兴业快线（北段）1#竖井地下风机房开挖施工技术

付浪喜

（上海隧道工程有限公司广东分公司，广东 深圳 518000）

1 工程概况

1.1 总体概况

1#竖井地下风机房位于兴业快线（北段）西线隧道W1K2+674西侧105m处（中心线距离），距左线隧道进口2191.708m，内径11.0m，其中两个排风道净空面积为22.55m2，周长为18.415m；送风道净空面积为43.97m2，周长为27.007m，排、送风道采用30cm厚的钢筋混凝土中隔板隔离设置，井深86.0m。对1#竖井，竖井井身段开挖采用反井法并结合钻爆法施工，井身段和地下联络风道采用复合式衬砌结构；联络风道采用新奥法组织施工。

竖井所穿越的地层类型如下：1）粉质黏土。主要成分含约10%～20%的石英质砾砂，干强度及韧性较高，呈饱和和硬塑状态；2）全风化花岗岩属极软岩。绝大部分矿物已风化成土状，岩体完整程度为极破碎；3）强风化花岗岩属极软岩。大部分矿物已显著风化，节理裂隙极发育，岩体完整程度为极破碎；4）中风化花岗岩属较坚硬岩。节理裂隙较发育，裂隙面多被铁质浸染呈褐黄色，岩体完整程度为较破碎。竖井主要包括Ⅲ、Ⅴ级围岩，分别占全身段的79%和15%。

1.2 地下风机房参数

兴业快线（北段）1#竖井地下风机房处于Ⅲ级围岩，地下水弱发育，竖井通过联络风道与地下风机房连接，风道须跨越主线左线隧道与右线隧道相连，跨越处的风道二衬与主线隧道二衬基本紧贴。1#竖井地下风机房共有11条通道与其相连，通道断面不一致，均呈小净距，示意图如图1所示；风机房剖面参数为高度13.6m、宽度10m和长度77m，其顶部高出风道顶部约6.4m，示意图如图2所示。

图1 地下风机房平面图

图2 地下风机房内轮廓图（单位：mm）

2 施工重难点

通过分析1#竖井地下风机房及联络通道的结构，总结了地下风机房开挖的难点，主要包括以下4点：1）通过风道开挖导洞至地下风机房的上断面，属有限空间作业，空间狭小，对通风和照明的要求较高；2）导洞施工坡度大，最大坡度为20.7%，对台车安放稳定性的要求较高，初期支护难度大；3）交叉口很多。有8条风道、1条设备通道、1条疏散通道和1条检修通道与地下风机房联通，硐室纵横交错，共有11个交叉口。各个交叉口间距极小且属于围岩受力薄弱点，采用新奥法开挖难度大，初期支护强度要求高；4）开挖断面大。地下风机房内轮廓高度13.6m、宽度10m，大断面导致施工支护和衬砌难度大[1]。

3 施工机具选择

根据现场实际情况，采用的主要施工机具见表1。

表1 地下风机房开挖施工主要施工机具一览表

4 施工技术

地下风机房采用导洞开挖方式，通过导洞施工先行贯通，再逐渐落底开挖施工。1#竖井地下风机房开挖主要分为3个部分：1）坡度为20.7%的导洞开挖施工；2）导洞以下地下风机房断面开挖施工；3）地下风机房上挑段开挖施工。

4.1 导洞开挖施工

对借助开挖风道1形成的断面空间来说，为了充分利用开挖设备和设施，节约施工成本，经过综合考虑后决定导洞的开挖断面与风道1断面的尺寸一致，导洞尺寸数据如图3所示；导洞开挖始于风道1，按照20.7%的坡度爬升至风机房上断面后再平导开挖，导洞开挖的纵断面图如图4所示。

图3 导洞1-1横断面图（单位：mm）

图4 导洞开挖纵断面图（单位：mm）

在导洞开挖施工中，虽然其作为临时通道，但是为了保证开挖过程中围岩稳定、受力状态良好，斜坡段导洞拱顶的初期支护参照主洞隧道Ⅲ级围岩复合型衬砌类型施做，即采用锚网喷联合支护：80mm厚C25喷射混凝土及钢筋网，钢筋网片尺寸为ø8mm@250mm×250mm（环向×纵向），系统锚杆为药卷锚杆ø22mm@1200mm×1200mm（环向×纵向），梅花型布置，长度L为2000mm。

为了初期支护的永临结合，设置平导段导洞的初期支护参数和地下风机房一致，即为240mm厚C25喷射混凝土及钢筋网，钢筋网片尺寸为ø8mm@250mm×250mm（环向×纵向）；系统锚杆为中空注浆锚杆ø25mm@800mm×1000mm（环向×纵向），梅花型布置，长度L为3500mm；衬砌钢架为工18型钢拱架，间距1m；为了确保风机房下半断面开挖后平导段导洞的拱架形成整体受力，拱架底部应设置纵向托梁（图5）和锁脚锚杆（图6）。

图5 纵向托梁设置示意图（单位：mm）

图6 锁脚锚杆锚固示意图（单位：mm）

4.2 地下风机房下半断面开挖施工

1号风道施工的导洞完成后，导洞以下地下风机房部分采取从风道1向设备通道方向开挖一次落底成型的开挖方式，为了保证工序的衔接性和施工的紧凑性，加快爆破后的排险和出渣速度并及时施做初期支护，经过现场实际调配确定采用1台挖掘机、1台装载机和3辆自卸汽车相互配合，自卸汽车通过风道1后退装渣、前进出渣。地下风机房下半断面落底施工示意图如图7所示。

图7 地下风机房下半断面落底施工示意图（单位：mm）

须注意当风机房下半断面开挖时，为了减少爆破对上部围岩的扰动、影响支护受力稳定，须严格遵循“十八字”方针，特别注意短进尺和强支护的要求，但当开挖至平导洞时，须及时接长拱脚脱空的型钢拱架，接长拱架底部应置于稳固且无虚渣的岩石面上，确保钢架受力稳定和共同作用。

4.3 地下风机房上挑段开挖施工

地下风机房上挑段开挖施工在第二部施工完成后进行，开挖方向为从风道4到风道1。在本部开挖前，须完成两项作业：1）开挖设备通道至地下风机房，这时设备通道将作为上挑段开挖的运输通道；2）地下风机房底部自设备通道向风道1部分带坡回填，作为上挑段开挖作业平台及运输通道。

通过计算开挖台车高度、作业空间要求和回填渣理论量，可知初次填渣量不必一次到位，可以用后期挑顶开挖后的石渣逐渐向风道1方向进行填充，这样既可以减少出渣量，又能加快施工速度。

利用1号风道的开挖台车进行挑顶施工，为了保障台车作业高度达到要求、台车作业坡度和基面稳定安全，经过多次理论论证，最终确定初次回填区域的台车作业坡度为19.8%，回填自设备通道左下角一直往3号风道中心线抬升，抬升高度约5.7m，最终止于2号风道左下角，地下风机房上挑段开挖施工的示意图如图8所示。

图8 地下风机房上挑段开挖施工示意图（单位：mm）

爆破开挖后，可以直接使用装载机推渣平整回填作业平台，完成初期支护即可进行下一循环施工，直至完成上挑段开挖和初支施工，这时，上挑段的初期支护采用同地下风机房一致的支护参数进行施工，当钢架不能一次落底或拱脚置于虚渣之上时，须设置锁脚锚杆和纵向托梁，当清除回填渣时再及时接长拱架、喷射混凝土等，完成初期支护的全部工序和地下风机房的开挖施工。

4.4 地下风机房施工要点

钢架间设纵向连接钢筋ø22@100cm ，焊接在工字钢翼缘内侧，交错布置。钢架各个单元端部焊接连接钢板，单元间以螺栓连接。拱架与开挖轮廓之间所有间隙必须用C25早强喷射混凝土充填密实，应在开挖面初喷4cm砼后架设拱架，喷射混凝土应由两侧拱脚向上对称喷射，续喷至设计厚度，其保护层厚度在围岩侧不小于40mm，临空侧不小于20mm，混凝土喷射顺序为先喷拱架与轮廓之间，再喷拱架周围，然后再喷拱架之间；锁脚锚杆用弯钩焊接在工字钢临空面侧翼缘上，采用双面焊接。施工过程中锁脚锚杆的设置角度和方向应结合岩层倾角、走向和节理发育方向等确定。

二次衬砌施工采用专用钢模施工，为了保证钢模受力后的整体稳定性，每板二衬长度按5m施工。二衬面两边侧墙于底部往上7.9m处设置牛腿，牛腿采用木模施工，当边墙钢筋绑扎到对应位置时，预埋牛腿的连接钢筋。

4.5 监控量测

为了保障地下风机房施工安全，控制施工质量，在施工过程中必须做好监控量测工作，其主要的监测项目为拱顶沉降、净空收敛和围岩面观察等，监测点采取加密布置，监测频率为一天四测，通过监控量测数据感知开挖后的围岩稳定性，掌握围岩变化状态，提前做好相关处理措施，例如超前支护、加强初期支护强度、修正爆破参数和调整开挖进尺等，确保开挖面的围岩稳定，为二次衬砌的施工时间提供准确有效的数据支撑[2]。

5 结语

该文通过施工技术研究快速完成了兴业快线（北段）1#竖井地下风机房开挖施工，采用的工法简单，无须投入大量的设备、资金和人员，降低了施工难度。针对地下风机房交叉硐室多、断面大、结构复杂、封闭性强、造价极高、在发生事故后危害大和施救难度大等特点，该文提出的开挖施工技术安全可靠、技术可行、经济合理，能够快速、安全、保质保量地完成地下风机房开挖施工作业，可以为类似地质条件和结构形式下的地下风机房开挖施工提供参考。