蘭州地鐵1號線下穿黃河區(qū)間隧道通風豎井施工方案研究

霍 濱

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730043)

0 引言

隨著我國城市交通建設(shè)的高速發(fā)展，穿越江河的隧道工程逐漸出現(xiàn)，如上海、南京、武漢、杭州等地先后興建穿越江河的隧道工程[1-4]，同時，穿越黃河的隧道工程也隨之興起，最先出現(xiàn)的是南水北調(diào)、西氣東輸穿黃隧道[5-6]。對于穿越黃河地鐵隧道的研究，主要集中在穿越黃河的蘭州地鐵1號線上[7]，國內(nèi)部分學者從施工技術(shù)、模型試驗、數(shù)值分析、風險評估等方面進行深入研究，如張莎莎等[8]對穿黃盾構(gòu)隧道關(guān)鍵施工技術(shù)進行研究；王飛[9]分析盾構(gòu)穿越的施工難點，并提出針對性措施；方勇等[10]開展下穿黃河盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)受力特征模型試驗；賈少春[11]采用有限元分析方法對盾構(gòu)隧道下穿黃河施工對已建橋梁基礎(chǔ)的影響進行模擬分析；賈劍青等[12]建立了下穿黃河隧道盾構(gòu)施工風險指標體系，并采用層次分析法及多級模糊綜合評價法，對下穿黃河隧道盾構(gòu)施工風險進行評價研究。目前，對于穿黃區(qū)間通風豎井的研究極少。本文結(jié)合蘭州地鐵1號線穿黃通風豎井的位置、結(jié)構(gòu)、防災(zāi)和通風進行了研究，并針對工程難點，對施工方案進行了深入分析，得出黃河地鐵區(qū)間隧道通風豎井設(shè)計思路。

1 工程概況

地鐵隧道穿越黃河工程在蘭州地鐵1號線一期工程首次實現(xiàn)，工程全長26km，1號線在安寧—西固的“三灘”地區(qū)兩次下穿黃河。蘭州地鐵黃河隧道平面線位如圖1所示。

圖1 蘭州地鐵黃河隧道平面

1號線迎門灘站—馬灘站區(qū)間主體采用盾構(gòu)施工，由迎門灘站出站后，下穿黃河沿銀安路下方鋪設(shè)，下穿黃河段里程為YDK13+841—YDK14+245(北岸河堤里程YDK13+841、南岸河堤里程YDK14+245)，下穿黃河段長度約404m。由于周邊規(guī)劃尚未完全形成，場地條件相對較好，線路采用雙線同側(cè)繞避銀灘大橋，由大橋上游下穿通過，最后到達馬灘站。區(qū)間主體采用盾構(gòu)施工。

2 工程地質(zhì)條件

蘭州地鐵1號線迎門灘-馬灘區(qū)間鉆探深度內(nèi)地表一般分布人工填土，其下為第四系全新統(tǒng)卵石及中砂透鏡體，第四系下更新統(tǒng)卵石。場地地層自上而下劃分為4層，其地層巖性特征如表1所示。

表1 地層巖性特征

場地地下水類型為沖積松散巖類孔隙水，主要含水層為砂卵礫石層。地下水主要賦存于②⑩和③卵石層中。區(qū)內(nèi)由砂卵礫石構(gòu)成的含水層，最大厚度可達316.77m。該區(qū)砂卵礫石層大致可以分為2層，上部150m 左右為疏松的砂礫卵石，下部砂礫卵石顆粒變細，較密實，含水層主要位于上部150m 范圍內(nèi)?？辈炱陂g區(qū)間地下水位埋深8.86～11.66m。

3 通風豎井工程難點

3.1 無可借鑒工程參考

蘭州地鐵黃河隧道工程屬黃河上首座交通工程類穿河隧道，在黃河上修建通風豎井無相似工程經(jīng)驗可以借鑒。

3.2 周邊環(huán)境復(fù)雜

通風豎井等附屬工程規(guī)模大，附屬設(shè)施需滿足黃河隧道的走向及線網(wǎng)，豎井工程受控于黃河、橋梁、道路及建筑物等影響，受控因素較多。蘭州地鐵黃河隧道豎井工程周邊條件較為復(fù)雜，增加了工程設(shè)計和施工難度。

3.3 地質(zhì)條件特殊

黃河蘭州段屬上游河段，由于地層演變，蘭州地鐵1號線黃河隧道及通風豎井所處地層受七里河斷陷盆地影響，以巨厚層狀強透水砂卵石層為主，工程地質(zhì)條件較差。地下水主要賦存于卵石層，屬斷陷盆地松散巖類孔隙潛水。卵石土綜合滲透系數(shù)為55～62m/d，為強透水地層。在高水壓、強透水的砂卵石地層條件下，深大豎井的圍護和主體結(jié)構(gòu)實施難度非常大。

4 通風豎井方案研究

4.1 位置分析

4.1.1位置選擇原則

為保證運營階段地鐵防災(zāi)救援，有必要設(shè)置穿越黃河長大區(qū)間通風豎井，位置選擇原則如下。

1)黃河通風豎井需避開河道，與橋梁匝道等不發(fā)生沖突。

2)有相對充足的施工場地滿足豎井施工。

3)按通風防災(zāi)要求，最佳位置為隧道1/2處，具體以功能計算為依據(jù)。

4)中間通風豎井與聯(lián)絡(luò)通道、泵房、盾構(gòu)檢修井盡量合設(shè)。

4.1.2豎井選址

黃河通風豎井選址需綜合考慮通風、結(jié)構(gòu)、規(guī)劃、拆遷、豎井周圍條件等因素。對黃河通風豎井設(shè)置在河堤濕地公園、黃河北岸、黃河南岸3種方案進行對比研究。

1)黃河河堤濕地公園進入汛期后，濕地公園將被黃河水淹沒，成為黃河水體的一部分，豎井設(shè)置于公園內(nèi)，受黃河水體影響非常明顯，很容易誘發(fā)滲漏涌水等事故，施工期間將無法降水，存在很大的施工風險，對后期永久性的運營結(jié)構(gòu)而言也非常不利，因此該方案不可行。

2)黃河南岸通風豎井位置方案位于4S店臨時地塊上，因拆遷賠付問題協(xié)商無果，4S店拆遷代價太大，黃河通風豎井無法“落地”。

3)黃河北岸通風豎井方案中，通風豎井與聯(lián)絡(luò)通道合設(shè)，聯(lián)絡(luò)通道兼泵房設(shè)置于黃河南岸。通風豎井位置相對全隧道不均衡，通風功能略有損失，經(jīng)計算,采用通風措施后能夠保證功能要求，防災(zāi)疏散能夠保證同一時間段,一個區(qū)間只發(fā)生一處火災(zāi)等事故。方案可減少拆遷，解決拆遷協(xié)調(diào)問題；減少豎井結(jié)構(gòu)施工難度，南岸增加的聯(lián)絡(luò)通道兼泵房可通過加固措施保證安全實施，減少工程投資。

黃河通風豎井南、北岸兩個方案的技術(shù)經(jīng)濟比選如表2所示。對比分析可知，北岸方案技術(shù)可行，投資最少，黃河隧道通風豎井最終設(shè)置于黃河北岸。

表2 技術(shù)經(jīng)濟比選

4.2 通風豎井結(jié)構(gòu)形式

4.2.1豎井寬度

黃河底部砂卵石地層透水性強，自穩(wěn)性較差，為最大限度避免左、右線在掘進過程中的相互影響，兩管隧道中間凈土厚度建議大于2D(隧道洞徑D=6.2m)，中間通風豎井位置與兩隧道最大凈距11.8m，確定中間通風豎井主體結(jié)構(gòu)設(shè)計長度為28.8m，凈空25.8m(見圖2)。

圖2 黃河隧道通風豎井寬度設(shè)計

4.2.2豎井深度

以工程所在處河道沖刷論證報告為基礎(chǔ)，考慮最大沖刷線以下預(yù)留一定安全距離，兼顧兩端車站埋深、區(qū)間附屬修建及線路坡度等因素，根據(jù)自然沖刷、一般沖刷及橋墩局部沖刷計算得出沖刷影響包絡(luò)線，按河床最大沖刷深度以下預(yù)留不小于1D安全距離為主，以控制隧道縱斷面坡度及走向，通風豎井考慮大坡度快速提升問題，降低豎井埋深，迎門灘—馬灘豎井深37m。

4.2.3豎井布置形式

通風豎井等附屬設(shè)施受控因素較多，需考慮通風布局及黃河隧道盾構(gòu)工程籌劃等影響，經(jīng)過布局設(shè)計、系列專題研究，最終確定黃河豎井合理的布置形式(見圖3)。

圖3 黃河通風豎井結(jié)構(gòu)布置

4.3 通風豎井防災(zāi)研究

黃河隧道通風豎井結(jié)合疏散平臺及聯(lián)絡(luò)通道的組合方案，實現(xiàn)兩管隧道互為疏散救援，通風豎井送風、排煙等功能，保證黃河隧道行車、運營、通風及防災(zāi)疏散安全。

1)根據(jù)GB50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》要求，將通風豎井設(shè)置于黃河北岸，受工程條件限制，通風豎井位置距離最近迎門灘站站端約595m,設(shè)置位置小于區(qū)間隧道長度的1/3，不滿足規(guī)范要求，偏離區(qū)間隧道中部較遠，通風豎井至兩端區(qū)間隧道氣流分布較不平衡，功能有損失，需計算論證。

根據(jù)黃河隧道通風豎井防災(zāi)原則，為保證讓追蹤的列車位于不同通風區(qū)段之間，同一時間段一個區(qū)間隧道只發(fā)生一處火災(zāi)等事故，通過行車模擬計算，區(qū)間隧道通風豎井與最遠一端的車站端機械/活塞通風豎井之間列車運行時間約73s，可保證同一時間段一個區(qū)間只發(fā)生一處火災(zāi)等事故。設(shè)置通風豎井后在運營使用中，可保證每個通風的區(qū)段內(nèi)只有一列車出現(xiàn)，通過縱向推拉式通風可以有效地解決事故工況下隧道內(nèi)的通風排煙問題。

2)按照同一時間段一個區(qū)間隧道只發(fā)生一處火災(zāi)等事故為前提條件，黃河隧道按不大于600m設(shè)一處聯(lián)絡(luò)通道，滿足人員從事故區(qū)間在合理時間內(nèi)經(jīng)聯(lián)絡(luò)通道疏散至相鄰區(qū)間的要求。

4.4 豎井通風研究

黃河隧道通風系統(tǒng)由活塞通風和事故機械通風組成。在兩端車站及通風豎井的隧道通風機房中各設(shè)置2臺隧道通風機，兩端車站按單活塞風道設(shè)置即可，通風豎井采用雙活塞風道。車站采用直接蒸發(fā)冷卻通風降溫的設(shè)計方案，保證站內(nèi)環(huán)境溫濕度滿足要求。列車在該區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)阻塞或者火災(zāi)時，由列車前后兩端的隧道通風機對區(qū)間分別送排風，進行縱向通風排煙，保證人員疏散要求。發(fā)生火災(zāi)時，可實現(xiàn)洞內(nèi)排煙，保證煙氣不經(jīng)過洞內(nèi)人群，人員可在新鮮空氣環(huán)境下逆風疏散。

隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，正常通風立即改變?yōu)槭鹿释L，隧道火災(zāi)事故通風方案能夠保證安全，此時的通風模式如下。

1)通風有利于人員逃生避難，風速大小可盡量減少傳到人體上的熱量，還可避免因縱向風流的湍流和渦流作用而使洞內(nèi)煙霧彌漫，最大程度地給人員避難創(chuàng)造條件。

2)通風可避免和盡量減少火場高溫氣體的擴散，防止熾熱氣流引燃火場以外的車輛等物品，使火場擴大。

3)通風有利于消防隊員救火，使消防隊能從上風方向接近火場，開展滅火工作。

4)通風使隧道內(nèi)形成一定的風速，誘導(dǎo)人員迎著新鮮空氣疏散。

5 豎井施工方案

5.1 豎井基坑降水解決方案

1 )圍護結(jié)構(gòu)未隔斷③11卵石層，且本工程基坑面積小，降水幅度巨大，擬采用坑內(nèi)+坑外聯(lián)合降水形式進行處理，并盡可能減少坑外抽水時間。

2)若坑內(nèi)降水井井深不宜超過圍護結(jié)構(gòu)，需設(shè)置43m降水井；若坑外降水井井深需超過圍護結(jié)構(gòu)10m以上，需設(shè)置56m降水井。

3)在基坑開挖25m以內(nèi)采用坑內(nèi)降水井進行降水，坑內(nèi)設(shè)置9口降水井(含1口備用觀測井)；開挖25～34.49m時采用坑內(nèi)結(jié)合坑外降水井聯(lián)合抽水，坑外設(shè)置38口降水井(含4口備用觀測井)。

4)為確?？觾?nèi)降水井不間斷工作，施工現(xiàn)場應(yīng)有雙電源保證措施，應(yīng)配置備用發(fā)電機組。

5)坑內(nèi)降水井在底板澆筑完畢之后首先封井，然后封閉坑外降水井。

6)針對本工程水文地質(zhì)條件以及基坑工程特點，坑內(nèi)外成井施工完成后，建議降水正式運行前及時做群井抽水試驗，應(yīng)同步觀測坑內(nèi)和坑外承壓水水位變化情況，以判斷降水效果和現(xiàn)場降水電路、排水情況，對所提出的基坑降水方案進行調(diào)整或優(yōu)化。

通風豎井基坑止水帷幕與降水深井位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 通風豎井基坑止水帷幕與降水深井位置關(guān)系示

5.2 圍護結(jié)構(gòu)

豎井圍護結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，厚度1 200mm，墻體嵌固深度11.00m。地下連續(xù)墻共設(shè)計3種幅寬形式：第1種為矩形結(jié)構(gòu)，幅寬4m，共16幅；第2種為矩形結(jié)構(gòu)，幅寬5m，共4幅；第3種為L形結(jié)構(gòu)，幅寬3.7m，共4幅；相鄰墻幅間采用型鋼接頭連接。為便于盾構(gòu)掘進范圍內(nèi)鋼筋破除，地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)受力筋采用GFRP玻璃纖維筋代替鋼筋，GFRP筋與HRB400鋼筋搭接采用綁扎搭接，搭接長度不小于46d。墻頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，截面尺寸為b×h=2.3m×1.5m。

5.3 端頭及井內(nèi)加固

通風豎井端頭及井內(nèi)地基加固采用地面袖閥管注漿并采取降水措施。地層注漿加固總體順序為施作導(dǎo)向墻之前井外加固，施作主體結(jié)構(gòu)至地下2層中板標高時進行井內(nèi)加固。其中，井外加固采用先周邊孔雙液漿加固，后中心孔單液漿加固，再檢測的方式。井內(nèi)加固采用先封底，后檢測，再上部注漿固結(jié)的工序，注漿后的加固體形成類似封閉體，然后再降水至封閉體頂，以盡量降低地下水對工程的影響。

導(dǎo)向墻基底加固采用10cm PVC管進行地表加固，平面布置1.2m×1.2m，加固寬度3.6m，加固深度6.0m。

為確保注漿質(zhì)量，經(jīng)袖閥管和PVC加固的土體均應(yīng)有很好的連續(xù)性、均勻性、密實性、密貼性。施工完畢后，應(yīng)對加固體進行檢驗，其28d無側(cè)限抗壓強度應(yīng)>1.0MPa，滲透系數(shù)應(yīng)<1.0×10-6cm/s，若達不到設(shè)計要求，應(yīng)及時補充注漿。

加固前應(yīng)先對加固范圍的管線及地下構(gòu)筑物等進行普查，調(diào)查清楚，與相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位接洽，干擾管線應(yīng)先進行改遷處理。

盾構(gòu)機進入通風豎井端頭加固區(qū)及破除地下連續(xù)墻進入通風豎井過程中，必須加強該段的同步注漿和二次注漿，并通過管片手孔檢查注漿效果，減少盾構(gòu)機掘進方向周邊地下水流入通風豎井的風險。后續(xù)通風豎井分層開挖時，從主體2層中板標高處打探測孔，滿足加固強度且無涌水時，方可繼續(xù)分層開挖，若不滿足相應(yīng)強度要求或有涌突水情況，應(yīng)及時加強同步注漿及二次注漿。加固平面如圖5所示。

圖5 通風豎井端頭及井內(nèi)注漿加固平面

盾構(gòu)機通過端頭加固區(qū)后進入通風豎井內(nèi)加固體，井內(nèi)加固深度從主體結(jié)構(gòu)第2層中板至底板以下8m，與端頭加固體形成整體加固，避免盾構(gòu)機破地下連續(xù)墻而入及后續(xù)通風豎井開挖時地下水通過圍巖與管片間隙涌入井內(nèi)，同時底板以下加固體對通風豎井形成有效封底，避免產(chǎn)生井底突涌水事故。

5.4 施工工序

通風豎井平面尺寸21m×17m(長×寬)，井深約37m，圍護結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，采用逆作法施工。通風豎井施工步驟為：地下建(構(gòu))筑物情況調(diào)查以及地面障礙物處理→井外地表加固→施工導(dǎo)向墻及地下連續(xù)墻→基坑降水→開挖土方→由上而下逆作施工主體結(jié)構(gòu)至結(jié)構(gòu)上方1D范圍(主體結(jié)構(gòu)地下2層中板標高處)→井內(nèi)地基加固→盾構(gòu)機掘進通過通風豎井(井內(nèi)檢修)→繼續(xù)開挖土方并逆作施工主體→通過管片手孔對管片四周二次徑向注漿加固→拆除管片→清理基底、施工接地及防水層、鋪設(shè)墊層→澆筑地下4層主體結(jié)構(gòu)(包括施作結(jié)構(gòu)外包防水層)→分層碾壓回填土方→恢復(fù)場地。

6 結(jié)語

闡述了穿越黃河的地鐵隧道通風豎井工程難點，對通風豎井位置方案進行比選分析，并對通風豎井結(jié)構(gòu)形式、通風及防災(zāi)模式進行研究論證，系統(tǒng)分析得出黃河區(qū)間隧道通風豎井施工方案，主要結(jié)論如下。

1)蘭州地鐵1號線黃河隧道通風豎井工程規(guī)模和深度非常大，無相似工程經(jīng)驗可以借鑒，目前

通風豎井的設(shè)計及施工方案對后續(xù)類似工程具有借鑒與參考意義。

2)黃河隧道通風豎井的選址需綜合通風、結(jié)構(gòu)、規(guī)劃、拆遷、豎井周圍條件等多因素進行確定。

3)黃河隧道通風豎井結(jié)合黃河隧道疏散平臺及聯(lián)絡(luò)通道組合方案，實現(xiàn)兩管隧道互為疏散救援，通風豎井送風、排煙等功能，保證黃河隧道行車、運營、通風及防災(zāi)疏散安全。

4)因隧道位置的特殊性和空間的局限性，其封閉環(huán)境導(dǎo)致隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時疏散困難、救援困難、排煙困難和滅火困難，需重視通風處理。

5)在黃河地鐵深大豎井工程中首次采用雙層地下連續(xù)墻+端頭井內(nèi)注漿加固+坑內(nèi)坑外降水的綜合施工方案，有效阻隔黃河水系的聯(lián)通，確保豎井開挖過程中的安全。

6)由于穿越黃河區(qū)間隧道強透水砂卵石地層的特殊性，緊密結(jié)合黃河隧道地質(zhì)條件，對通風豎井實施風險管控，確保工程有序安全實施。