復雜環境下地鐵區間風井設計方案研究

安應選，楊 碩，余 璞

（中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西西安 710054）

1 區間風井選址及工程地質概況

西安地鐵紡織城站—香王站區間風井位于香王收費站外廣場下方，區間長度2.3 km，區間風井東西兩側接盾構區間。根據通風系統演算結果，須在該區間內設置1處區間風井，以滿足隧道通風要求。根據規范要求，區間風井設置位置不得小于區間總長度的1/3，即設置位置應在紡織城站—香王站方向830～1 660 m范圍。據現場踏勘及反復研究，風井設置在香王收費站西側150 m處工程可實施性較高。紡織城站—香王站區間風井位置見圖1。

圖1 紡織城—香王區間風井位置示意圖

根據鉆孔揭露，區間風井場地在勘探深度65 m范圍內的地層主要為第四系堆積物，地層自上而下分別為1-1素填土、2-1黃土狀土、2-10卵石土、4-3粉質黏土。區間風井地層分布見圖2。

圖2 區間風井地層分布圖

詳細勘察階段地下水潛水位埋深約16 m，根據勘察結果及區域地質資料，覆蓋層為第四系松散層，含水層主要為強透水的粉細砂、中粗砂、圓礫土、卵石土和弱透水的黏性土，潛水含水層底板埋深大于80 m，地下水位年變化幅度約1.5～2 m。

2 區間風井方案研究

由于紡織城站—香王站區間明挖順筑法區間風井位于繞城高速香王收費站外廣場，施工需進行交通疏解，經與高速公路產權單位溝通，該處為收費站進出口交通樞紐地帶，車流量大，存在有西安市唯一的300 t以上地磅，超重車輛均需從此處通過，不具備交通疏解條件；另外，與施工現場溝通，根據實際施工工籌計劃，本區間工程施工工期緊迫。在此背景下，在設計階段提出明挖順筑法，明挖+暗挖法，先井后盾及先盾后井的明、暗挖結合等4種設計方案，并針對這4種設計方案進行詳細研究、比選。

2.1 方案 1

2.1.1 方案總體設計

方案1總體設計為主體結構為地下三層框架結構+地下二層框架結構，圍護結構采用鉆孔灌注樁+內支撐支護形式，明挖順筑法施工，共分3期施工。方案1總體設計平面和圍護結構斷面示意圖分別見圖3、圖4。

圖3 方案1總平面布置示意圖

圖4 方案1斷面示意圖

2.1.2 方案分析

（1）方案優點。①明挖半鋪蓋順筑法施工在西安類似工程中運用廣泛，工程造價低、施工速度快，施工風險低等；②盾構空推經過區間風井工程經驗較為成熟。

（2）方案缺點。①施工期間需要分3期進行交通疏解，此工程位于高速公路收費站外廣場與市政道路過渡帶的咽喉處，交通疏解難度較大；②地層加固難度大，效果欠佳，且加固費用較高；③需待風井修建完成后，進行盾構掘進，工期受限。

2.2 方案 2

2.2.1 方案總體設計

方案2總體設計為由左線隧道北側的地下三層三跨鋼筋混凝土矩形框架結構+左右線隧道間地下三層鋼筋混凝土矩形框架結構+兩處明挖結構中間上跨區間左線的暗挖通道+兩處明挖三層結構等4部分組成的結構，并分別與左右線盾構隧道暗挖橫通道連通。方案2擬采用“明挖+暗挖”法施工，共分4期施工，一期施工左線盾構破洞范圍地層加固，二期施工右線盾構破洞范圍地層加固，三期施工位于紡北路中間位置的地下三層明挖結構，四期施工位于紡北路北側空地內的地下三層明挖結構。方案2總體設計及圍護結構斷面示意圖分別見圖5、圖6。

圖5 方案2總體設計平面示意圖

圖6 方案2圍護結構斷面示意圖

2.2.2 方案分析

（1）方案優點。①較方案1占用既有地面道路面積大幅減少，縮短交通疏解時間，從而減少工程對收費站外廣場交通影響；② 對于整個區間工程籌劃有利，可根據區間工程籌劃進行靈活調整，可先施工風井后進行盾構隧道掘進，或者先進行盾構掘進后施工區間風井。

（2）方案缺點。①結構由2處明挖結構+10處暗挖結構構成，施工分期較多，工序轉換頻繁，不利于現場施工組織；②工程分塊較為零散（左右線一共設置8個暗挖橫通道，均需在盾構管片上開洞），施工工法轉換較多，施工組織難度大，施工質量控制難度較大；③左右線盾構隧道分別采用4個暗挖橫通道與明挖豎井連通，管片側面開洞較多；④需要調整正線盾構隧道，加大左右線線間距，保證在左右線之間設置1處明挖豎井的條件；⑤后期明挖基坑開挖過程中可能會造成盾構隧道受力不均勻，導致管片變形過大。

2.3 方案 3

2.3.1 方案總體設計

為避免交通疏解、綠化改遷等工作，在左線隧道北側空地內設置地下三層明挖風井+地下一層明挖風道，香王收費站外廣場道路下方采用地下二層單跨暗挖橫通道連接隧道，滿足區間風井功能需求。

方案3先施工區間風井，暗挖風道回填后盾構隧道正常掘進通過。區間風井方案3的結構總體設計平面圖和斷面圖分別見圖 7、圖8。

圖7 方案3總體設計平面示意圖

圖8 方案3結構斷面示意圖

2.3.2 方案分析

（1）方案優點。①該方案避免路面交通疏解，可極大限度滿足高速公路產權單位對減少道路交通疏解的要求；②區間風井僅為1處明挖豎井（位于道路以外）+1處暗挖橫通道即可滿足功能需求；③工序轉換少，有利于現場施工組織。

（2）方案缺點。①暗挖橫通道開挖高度較大，且存在洞內變斷面施工，工程風險較大；②暗挖橫通道拱頂位于黃土狀土與卵石層交接處，施工風險較大；③二襯施工期間需進行倒撐，施工難度大。

2.4 方案 4

2.4.1 方案總體設計

方案4為在方案3暗挖橫通道施工工期滯后，不能滿足盾構隧道按期通過區間風井的工期要求時，將施工工序調整為先施工盾構隧道，后施工暗挖橫通道方案。方案4總體設計平面、斷面示意圖見圖9、圖10。

圖9 方案4總體設計平面示意圖

圖10 方案4斷面示意圖

2.4.2 方案分析

（1）方案優點。①避免路面交通疏解，可極大限度滿足高速公路產權單位對減少道路交通疏解的要求；②采用“先盾構后暗挖方案”可保證正線盾構法隧道按計劃始發掘進。

（2）方案缺點。①盾構管片之間采用螺栓連接，在橫通道施工過程中需割除管片，剩余管片間原有的張拉力存在損失，影響管片防水；②礦山法橫通道初支結構施工時，將頂部豎向荷載作用于先施工完成盾構管片之上，存在一定風險；③盾構掘進施工對地層存在擾動，待盾構施工完成后再施工礦山法橫通道時對地層存在二次擾動，導致地面沉降過大等風險；④施工難度大、工期長。

3 區間風井設計方案確定及施工重難點控制

通過對以上區間風井4種設計方案的分析研究，在工程造價增加不多，工程實施難度、安全風險可控的前提下，避免地面交通疏解，滿足盾構按期始發條件。經比選，方案3和方案4為最優方案，最終經建設單位與高速公路產權單位協調，確定紡織城—香王區間風井采用方案4實施。方案4施工重難點控制如下。

（1）卵石層地層加固。橫通道從上至下分4個臺階施工，針對暗挖橫通道對地層產生的二次擾動的風險，需對橫通道上部一、二臺階進行全斷面注漿加固。

（2）盾構管片范圍堵水注漿加固。針對卵石層降水效果差、盾構隧道范圍降水深度大的風險，需對后施工礦山法橫通道影響范圍內的盾構管片外輪廓外放3 m范圍內土體采用洞內注漿加固，沿盾構隧道縱向加固長度為礦山法橫通道兩側各外放3 m。

（3）盾構管片內部加固。針對已施工完成的盾構隧道管片之間為柔性連接、抗變形能力差、礦山法橫通道后期開挖造成盾構管片上浮、受偏壓影響水平位移等重大風險，以及后施工礦山法橫通道初支兩側鋼架底部位于盾構管片上方，可能導致盾構管片局部破壞等風險，需對先期施工完成的盾構隧道采取洞內回填加固措施。

（4）暗挖風道與盾構隧道連接。待橫通道完成施工后，拆除二襯預留洞口的橫通道初支，將正線盾構隧道與暗挖橫通道連接完整。

4 結論

復雜環境下地鐵區間風井設計方案研究表明，區間風井選址在地面交通疏解、管線遷改、綠化移植，且前期工作受限時，可優先考慮采用明、暗挖結合的設計思路。本研究選擇方案3或者方案4進行區間風井設計，可降低前期工作協調難度，并可根據盾構正線隧道的施工進度及時調整工程籌劃，靈活選擇“先盾后井”或者“先井后盾”設計方案，使工程得以順利實施。