廈門臨海復雜地質條件下大型風井結構設計

王立宏 郭 銳

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

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

2 風井建設條件

隧道島內風塔設置于廈門自貿區象嶼碼頭內，象嶼碼頭為前期填海所成。3號風井主體結構距離西側港中路4.1 m，距離北側進出港區卡口2.15 m。

3號風井所在區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，無自穩能力；基巖為花崗巖全、強風化基巖，其埋深7.4 m～42.8 m，散體狀，自穩能力差。中風化帶僅局部發育，最大厚度9 m，巖體較破碎，巖質較軟～硬。微風化巖呈塊狀砌體結構，微透水性，巖質較硬，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，與海水聯系密切，水量豐富。根據施工單位后期補勘揭示，風井北側的基巖面埋深為27.3 m，南側的基巖面埋深為20.5 m。基巖面高差約6.8 m，巖面傾角28°。3號風井的深度為51.2 m，需穿越地表覆蓋層、全～強風化層及基巖，采取單一的明挖結構或暗挖結構難以保證結構的安全。

3 風井結構設計關鍵問題

根據建筑設計及通風設計的要求，風井結構由地下風機房段及排風井段組成，其中排風段分成正常段和喇叭口擴大段。風井深度為51.2 m，其中地下風機房段長15.1 m、漸變段長12 m以及正常段23.1 m。地下風機房段結構內凈空為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。由于結構尺寸的多變，給結構設計帶來一定的困難。

3.1 風井結構總體設計

風井結構一般應根據地質情況和自身的尺寸綜合確定。參考現有的地鐵風井、盾構始發、接收井以及已建成特長隧道風井的結構形式，在土質圍巖和風化嚴重的巖層中可采用明挖結構，在石質圍巖中宜采用暗挖結構[1]。

根據建筑設計，地面以下15.1 m為地下風機房，其下為12 m的喇叭口漸變段，以下為排風井正常段。結合后期補勘，風井北側的基巖面埋深為27.3 m，南側的基巖面埋深為20.5 m，根據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。南側由于基巖面埋深小，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，樁基入弱風化巖面不小于2 m。由于地面28 m以下均為微風化花崗巖，遂采用暗挖復合式襯砌結構。喇叭口段采用等尺寸的明挖結構后，后期需采用C20混凝土回填以減小風阻。設計實際采用的結構縱斷面如圖2所示。

運營期間內襯墻需承受全部水土壓力。經結構計算，并參考國內外類似工程案例，3號風井內襯墻采用1 m厚C50鋼筋混凝土結構。由于場地受限，風塔結構無法設置單獨的樁基礎。經研究討論，并參考南京緯三路過江隧道風井結構，將風塔結構放置于風井內襯上。

3.2 地面2層以下明挖結構設計

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

設計采用ANSYS對風井進行結構計算。考慮到風井側墻為雙向板結構，采用平面應變模型不能較為準確地模擬結構的真實受力，遂建立三維模型分析結構受力。內襯墻需承受全部水土壓力。除砂層采用水土風算外，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。經過計算可以看出，原設計(不設井字梁)的內襯的最大正彎矩標準值位于跨中，為1 210 kN·m。最大負彎矩位于內襯墻兩端，為2 400 kN·m。具體的彎矩分布見圖3。取兩端最大負彎矩標準值進行裂縫驗算，內襯墻需采用1.5 m厚，結構尺寸過大。且上部內襯墻的厚度為1 m，兩者之間需設置過渡段。

鑒于此，設計者需提出一定的結構措施以解決現有結構內力過大的問題，遂提出在結構的豎向加設兩道井字梁。當加設兩道井字形肋梁后，最大正彎矩的位置位于跨中，約為642 kN·m。位于1/6跨處出現了一處正彎矩峰值，約為420 kN·m。最大負彎矩位于內襯墻兩端，值為1 350 kN·m。具體見圖4。根據裂縫驗算，采用1 m厚結構即可滿足要求。

兩種結構形式的最大彎矩對比見表1。通過對比可知，增設肋梁后，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，增設的兩道井字形肋梁，對通風效果會有影響，但影響較小。綜合權衡通風效果和土建結構，設計最終增設了兩道井字形肋梁。

3.3 結構施作順序

對于深大的風井基坑，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。根據本風井的地質情況，風井周邊巖面起伏大，一般可設置吊腳樁。但風井北側角點離自貿區現有卡口的距離不足1 m，無法預留足夠的巖肩以實施吊腳樁，只能采用無法落底的嵌巖樁。

根據施工組織設計，基坑一邊開挖，一邊設置對撐。當基坑開挖至15.9 m深處，澆筑地下2層樓板。樓板澆筑完成后，繼續向上澆筑內襯墻、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，類似于井壁倒掛法。順作的過程中每處樓板需預留6個4 m×4 m的風機孔洞。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襯墻、中隔墻及第一道肋梁，直至第一道肋梁深度范圍內的結構全部施工完畢。完成第一道肋梁后開始往下開挖，順次施作內襯墻、第二道肋梁和基坑底板。自此就完成了風井整個明挖結構的施工。整個施工工序見圖5。

3.4 暗挖結構施工

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

4 結語

1)海滄隧道3號風井深約51.2 m，需穿越第四系覆蓋層、回填砂層及全～微風化花崗巖，對于中風化以上地層采用明挖結構，中風化以及地層采用暗挖結構是經濟合理的。當風塔結構無法單獨設置基礎時，可考慮將風塔結構放置于風井內襯上。風塔重力荷載對內襯受力是有利的。

2)風井結構首先應該滿足通風和建筑功能的需要。對于地下2層板以下的明挖結構，建筑上無特殊要求，但根據計算分析該段需采用較厚的內襯墻和較大的配筋率，設計增設了兩道井字肋梁可大幅減小結構的受力，這可為深大風井的結構設計提供參考。

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

參考文獻：

[1] 李 陽,漆岳泰.地鐵中間風井深基坑圍護結構變形規律分析[J].鐵道建筑,2014(2):38-42.

[2] 陳宏偉.地鐵區間風井內襯墻結構施工技術[J].鐵道建筑技術,2013(3):52-55.