兰州地铁1号线下穿黄河区间隧道通风竖井施工方案研究

霍 滨

(兰州市轨道交通有限公司，甘肃 兰州 730043)

0 引言

随着我国城市交通建设的高速发展，穿越江河的隧道工程逐渐出现，如上海、南京、武汉、杭州等地先后兴建穿越江河的隧道工程[1-4]，同时，穿越黄河的隧道工程也随之兴起，最先出现的是南水北调、西气东输穿黄隧道[5-6]。对于穿越黄河地铁隧道的研究，主要集中在穿越黄河的兰州地铁1号线上[7]，国内部分学者从施工技术、模型试验、数值分析、风险评估等方面进行深入研究，如张莎莎等[8]对穿黄盾构隧道关键施工技术进行研究；王飞[9]分析盾构穿越的施工难点，并提出针对性措施；方勇等[10]开展下穿黄河盾构隧道管片衬砌结构受力特征模型试验；贾少春[11]采用有限元分析方法对盾构隧道下穿黄河施工对已建桥梁基础的影响进行模拟分析；贾剑青等[12]建立了下穿黄河隧道盾构施工风险指标体系，并采用层次分析法及多级模糊综合评价法，对下穿黄河隧道盾构施工风险进行评价研究。目前，对于穿黄区间通风竖井的研究极少。本文结合兰州地铁1号线穿黄通风竖井的位置、结构、防灾和通风进行了研究，并针对工程难点，对施工方案进行了深入分析，得出黄河地铁区间隧道通风竖井设计思路。

1 工程概况

地铁隧道穿越黄河工程在兰州地铁1号线一期工程首次实现，工程全长26km，1号线在安宁—西固的“三滩”地区两次下穿黄河。兰州地铁黄河隧道平面线位如图1所示。

图1 兰州地铁黄河隧道平面

1号线迎门滩站—马滩站区间主体采用盾构施工，由迎门滩站出站后，下穿黄河沿银安路下方铺设，下穿黄河段里程为YDK13+841—YDK14+245(北岸河堤里程YDK13+841、南岸河堤里程YDK14+245)，下穿黄河段长度约404m。由于周边规划尚未完全形成，场地条件相对较好，线路采用双线同侧绕避银滩大桥，由大桥上游下穿通过，最后到达马滩站。区间主体采用盾构施工。

2 工程地质条件

兰州地铁1号线迎门滩-马滩区间钻探深度内地表一般分布人工填土，其下为第四系全新统卵石及中砂透镜体，第四系下更新统卵石。场地地层自上而下划分为4层，其地层岩性特征如表1所示。

表1 地层岩性特征

场地地下水类型为冲积松散岩类孔隙水，主要含水层为砂卵砾石层。地下水主要赋存于②⑩和③卵石层中。区内由砂卵砾石构成的含水层，最大厚度可达316.77m。该区砂卵砾石层大致可以分为2层，上部150m 左右为疏松的砂砾卵石，下部砂砾卵石颗粒变细，较密实，含水层主要位于上部150m 范围内。勘察期间区间地下水位埋深8.86～11.66m。

3 通风竖井工程难点

3.1 无可借鉴工程参考

兰州地铁黄河隧道工程属黄河上首座交通工程类穿河隧道，在黄河上修建通风竖井无相似工程经验可以借鉴。

3.2 周边环境复杂

通风竖井等附属工程规模大，附属设施需满足黄河隧道的走向及线网，竖井工程受控于黄河、桥梁、道路及建筑物等影响，受控因素较多。兰州地铁黄河隧道竖井工程周边条件较为复杂，增加了工程设计和施工难度。

3.3 地质条件特殊

黄河兰州段属上游河段，由于地层演变，兰州地铁1号线黄河隧道及通风竖井所处地层受七里河断陷盆地影响，以巨厚层状强透水砂卵石层为主，工程地质条件较差。地下水主要赋存于卵石层，属断陷盆地松散岩类孔隙潜水。卵石土综合渗透系数为55～62m/d，为强透水地层。在高水压、强透水的砂卵石地层条件下，深大竖井的围护和主体结构实施难度非常大。

4 通风竖井方案研究

4.1 位置分析

4.1.1位置选择原则

为保证运营阶段地铁防灾救援，有必要设置穿越黄河长大区间通风竖井，位置选择原则如下。

1)黄河通风竖井需避开河道，与桥梁匝道等不发生冲突。

2)有相对充足的施工场地满足竖井施工。

3)按通风防灾要求，最佳位置为隧道1/2处，具体以功能计算为依据。

4)中间通风竖井与联络通道、泵房、盾构检修井尽量合设。

4.1.2竖井选址

黄河通风竖井选址需综合考虑通风、结构、规划、拆迁、竖井周围条件等因素。对黄河通风竖井设置在河堤湿地公园、黄河北岸、黄河南岸3种方案进行对比研究。

1)黄河河堤湿地公园进入汛期后，湿地公园将被黄河水淹没，成为黄河水体的一部分，竖井设置于公园内，受黄河水体影响非常明显，很容易诱发渗漏涌水等事故，施工期间将无法降水，存在很大的施工风险，对后期永久性的运营结构而言也非常不利，因此该方案不可行。

2)黄河南岸通风竖井位置方案位于4S店临时地块上，因拆迁赔付问题协商无果，4S店拆迁代价太大，黄河通风竖井无法“落地”。

3)黄河北岸通风竖井方案中，通风竖井与联络通道合设，联络通道兼泵房设置于黄河南岸。通风竖井位置相对全隧道不均衡，通风功能略有损失，经计算,采用通风措施后能够保证功能要求，防灾疏散能够保证同一时间段,一个区间只发生一处火灾等事故。方案可减少拆迁，解决拆迁协调问题；减少竖井结构施工难度，南岸增加的联络通道兼泵房可通过加固措施保证安全实施，减少工程投资。

黄河通风竖井南、北岸两个方案的技术经济比选如表2所示。对比分析可知，北岸方案技术可行，投资最少，黄河隧道通风竖井最终设置于黄河北岸。

表2 技术经济比选

4.2 通风竖井结构形式

4.2.1竖井宽度

黄河底部砂卵石地层透水性强，自稳性较差，为最大限度避免左、右线在掘进过程中的相互影响，两管隧道中间净土厚度建议大于2D(隧道洞径D=6.2m)，中间通风竖井位置与两隧道最大净距11.8m，确定中间通风竖井主体结构设计长度为28.8m，净空25.8m(见图2)。

图2 黄河隧道通风竖井宽度设计

4.2.2竖井深度

以工程所在处河道冲刷论证报告为基础，考虑最大冲刷线以下预留一定安全距离，兼顾两端车站埋深、区间附属修建及线路坡度等因素，根据自然冲刷、一般冲刷及桥墩局部冲刷计算得出冲刷影响包络线，按河床最大冲刷深度以下预留不小于1D安全距离为主，以控制隧道纵断面坡度及走向，通风竖井考虑大坡度快速提升问题，降低竖井埋深，迎门滩—马滩竖井深37m。

4.2.3竖井布置形式

通风竖井等附属设施受控因素较多，需考虑通风布局及黄河隧道盾构工程筹划等影响，经过布局设计、系列专题研究，最终确定黄河竖井合理的布置形式(见图3)。

图3 黄河通风竖井结构布置

4.3 通风竖井防灾研究

黄河隧道通风竖井结合疏散平台及联络通道的组合方案，实现两管隧道互为疏散救援，通风竖井送风、排烟等功能，保证黄河隧道行车、运营、通风及防灾疏散安全。

1)根据GB50157—2013《地铁设计规范》要求，将通风竖井设置于黄河北岸，受工程条件限制，通风竖井位置距离最近迎门滩站站端约595m,设置位置小于区间隧道长度的1/3，不满足规范要求，偏离区间隧道中部较远，通风竖井至两端区间隧道气流分布较不平衡，功能有损失，需计算论证。

根据黄河隧道通风竖井防灾原则，为保证让追踪的列车位于不同通风区段之间，同一时间段一个区间隧道只发生一处火灾等事故，通过行车模拟计算，区间隧道通风竖井与最远一端的车站端机械/活塞通风竖井之间列车运行时间约73s，可保证同一时间段一个区间只发生一处火灾等事故。设置通风竖井后在运营使用中，可保证每个通风的区段内只有一列车出现，通过纵向推拉式通风可以有效地解决事故工况下隧道内的通风排烟问题。

2)按照同一时间段一个区间隧道只发生一处火灾等事故为前提条件，黄河隧道按不大于600m设一处联络通道，满足人员从事故区间在合理时间内经联络通道疏散至相邻区间的要求。

4.4 竖井通风研究

黄河隧道通风系统由活塞通风和事故机械通风组成。在两端车站及通风竖井的隧道通风机房中各设置2台隧道通风机，两端车站按单活塞风道设置即可，通风竖井采用双活塞风道。车站采用直接蒸发冷却通风降温的设计方案，保证站内环境温湿度满足要求。列车在该区间内出现阻塞或者火灾时，由列车前后两端的隧道通风机对区间分别送排风，进行纵向通风排烟，保证人员疏散要求。发生火灾时，可实现洞内排烟，保证烟气不经过洞内人群，人员可在新鲜空气环境下逆风疏散。

隧道内一旦发生火灾，正常通风立即改变为事故通风，隧道火灾事故通风方案能够保证安全，此时的通风模式如下。

1)通风有利于人员逃生避难，风速大小可尽量减少传到人体上的热量，还可避免因纵向风流的湍流和涡流作用而使洞内烟雾弥漫，最大程度地给人员避难创造条件。

2)通风可避免和尽量减少火场高温气体的扩散，防止炽热气流引燃火场以外的车辆等物品，使火场扩大。

3)通风有利于消防队员救火，使消防队能从上风方向接近火场，开展灭火工作。

4)通风使隧道内形成一定的风速，诱导人员迎着新鲜空气疏散。

5 竖井施工方案

5.1 竖井基坑降水解决方案

1 )围护结构未隔断③11卵石层，且本工程基坑面积小，降水幅度巨大，拟采用坑内+坑外联合降水形式进行处理，并尽可能减少坑外抽水时间。

2)若坑内降水井井深不宜超过围护结构，需设置43m降水井；若坑外降水井井深需超过围护结构10m以上，需设置56m降水井。

3)在基坑开挖25m以内采用坑内降水井进行降水，坑内设置9口降水井(含1口备用观测井)；开挖25～34.49m时采用坑内结合坑外降水井联合抽水，坑外设置38口降水井(含4口备用观测井)。

4)为确保坑内降水井不间断工作，施工现场应有双电源保证措施，应配置备用发电机组。

5)坑内降水井在底板浇筑完毕之后首先封井，然后封闭坑外降水井。

6)针对本工程水文地质条件以及基坑工程特点，坑内外成井施工完成后，建议降水正式运行前及时做群井抽水试验，应同步观测坑内和坑外承压水水位变化情况，以判断降水效果和现场降水电路、排水情况，对所提出的基坑降水方案进行调整或优化。

通风竖井基坑止水帷幕与降水深井位置关系如图4所示。

图4 通风竖井基坑止水帷幕与降水深井位置关系示

5.2 围护结构

竖井围护结构采用钢筋混凝土地下连续墙，厚度1 200mm，墙体嵌固深度11.00m。地下连续墙共设计3种幅宽形式：第1种为矩形结构，幅宽4m，共16幅；第2种为矩形结构，幅宽5m，共4幅；第3种为L形结构，幅宽3.7m，共4幅；相邻墙幅间采用型钢接头连接。为便于盾构掘进范围内钢筋破除，地下连续墙结构范围内受力筋采用GFRP玻璃纤维筋代替钢筋，GFRP筋与HRB400钢筋搭接采用绑扎搭接，搭接长度不小于46d。墙顶设置钢筋混凝土冠梁，截面尺寸为b×h=2.3m×1.5m。

5.3 端头及井内加固

通风竖井端头及井内地基加固采用地面袖阀管注浆并采取降水措施。地层注浆加固总体顺序为施作导向墙之前井外加固，施作主体结构至地下2层中板标高时进行井内加固。其中，井外加固采用先周边孔双液浆加固，后中心孔单液浆加固，再检测的方式。井内加固采用先封底，后检测，再上部注浆固结的工序，注浆后的加固体形成类似封闭体，然后再降水至封闭体顶，以尽量降低地下水对工程的影响。

导向墙基底加固采用10cm PVC管进行地表加固，平面布置1.2m×1.2m，加固宽度3.6m，加固深度6.0m。

为确保注浆质量，经袖阀管和PVC加固的土体均应有很好的连续性、均匀性、密实性、密贴性。施工完毕后，应对加固体进行检验，其28d无侧限抗压强度应>1.0MPa，渗透系数应<1.0×10-6cm/s，若达不到设计要求，应及时补充注浆。

加固前应先对加固范围的管线及地下构筑物等进行普查，调查清楚，与相关产权单位接洽，干扰管线应先进行改迁处理。

盾构机进入通风竖井端头加固区及破除地下连续墙进入通风竖井过程中，必须加强该段的同步注浆和二次注浆，并通过管片手孔检查注浆效果，减少盾构机掘进方向周边地下水流入通风竖井的风险。后续通风竖井分层开挖时，从主体2层中板标高处打探测孔，满足加固强度且无涌水时，方可继续分层开挖，若不满足相应强度要求或有涌突水情况，应及时加强同步注浆及二次注浆。加固平面如图5所示。

图5 通风竖井端头及井内注浆加固平面

盾构机通过端头加固区后进入通风竖井内加固体，井内加固深度从主体结构第2层中板至底板以下8m，与端头加固体形成整体加固，避免盾构机破地下连续墙而入及后续通风竖井开挖时地下水通过围岩与管片间隙涌入井内，同时底板以下加固体对通风竖井形成有效封底，避免产生井底突涌水事故。

5.4 施工工序

通风竖井平面尺寸21m×17m(长×宽)，井深约37m，围护结构采用钢筋混凝土地下连续墙，结构采用现浇钢筋混凝土箱形框架结构，采用逆作法施工。通风竖井施工步骤为：地下建(构)筑物情况调查以及地面障碍物处理→井外地表加固→施工导向墙及地下连续墙→基坑降水→开挖土方→由上而下逆作施工主体结构至结构上方1D范围(主体结构地下2层中板标高处)→井内地基加固→盾构机掘进通过通风竖井(井内检修)→继续开挖土方并逆作施工主体→通过管片手孔对管片四周二次径向注浆加固→拆除管片→清理基底、施工接地及防水层、铺设垫层→浇筑地下4层主体结构(包括施作结构外包防水层)→分层碾压回填土方→恢复场地。

6 结语

阐述了穿越黄河的地铁隧道通风竖井工程难点，对通风竖井位置方案进行比选分析，并对通风竖井结构形式、通风及防灾模式进行研究论证，系统分析得出黄河区间隧道通风竖井施工方案，主要结论如下。

1)兰州地铁1号线黄河隧道通风竖井工程规模和深度非常大，无相似工程经验可以借鉴，目前

通风竖井的设计及施工方案对后续类似工程具有借鉴与参考意义。

2)黄河隧道通风竖井的选址需综合通风、结构、规划、拆迁、竖井周围条件等多因素进行确定。

3)黄河隧道通风竖井结合黄河隧道疏散平台及联络通道组合方案，实现两管隧道互为疏散救援，通风竖井送风、排烟等功能，保证黄河隧道行车、运营、通风及防灾疏散安全。

4)因隧道位置的特殊性和空间的局限性，其封闭环境导致隧道内发生火灾时疏散困难、救援困难、排烟困难和灭火困难，需重视通风处理。

5)在黄河地铁深大竖井工程中首次采用双层地下连续墙+端头井内注浆加固+坑内坑外降水的综合施工方案，有效阻隔黄河水系的联通，确保竖井开挖过程中的安全。

6)由于穿越黄河区间隧道强透水砂卵石地层的特殊性，紧密结合黄河隧道地质条件，对通风竖井实施风险管控，确保工程有序安全实施。