大型地下道路隧道通風管道的設計與施工

毛仲挺

（上海筑紫建筑設計有限公司，上海市 200086）

1 工程概述

該工程為日本東京某環狀地下道路隧道的附屬工程，是連接換氣所和環狀本線地下道路主干道之間的大型通風管道工程，分別有兩個方向主隧道的送氣和排氣4條通道。

在設計上分為水平通道和豎直通道。上段水平通道為直徑4 m的馬蹄形斷面，長20.9 m；下段水平通道為變斷面，分別為內徑4 m和內徑5.9 m的馬蹄形斷面，總長57.90 m。均為混凝土斷面。豎直通道分為連接上下水平通道之間的豎直通道和連接下段水平通道和道路隧道本線之間的豎直通道，均為內徑5.600m×3.000m的長方形斷面，中間2.800m處設有系桿。豎直通道采用0.5m的鋼制預制構件現場拼接而成。圖1為該換氣通道效果圖。

由于埋深在地下40 m以下，無法采用開挖施工，加之斷面有變化，所以施工采用新奧法施工。由于斷面較小，加之所處地層土質較好，圍巖的自穩能力較強，所以采用全斷面機械開挖施工。

2 水平通道的設計

在構造上，采用植筋方法和換氣所連成整體。考慮到有可能產生的不均勻沉降，在離換氣所外壁1 m處設置了可動連接裝置。

由于縱向土層分布均勻，所以只考慮斷面方向作為設計斷面。考慮到不同位置，不同斷面現狀，以及和豎直通道的相對關系，共分7個斷面進行計算，見圖2。

斷面采用復合襯砌，在初期支護和二次襯砌之間鋪設防水隔離層。初期支護作為施工時承載結構，要確保施工期間的安全和控制沉降。在供用期間，二次襯砌作為承載結構，而把初期支護作為安全儲備。在我國，目前的設計理念是由初期支護和二次襯砌共同承載。初期支護和二次襯砌之間相互依賴，相互影響。根據不同的圍巖壓力調整初期支護的強度和支護系數。確保地層穩定后，才能施作二次襯砌。二次襯砌目的是承受流變荷載以及作為安全儲備，可見兩者的設計理念是有所不同的。另外，由于國內的鋼骨架一般采用鋼筋格柵拱架，不同于日本的H鋼，拱架高度更高，又要確保一定的保護層厚度，因此初期支護的厚度一般不低于250mm，常用厚度為250mm，300mm，350mm。實際工程應用統計見表1。

該工程的最終斷面尺寸為，初期支護t=17.5 cm，二次襯砌t=35～40 cm。

在荷載方面，主要是自重、水壓力、圍巖壓力及土壓力，內部風壓以及豎直通道的吊裝重量等。考慮到地下水位的變化，為安全起見，考慮了有地下水和沒有地下水兩種狀況。由于埋深較深，且所處位置的土體自立性較好，土體的承載拱作用明顯，計算上考慮了沒有圍巖壓力和埋深相當于1倍斷面寬度時的圍巖壓力兩種狀況。內部風壓同時考慮了送氣時的正風壓和排氣時的負壓力。設計采用容許應力度法，各荷載的分項系數都為1.0。荷載組合表見表2。

襯砌的計算按照局部支承彈性地基圓環法計算。考慮到二次襯砌外側的防水隔離層的隔離效果，只考慮了徑向方向的土體彈性約束，忽略接線方向的土體約束。事實上，經過試計算得出，考慮了接線方向土體約束后算出的斷面力也比未考慮的要小一點。說明這樣的考慮是安全的。通過反復計算不同承載狀況下地基反力，去除地基反力為拉力（負值）的區間，得出最終的地基支承圖（見圖3）。

圖2 計算斷面（單位：mm）

表1 國內部分工程的初期支護的厚度統計表（單位：cm）

表2 斷面D-D的荷載組合表

圖3 斷面A-A（下部換氣通道）的地基支承圖

通過有限元法計算得出各部分的最大斷面力，然后進行配筋計算。混凝土采用C24。鋼筋采用SD345（見圖 4、圖 5）。

圖4 斷面C-C（下部換氣通道）的最大斷面力圖和配筋要領圖

3 豎直通道的設計

豎直通道采用0.5 m高的預制鋼制品現場拼接。既便于施工，同時也增加了柔性，可在一定程度上防止橫向變位引起構造損壞。

在荷載上采用水平通道開口斷面的開口處支點反力作為均布荷載進行加載。同樣通過有限元法算出斷面力。需要注意的是，豎直通道的預制品鋼構件必須與水平通道斷面的主鋼筋牢固焊接以承受施工過程中自身的重量（見圖6、圖7）。

圖5 斷面E-E（下部換氣通道）的最大斷面力圖和配筋要領圖

圖6 斷面D-D（下部換氣通道）的豎直通道計算模型圖

圖7 斷面E-E（下部換氣通道）的豎直通道計算模型圖

4 施工

該工程的施工主要面對有以下問題。

（1）雖然構造物所處土層大都為自立性較好的粘性土層，但也夾雜著一些沙土層，而且，靠近目黑川河，水位較高，因此在作業過程中仍有發生流沙的可能。

（2）涉及換氣所、本線道路隧道等多個構造物，上下通風通道之間亦相互有關聯，既有水平方向挖掘，又有鉛直方向挖掘，施工精度以及安全保障方面的要求較高。

（3）構造埋深較深，需從換氣所開始挖掘，施工過程中的通風問題和泥土、粉塵處理問題都需要解決，加之靠近河流，地面上作業場地狹小。

針對上述問題，采用的是地基加固的方法進行施工。其中上部通道采用超細水泥注漿加固，下部通道采用化學藥劑加固，均采用二重管高壓旋噴注漿法。由于地面作業地方狹小，所以采用了多角度傾斜注漿的方法，而在靠近本線隧道的地方，采用低壓滲透法從本線隧道進行化學藥劑注射進行加固。具體施工流程圖見圖8。

圖8 施工流程示意圖

在注漿結束后，須進行采樣測試，確認土塊狀況后，才能進行挖掘。實際施工中除下部通道稍有一些地下水，經過水泵排水很快處理以外，基本沒有再碰到什么困難。工期大大縮短，同時省去了預支護的施工，取得了較好的經濟效益。土體結塊較好，粉塵也減少了，泥土的處理和運輸也變得容易，施工安全性也大大提高。從各個方面看，這都是一種值得大力推廣的施工工法。

5 結語

隨著城市化的推進，大量人口涌入城市，特別是大都市的用地日漸緊張，大力發展地下交通是未來城市道路發展的方向之一，其中，通風系統的設計又是重要的一環。本文所述的通風通道的設計與施工是極具參考價值的，而在施工中所采用的多角度注漿加固的方法，也為今后工程中遇到類似情況時，提供了一種思路。

[1]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥:安徽教育出版社,2004.