过江隧道中间风井关键技术分析.pdf

江西建材工程技术与应用2662023年7 月作者简介：孙超（1992-），男，江西南昌人，硕士，工程师，主要研究方向为结构工程。过江隧道中间风井关键技术分析孙 超南昌轨道交通设计研究院有限公司，江西 南昌 330038摘 要：文中以南昌地铁4 号线一期工程过江隧道中间风井为例，针对相关风井设计进行系统研究，对类似地铁过江区间中间风井设计具有一定借鉴意义。关键词：风井；止水；围护；箱型框架结构中图分类号：TU74 文献标识码：B 文章编号：1006-2890（2023）07-0266-03Analysis of Key Technologies for the Middle Air Shaft of the Crossing River TunnelSun ChaoNanchang Rail Transit Design and Research Institute Co.Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330038Abstract:Taking the middle air shaft of the river crossing tunnel of Nanchang Metro Line 4 Phase I project as an example,a systematic study is conducted on the design of relevant air shafts,which has certain reference significance for the design of middle air shafts in similar subway river crossing sections.Key words:Air shaft;Water stop;Retaining;Soil-Box foundation-frame structure0 引言地铁是在城市中修建的快速、大运量、用电力牵引的轨道交通载体，已经成为居民出行重要的交通工具之一1。地铁过江隧道需跨越江河，相邻两站之间隧道较长，为满足通风规范要求，需在适当位置设置中间风井2。过江隧道中间风井埋深较大，且因邻近江河，地下水丰富，地层多为富水砂层，基坑支护风险大，内部结构受力复杂3。本文以南昌地铁4 号线一期工程过江隧道中间风井为例，对相关风井围护及内部结构设计的重难点进行分析研究，提出一些设计见解，希望为临江超深地下结构设计提供一些数据及思路上的参考。1 工程概况南昌地铁4 号线一期工程安丰站-东新站区间设置赣江东岸中间风井，位于沿江快速路与象湖四路岔路口西侧，沿象湖四路东西向布置，周边环境相对简单。赣江东岸区间中间风井西北为人行天桥，北侧为洪大地块，南侧为空地。象湖四路道路红线宽为30 m，双向4车道，沿江快速路道路红线宽为56 m，双向6 车道。赣江东岸中间风井为地下三层结构，附属侧出，采用明挖顺筑法施工。风井长45.95 m，宽21 m，主体开挖深度约27.76 m，附属开挖深度约11.05 m，覆土约3.4 m。风井两端区间为盾构区间，小里程端为盾构始发，大里程端为盾构接收。2 地质及水文特点赣江东岸区间中间风井邻近赣江大堤，场地地貌类型为赣江一级阶地单元，基坑开挖范围存在2素填土、3冲填土、1粉质黏土、2淤泥质粉质黏土、4中砂、5粗砂、6砾砂、1-2强风化泥质粉砂岩、1-3中风化泥质粉砂岩。基坑四周放坡空间不足，地下水丰富。在自然条件下（未开采地下水），勘察场区均为径流区，雨季接受降雨补给，径流排泄赣江和大气蒸发排泄。拟建场地沿线地下水补给来源主要有：地表水体补给、降水补给、基岩裂隙水越流补给。3 围护结构分析3.1 技术原则根据相关规范及技术标准要求，此次过江隧道中间风井技术标准为：主体基坑安全等级为一级，地面最大沉降0.1 H，且20 mm；支护结构最大水平位移0.1 H，且30 mm，两者取最小值（H为基坑开挖深度）；主体基坑设置全封闭式止水帷幕，开挖过程保证地下水位降至基坑底面以下0.5 m。降水过程应伴随主体结构施工始终，待顶板覆土后封闭降水井点管；参与抗浮的围护结构（围护墙）作为永久结构，应满足100 年耐久性设计要求，结构抗震等级为三级。风井围护结构纵断面如图1 所示。3.2 结构选型重难点浅析3.2.1 围护及止水风井基坑埋深27.76 m，深度较大，主要位于富水砂层中，坑外水位较高且伴有赣江季节性洪水补给，对支护结构的刚度及止水性能提出了较高要求。常规桩基支护止水效果较差，综合分析采用厚度1000 mm的地连墙支护，并于接缝处外侧设置旋喷桩，止水更为可靠。地连墙接缝采用工字钢接头，并进行充分刷壁，避免夹泥引起连续墙接缝渗漏。同时设置防扰流板，严格控制槽壁垂直度及钢筋笼垂直度，避免产生接缝渗漏，并制定相关应急预案，根据渗漏情况进行补漏及抢险。3.2.2 刚性内支撑因本基坑深度较大，坑外伴有赣江季节性洪水，使地下水江西建材工程技术与应用2672023年7 月水位产生大幅度变化，地连墙外水土压力较大，故采用四道内支撑的支护体系4。第一、二、三道支撑采用钢筋混凝土支撑，尺寸分别为0.8 m1 m、1 m1 m、1 m1.2 m；第四道采用钢支撑 80016 mm，此处需特别注意，由于水位的大幅变化会引起岩层以上地连墙位移，岩层以上一道支撑建议采用刚度较大的砼支撑进行支护，便于控制围护结构变形。3.2.3 抗浮超深地下空腔且伴有季节性洪水，导致中间风井的水浮力较大5-6。应利用围护墙的自重及侧摩阻力参与抗浮，在结构顶板设置压顶梁，在主附接口将地连墙锚入底板，提升结构抗浮安全系数7-8。3.3 计算分析3.3.1 计算方法及荷载围护结构计算按 JGJ 1202012建筑基坑支护技术规程进行，采用深基坑软件模拟挖土、加撑、结构施工、回填等全部工序，按增量法原理进行计算与验算，完成地下连续墙入土深度、稳定性、位移、受力及配筋计算。因盾构过站，坑外超载取20 kPa，作用于混凝土支撑顶面的施工活载不得大于4 kPa。同时，需要注意岩层的破碎情况，本工程勘察显示，开挖区域岩层完整，中风化岩采用水土合算，如破碎，则建议根据岩性及破碎程度考虑一定折减的水土分算。3.3.2 计算结果分析基于上述围护设计的关键计算结果如表1 所示。表1 围护设计的关键计算结果计算控制参数计算结果结论围护水平位移/mm25 27.7 mm，满足要求地面沉降/mm17.22 1.35，满足要求坑底抗隆起稳定安全系数4.0512.22，满足要求抗浮系数1.771.55，满足要求由表1 可知，本项目围护计算中，起控制作用的指标主要是围护结构水平位移及地面沉降，对支护结构的刚度要求较高。因基坑较深，本项目围护墙入岩较深，相对应的基坑稳定性及嵌固安全系数较高。4 主体结构分析4.1 技术原则根据相关规范及技术标准，本过江隧道中间风井内部结构的主要技术指标需满足以下要求：主要承重结构设计满足正常使用100 年要求；主体结构安全等级为一级；裂缝标准0.3 mm；抗震设防烈度6 度，设计基本地震加速度0.05 g，抗震设防类别为重点设防类（乙类）；主体和附属结合做法需考虑不均匀沉降影响。4.2 结构选型重难点分析地铁地下车站内部结构较长，一般选用箱型结构。本风井有别于地铁车站，纵横向尺寸比较小，需按双向板受力进行考图1 风井围护结构纵断面图/mm江西建材工程技术与应用2682023年7 月虑，又由于纵横向跨度均较大，需对板块进行合理划分，综合考虑采用箱型框架结构体系。箱型框架结构充分利用了箱型结构的板刚度，并结合框架结构对结构板进行合理划分，使得结构受力层次更加清晰合理。风井内部结构整体如图2 所示。图2 风井内部结构图4.3 计算分析4.3.1 计算方法及荷载赣江东岸中间风井为地下三层箱型框架结构，负一层南北两侧均有附属结构，结构受力复杂，需建立三维空间模型进行计算，采用MIDAS GEN。本风井采用盾构过站，考虑施工活载，对风井自重工况及水反力工况进行包络设计，同时对结构进行抗震包络设计。同步开展纵横断面的二维计算，对三维计算结果进行验证，包络配筋。设计考虑的计算荷载主要如下：恒载，结构自重、土压力、水压力、地层抗力；活载，地面超载20 kPa、列车荷载、人群荷载、施工荷载等；偶然荷载，地震效应、人防荷载等。4.3.2 计算结果分析结构空间关系较为复杂，本项目内部结构的计算采用三维计算，结合二维计算进行验证，确保计算结果的合理准确，同时根据计算结果落实包络设计。纵横向断面三维及二维计算结果如表2 所示。表2 纵横向断面三维及二维计算结果结构构件部位三维计算弯矩标准值/（kNm）二维计算弯矩标准值/（kNm）横向底板支座19032201底板跨中921810纵向底板支座22582022底板跨中992860通过数据对比可知，纵横向计算结果误差在15%以内，考虑到三维计算应力集中及空间刚度重分配等因素，计算结果可靠。箱型框架结构的结构受力型式合理，构件采用三维及二维计算，包络配筋。主体结构底板基底为岩层，基底处附加应力值为负值，无需计算地基变形。附属外挂结构未设置变形缝，通过抗沉桩控制附属结构变形，计算得知最大沉降7 mm，差异沉降限值为17.6 mm，差异沉降满足要求，可不设置变形缝。5 设计总结（1）临江风井因地质多为富水砂层且伴有季节性洪水补给，支护结构的刚度及止水要求较高，建议采用刚度较大的全封闭止水围护结构形式，并对接缝止水进行专项设计，制定配套应急预案。（2）临江基坑应关注岩层裂隙发育情况，根据岩层破碎情况在计算中适当考虑岩层的水土分算，加强支撑。（3）设计需要核实盾构过站时序与板浇筑顺序，并根据施工组织，核实上层板浇筑时下层板是否需要加强。（4）风井规模狭小，导致内部空间结构较为复杂，建议类似风井内部结构设计时运用三维计算及二维计算相互验证，并进行 BIM建模碰撞检测。（5）主体和附属结合处理未设置变形缝的深浅结构，宜在浅基坑侧设抗沉桩，进行不均匀沉降相关验算。6 结语综上所述，本文对临江超深地下结构的设计，从场地水文及地质分析、结构选型及技术要点、计算分析重点、计算验证等各方面进行了系统分析研究，提出了一些思路及重点，希望为今后相关工程的设计提供参考，以规避类似风险，保障安全生产，提升经济效益。参考文献 1 李阳，漆泰岳，王睿.地铁中间风井深基坑围护结构变形规律分析J.铁道建筑，2014（2）：38-40.2 胡自林，苏蒙.地铁长区间中间风井设置探讨J.铁道科学与工程学报，2018，15（6）：8.3 朱建峰，王艳斌，韦青岑.富水砂层“先隧后井”方案风井基坑支护关键技术研究：以佛山地铁二号线南庄站-湖涌站为例J.工程技术研究，2019，4（13）：4.4 黄梅琼.穿江地铁中间风井对防洪堤的结构影响分析J.陕西水利，2020（10）：3.5 张红伟，荣亮.高深埋小曲线段盾构过中间风井施工技术J.隧道建设，2012，32（1）：103-106，110.6 李海.小半径曲线地铁隧道盾构法掘进技术 J.铁道建筑技术，2009（9）：99-102.7 陈应举.盾构穿越区间隧道中间风井施工新技术J.铁道建筑技术，2016（12）：51-54.8 Hiroomi Satoh，Hitoshi Kurioka，Osami Sugawa，et al.Fire properties in near field of square fire source with longitudinal ventilation in tunnelsJ.Fire safety journal:An international journal devoted to research on fire safety science&engineering，2003，38（4）：319-340.