厦门临海复杂地质条件下大型风井结构设计

王立宏 郭 锐

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

1 概述

对于长大隧道的施工与运营，通风显得尤为重要。采用纵向式通风系统的长大隧道，一般需设置风井。受隧道纵坡的影响，风井开挖深度大。武汉地铁四号线武昌岸风井位于紫阳路上，属4号线二期复拦区间，长25.7 m，宽11.4 m，深度达到48 m，采用明挖法修建；厦门翔安海底隧道本岛岸风井，采用圆形断面，直径9.7 m，暗挖法修建；根据以上工程案例可以看出，一般越江跨海隧道风井多采用明挖或暗挖结构。厦门海沧隧道全长6.28 km，采用明挖与暗挖的组合形式。根据通风要求，共需设置风井三座。其中3号风井为排风井，对左右线进行排风。由于风井位于原填海区，且岩石差异风化明显，加之风井开挖深度大，穿越的地层较多，需采用明挖与暗挖相结合的结构形式。

2 风井建设条件

隧道岛内风塔设置于厦门自贸区象屿码头内，象屿码头为前期填海所成。3号风井主体结构距离西侧港中路4.1 m，距离北侧进出港区卡口2.15 m。

3号风井所在区域第四系覆盖层由杂填土、淤泥、残积粘性土组成，总厚度7.8 m～20.3 m，土体承载力低，无自稳能力；基岩为花岗岩全、强风化基岩，其埋深7.4 m～42.8 m，散体状，自稳能力差。中风化带仅局部发育，最大厚度9 m，岩体较破碎，岩质较软～硬。微风化岩呈块状砌体结构，微透水性，岩质较硬，埋深较浅，厚度大。地下水埋深4 m～5 m，赋存于地表杂填土的砂层中，与海水联系密切，水量丰富。根据施工单位后期补勘揭示，风井北侧的基岩面埋深为27.3 m，南侧的基岩面埋深为20.5 m。基岩面高差约6.8 m，岩面倾角28°。3号风井的深度为51.2 m，需穿越地表覆盖层、全～强风化层及基岩，采取单一的明挖结构或暗挖结构难以保证结构的安全。

3 风井结构设计关键问题

根据建筑设计及通风设计的要求，风井结构由地下风机房段及排风井段组成，其中排风段分成正常段和喇叭口扩大段。风井深度为51.2 m，其中地下风机房段长15.1 m、渐变段长12 m以及正常段23.1 m。地下风机房段结构内净空为12 m×18 m，正常段为10 m×10 m，渐变段尺寸由10 m×10 m渐变至12 m×18 m，详见图1。由于结构尺寸的多变，给结构设计带来一定的困难。

3.1 风井结构总体设计

风井结构一般应根据地质情况和自身的尺寸综合确定。参考现有的地铁风井、盾构始发、接收井以及已建成特长隧道风井的结构形式，在土质围岩和风化严重的岩层中可采用明挖结构，在石质围岩中宜采用暗挖结构[1]。

根据建筑设计，地面以下15.1 m为地下风机房，其下为12 m的喇叭口渐变段，以下为排风井正常段。结合后期补勘，风井北侧的基岩面埋深为27.3 m，南侧的基岩面埋深为20.5 m，根据上述原则最终确定基坑的开挖深度为28 m，采用钻孔灌注桩加支撑的围护体系。采用明挖机构。南侧由于基岩面埋深小，采用落底桩则围岩钻进的长度大，施工功效低，遂采用不落底桩，桩基入弱风化岩面不小于2 m。由于地面28 m以下均为微风化花岗岩，遂采用暗挖复合式衬砌结构。喇叭口段采用等尺寸的明挖结构后，后期需采用C20混凝土回填以减小风阻。设计实际采用的结构纵断面如图2所示。

运营期间内衬墙需承受全部水土压力。经结构计算，并参考国内外类似工程案例，3号风井内衬墙采用1 m厚C50钢筋混凝土结构。由于场地受限，风塔结构无法设置单独的桩基础。经研究讨论，并参考南京纬三路过江隧道风井结构，将风塔结构放置于风井内衬上。

3.2 地面2层以下明挖结构设计

根据建筑的要求并考虑风井动载要求，风机房的地面1层板、地下1层板及地下2层板均采用1.2 m厚的楼板，中间需预留6个4 m×4 m的孔洞以安装风机。对于地下2层板以下的明挖结构，埋深15.1 m～28 m，高12.9 m。内衬墙的结构尺寸为12.9 m×20.5 m。对于内衬墙，由于两个方向的尺寸之比为1.59<2，为典型的双向板结构。建筑上对该段无设置梁、柱等结构的要求。

设计采用ANSYS对风井进行结构计算。考虑到风井侧墙为双向板结构，采用平面应变模型不能较为准确地模拟结构的真实受力，遂建立三维模型分析结构受力。内衬墙需承受全部水土压力。除砂层采用水土风算外，其余(岩)土层均采用水土合算。由于该段地下水与海水连通，并受潮汐影响，地下水偏安全地取至地表。土压力采用静止土压力。经过计算可以看出，原设计(不设井字梁)的内衬的最大正弯矩标准值位于跨中，为1 210 kN·m。最大负弯矩位于内衬墙两端，为2 400 kN·m。具体的弯矩分布见图3。取两端最大负弯矩标准值进行裂缝验算，内衬墙需采用1.5 m厚，结构尺寸过大。且上部内衬墙的厚度为1 m，两者之间需设置过渡段。

鉴于此，设计者需提出一定的结构措施以解决现有结构内力过大的问题，遂提出在结构的竖向加设两道井字梁。当加设两道井字形肋梁后，最大正弯矩的位置位于跨中，约为642 kN·m。位于1/6跨处出现了一处正弯矩峰值，约为420 kN·m。最大负弯矩位于内衬墙两端，值为1 350 kN·m。具体见图4。根据裂缝验算，采用1 m厚结构即可满足要求。

两种结构形式的最大弯矩对比见表1。通过对比可知，增设肋梁后，最大弯矩均有较大程度的降低。

表1 最大弯矩对比表

需要指出的是，增设的两道井字形肋梁，对通风效果会有影响，但影响较小。综合权衡通风效果和土建结构，设计最终增设了两道井字形肋梁。

3.3 结构施作顺序

对于深大的风井基坑，多采用明挖顺作，而采用逆作法的基坑主要存在如下两个问题[2]：

1)采用逆作法，土方开挖空间受限，总体施工进度慢；

2)隧道的防水较难施作。根据本风井的地质情况，风井周边岩面起伏大，一般可设置吊脚桩。但风井北侧角点离自贸区现有卡口的距离不足1 m，无法预留足够的岩肩以实施吊脚桩，只能采用无法落底的嵌岩桩。

根据施工组织设计，基坑一边开挖，一边设置对撑。当基坑开挖至15.9 m深处，浇筑地下2层楼板。楼板浇筑完成后，继续向上浇筑内衬墙、拆除钢支撑、冠梁，接长围护桩钢筋，使其弯入地下1层板上部，并与地下1层板整浇。自此就完成了上半部分明挖的顺作，同时也为后期的逆作法打好了基础，类似于井壁倒挂法。顺作的过程中每处楼板需预留6个4 m×4 m的风机孔洞。自15.9 m深处向下逆作施工。向下开挖基坑，边开挖边分块施做内衬墙、中隔墙及第一道肋梁，直至第一道肋梁深度范围内的结构全部施工完毕。完成第一道肋梁后开始往下开挖，顺次施作内衬墙、第二道肋梁和基坑底板。自此就完成了风井整个明挖结构的施工。整个施工工序见图5。

3.4 暗挖结构施工

在确定暗挖结构断面形式时，提出了圆形断面和方形断面两种结构形式。考虑到圆形断面施工较为不便，风井与联络风道连接处施工与防水处理均较难实施，同时考虑风井围岩主要为微风化岩层，水土压力相对较小，经综合比选采用了方形断面。暗挖段采用复合式衬砌。初期支护采用喷射混凝土、钢筋网、工字钢及锚杆。初期支护角部设置斜撑。二次衬砌采用C50钢筋混凝土结构。

4 结语

1)海沧隧道3号风井深约51.2 m，需穿越第四系覆盖层、回填砂层及全～微风化花岗岩，对于中风化以上地层采用明挖结构，中风化以及地层采用暗挖结构是经济合理的。当风塔结构无法单独设置基础时，可考虑将风塔结构放置于风井内衬上。风塔重力荷载对内衬受力是有利的。

2)风井结构首先应该满足通风和建筑功能的需要。对于地下2层板以下的明挖结构，建筑上无特殊要求，但根据计算分析该段需采用较厚的内衬墙和较大的配筋率，设计增设了两道井字肋梁可大幅减小结构的受力，这可为深大风井的结构设计提供参考。

3)对于地下2层板以下围护桩长度不一致、无法设置对撑及吊脚桩的情况，采用了地下2层板以上结构顺作，地下2层板以下结构逆作的方案，在保证结构安全的同时，最大限度的降低了桩基的入岩深度。

参考文献：

[1] 李 阳,漆岳泰.地铁中间风井深基坑围护结构变形规律分析[J].铁道建筑,2014(2):38-42.

[2] 陈宏伟.地铁区间风井内衬墙结构施工技术[J].铁道建筑技术,2013(3):52-55.