淺析反井法在超深地鐵車站通風(fēng)豎井施工中的應(yīng)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(fēng)井深度大，風(fēng)井和風(fēng)道轉(zhuǎn)換段受力復(fù)雜，施工風(fēng)險較大。常規(guī)開挖提升出渣安全風(fēng)險大、工作效率低，為了快速安全的完成豎井施工任務(wù)，經(jīng)優(yōu)化分析總結(jié)形成了暗挖地鐵豎井反井法施工技術(shù)，基于此，本文通過數(shù)值模擬施工過程，對比分析了常規(guī)開挖法和反井法的優(yōu)缺點，為工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超深;風(fēng)井;反井;數(shù)值模擬

中圖分類號：U455.8 ???文獻標(biāo)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(shè)的大力推進，各城市地鐵車站、區(qū)間隧道、車站出入口、風(fēng)道的深埋地下施工等一系列高難度問題應(yīng)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(fēng)道豎井施工難問題。重慶地鐵十號線鯉魚池站含兩座風(fēng)道豎井分別為1號風(fēng)道豎井、2號風(fēng)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(fù)雜，施工作業(yè)場地局限?；诖私Y(jié)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(fēng)井結(jié)構(gòu)和風(fēng)道轉(zhuǎn)換段施工工況，通過建立三維計算模型，對比解析豎井常規(guī)開挖法與反井法施工對風(fēng)井和風(fēng)道轉(zhuǎn)換段圍巖、支護結(jié)構(gòu)的受力情況，對反井法開挖技術(shù)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(jié)構(gòu)寬25.2m，高度20.81m。車站拱頂埋深約41.6m～50.5m，車站兩端設(shè)置兩座風(fēng)井。

1號豎井位于鯉魚池車站東北側(cè)，1號風(fēng)道中心線與主體結(jié)構(gòu)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(fēng)道凈寬為13.4m，風(fēng)道凈高13.7m，風(fēng)道上部覆土厚度約50m，風(fēng)道總長35.1m，風(fēng)道上部填土厚度1-2m，下伏基巖主要為砂質(zhì)泥巖1（中風(fēng)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(cè)，2號風(fēng)道中心線與主體結(jié)構(gòu)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(zhì)泥巖1（中風(fēng)化巖石），圍巖級別為Ⅳ級。2號風(fēng)道凈寬度為13.4m，風(fēng)道凈高13.7m，上部覆土厚度46-50m，風(fēng)道總長66m，風(fēng)道上部填土厚度4-7m，下伏基巖以砂巖為主并伴有砂質(zhì)泥巖1（中風(fēng)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(fēng)道暗挖段按設(shè)計施工開挖至豎井底部，再采用反井鉆機在風(fēng)井長度方向約1/4處分別自地表向下鉆設(shè)直徑為270mm的導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔打設(shè)至既有開挖支護完成的風(fēng)道，在風(fēng)道內(nèi)將導(dǎo)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(fēng)和漏渣孔，巖屑沿漏渣孔落入風(fēng)道內(nèi)集中清運，最后自上而下按設(shè)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(zhǔn)備→測量放線→風(fēng)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(dǎo)線控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)精度，且必須進行復(fù)測，放樣孔位、開挖輪廓線必須精準(zhǔn)，確保平面位置、高程的準(zhǔn)確性?？紤]到豎井及風(fēng)道開挖自身施工工藝、施工誤差、結(jié)構(gòu)變形等情況，應(yīng)該適當(dāng)外放輪廓線，確保建筑界限及結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸。

2.3 風(fēng)道暗挖段施工

打設(shè)反井孔之前，必須完成風(fēng)道的開挖支護。風(fēng)道采用CD法施工，開挖采用控制爆破法。首先開挖上導(dǎo)洞，左右洞錯開5～8m;待上導(dǎo)洞完成后，結(jié)合該部分車站開挖及支護情況，進行風(fēng)道暗挖段中導(dǎo)洞開挖，左右洞錯開5～8m;最后在完成下導(dǎo)洞開挖，初支結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)。開挖施工必須遵守“管超前、嚴(yán)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(chǎn)生較大沖擊，為確保豎井施工過程中風(fēng)道的支護結(jié)構(gòu)安全，施工風(fēng)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(fēng)道縱向設(shè)置鋼拱架，縱向間距80cm，并在反井孔兩側(cè)50cm位置增設(shè)密排3榀工22a鋼拱架，斷面形式同風(fēng)道斷面;垂直于風(fēng)道方向在反井孔兩側(cè)50cm位置密排2根工22a工字鋼，該工字鋼架設(shè)于環(huán)向鋼架之上，并與環(huán)向鋼架焊接牢固，形成“剛性環(huán)”，確保拱頂穩(wěn)定牢固。錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土等支護參數(shù)同風(fēng)道支護參數(shù)。

2.5 反井孔施工

將反井鉆機固定在提前澆筑完成并達(dá)到強度要求的混凝土基座上，自上而下鉆進直徑270mm導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔和下部風(fēng)道貫通后，將導(dǎo)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(jù)現(xiàn)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(jù)反井鉆機型號預(yù)留鉆機底座固定螺栓?；鶑姸葷M足要求后安裝調(diào)試鉆機設(shè)備。

（2）安裝及導(dǎo)向孔鉆進。1）導(dǎo)向孔鉆進過程中前5m是第一節(jié)鉆桿作業(yè)，它直接影響后續(xù)桿節(jié)的鉆進方向與精度，宜采用低速緩慢鉆進，待第一節(jié)作業(yè)完畢恢復(fù)正常速度繼續(xù)施工，同時過程中全程對鉆桿及機械的垂直度進行監(jiān)控，出現(xiàn)騙擦及時調(diào)整，以免導(dǎo)向孔偏離既定位置。2）導(dǎo)向孔鉆進過程注意查看巖屑情況，通過巖屑判斷地質(zhì)情況，并于設(shè)計地勘資料進行對比分析，從而為后續(xù)豎井開挖施工提供參考。3）導(dǎo)向孔鉆進過程中，加強對不良地質(zhì)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(huán)量，達(dá)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(fēng)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(zhuǎn)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(wěn)定后再常速鉆進。2）反向銑挖過程時，風(fēng)道設(shè)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(yè)中，根據(jù)巖層的軟硬程度操作手適時調(diào)整鉆壓，控制鉆進速度，設(shè)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(dāng)反銑挖至距基座2～3m時，調(diào)低鉆壓，放慢鉆速，同時查看基座及周邊巖體是否正常，出現(xiàn)異常應(yīng)當(dāng)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(huán)境及既有建筑物影響，對豎井地面以下10m范圍內(nèi)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(biāo)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(jù)設(shè)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(fēng)道自車站主體內(nèi)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(tǒng)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(huán)向間距1m。錨桿施作完成后進行格柵拱架施工，設(shè)計永久支護結(jié)構(gòu)參數(shù)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(nèi)外側(cè)雙層設(shè)置，根據(jù)臨時鋼支撐設(shè)計要求預(yù)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(dāng)噴射混凝土施作完成后為確保豎井結(jié)構(gòu)安全，按設(shè)計要求需及時進行臨時鋼支撐。設(shè)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(shè)置2道，布置于風(fēng)井長邊的約1/3處，風(fēng)井每個角均設(shè)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(fēng)險較高，當(dāng)施工至井底距風(fēng)道初期支護結(jié)構(gòu)距離較小時易產(chǎn)生整體塌落，為防止整體塌落造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及作業(yè)人員、設(shè)備的傷害，當(dāng)井底施工面至風(fēng)道初期支護結(jié)構(gòu)距離為10米時將爆破進尺調(diào)整為1.0米，當(dāng)井底施工面至風(fēng)道初期支護結(jié)構(gòu)距離為5米時，風(fēng)道內(nèi)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(fēng)道初期支護結(jié)構(gòu)距離為1米時，先開挖一側(cè)，貫通井底;井底以下渣土不再清理，然后開挖另一側(cè)貫通井底。當(dāng)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(shù)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(fēng)井結(jié)構(gòu)和風(fēng)道轉(zhuǎn)換段施工工況，建立三維計算模型，對比解析豎井常規(guī)開挖法與反井法施工對風(fēng)井和風(fēng)道轉(zhuǎn)換段圍巖、支護結(jié)構(gòu)的受力情況，對反井法開挖技術(shù)的安全性和合理性進行評估。

3.1 模型建立

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

根據(jù)已有建模經(jīng)驗，由于洞室的開挖，一般在大于3倍洞徑以外的區(qū)域?qū)鷰r的影響小于5%，大于5倍洞徑的區(qū)域小于1%。因此結(jié)合工程實際需要綜合考慮，本工程的數(shù)值模型建立范圍：左側(cè)限界取隧道開挖輪廓線外側(cè)80m;右側(cè)限界取隧道開挖輪廓線外側(cè)50m;下側(cè)邊界取隧道開挖輪廓線外側(cè)75m;上側(cè)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(wǎng)格161243個單元（45833個節(jié)點）。

3.2 邊界條件和本構(gòu)模型

根據(jù)設(shè)計勘察提供的地勘資料，數(shù)值模擬將地層規(guī)為六層，分別為4m填土層、3m中等風(fēng)化砂巖層、16m弱風(fēng)化砂巖、20m砂巖、44m中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和79m砂質(zhì)泥巖。模型設(shè)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(shù)值模擬分析

為了更好的反應(yīng)模擬工況，模型設(shè)置了風(fēng)道與風(fēng)井轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的位移以及應(yīng)力大小變化等參數(shù)，進而判斷圍巖和初支結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。設(shè)置每個斷面的拱頂和兩側(cè)拱腰3個位移點，設(shè)置每個斷面拱頂、拱腰和拱腳5個應(yīng)力點。

3.3.1 位移對比結(jié)果

（1）圍巖位移。對比分析選取的分析斷面1和2的位移結(jié)果，見表1。

反井法開挖得到的拱頂沉降最大值比常規(guī)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(guī)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(jié)果可知，反井法得到的位移結(jié)果均比常規(guī)開挖法得到的位移大，但反井法和常規(guī)開挖法得到的圍巖位移最大值均在安全范圍內(nèi)，由于常規(guī)開挖法的渣土提升風(fēng)險更大，設(shè)備要求更高

（2）支護結(jié)構(gòu)位移。研究斷面初期支護位移對比分析見表2。

對于風(fēng)井和通風(fēng)道交叉斷面，反井法開挖得到的研究斷面支護結(jié)構(gòu)的拱頂沉降和水平收斂都要比常規(guī)開挖法得到的位移大。

綜上所述，對于支護結(jié)構(gòu)的豎向和水平位移，反井法分析結(jié)果比常規(guī)開挖法分析結(jié)果更大，但反井法和常規(guī)開挖法得到的初期支護數(shù)值模擬結(jié)果均在安全范圍內(nèi)，但常規(guī)開挖法的渣土提升風(fēng)險更大，設(shè)備要求更高。

3.3.2 應(yīng)力對比結(jié)果

（1）圍巖主應(yīng)力。風(fēng)井和通風(fēng)道全部開挖完成后，兩種施工方法得到的圍巖整體主應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果見表3。

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

（2）初支結(jié)構(gòu)主應(yīng)力。模擬風(fēng)道和風(fēng)井掘進作業(yè)完成，兩種作業(yè)方法的初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值結(jié)果見表4。

反井法得到的初支結(jié)構(gòu)最大和最小主應(yīng)力值均比常規(guī)開挖法得到的要大，而且拉應(yīng)力最大值均已經(jīng)大于混凝土極限抗拉強度，作業(yè)中應(yīng)在再局部位置采取加強防護措施。

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

3.3.3 塑性區(qū)對比結(jié)果

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

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

3.3?結(jié)論

鯉魚池車站由于先完成風(fēng)道施工后進行通風(fēng)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(fēng)豎井的開挖。開挖后取三個有效監(jiān)測斷面的監(jiān)測情況如圖1和圖2所示。

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

4?結(jié)論

文章以重慶市地鐵十號線鯉魚站風(fēng)井結(jié)構(gòu)工程為依托，研究了地鐵豎井反井法施工方法，詳細(xì)敘述了該技術(shù)的施工工序，同時通過對施工工況進行數(shù)值模擬，建立通風(fēng)豎井反井法和常規(guī)開挖法的三維有限元數(shù)值模型，通過模擬反井法及常規(guī)開挖法整個作業(yè)過程的工況，收集分析了圍巖位移、初支結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力變化及圍巖塑性區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，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(jié)構(gòu)的位移數(shù)據(jù)均在安全允許范圍，兩種開挖方法部分開挖的拉應(yīng)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(fēng)井和風(fēng)道的交叉斷面和風(fēng)道轉(zhuǎn)彎處圍巖和初支結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值較大，且塑性區(qū)在交叉斷面位置也較為集中，因此施工時應(yīng)特別注意采取加強措施，同時加強監(jiān)測和防護，確保安全。

經(jīng)過分析評估反井法技術(shù)實施的安全性與合理性，并通過實際施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)與評估數(shù)據(jù)進行對比分析，確認(rèn)該技術(shù)得到了成功應(yīng)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(yīng)”改善車站主體施工環(huán)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(shù)工序簡單，操作便捷，相對傳統(tǒng)提升出渣大大節(jié)約時間，工效能得到顯著提高，有效的避免圍巖結(jié)構(gòu)長時間裸露造成失穩(wěn)垮塌，能快速組織各個工序施工，確保豎井圍護結(jié)構(gòu)安全，同時工期也能得到有效保證，極大的節(jié)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