大型地下道路隧道通风管道的设计与施工

毛仲挺

（上海筑紫建筑设计有限公司，上海市 200086）

1 工程概述

该工程为日本东京某环状地下道路隧道的附属工程，是连接换气所和环状本线地下道路主干道之间的大型通风管道工程，分别有两个方向主隧道的送气和排气4条通道。

在设计上分为水平通道和竖直通道。上段水平通道为直径4 m的马蹄形断面，长20.9 m；下段水平通道为变断面，分别为内径4 m和内径5.9 m的马蹄形断面，总长57.90 m。均为混凝土断面。竖直通道分为连接上下水平通道之间的竖直通道和连接下段水平通道和道路隧道本线之间的竖直通道，均为内径5.600m×3.000m的长方形断面，中间2.800m处设有系杆。竖直通道采用0.5m的钢制预制构件现场拼接而成。图1为该换气通道效果图。

由于埋深在地下40 m以下，无法采用开挖施工，加之断面有变化，所以施工采用新奥法施工。由于断面较小，加之所处地层土质较好，围岩的自稳能力较强，所以采用全断面机械开挖施工。

2 水平通道的设计

在构造上，采用植筋方法和换气所连成整体。考虑到有可能产生的不均匀沉降，在离换气所外壁1 m处设置了可动连接装置。

由于纵向土层分布均匀，所以只考虑断面方向作为设计断面。考虑到不同位置，不同断面现状，以及和竖直通道的相对关系，共分7个断面进行计算，见图2。

断面采用复合衬砌，在初期支护和二次衬砌之间铺设防水隔离层。初期支护作为施工时承载结构，要确保施工期间的安全和控制沉降。在供用期间，二次衬砌作为承载结构，而把初期支护作为安全储备。在我国，目前的设计理念是由初期支护和二次衬砌共同承载。初期支护和二次衬砌之间相互依赖，相互影响。根据不同的围岩压力调整初期支护的强度和支护系数。确保地层稳定后，才能施作二次衬砌。二次衬砌目的是承受流变荷载以及作为安全储备，可见两者的设计理念是有所不同的。另外，由于国内的钢骨架一般采用钢筋格栅拱架，不同于日本的H钢，拱架高度更高，又要确保一定的保护层厚度，因此初期支护的厚度一般不低于250mm，常用厚度为250mm，300mm，350mm。实际工程应用统计见表1。

该工程的最终断面尺寸为，初期支护t=17.5 cm，二次衬砌t=35～40 cm。

在荷载方面，主要是自重、水压力、围岩压力及土压力，内部风压以及竖直通道的吊装重量等。考虑到地下水位的变化，为安全起见，考虑了有地下水和没有地下水两种状况。由于埋深较深，且所处位置的土体自立性较好，土体的承载拱作用明显，计算上考虑了没有围岩压力和埋深相当于1倍断面宽度时的围岩压力两种状况。内部风压同时考虑了送气时的正风压和排气时的负压力。设计采用容许应力度法，各荷载的分项系数都为1.0。荷载组合表见表2。

衬砌的计算按照局部支承弹性地基圆环法计算。考虑到二次衬砌外侧的防水隔离层的隔离效果，只考虑了径向方向的土体弹性约束，忽略接线方向的土体约束。事实上，经过试计算得出，考虑了接线方向土体约束后算出的断面力也比未考虑的要小一点。说明这样的考虑是安全的。通过反复计算不同承载状况下地基反力，去除地基反力为拉力（负值）的区间，得出最终的地基支承图（见图3）。

图2 计算断面（单位：mm）

表1 国内部分工程的初期支护的厚度统计表（单位：cm）

表2 断面D-D的荷载组合表

图3 断面A-A（下部换气通道）的地基支承图

通过有限元法计算得出各部分的最大断面力，然后进行配筋计算。混凝土采用C24。钢筋采用SD345（见图 4、图 5）。

图4 断面C-C（下部换气通道）的最大断面力图和配筋要领图

3 竖直通道的设计

竖直通道采用0.5 m高的预制钢制品现场拼接。既便于施工，同时也增加了柔性，可在一定程度上防止横向变位引起构造损坏。

在荷载上采用水平通道开口断面的开口处支点反力作为均布荷载进行加载。同样通过有限元法算出断面力。需要注意的是，竖直通道的预制品钢构件必须与水平通道断面的主钢筋牢固焊接以承受施工过程中自身的重量（见图6、图7）。

图5 断面E-E（下部换气通道）的最大断面力图和配筋要领图

图6 断面D-D（下部换气通道）的竖直通道计算模型图

图7 断面E-E（下部换气通道）的竖直通道计算模型图

4 施工

该工程的施工主要面对有以下问题。

（1）虽然构造物所处土层大都为自立性较好的粘性土层，但也夹杂着一些沙土层，而且，靠近目黑川河，水位较高，因此在作业过程中仍有发生流沙的可能。

（2）涉及换气所、本线道路隧道等多个构造物，上下通风通道之间亦相互有关联，既有水平方向挖掘，又有铅直方向挖掘，施工精度以及安全保障方面的要求较高。

（3）构造埋深较深，需从换气所开始挖掘，施工过程中的通风问题和泥土、粉尘处理问题都需要解决，加之靠近河流，地面上作业场地狭小。

针对上述问题，采用的是地基加固的方法进行施工。其中上部通道采用超细水泥注浆加固，下部通道采用化学药剂加固，均采用二重管高压旋喷注浆法。由于地面作业地方狭小，所以采用了多角度倾斜注浆的方法，而在靠近本线隧道的地方，采用低压渗透法从本线隧道进行化学药剂注射进行加固。具体施工流程图见图8。

图8 施工流程示意图

在注浆结束后，须进行采样测试，确认土块状况后，才能进行挖掘。实际施工中除下部通道稍有一些地下水，经过水泵排水很快处理以外，基本没有再碰到什么困难。工期大大缩短，同时省去了预支护的施工，取得了较好的经济效益。土体结块较好，粉尘也减少了，泥土的处理和运输也变得容易，施工安全性也大大提高。从各个方面看，这都是一种值得大力推广的施工工法。

5 结语

随着城市化的推进，大量人口涌入城市，特别是大都市的用地日渐紧张，大力发展地下交通是未来城市道路发展的方向之一，其中，通风系统的设计又是重要的一环。本文所述的通风通道的设计与施工是极具参考价值的，而在施工中所采用的多角度注浆加固的方法，也为今后工程中遇到类似情况时，提供了一种思路。

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.