地鐵長(zhǎng)大區(qū)間風(fēng)井設(shè)計(jì)及盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)研究

曾佳亮，申榮杰，張繼清

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

1 引言

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，規(guī)劃建設(shè)的地鐵線路數(shù)量不斷增加，地鐵長(zhǎng)大區(qū)間的數(shù)量也隨之增多，區(qū)間穿越區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、多變，地面及地下環(huán)境制約因素增多。為保證地鐵線路安全疏散、區(qū)間施工工期及安全要求，往往需要增設(shè)區(qū)間風(fēng)井；工法采用更為可靠的機(jī)械法盾構(gòu)施工工藝。因此，確定合理的風(fēng)井規(guī)模、風(fēng)井位置、盾構(gòu)施工條件，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大區(qū)間隧道設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)、低碳環(huán)保，顯得非常有必要。

2 工程概況

深圳地鐵14號(hào)線工程線路起點(diǎn)位于深圳市福田區(qū)的崗廈北，線路途經(jīng)羅湖區(qū)、龍崗區(qū)，終點(diǎn)位于坪山區(qū)的沙田，預(yù)留延伸至惠州條件，是覆蓋深圳東部片區(qū)的快速軌道交通骨干線，建成后可以促進(jìn)深圳中心城區(qū)與東部組團(tuán)之間的快速聯(lián)系，滿足區(qū)域內(nèi)和組團(tuán)之間的快速通勤需要。14號(hào)線線路設(shè)計(jì)速度為120 km/h，線路總長(zhǎng)50.3 km，設(shè)置18座車站，全為地下敷設(shè)；全線超過(guò)2 km的區(qū)間有13處，其中有2處區(qū)間超過(guò)4 km，全線共設(shè)置9座區(qū)間風(fēng)井。

14號(hào)線布吉站—石芽玲站區(qū)間自布吉站出發(fā)后，沿龍崗大道地面輔道下方敷設(shè)，隨后往東北方向拐入南門(mén)墩村及布吉新村地塊內(nèi)，沿中興路—東西主干道下方敷設(shè)，穿越石芽玲信義公園地塊后沿科技園路盛寶路下方敷設(shè)到達(dá)石芽嶺站，區(qū)間全長(zhǎng)3.23 km，如圖1所示。區(qū)間穿越了素（雜）填土、全強(qiáng)風(fēng)化角巖、中風(fēng)化富水破碎帶角巖、微風(fēng)化角巖等地層，沿線下穿的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要涉及到地鐵3號(hào)、5號(hào)線、布吉河、龍崗大道高架、布龍公路橋以及多處房屋，為確保施工安全及完成工期要求，采用土壓平衡及TBM 雙模盾構(gòu)施工工法。

圖1 布吉站—石芽嶺站區(qū)間示意圖

3 區(qū)間風(fēng)井設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)置要求及設(shè)計(jì)原則

3.1.1 設(shè)置要求

GB/T 33668-2017《地鐵安全疏散規(guī)范》中規(guī)定：“區(qū)間隧道火災(zāi)時(shí)，區(qū)間隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)的排煙模式，應(yīng)滿足單線區(qū)間隧道內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)兩區(qū)間風(fēng)井只有一列車的要求，否則應(yīng)設(shè)區(qū)間中間風(fēng)井或與頂棚土建風(fēng)道連接的區(qū)間中間排煙口；區(qū)間火災(zāi)時(shí)隧道排煙應(yīng)保證煙氣不進(jìn)入車站隧道區(qū)域”。

GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：“當(dāng)需要在區(qū)間設(shè)置通風(fēng)道時(shí)，通風(fēng)道應(yīng)設(shè)于隧道長(zhǎng)度的中間位置，在困難條件下，可移至不小于該區(qū)間長(zhǎng)度的1/3位置，但不宜小于400 m”。

3.1.2 設(shè)計(jì)原則

（1）區(qū)間風(fēng)井選址應(yīng)盡量占用市政綠地、空地，不得占用已有規(guī)劃用途的用地。

（2）區(qū)間風(fēng)井的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮做到建筑功能完備、周邊環(huán)境安全、工程投資合理。

（3）區(qū)間風(fēng)井選址應(yīng)便于施工進(jìn)場(chǎng)、材料運(yùn)輸，盡量不占或少占用市政道路，減少交通疏解工程量，盡量避免電力、通信、燃?xì)?、大直徑重力流管線的改遷。

（4）區(qū)間風(fēng)井應(yīng)兼作長(zhǎng)大盾構(gòu)區(qū)間的始發(fā)井或者接收井；其規(guī)模及設(shè)置位置應(yīng)滿足全線的施工組織要求，確保區(qū)間的土建工期。

3.2 方案比選

先根據(jù)規(guī)范要求對(duì)中間風(fēng)井適宜位置進(jìn)行分析；區(qū)間在該區(qū)域穿越布龍公路橋、東方半島小區(qū)、石芽嶺山高邊坡等區(qū)域，這些區(qū)域諸多限制因素對(duì)風(fēng)井的選址及設(shè)置有較大影響。

通過(guò)對(duì)區(qū)間風(fēng)井的控制條件及制約因素進(jìn)行分析，初步確定布吉站—石芽玲站區(qū)間風(fēng)井的3個(gè)較為適宜的方案位置，如圖2所示。

圖2 風(fēng)井方案位置示意圖

3.2.1 方案 1

方案1風(fēng)井設(shè)置于布龍路西側(cè)，東西干道南側(cè)位置，具體位置如圖3所示。由于該處區(qū)間隧道位于東西干道正中央下方，周邊環(huán)境狹小，不具備交通疏解條件，需要將風(fēng)井設(shè)置于南側(cè)公園綠地中，交通疏解及管線改遷工程量較??；但是其與正線區(qū)間需要通過(guò)設(shè)置暗挖通道進(jìn)行連接，盾構(gòu)只能通過(guò)暗挖通道進(jìn)行平移接收，基本上不具備始發(fā)條件。

圖3 方案1風(fēng)井設(shè)置示意圖

3.2.2 方案 2

方案2風(fēng)井設(shè)置于布龍?jiān)训罉驏|側(cè)、東西干道北側(cè)，具體位置如圖4所示。該方案施工場(chǎng)地位于石芽嶺山高邊坡上，石芽嶺山高邊坡坡度超過(guò)25°，施工需要對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖、刷坡風(fēng)險(xiǎn)較高。風(fēng)井鄰近東方半島小區(qū)；其中建筑為淺基礎(chǔ)老舊民房，基坑開(kāi)挖對(duì)其影響較大；風(fēng)井部分結(jié)構(gòu)侵入東西干道，需要進(jìn)行交通疏解和管線改遷，風(fēng)井具備盾構(gòu)始發(fā)和接收條件。

圖4 方案2風(fēng)井設(shè)置示意圖

3.2.3 方案 3

方案3風(fēng)井設(shè)置于石芽嶺公園內(nèi)，占用石芽嶺公園內(nèi)網(wǎng)球場(chǎng)及其周邊綠地，具體位置如圖5所示。該方案位于石芽嶺公園內(nèi)，對(duì)周邊環(huán)境的影響較小，無(wú)交通疏解及管線改遷，便于快速進(jìn)場(chǎng)施工。雖然風(fēng)井選址位于山間低處的平坦地塊，但由于正線區(qū)間下穿石芽嶺山體，埋置深度還是較深，達(dá)到50 m。山體巖面高，區(qū)間風(fēng)井的地質(zhì)條件較好，施工風(fēng)險(xiǎn)較小；為減少工程投資，需最大程度優(yōu)化區(qū)間風(fēng)井規(guī)模。

圖5 方案3風(fēng)井設(shè)置示意圖

對(duì)以上3個(gè)風(fēng)井設(shè)置方案進(jìn)行分析比選，分析結(jié)果如表1所示。綜合考慮區(qū)間風(fēng)井的周邊環(huán)境，工程實(shí)施條件、工期及投資情況，方案3最為合理，對(duì)周邊環(huán)境影響小、施工進(jìn)場(chǎng)條件較好，工期及投資相對(duì)較優(yōu)；因此，推薦選擇方案3作為實(shí)施方案，將區(qū)間風(fēng)井設(shè)置在石芽嶺公園內(nèi)。

表1 風(fēng)井方案比選統(tǒng)計(jì)表

3.3 建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于區(qū)間風(fēng)井的埋深較深，風(fēng)井大部分處于微風(fēng)化巖中，方案實(shí)施對(duì)破巖施工要求較高。為降低施工難度，控制工程投資，需要對(duì)風(fēng)井進(jìn)行建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）區(qū)間風(fēng)井規(guī)模與風(fēng)井建筑功能有直接聯(lián)系。根據(jù)列車牽引要求，須在風(fēng)井內(nèi)設(shè)置牽引所或跟隨所以滿足全線動(dòng)力要求。區(qū)間風(fēng)井作為牽引所時(shí)需要進(jìn)行大型設(shè)備安裝，風(fēng)井長(zhǎng)度一般不小于40 m，規(guī)模較大；因此，通過(guò)行車模擬牽引計(jì)算，調(diào)整牽引所設(shè)置位置，將布吉—石芽嶺區(qū)間風(fēng)井僅設(shè)置為跟隨所，風(fēng)井長(zhǎng)度優(yōu)化為30 m左右。同時(shí)，根據(jù)風(fēng)井的功能及限界要求，風(fēng)井平面寬度設(shè)計(jì)為25 m。風(fēng)井出地面建構(gòu)筑物（風(fēng)亭、消防疏散口）結(jié)合山體邊坡和公園的場(chǎng)地進(jìn)行布置，盡量整合設(shè)置，減少對(duì)地面景觀的影響。

（2）風(fēng)井所處的地質(zhì)條件巖面較高；因此，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“吊腳地連墻+混凝土內(nèi)支撐+噴錨支護(hù)”形式，減少地連墻的入巖深度，降低施工難度；通過(guò)在地連墻吊腳處設(shè)置鎖腳錨桿，增加地連墻的穩(wěn)定性；通過(guò)增強(qiáng)內(nèi)支撐的強(qiáng)度，加強(qiáng)對(duì)基坑一側(cè)邊坡的防護(hù)。

（3）風(fēng)井所處石芽嶺山體水流量豐富，基巖裂隙水較為發(fā)育；風(fēng)井埋深較深，風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)所受浮力較大，需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。通過(guò)在基坑頂部設(shè)置抗浮壓頂梁，在風(fēng)井底板兩側(cè)設(shè)置抗浮腳趾的方式充分利用基巖高摩擦力和重力特性進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)，如圖6所示，做到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。

圖6 風(fēng)井結(jié)構(gòu)斷面圖

4 區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)

4.1 盾構(gòu)始發(fā)及掘進(jìn)

盾構(gòu)施工主要涉及到盾構(gòu)始發(fā)及正常掘進(jìn)2個(gè)階段；受到區(qū)間風(fēng)井規(guī)模限制，盾構(gòu)從區(qū)間風(fēng)井位置進(jìn)行始發(fā)和掘進(jìn)的條件往往比較差，對(duì)區(qū)間的土建工期影響非常大；因此區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)始發(fā)及掘進(jìn)模式設(shè)計(jì)如下。

（1）區(qū)間風(fēng)井+前后暗挖導(dǎo)洞整體始發(fā)模式（模式 1）。該模式可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)從區(qū)間風(fēng)井位置整體始發(fā)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)階段的正常出土。但是由于暗挖導(dǎo)洞斷面大，使用時(shí)間長(zhǎng)，荷載作用大，一般在區(qū)間地質(zhì)條件比較好的情況下推薦采用。地質(zhì)條件比較差，周邊環(huán)境復(fù)雜的情況下，施工風(fēng)險(xiǎn)及工程投資較大，不推薦采用。

（2）區(qū)間風(fēng)井分體始發(fā)+后導(dǎo)洞出土模式（模式2）。該模式盾構(gòu)始發(fā)階段盾構(gòu)機(jī)需要進(jìn)行分體下井始發(fā)，分體之間增加油管線路連接，分體始發(fā)根據(jù)風(fēng)井規(guī)模及分體位置不同可以分為以下3種：①?gòu)闹鳈C(jī)斷開(kāi)的分體始發(fā)，所需風(fēng)井規(guī)模較小，但是渣土吊運(yùn)和管片吊運(yùn)2個(gè)工序需多次間斷才能完成，隧道始發(fā)掘進(jìn)效率非常低；②從1 號(hào)至4 號(hào)拖車任意位置斷開(kāi)的分體始發(fā)，盾構(gòu)同步注漿、管片吊運(yùn)2個(gè)工序任務(wù)可使用盾構(gòu)自身設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)渣斗車完成，各工序被間斷次數(shù)和工序間轉(zhuǎn)換次數(shù)大幅減少，生產(chǎn)效率比從主機(jī)斷開(kāi)的分體始發(fā)方式高出很多；③從5 號(hào)拖車斷開(kāi)的分體始發(fā)，從5號(hào)拖車斷開(kāi)的分體始發(fā)方式在盾構(gòu)始發(fā)階段對(duì)生產(chǎn)效率的提高很微弱，一般較少使用。

（3）區(qū)間風(fēng)井分體始發(fā)+連續(xù)皮帶機(jī)出渣模式（模式3）。該模式盾構(gòu)始發(fā)條件與模式2基本一致，盾構(gòu)在正常掘進(jìn)階段采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣模式進(jìn)行出土，減少洞內(nèi)水平運(yùn)輸負(fù)荷、取消地面大噸位龍門(mén)吊，降低后導(dǎo)洞及施工運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)。但是，垂直提升壓帶機(jī)占用空間較大，影響盾構(gòu)吊裝、調(diào)拆作業(yè)；皮帶轉(zhuǎn)接及提升部位容易掉渣，渣土改良要求苛刻。

4.2 盾構(gòu)整體始發(fā)

（1）本區(qū)間隧道埋深較深，為控制工程投資，區(qū)間風(fēng)井按滿足建筑功能的最小規(guī)模進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)尺寸約為30 m×25 m。根據(jù)施工組織安排，在風(fēng)井始發(fā)2臺(tái)盾構(gòu)往布吉站方向掘進(jìn)，掘進(jìn)距離約為2.2 km。

（2）本段區(qū)間巖層和土層交替存在，推薦采用土壓平衡及TBM 雙模盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機(jī)總機(jī)長(zhǎng)度105 m；綜合考慮區(qū)間風(fēng)井井口的平面布置，在區(qū)間風(fēng)井前后設(shè)置暗挖導(dǎo)洞，前導(dǎo)洞設(shè)置為90 m，后導(dǎo)洞設(shè)置為50 m，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)整體始發(fā)和正常掘進(jìn)。區(qū)間盾構(gòu)整體始發(fā)及暗挖導(dǎo)洞示意圖及盾構(gòu)正常掘進(jìn)出土示意圖如圖7、圖8所示。

圖8 盾構(gòu)正常掘進(jìn)及出渣示意圖

5 結(jié)論及建議

（1）為滿足地鐵長(zhǎng)大區(qū)間排煙及疏散安全要求，需要設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。風(fēng)井的設(shè)計(jì)需要綜合考慮線路周邊的用地屬性、周邊環(huán)境、工程可實(shí)施性、工期、投資等因素，并結(jié)合功能需求及地質(zhì)情況做好建筑布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保區(qū)間風(fēng)井設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)、合理、安全。

（2）為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，地鐵長(zhǎng)大區(qū)間推薦采用盾構(gòu)法施工；區(qū)間風(fēng)井設(shè)計(jì)需賦予盾構(gòu)始發(fā)和接收的功能，宜選在地質(zhì)條件較好、周邊環(huán)境簡(jiǎn)單的位置；通過(guò)設(shè)置前后暗挖導(dǎo)洞，可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)整體始發(fā)及盾構(gòu)正常掘進(jìn)出渣要求。

（3）深圳地鐵14號(hào)線布吉站—石芽玲站區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)掘進(jìn)速度180 m/月，單日最高掘進(jìn)環(huán)數(shù)10環(huán)/天，超過(guò)同類復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)的平均水平，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。