研究，提出一種新的設(shè)計(jì)方案：首先開挖淺基坑形成風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)，然后盾構(gòu)機(jī)從風(fēng)井底部穿越形成隧道結(jié)構(gòu)，最后采用吊筑法施工風(fēng)井結(jié)構(gòu)底板與隧道結(jié)構(gòu)間的通風(fēng)通道。此方案避免了開挖較深的風(fēng)井基坑，也無需盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行進(jìn)出洞工序。

1 工程概況

佛山地鐵2號(hào)線一期工程南莊至湖涌隧道區(qū)間中間風(fēng)井位于紫洞北路西側(cè)，場(chǎng)地現(xiàn)狀如圖1所示：西側(cè)為工業(yè)池塘，東側(cè)為通拓帆布廠房，北側(cè)則為新恒陶瓷廠。施工期間圍擋內(nèi)房屋類建筑均進(jìn)行拆除，池塘回填。

為滿足通風(fēng)及施工要求，初步設(shè)計(jì)方案中風(fēng)井的尺寸為：長(zhǎng)26.4 m，寬24.2 m，基坑埋深35.2 m。施工場(chǎng)地地層從上到下依次為：①-1素填土、②-1B淤泥質(zhì)黏土、②-5淤泥質(zhì)粉土、③-1粉砂、④N-2可塑狀黏性土、③-4礫砂與圓礫以及⑦-2砂巖，其中盾構(gòu)機(jī)穿越風(fēng)井段主要位于③-4礫砂與圓礫層，如圖2所示。此外，主要的含水層為③-1粉砂層和③-4礫砂與圓礫層，同時(shí)此區(qū)域地下水易受地表水補(bǔ)給，水量豐富。

2 初步設(shè)計(jì)方案

初步設(shè)計(jì)方案中風(fēng)井采用明挖法施工，風(fēng)井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1 200 mm的地下連續(xù)墻+7道混凝土支撐方式，底部嵌入⑦-2砂巖層5 m，在基坑施工過程中針對(duì)地層進(jìn)行管井降水?？紤]到盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞為施工高風(fēng)險(xiǎn)源，且隧道洞身主要位于③-4礫砂與圓礫層中，風(fēng)井兩端頭的地層將采用“U”型厚1 000 mm素混凝土連續(xù)墻+φ850@600三軸攪拌樁進(jìn)行加固。

針對(duì)初步設(shè)計(jì)方案，采用增量法原理模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過程，計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均能滿足要求。

初步設(shè)計(jì)方案采用了較為保守的圍護(hù)支撐體系，但是在施工過程中仍然存在如下問題。

2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)洞通壓力較大

根據(jù)工籌安排，佛山地鐵2號(hào)線一期工程全線洞通時(shí)間為2017年7月，南莊至湖涌區(qū)間段計(jì)劃2016年6月從南莊始發(fā)，全段長(zhǎng)2 241 m，盾構(gòu)掘進(jìn)根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)按照250 m/月考慮，盾構(gòu)過風(fēng)井計(jì)劃工期為1個(gè)月，則預(yù)計(jì)2017年6月能實(shí)現(xiàn)區(qū)間洞通。然而由于南莊站拆遷等原因?qū)е缕涫及l(fā)延后2個(gè)月，按照初步設(shè)計(jì)方案則無法按期滿足洞通要求。

2.2 盾構(gòu)進(jìn)出洞施工風(fēng)險(xiǎn)較大

盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞為施工高風(fēng)險(xiǎn)源，按照初步設(shè)計(jì)方案中的傳統(tǒng)施工方法，風(fēng)井結(jié)構(gòu)將增加盾構(gòu)進(jìn)出洞工序各一次。雖然方案中采用素混凝土連續(xù)墻+三軸攪拌樁等處理技術(shù)對(duì)洞門處土體進(jìn)行加固，但加固深度近40 m，對(duì)于砂礫、圓礫等空隙比較大的土層，加固質(zhì)量難以保證。

2.3 超深基坑支撐拆除較繁瑣

初步設(shè)計(jì)方案中風(fēng)井基坑采用6道混凝土支撐及1道倒撐，這些支撐在后期施工過程中需全部拆除，施工工期較長(zhǎng)。同時(shí)倒撐支護(hù)位置與盾構(gòu)洞門開口處沖突，拆除施工也較為不便。

3 先隧后井設(shè)計(jì)方案

3.1 優(yōu)化思路

采用先隧后井的設(shè)計(jì)方案可有效地克服或避免上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中存在的問題。先隧后井設(shè)計(jì)方案的思路為：首先在不改變風(fēng)井平面尺寸的情況下抬高風(fēng)井底板，即以開挖淺基坑的形式形成風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)，并在底板位置預(yù)留風(fēng)口接駁器，然后盾構(gòu)機(jī)從風(fēng)井底部穿越形成隧道結(jié)構(gòu)，最后采用吊筑法施工風(fēng)井結(jié)構(gòu)底板與隧道結(jié)構(gòu)間的通風(fēng)通道。先隧后井方案風(fēng)井縱剖面圖見圖3。

3.2 方案的具體施工工序

風(fēng)井結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆作法施工，施工過程中預(yù)留出土口(后期為通風(fēng)口)，待風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)施工完畢后采用吊筑法施工連接通道，具體施工工序如下：

1)待場(chǎng)地平整后進(jìn)行基底旋噴樁加固，施工圍護(hù)墻及中間立柱，中間立柱可采用格構(gòu)柱或者鋼管柱，后期作為主體結(jié)構(gòu)柱骨架。

2)基坑開挖至頂板底面下0.5 m處,鑿除圍護(hù)墻與頂板搭界處連續(xù)墻，施工頂板、頂梁，敷設(shè)頂板防水層。頂板處預(yù)留出土孔，后期作為通風(fēng)口。

3)從上至下開挖基坑，依次施工主體結(jié)構(gòu)至底板，各層板預(yù)留出土口，出土口后期為風(fēng)道口，底板預(yù)留連接段風(fēng)口，并預(yù)留鋼筋接駁器與后期施工風(fēng)道側(cè)墻主筋連接。

4)風(fēng)井灌水至一定標(biāo)高后，盾構(gòu)隧道從已施工風(fēng)井下方穿越，與風(fēng)井連接處管片采用鋼管片。

5)從底板自上而下開挖風(fēng)道處土層，分層施工側(cè)墻，側(cè)墻底部預(yù)留鋼筋接駁器與后續(xù)側(cè)墻主筋連接，共分3段施工。

6)待風(fēng)道側(cè)墻施工完畢后，依次拆除鋼管片后完成整個(gè)工程。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)源的計(jì)算模擬分析

先隧后井方案中最大的風(fēng)險(xiǎn)在于施工連接通道時(shí)，隧道上方土體的開挖對(duì)管片產(chǎn)生的影響，對(duì)此本文采用有限元程序ABAQUS對(duì)其進(jìn)行了模擬。各相關(guān)計(jì)算參數(shù)詳見表1。

表1 模型的主要計(jì)算參數(shù)

有限元計(jì)算模型見圖4，為盡量減少邊界條件的影響，除上部結(jié)構(gòu)，模型土向四周各延伸20 m。

計(jì)算步驟如下：

先對(duì)原狀土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡，然后移除風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)需要開挖的土體，建立上部結(jié)構(gòu)，接下來開挖連接段土體并澆筑襯砌，最后拆除隧道管片，實(shí)現(xiàn)隧道與上部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)通。本文主要研究其中的2個(gè)具體步驟工況：開挖連接段土體；拆除隧道管片。

1)開挖連接段土體。

風(fēng)井后續(xù)基坑開挖對(duì)隧道變形會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，如果隧道的變形量過大則會(huì)妨礙隧道的正常使用。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，連接段施工后，原有隧道的最大位移為2.79 cm，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為21.7 MPa，均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求(如圖5，圖6所示)。

2)拆除隧道管片。

對(duì)已建隧道進(jìn)行局部管片的拆除將不可避免地對(duì)拆除區(qū)域鄰近的其他管片產(chǎn)生擾動(dòng)，如其他管片產(chǎn)生較大的位移甚至張開，那么對(duì)于隧道的防水及承壓能力將有嚴(yán)重影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，拆除管片后，原有隧道的最大位移為2.35 cm，最大拉應(yīng)力為1.12 MPa，均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求(見圖7，圖8)。

根據(jù)以上的數(shù)值模擬分析，可以看到先隧后井設(shè)計(jì)在施工實(shí)施方面是一種可行、可靠的方案。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)井先隧后井設(shè)計(jì)方案是隧道區(qū)間風(fēng)井建造的一種新穎的設(shè)計(jì)理念，較傳統(tǒng)的施工方法：該方法可較大幅度地減少基坑開挖深度，在節(jié)約成本、縮短工期的同時(shí)，大大降低了深基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，該方法還避免了盾構(gòu)機(jī)從風(fēng)井基坑內(nèi)部進(jìn)出洞環(huán)節(jié)，對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)也大幅降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

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Study about method of airshaft constructing with tunnels followed by airshaft under complicated geological conditions

Jiang Daodong Yu Cun

(TechnicalCenter,CCCCNo.2HarborEngineeringBureau,Wuhan430000,China)

Taking Nanzhuang-Huyong middle airshaft project at Nanzhuang along the No.2 subway in Foshan as the example, the paper illustrates the problems in the middle airshaft construction methods of the traditional shield tunnels, points out the design scheme for the airshaft tunnel followed by airshaft, and illustrates its construction craft, so as to save cost, shorten construction period, and lower the risks of the foundation pit construction.

airshaft tunnel, airshaft tunnel followed by airshaft, continuous section, numeric simulation

1009-6825(2016)31-0190-03

2016-08-24

蔣道東(1986- )，男，工程師； 余 村(1987- )，男，工程師

U455

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