淺析反井法在超深地鐵車站通風豎井施工中的應用

摘要：重慶軌道交通十號線（鯉魚池-王家莊段）工程鯉魚池站為地下暗挖車站，車站拱頂埋深41.6m～50.5m，風井深度大，風井和風道轉換段受力復雜，施工風險較大。常規開挖提升出渣安全風險大、工作效率低，為了快速安全的完成豎井施工任務，經優化分析總結形成了暗挖地鐵豎井反井法施工技術，基于此，本文通過數值模擬施工過程，對比分析了常規開挖法和反井法的優缺點，為工程應用提供了理論依據。

關鍵詞：超深;風井;反井;數值模擬

中圖分類號：U455.8 ???文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）07-0000-00

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設的大力推進，各城市地鐵車站、區間隧道、車站出入口、風道的深埋地下施工等一系列高難度問題應運而生。在暗挖深埋車站的工程施工中，不僅要解決車站主體工程施工難問題，更要解決深埋車站風道豎井施工難問題。重慶地鐵十號線鯉魚池站含兩座風道豎井分別為1號風道豎井、2號風道豎井，1號豎井深度為65米，2號豎井深度為61米均屬于超深豎井，受地面周邊既有建筑物影響豎井地面位置復雜，施工作業場地局限?；诖私Y合該工程實際及施工特點研究制定出了一套成熟的豎井反井法施工工法。同時利用Midas模擬軟件模擬暗挖地鐵車站風井結構和風道轉換段施工工況，通過建立三維計算模型，對比解析豎井常規開挖法與反井法施工對風井和風道轉換段圍巖、支護結構的受力情況，對反井法開挖技術的安全性和合理性進行評估。

1 工程背景

重慶軌道交通十號線工程鯉魚池站位于建新東路，車站主體采用暗挖法施工。車站總長216m。二襯結構寬25.2m，高度20.81m。車站拱頂埋深約41.6m～50.5m，車站兩端設置兩座風井。

1號豎井位于鯉魚池車站東北側，1號風道中心線與主體結構的相交里程為K11+309.08，豎井長16.8m，寬7.3m，深65m，圍巖等級為Ⅳ級。1號風道凈寬為13.4m，風道凈高13.7m，風道上部覆土厚度約50m，風道總長35.1m，風道上部填土厚度1-2m，下伏基巖主要為砂質泥巖1（中風化巖石）、砂巖，圍巖等級為Ⅳ級，屬深埋隧道。

2號豎井位于鯉魚池車站西南側，2號風道中心線與主體結構的相交里程為K11+115.03，豎井長16.8m，寬5.3m，深61m。巖層上部回填土的厚度為3-5m，填土下部主要為砂巖為主并伴有砂質泥巖1（中風化巖石），圍巖級別為Ⅳ級。2號風道凈寬度為13.4m，風道凈高13.7m，上部覆土厚度46-50m，風道總長66m，風道上部填土厚度4-7m，下伏基巖以砂巖為主并伴有砂質泥巖1（中風化巖石），圍巖等級為Ⅳ級，屬深埋隧道。

2 工藝簡介

采用反井法施工豎井，首先將風道暗挖段按設計施工開挖至豎井底部，再采用反井鉆機在風井長度方向約1/4處分別自地表向下鉆設直徑為270mm的導向孔，導向孔打設至既有開挖支護完成的風道，在風道內將導孔鉆頭更換成反擴滾刀，然后自下而上反銑擴孔至井口，形成直徑為1400mm的反井孔作為爆破施工豎井時的爆破臨空自由面及施工過程中的通風和漏渣孔，巖屑沿漏渣孔落入風道內集中清運，最后自上而下按設計斷面爆破（局部非爆破）開挖支護至井底，完成整個豎井的開挖及支護。

2.1 施工工藝流程

施工準備→測量放線→風道暗挖段施工→反井孔孔底部位施工→反井孔施工→豎井開挖支護施工→豎井貫通段施工。

2.2 測量放線

確保導線控制網和高程控制網精度，且必須進行復測，放樣孔位、開挖輪廓線必須精準，確保平面位置、高程的準確性?？紤]到豎井及風道開挖自身施工工藝、施工誤差、結構變形等情況，應該適當外放輪廓線，確保建筑界限及結構構件尺寸。

2.3 風道暗挖段施工

打設反井孔之前，必須完成風道的開挖支護。風道采用CD法施工，開挖采用控制爆破法。首先開挖上導洞，左右洞錯開5～8m;待上導洞完成后，結合該部分車站開挖及支護情況，進行風道暗挖段中導洞開挖，左右洞錯開5～8m;最后在完成下導洞開挖，初支結構結構封閉成環。開挖施工必須遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的方針原則，確保施工安全。

2.4 反井孔孔底部位施工

考慮反井孔長期漏渣對孔底部巖體四周產生較大沖擊，為確保豎井施工過程中風道的支護結構安全，施工風道過程中需對反井孔孔底周邊予以加強支護。具體措施為：沿風道縱向設置鋼拱架，縱向間距80cm，并在反井孔兩側50cm位置增設密排3榀工22a鋼拱架，斷面形式同風道斷面;垂直于風道方向在反井孔兩側50cm位置密排2根工22a工字鋼，該工字鋼架設于環向鋼架之上，并與環向鋼架焊接牢固，形成“剛性環”，確保拱頂穩定牢固。錨桿、鋼筋網及噴射混凝土等支護參數同風道支護參數。

2.5 反井孔施工

將反井鉆機固定在提前澆筑完成并達到強度要求的混凝土基座上，自上而下鉆進直徑270mm導向孔，導向孔和下部風道貫通后，將導孔鉆頭更換為直徑1400mm返銑擴挖鉆頭，自下而上擴孔至井口。根據現場實際情況及參考豎井地勘資料了解豎井巖石情況分布，施工選用JFY1.2/30/150型反井鉆。

（1）采用C20混凝土澆筑基座，厚度為200mm，澆筑時根據反井鉆機型號預留鉆機底座固定螺栓。基座強度滿足要求后安裝調試鉆機設備。

（2）安裝及導向孔鉆進。1）導向孔鉆進過程中前5m是第一節鉆桿作業，它直接影響后續桿節的鉆進方向與精度，宜采用低速緩慢鉆進，待第一節作業完畢恢復正常速度繼續施工，同時過程中全程對鉆桿及機械的垂直度進行監控，出現騙擦及時調整，以免導向孔偏離既定位置。2）導向孔鉆進過程注意查看巖屑情況，通過巖屑判斷地質情況，并于設計地勘資料進行對比分析，從而為后續豎井開挖施工提供參考。3）導向孔鉆進過程中，加強對不良地質的地層的處理，通過對鉆出巖屑的觀察，判定不良底層的位置，通過加大循環量，達到將不良地層的軟弱層清理的目的，然后進行加壓灌漿填充軟弱層。之后，重新鉆進直至與風道連通。

（3）安裝擴孔鉆頭、反銑擴挖。1）更換擴孔反銑挖鉆頭后，提升鉆桿至刀頭接觸巖體，控制為低速旋轉鉆進，保證鉆頭不因受力過大造成損壞，鉆進一會后停下，待巖體接觸面平順，鉆頭工作穩定后再常速鉆進。2）反向銑挖過程時，風道設專人觀察，將下部鉆進情況及時通知操作人員，確保正常擴孔鉆進。3）擴孔反銑作業中，根據巖層的軟硬程度操作手適時調整鉆壓，控制鉆進速度，設備的正常出渣量約為2m3/h，為防止鉆渣堵孔，要及時清理鉆渣。4）當反銑挖至距基座2～3m時，調低鉆壓，放慢鉆速，同時查看基座及周邊巖體是否正常，出現異常應當及時采取措施處理。

2.6 豎井開挖支護施工

（1）豎井開挖。為降低豎井開挖對周邊環境及既有建筑物影響，對豎井地面以下10m范圍內采用機械進行開挖，利用反井孔進行漏渣。將卷揚機安裝于鎖扣梁地面標高，在豎井口橫向固定一根工22a工字鋼作為固定定滑輪裝置，鋼繩穿過豎井口上端定滑輪，再穿過工字鋼定滑輪置于開挖面，對開挖完渣石塊進行吊裝，并通過反井孔進行漏渣。豎井10m以下部位根據設計要求采用控制爆破開挖，同理采用反井孔進行漏渣。出渣利用下部風道自車站主體內部通過施工通道運至洞外。

（2）支護施工.開挖完成后首先進行錨桿施作，豎井系統錨桿為R22砂漿錨桿，支護短邊平面長4m，支護長邊平面長4/6m，豎向間距1m，環向間距1m。錨桿施作完成后進行格柵拱架施工，設計永久支護結構參數為主筋Φ25的格柵鋼架，格柵鋼架斷面尺寸為220mm，間距1m，采用Φ22螺紋鋼筋豎向連接，間距1m布置，鋼架內外側雙層設置，根據臨時鋼支撐設計要求預留鏈接鋼板。施作完成后及時進行300mm厚C25噴射混凝土施工。當噴射混凝土施作完成后為確保豎井結構安全，按設計要求需及時進行臨時鋼支撐。設計臨時支撐采用H型鋼，型號為HM250×175，豎向間距為2.0m，橫向設置2道，布置于風井長邊的約1/3處，風井每個角均設置斜撐，豎向間距為2.0m。

2.7 豎井貫通段施工

考慮井底施工安全風險較高，當施工至井底距風道初期支護結構距離較小時易產生整體塌落，為防止整體塌落造成結構失穩及作業人員、設備的傷害，當井底施工面至風道初期支護結構距離為10米時將爆破進尺調整為1.0米，當井底施工面至風道初期支護結構距離為5米時，風道內部通過漏渣孔形成的堆渣不再徹底清理，隨開挖隨清理，開挖多少清理多少，并要求將洞渣堆至距漏渣孔底約1米左右，以防止豎井底未開挖巖層突然掉落，確保安全。開挖至風道初期支護結構距離為1米時，先開挖一側，貫通井底;井底以下渣土不再清理，然后開挖另一側貫通井底。當豎井貫通后可以利用開挖臺架從上往下逐榀施作豎井底部初期支護。要求豎井格柵鋼架施作時與接口處密排三榀鋼拱架焊接牢固。

3 數值模擬

以重慶市地鐵10號線鯉魚池車站為依托，利用Midas模擬軟件模擬暗挖地鐵車站風井結構和風道轉換段施工工況，建立三維計算模型，對比解析豎井常規開挖法與反井法施工對風井和風道轉換段圍巖、支護結構的受力情況，對反井法開挖技術的安全性和合理性進行評估。

3.1 模型建立

由于工程地質的復雜多變，為了便于模型建立和計算，在滿足模擬計算準確度的前提下，假定：（1）假定巖體各個地質層間巖質均勻，且呈水平狀分布;（2）圍巖巖體為彈塑性介質;（3）模擬中不考慮地層的構造應力，只考慮自重應力。

根據已有建模經驗，由于洞室的開挖，一般在大于3倍洞徑以外的區域對圍巖的影響小于5%，大于5倍洞徑的區域小于1%。因此結合工程實際需要綜合考慮，本工程的數值模型建立范圍：左側限界取隧道開挖輪廓線外側80m;右側限界取隧道開挖輪廓線外側50m;下側邊界取隧道開挖輪廓線外側75m;上側邊界選取在地表;沿隧道掘進方向選取166m，建模完成后共計劃分網格161243個單元（45833個節點）。

3.2 邊界條件和本構模型

根據設計勘察提供的地勘資料，數值模擬將地層規為六層，分別為4m填土層、3m中等風化砂巖層、16m弱風化砂巖、20m砂巖、44m中風化砂質泥巖和79m砂質泥巖。模型設置頂面約束為自由，約束限制前后限界和左右限界上法向的位移，約束限制下底面X、Y、Z的位移。

3.3 數值模擬分析

為了更好的反應模擬工況，模型設置了風道與風井轉換段的起止兩個分析斷面，通過模擬施工開挖的掘進工況，對比分析兩個斷面的圍巖位移、初支結構的位移以及應力大小變化等參數，進而判斷圍巖和初支結構的安全穩定性。設置每個斷面的拱頂和兩側拱腰3個位移點，設置每個斷面拱頂、拱腰和拱腳5個應力點。

3.3.1 位移對比結果

（1）圍巖位移。對比分析選取的分析斷面1和2的位移結果，見表1。

反井法開挖得到的拱頂沉降最大值比常規開挖法大，但向上隆起的最大值較為接近;在水平收斂方面，反井法得到的水平收斂值要比常規開挖法的位移大。

綜合圍巖整體位移和分析斷面圍巖位移對比結果可知，反井法得到的位移結果均比常規開挖法得到的位移大，但反井法和常規開挖法得到的圍巖位移最大值均在安全范圍內，由于常規開挖法的渣土提升風險更大，設備要求更高

（2）支護結構位移。研究斷面初期支護位移對比分析見表2。

對于風井和通風道交叉斷面，反井法開挖得到的研究斷面支護結構的拱頂沉降和水平收斂都要比常規開挖法得到的位移大。

綜上所述，對于支護結構的豎向和水平位移，反井法分析結果比常規開挖法分析結果更大，但反井法和常規開挖法得到的初期支護數值模擬結果均在安全范圍內，但常規開挖法的渣土提升風險更大，設備要求更高。

3.3.2 應力對比結果

（1）圍巖主應力。風井和通風道全部開挖完成后，兩種施工方法得到的圍巖整體主應力數值模擬結果見表3。

最大主應力方面，反井法得到的最大和最小壓應力值比常規開挖法都小，而且均無拉應力存在;最小主應力方面，兩種開挖方法的數值模擬結果既有壓應力又有拉應力，其中兩種方法得到的最大壓應力值相同，反井法的最大拉應力值比常規開挖法的要大0.08MPa，但均在安全允許范圍內。因此，通風豎井的施工應首選反井法。

（2）初支結構主應力。模擬風道和風井掘進作業完成，兩種作業方法的初支結構應力數值結果見表4。

反井法得到的初支結構最大和最小主應力值均比常規開挖法得到的要大，而且拉應力最大值均已經大于混凝土極限抗拉強度，作業中應在再局部位置采取加強防護措施。

綜上所述，反井法和常規開挖法得到的圍巖主應力的數值模擬結果均在安全范圍內，但反井法的結果明顯比常規開挖法小;兩種開挖方法得到的支護結構的主應力，壓應力最大值已與混凝土的抗壓極限強度相當，拉應力最大值局已大于混凝土的抗拉強度，反井法得到的結果比常規開挖法要大，在施工時應注意由于應力集中帶來的安全隱患。但由于常規開挖法的渣土提升風險更大，設備要求更高。

3.3.3 塑性區對比結果

風井和通風道全部開挖完成后，兩種施工方法得到的圍巖塑性區分布特征如表5所示。

反井法開挖圍巖的塑性區域（顏色的區域）主要集中在風井和通風道交叉斷面靠近風井一側;而常規開挖法的塑性區域主要集中在風井和通風道交叉斷面靠近通風道一側，也零星分布在通風道的其他部位。總體而言，反井法開挖得到的圍巖塑性區域要比常規開挖法得到的塑性區域要大，也更加集中，但由于其塑性區靠近風井一側，比常規開挖法得到的塑性區靠近通風道一側要好，通風豎井施工應首選反井法。

3.3?結論

鯉魚池車站由于先完成風道施工后進行通風豎井的開挖施工，在充分加強局部支護的情況下，均采用理論分析中的反井法進行通風豎井的開挖。開挖后取三個有效監測斷面的監測情況如圖1和圖2所示。

反井法導致豎向風井短時位移以及短時應力較大，也就是局部產生較大應力區。但是，由于風道首先開挖完成并且在豎向風井開挖過程中施工支護及時，局部位移并未超過預警線。在7周以后，豎向風井位移變形趨于收斂?？梢哉J為此時應力釋放完全，應力重分布結束，豎向風井局部塑性區不會產生進一步擴展。

4?結論

文章以重慶市地鐵十號線鯉魚站風井結構工程為依托，研究了地鐵豎井反井法施工方法，詳細敘述了該技術的施工工序，同時通過對施工工況進行數值模擬，建立通風豎井反井法和常規開挖法的三維有限元數值模型，通過模擬反井法及常規開挖法整個作業過程的工況，收集分析了圍巖位移、初支結構位移、應力變化及圍巖塑性區的相關數據，對兩種開挖方法進行對比分析。兩種方法的圍巖位移及初支結構的位移數據均在安全允許范圍，兩種開挖方法部分開挖的拉應力最大值大于混凝土的極限抗拉值，存在混凝土拉裂破壞的隱患，因此需進行局部加強。同時風井和風道的交叉斷面和風道轉彎處圍巖和初支結構的應力值較大，且塑性區在交叉斷面位置也較為集中，因此施工時應特別注意采取加強措施，同時加強監測和防護，確保安全。

經過分析評估反井法技術實施的安全性與合理性，并通過實際施工過程中的監測數據與評估數據進行對比分析，確認該技術得到了成功應用。豎井采用反井法施工，利用漏渣孔出渣，能有效解決豎井開挖出渣難問題，同時形成“煙囪效應”改善車站主體施工環境，而且一定程度上增加豎井爆破開挖臨的空面，從而爆破效果顯著提高。該技術工序簡單，操作便捷，相對傳統提升出渣大大節約時間，工效能得到顯著提高，有效的避免圍巖結構長時間裸露造成失穩垮塌，能快速組織各個工序施工，確保豎井圍護結構安全，同時工期也能得到有效保證，極大的節約成本。

收稿日期：2019-08-22

作者簡介：于金龍（1988—），男，天津人，本科，工程師，研究方向：市政工程。

Application of Counter Well Method in the Construction of Ventilation Shaft in Super Deep Subway Station

YU Jinlong

（China Railway No.6 Engineering Group Beijing Railway Construction Co.，?Ltd，?Beijing 100000）

Abstract：?Liyuchi station of Chongqing Rail Transit Line 10 （liyuchi Wangjiazhuang section） project is a underground excavation station，?the buried depth of the vault of the station is 41.6m-50.5m，?the depth of the air shaft is large，?the stress of the air shaft and the air duct transition section is complex，?and the construction risk is large. In order to complete the shaft construction task quickly and safely，?through optimization analysis and summary，?the counter shaft construction technology of underground metro shaft is formed，?based on this，?through the numerical simulation of the construction process，?the advantages and disadvantages of the conventional excavation method and the anti well method are compared and analyzed，?which provides a theoretical basis for the engineering application.

Keywords：?ultra deep; air shaft; inverted well; modeling comparison