浅析不良地层中间竖井围护结构设计与施工风险分析

1、.星WRDRS世界轨道交通发展研究会浅析不良地层中间竖井围护结构设计与施工风险分析杨德春蒋盛刚林 坚摘要：本文结合某市地铁 1 号线一期工程矿山法隧道中间竖井设计与施工中出现的风险 处理经验，论述在强透水性或高水位的全风化花岗岩层等不良地段进行矿山法隧道中间竖井结构设计与施工，强调设计应对竖井的功能定位、施工工法及围护结构选型、周边 环境与地层加固方法、施工存在的风险预案慎重分析，根据设计与施工经验合理确定， 降低风险事故发生是十分关键的。0 前言随着我国城市化进程的加快，城市轨道交通建设在拉动城市经济增长方面发挥着重要作用， 交通是缓解特大城市、超大城市拥堵问题，实现城市可持续发展的重要途径

2、和关键措施。城市地 铁工程建设和运营一旦发生安全事故，其社会影响十分巨大，因此保障城市轨道交通安全，建立 完善的城市轨道交通安全质量体系及选择安全工法非常必要。截止到目前，我国内地已有 37 个城市的城轨建设规划已获得国家发改委批复。预计“十二五 规划”内轨道交通将覆盖全国主要大城市，随之带来的轨道交通建设安全、运营安全、防灾安全 和公共安全问题尤其重要1。因此，为适应我国快速发展的城轨交通建设，对地铁线路 80%以上 是区间隧道工程，主要有明挖、暗挖（盾构、矿山）、顶管等工法选择，依据工期、出土与材料运 输、盾构始发与吊出、环控与通风、供电等需求，在很多长大区间设置若干个各种用途的中间竖 井

3、，位于隧道起点、终点或中间等，竖井围护结构设计虽没有车站围护结构设计规模大且复杂， 但因其深且是先期施工通道，处在关键位置，显得格外安全和重要2。本文结合某市轨道交通 1 号线一期工程出入段线区间盾构与矿山法隧道设置的 1、2、3 号中 间竖井功能定位、工程地质特点与竖井围护结构设计、周边环境与地基加固方法、施工出现的险 情与对应风险处理措施分析，为确保隧道中间竖井的安全实施，减少风险事故的发生，提供类似 工程的设计经验供设计者借鉴。1 工程概况1.1 区间平、纵线路本工程出入段区间隧道工程线路全长约 1650m，准备选用矿山法和盾构法两种工法施工。出 段线平面从设计里程 CDK0+061.0

4、00 到 YH CDK1+038.90，长约 1000m 采用最小半径 300，设计 推荐矿山法施工；YH CDK1+038.900 到 CDK1+688.000 ，长约 650 为直线段采用盾构法。线路 纵断面为 V 型坡，最大纵坡 29.7，最小纵坡 2，隧道覆土 033.6m，最小竖曲线半径 R=2000m。 如图 1、2：.;图 1 区间隧道线路平面示意图图 2 区间隧道线路纵断面示意图1.2 线路周边环境本出入段线路主要涉及剥蚀残山和山前平原两类地貌单元，穿过汤斜溪、汤斜村至战坂路，侧向 通过正在新建的象峰新苑并渐转至秀峰路上的象峰站，战坂路规划路宽 40m。下穿象峰村民房、老人 协

5、会、东西镜，侧穿秀峰新苑 1#住宅楼，为住宅、厂棚、既有道路等，尽量下压避开房屋基础和溪流。1.3 工程地质特点隧道所处场地主要岩土层分布特征如下：1 层杂填土、层淤泥质土、层粉质粘土、1 层淤泥质土、层粉(砂)质粘土、层碎卵石、a 层细砂、(13)层残积土、(13)a 层残积(砂质)粘 性土、(13)b 层残积砾(砂)质粘性土、(14)层全风化岩、(15)层散体状强风化岩、(15)层花岗岩( 53)、 (15)c 凝灰岩(J3n)、(16)层碎裂状强风化岩，浸水易软化，为极软岩软岩，岩体完整程度为极破 碎，岩体基本质量等级为级、(16)花岗岩( 53)、(16)c 凝灰岩(J3n)、(17)

6、层中风化岩、(17)花岗 岩( 53)、(17)c 凝灰岩(J3n)、局部地段由于构造作用或风化差异，该层夹有风化程度为散体状强 风化和碎裂状强风化的软弱夹层。隧道穿越地层主要为粉质粘土、碎卵石、粉(砂)质粘土、a 残积(砂质)粘性土、全风化岩、散体状强风化岩。潜水主要赋存于浅部土层中，本区间在 残积土、全风化岩、散体状强风化岩中。新乡陵象峰站地质特点如下：隧道主要穿越粉(砂)质粘土、a 残积(砂质)粘性土、全风化岩、散体 状强风化岩，遇水极易软化崩解，局部穿越碎卵石，卵石层孔隙承压水水头高、水量丰富。地质条件复杂，软硬土层变化大，软土厚度大，穿越软硬差异很大的地层，施工与运营期间 沉降控制难

7、。隧道沿线有花岗岩球状风化核（孤石），强度高，需要对孤石超前探查事先处理。1.4 区间隧道工法及竖井布置根据本区间工程地质勘察资料，设计对出入段最小曲线半径段约 1000 米，推荐采用暗挖矿山 法施工，依据工程总筹划，该段布置了 1、2、3 号竖井，位于线路起、终点和中间位置。直线段 大约 650 米采用盾构法施工，认为安全，风险可控。如图 3：图 3 区间 1、2、3 号竖井布置示意图2 中间竖井的功能定位及作用2.1 中间竖井定义轨道交通区间隧道工程中，因单个区间线路太长，不能满足总体工期、材料运输和土方作业 要求、盾构始发及吊出、隧道通风或轨道铺轨要求，在隧道线路上方或中间位置根据施工和

8、建设 需要，采用明挖或沉井法先行施工一个或数个工作井，作为隧道施工工作面，等全线隧道贯通或 运行需要进行必要的预留或填埋处理，此中间工作井通称为中间竖井。本区间根据需要设置了 3 个工作井，也称为中间竖井。2.2 竖井功能定位中间竖井依据对区间地铁隧道线路工程施工作用和运营作用，功能定位主要有下列 3 种情况。（1） 中间风井竖：一般结合环空通风需要，超过 2Km 地下隧道需要设置线路中间风井，作为 永久运营需要存在，需要在井里安装通风设备，也作为隧道中间工作面。一。；鬈绪锄p（2） 中间盾构工作竖井：如盾构隧道施工大约 3.5Km 以上,单向推进存在换刀及工期风险,土 方运输也困难,因此,在

9、区间线路中间位置需要先施工明挖一个工作井作为盾构始发、到达或调头井， 同时兼作中间风井、轨排井、降压变电所、区间泵房等，永久保存。（3） 临时中间竖井：如矿山法隧道施工工程超过 1.5Km 长，考虑总工期要求，隧道施工临时 通风或工作面需要，先期挖一个中间竖井，作为施工期间工作面、承担土方、材料运输等使用， 隧道正式运营后全部回填处理。在很多长大区间设置若干个各种用途的中间竖井，位于隧道起点、 终点或中间等。2.3 本工程 1、2、3 号作用本区间隧道工程依据盾构和矿山法施工需要，设置 3 个工作中间竖井3，主要作用如下。（1） 1 号竖井：位于盾构法与矿山法隧道施工交接处，是盾构段施工始发也

10、是盾构机到达接收工 作井，也是矿山法隧道工作井，承担土方或材料运输作用。更是永久使用的降压变电所和通风井保留。（2） 2 号竖井：位于矿山法隧道曲线段中间位置，考虑本段隧道工期和土方、材料运输需要， 只作为施工期间临时使用，运营期将予以回填处理。（3） 3 号竖井：位于矿山法隧道曲线段起点位置，考虑车站双线隧道和单线隧道分洞需要， 只作为施工期间临时使用，运营期将予以回填处理。3 竖井围护结构设计选型明挖结构中间竖井根据其功能定位与作用、工程地质与水文地质、竖井深度与周边环境、永 久与临时等，竖井围护结构设计选型主要有：1）地下连续墙+内支撑体系；2）密排桩及桩间止水（旋喷或搅拌桩）+内支撑体

11、系；3）地面井圈梁倒挂及地面周围加固+钢格栅与喷射砼+内槽钢支 撑体系。本工程 13 号中间竖井围护结构设计如下。3.1 竖井围护结构类型1 号竖井：盾构接收井和矿山法工作井，西端双线提供盾构接收条件；东端双线接矿山法隧 道。主体结构为地下三层两跨箱型结构，地下三层为轨道层，地下一、二层为减小覆土结构措施 现状为空地，地势较为平坦。基坑开挖深度约 30.5m，基坑长 15.9m，宽 22.8m。按照建筑基坑 支护技术规程的技术规范规定，基坑支护安全等级为一级，基坑保护等级为一级，重要性系数 1.1。 基坑深度范围内多为杂填土、淤泥、淤泥质土、粘土层、残积土层和风化岩层，采用 1000 厚地连墙

12、，四道砼支撑和一道钢管支撑共 5 道。竖向支撑间距在 4.8m6.6m 之间。如图 47。g瓤L1d一=S哪哪一1呷穗R8#00x1。00_11l蚕。；射d：图 4 1 号井总平面图 5 1 号井剖面图图 6 1 号井第一、二、四层支撑平面图 7 1 号井第三、五层支撑平面2 号竖井：开挖深度约 36.285m，基坑内净空长 8.0m，宽 6.0 m。 竖井支护结构采用上部倒 阶梯形环框梁，下部沿竖向500 一道全环布设 Ø 25 钢筋格栅钢架，梅花形间距1.0m（环）x0.5m（纵）锚杆(管)布置，L=4.5m；喷射 C25 混凝土厚 350。井口下方在花岗岩残积层采用 Ø

13、; 800600 三管旋喷桩加固，入全风化岩面 1m，设计深度为 16.435 米。散体状强风化岩透水系数是 0.10.25 K（m/d）；碎裂状强风化岩透水系数 0.150.30 K（m/d）。在竖井四边各布置一口 Ø200 降水观察 井兼做备用抢险使用。如图 811图 8 2 号井总平面图 9 2 号井剖面图_Hm自ij!塑塑。0L悼1jo+虬h：¨羔赫举骘!堡塑。图 10 2 号井首道环框平面图 11 2 号井剖面3 号竖井：基坑开挖深度约 30.123m，基坑内净空长 8.0m，宽 6.0 m。 设计同 2 号井支护形 式。散体状强风化岩透水系数是 0.10.25

14、K（m/d）；碎裂状强风化岩透水系数 0.150.30 K（m/d）。 在竖井四边各布置一口 Ø200 降水观察井兼做备用抢险使用。如图 12 15图 12 3 号井总平面图 13 3 号井剖面图图 14 3 号井首道环框平面图 15 3 号井剖面孽 。熙群 。妻孵3.2 竖井围护支撑体系1 号竖井：采用 1000 厚地连墙，四道砼支撑和一道钢管支撑共 5 道。竖向支撑间距在 4.8m6.6m 之间。2 号竖井：竖井支护结构采用上部倒阶梯形环框梁，下部沿竖向500 一道全环布设 Ø 25 钢筋格 栅钢架，梅花形间距1.0m（环）x0.5m（纵）锚杆(管)布置， L=4.5m

15、； 喷射 C25 混凝土厚 350。井 口下方在花岗岩残积层采用 Ø 800600 三管旋喷桩加固，入全风化岩面 1m，设计深度为 16.435 米。3 号竖井：竖井支护结构采用同 2 号井设计。井口下方在花岗岩残积层采用 Ø 800600 三管 旋喷桩加固，入全风化岩面 1m，设计深度为 20.323 米。4 施工存在风险及安全措施评估4.1 1 号竖井围护：1 号竖井从开挖至 22 米处一直到基底(全风化、强风化岩)，基坑底发生涌泥，涌砂和涌水现 象，井内外共 6 个降水井同时抽水，每口井水量约 3.8 方/小时，共计：547 方/天。 经过处理安全 封底3。如图 16

16、。图 16 1 号井施工情况4.2 2 号竖井围护2 号竖井内净空为 6m×8m，井深 36 米。井外共有 4 口降水井，两口降水井满负荷工作每小时 4 方，一口每小时 2 方，另一口基本没有水；同时井内有两台水泵每小时 8 方。总计：432 方/ 天。在开挖 24m 处出现的问题：井底降水困难3。后经过专家技术论证，为安全起见，进行废弃 回填处理，直接经济损失预计在 150 万元，工期 2 个月以上，如图 17。图 17 2 号井施工情况绕4.3 3 号竖井围护3 号竖井内净空为 6m×9m，井深 30 米，目前已开挖 24.5m。井外 6 口降水井，每井 1.5 方/

17、小时，总计：216 方。井内一个水泵集中抽排明水。施工以来一共出现了 3 次问题3：第一个问题：9 月 17 日 3#竖井在开挖至 20m 时，在 12m 位置的工字钢支撑变形较大，最大 扰度 7cm，后面还有发展趋势。图 18。图 18 3 号井第一次施工险情第二个问题：10 月 8 日，对第一个问题处理完成后继续开挖至 24m 时，在 16m 位置出现宽5-10cm 的环向裂缝，整个竖井下沉，纵向连接筋拉断。图 19图 19 3 号井第二次施工险情第三个问题： 11 月 27 日，竖井继续开挖至 27m 时，在 10m 位置出现宽 10cm 的环向裂缝， 整个竖井下沉，将人行钢梯拉歪变形。

18、图 20。图 20 3 号井第三次施工险情后经过专家技术论证，为安全起见，进行废弃回填处理，直接经济损失预计在 200 万元，工期 3 个月以上。星WRDRS世界轨道交通发展研究会5 结束语通过本区间隧道工程中 1、2、3 号竖井设计方案与施工险情处理分析，在花岗岩残积层强风 化或全风化地层、上部有粉细沙等不良地层上进行隧道中间竖井施工，如地下水位高、渗透性大， 地面补给充分或山体坡脚等情况下，为确保施工安全，应充分认识花岗岩残积层强风化或全风化 地层遇水软化及崩解特性，对中间竖井围护结构选型建议选择强支护设计方案如地下连续墙（桩 加止水）+内支撑体系，是保证安全万无一失的选择，如本工程中 1 号竖井；如果采用地面井圈梁 倒挂及地面周围加固+钢格栅与喷射砼+内槽钢支撑体系设计，应充分考虑中间竖井周边搅拌桩或 旋喷桩加