地铁长大区间风井设计及盾构施工设计研究

曾佳亮，申荣杰，张继清

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

1 引言

随着城市规模的扩大，规划建设的地铁线路数量不断增加，地铁长大区间的数量也随之增多，区间穿越区域地质条件复杂、多变，地面及地下环境制约因素增多。为保证地铁线路安全疏散、区间施工工期及安全要求，往往需要增设区间风井；工法采用更为可靠的机械法盾构施工工艺。因此，确定合理的风井规模、风井位置、盾构施工条件，实现长大区间隧道设计的安全、经济、低碳环保，显得非常有必要。

2 工程概况

深圳地铁14号线工程线路起点位于深圳市福田区的岗厦北，线路途经罗湖区、龙岗区，终点位于坪山区的沙田，预留延伸至惠州条件，是覆盖深圳东部片区的快速轨道交通骨干线，建成后可以促进深圳中心城区与东部组团之间的快速联系，满足区域内和组团之间的快速通勤需要。14号线线路设计速度为120 km/h，线路总长50.3 km，设置18座车站，全为地下敷设；全线超过2 km的区间有13处，其中有2处区间超过4 km，全线共设置9座区间风井。

14号线布吉站—石芽玲站区间自布吉站出发后，沿龙岗大道地面辅道下方敷设，随后往东北方向拐入南门墩村及布吉新村地块内，沿中兴路—东西主干道下方敷设，穿越石芽玲信义公园地块后沿科技园路盛宝路下方敷设到达石芽岭站，区间全长3.23 km，如图1所示。区间穿越了素（杂）填土、全强风化角岩、中风化富水破碎带角岩、微风化角岩等地层，沿线下穿的风险点主要涉及到地铁3号、5号线、布吉河、龙岗大道高架、布龙公路桥以及多处房屋，为确保施工安全及完成工期要求，采用土压平衡及TBM 双模盾构施工工法。

图1 布吉站—石芽岭站区间示意图

3 区间风井设计

3.1 设置要求及设计原则

3.1.1 设置要求

GB/T 33668-2017《地铁安全疏散规范》中规定：“区间隧道火灾时，区间隧道通风排烟系统的排烟模式，应满足单线区间隧道内正常运行时两区间风井只有一列车的要求，否则应设区间中间风井或与顶棚土建风道连接的区间中间排烟口；区间火灾时隧道排烟应保证烟气不进入车站隧道区域”。

GB 50157-2013《地铁设计规范》中规定：“当需要在区间设置通风道时，通风道应设于隧道长度的中间位置，在困难条件下，可移至不小于该区间长度的1/3位置，但不宜小于400 m”。

3.1.2 设计原则

（1）区间风井选址应尽量占用市政绿地、空地，不得占用已有规划用途的用地。

（2）区间风井的设计应考虑做到建筑功能完备、周边环境安全、工程投资合理。

（3）区间风井选址应便于施工进场、材料运输，尽量不占或少占用市政道路，减少交通疏解工程量，尽量避免电力、通信、燃气、大直径重力流管线的改迁。

（4）区间风井应兼作长大盾构区间的始发井或者接收井；其规模及设置位置应满足全线的施工组织要求，确保区间的土建工期。

3.2 方案比选

先根据规范要求对中间风井适宜位置进行分析；区间在该区域穿越布龙公路桥、东方半岛小区、石芽岭山高边坡等区域，这些区域诸多限制因素对风井的选址及设置有较大影响。

通过对区间风井的控制条件及制约因素进行分析，初步确定布吉站—石芽玲站区间风井的3个较为适宜的方案位置，如图2所示。

图2 风井方案位置示意图

3.2.1 方案 1

方案1风井设置于布龙路西侧，东西干道南侧位置，具体位置如图3所示。由于该处区间隧道位于东西干道正中央下方，周边环境狭小，不具备交通疏解条件，需要将风井设置于南侧公园绿地中，交通疏解及管线改迁工程量较小；但是其与正线区间需要通过设置暗挖通道进行连接，盾构只能通过暗挖通道进行平移接收，基本上不具备始发条件。

图3 方案1风井设置示意图

3.2.2 方案 2

方案2风井设置于布龙匝道桥东侧、东西干道北侧，具体位置如图4所示。该方案施工场地位于石芽岭山高边坡上，石芽岭山高边坡坡度超过25°，施工需要对边坡进行开挖、刷坡风险较高。风井邻近东方半岛小区；其中建筑为浅基础老旧民房，基坑开挖对其影响较大；风井部分结构侵入东西干道，需要进行交通疏解和管线改迁，风井具备盾构始发和接收条件。

图4 方案2风井设置示意图

3.2.3 方案 3

方案3风井设置于石芽岭公园内，占用石芽岭公园内网球场及其周边绿地，具体位置如图5所示。该方案位于石芽岭公园内，对周边环境的影响较小，无交通疏解及管线改迁，便于快速进场施工。虽然风井选址位于山间低处的平坦地块，但由于正线区间下穿石芽岭山体，埋置深度还是较深，达到50 m。山体岩面高，区间风井的地质条件较好，施工风险较小；为减少工程投资，需最大程度优化区间风井规模。

图5 方案3风井设置示意图

对以上3个风井设置方案进行分析比选，分析结果如表1所示。综合考虑区间风井的周边环境，工程实施条件、工期及投资情况，方案3最为合理，对周边环境影响小、施工进场条件较好，工期及投资相对较优；因此，推荐选择方案3作为实施方案，将区间风井设置在石芽岭公园内。

表1 风井方案比选统计表

3.3 建筑优化设计

由于区间风井的埋深较深，风井大部分处于微风化岩中，方案实施对破岩施工要求较高。为降低施工难度，控制工程投资，需要对风井进行建筑优化设计。

（1）区间风井规模与风井建筑功能有直接联系。根据列车牵引要求，须在风井内设置牵引所或跟随所以满足全线动力要求。区间风井作为牵引所时需要进行大型设备安装，风井长度一般不小于40 m，规模较大；因此，通过行车模拟牵引计算，调整牵引所设置位置，将布吉—石芽岭区间风井仅设置为跟随所，风井长度优化为30 m左右。同时，根据风井的功能及限界要求，风井平面宽度设计为25 m。风井出地面建构筑物（风亭、消防疏散口）结合山体边坡和公园的场地进行布置，尽量整合设置，减少对地面景观的影响。

（2）风井所处的地质条件岩面较高；因此，将围护结构设计为“吊脚地连墙+混凝土内支撑+喷锚支护”形式，减少地连墙的入岩深度，降低施工难度；通过在地连墙吊脚处设置锁脚锚杆，增加地连墙的稳定性；通过增强内支撑的强度，加强对基坑一侧边坡的防护。

（3）风井所处石芽岭山体水流量丰富，基岩裂隙水较为发育；风井埋深较深，风井主体结构所受浮力较大，需进行抗浮设计。通过在基坑顶部设置抗浮压顶梁，在风井底板两侧设置抗浮脚趾的方式充分利用基岩高摩擦力和重力特性进行主体结构抗浮设计，如图6所示，做到经济合理、安全可靠。

图6 风井结构断面图

4 区间风井盾构施工设计

4.1 盾构始发及掘进

盾构施工主要涉及到盾构始发及正常掘进2个阶段；受到区间风井规模限制，盾构从区间风井位置进行始发和掘进的条件往往比较差，对区间的土建工期影响非常大；因此区间风井盾构始发及掘进模式设计如下。

（1）区间风井+前后暗挖导洞整体始发模式（模式 1）。该模式可以实现盾构从区间风井位置整体始发，同时可以实现盾构掘进阶段的正常出土。但是由于暗挖导洞断面大，使用时间长，荷载作用大，一般在区间地质条件比较好的情况下推荐采用。地质条件比较差，周边环境复杂的情况下，施工风险及工程投资较大，不推荐采用。

（2）区间风井分体始发+后导洞出土模式（模式2）。该模式盾构始发阶段盾构机需要进行分体下井始发，分体之间增加油管线路连接，分体始发根据风井规模及分体位置不同可以分为以下3种：①从主机断开的分体始发，所需风井规模较小，但是渣土吊运和管片吊运2个工序需多次间断才能完成，隧道始发掘进效率非常低；②从1 号至4 号拖车任意位置断开的分体始发，盾构同步注浆、管片吊运2个工序任务可使用盾构自身设备以及标准渣斗车完成，各工序被间断次数和工序间转换次数大幅减少，生产效率比从主机断开的分体始发方式高出很多；③从5 号拖车断开的分体始发，从5号拖车断开的分体始发方式在盾构始发阶段对生产效率的提高很微弱，一般较少使用。

（3）区间风井分体始发+连续皮带机出渣模式（模式3）。该模式盾构始发条件与模式2基本一致，盾构在正常掘进阶段采用连续皮带机出渣模式进行出土，减少洞内水平运输负荷、取消地面大吨位龙门吊，降低后导洞及施工运输安全风险。但是，垂直提升压带机占用空间较大，影响盾构吊装、调拆作业；皮带转接及提升部位容易掉渣，渣土改良要求苛刻。

4.2 盾构整体始发

（1）本区间隧道埋深较深，为控制工程投资，区间风井按满足建筑功能的最小规模进行控制，设计尺寸约为30 m×25 m。根据施工组织安排，在风井始发2台盾构往布吉站方向掘进，掘进距离约为2.2 km。

（2）本段区间岩层和土层交替存在，推荐采用土压平衡及TBM 双模盾构施工，盾构机总机长度105 m；综合考虑区间风井井口的平面布置，在区间风井前后设置暗挖导洞，前导洞设置为90 m，后导洞设置为50 m，实现盾构整体始发和正常掘进。区间盾构整体始发及暗挖导洞示意图及盾构正常掘进出土示意图如图7、图8所示。

图8 盾构正常掘进及出渣示意图

5 结论及建议

（1）为满足地铁长大区间排烟及疏散安全要求，需要设置区间风井。风井的设计需要综合考虑线路周边的用地属性、周边环境、工程可实施性、工期、投资等因素，并结合功能需求及地质情况做好建筑布局、结构设计，确保区间风井设计的经济、合理、安全。

（2）为降低施工风险，地铁长大区间推荐采用盾构法施工；区间风井设计需赋予盾构始发和接收的功能，宜选在地质条件较好、周边环境简单的位置；通过设置前后暗挖导洞，可实现盾构整体始发及盾构正常掘进出渣要求。

（3）深圳地铁14号线布吉站—石芽玲站区间风井盾构掘进速度180 m/月，单日最高掘进环数10环/天，超过同类复合地层盾构掘进的平均水平，取得了良好的社会经济效益。