本工程地下风机位于国家级生态管控区，不具备地面设置风机房条件，因此将风机房放置在地面以下，为本工程通风排烟设置的地下风机房建筑面积1481.8平方米，开挖高度15.82 m，是国内工程规模最大的地下风机房。工程示意图如 图1 所示。

本工程地下风机房有如下特点：

(1) 建筑面积1481.8 m²；

(2) 6种不同的通道类型；

(3) 11种断面型式；

(4) 15个交叉体系；

(5) 各隧道洞室之间间距小，隧道上下交错，各隧道相互之间影响大。

地下风机房根据结构功能及断面形式，共有地下风机房、配电房、联络风道、设备运输通道、人行检修通道、辅助施工通道等几种断面形式，围岩主要由IV级和V级围岩。其中，地下风机房开挖断面面积最大，约211 m²，其次为联络风道扩大端，开挖面积约210 m²。斜井及地下风机房平面布置图如 图2 所示，A-A、B-B、C-C断面如 图3 、 图4 、 图5 所示。

数值模拟基于以下基本假定：

(1) 各土层模型视为各项同性材料，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型计算，仅考虑初期支护，不考虑二衬作用。

(2) 岩体初始地应力不考虑构造应力，仅考虑自重应力。

由圣维南原理可知，隧道洞室的施工对围岩的扰动范围有限，通常由于隧道施工导致洞室周围岩体在各个方向上应力重分布的距离为洞室直径的3~5倍长度内 [11] [12] 。本次数值计算采用地层结构模型，示意图如 图6 所示。为了尽可能消除边界效应的影响，模型两侧到隧道轴线的距离取300 m，模型下侧到隧道底部的距离取70 m，模型上侧到隧道顶部的距离取隧道实际埋深(47 m)。在该计算模型中，用3D实体单元模拟隧道开挖土体及周边围岩。2D板单元模拟初期支护，1D线单元模拟锚杆，整个模型共143,308个单元，78,053个节点。整体未开挖有限元模型网格如 图6 所示，地下风机房与双线隧道有限元模型网格见 图7 及 图8 。

苏州长江路南延工程风机房三维数值模型计算参数见 表1 。

为了进行比对选取最优的地下风机房开挖顺序，本模型设置了两种施工工况，对比分析不同开挖顺序下风机房交叉接口及风机房拱顶扰动最小的开挖方法。

工况1施工顺序：设备运输通道→地下风机房开挖支护→配电房开挖支护→配电房检修通道、风机房检修通道→左线联络通道小导洞进洞→左线联络风道→右线联络风道。

工况2施工顺序：左线联络通道小导洞进洞→地下风机房开挖支护→配电房开挖支护→设备运输通道→左线联络风道→右线联络风道→配电房检修通道、风机房检修通道。

工况二为实际施工工况，以工况二数值模型为研究对象， 图11 ， 图12 为地下风机房系统施工完成后，风机房系统及隧道初支总位移云图。由 图11 可知，双线隧道初支整体最大位移出现于左右线标准段隧道下部初支支护，位移最大值为21 mm，向上隆起，最大沉降值出现于双线隧道上部初期支护处，位移最大值为16 mm，双线隧道两侧初支位移相对较小，位移值为10 mm。

由 图13 可以看出，左线隧道与五种连接通道及右线与通风管道处初支位移较大，位移最大值为42 mm，需加强上部、下部及隧道与连接通道接口处初支强度，避免初支支护弱造成围岩扰动问题。风机房系统初支位移最大值位于风机房与上下检查通道、右线通风管道及左线通风管道交接处。位移最大值为42.17 mm，风机房与运输通道交接处位移相对较小，位移值为7 mm。

在风机房及双线隧道有限元模型中分别布置了5个测点，以对比监测数值模型中位移变形，测点1为风机房与风机房检修通道交叉口拱顶测点、测点2为风机房与左线大跨通风管道交叉口拱顶测点、测点3为风机房与右线大跨通风管道交叉口拱顶测点、测点4为风机房与运输管道交叉口拱顶测点、测点5为风机房与配电室检修通道交叉口拱顶测点。测点布置图如 图14 所示。

图15 与 图16 分别对应工况一与工况二开挖下风机房与五个管道交叉口位移变形云图，由两图对比可以看出，工况一中由于先进行测点4对应管道的开挖，后进行风机房整体开挖，后续开挖过程中，测点4对应的设备运输管道已经完成初期支护，趋于稳定，后续施工开挖对其影响扰动小，最终完工后，测点4区域位移变形小。工况二中，由于先进行整体的风机房开挖，后贯通各类管道，导致各类管道交叉位置处均出现了不同的位移变形，因此，在工况二“先整体，后局部”的开挖方式中，要着重注意进行各类管道开挖时，交叉口处位移变形。

同时，对比两个工况下位移变形云图，各类管道与相邻的左线大跨交接处的位移基本一致，最大位移分别为42.17与42.07 mm，两种工况下施工开挖完成后，位移最大值相差较小，局部位移相差较大，最明显区域位于测点4位置处。

由 图17 可以看出，5个测点在施工开挖完毕后，工况一下最大位移测点为测点3，对应右线通风管道拱顶，工况二下最大位移测点为测点4，对应设备运输管道。工况一与工况二条件下，测点4的位移分别为8 mm与12.5 mm，增幅为56.3%。测点1、2、3、5位移相差较小。

风机房主体高度大，拱顶沉降需要着重监测，因此，本节中在风机房拱顶位置处布置10个测点，以对比监测数值模型中两种开挖工况下风机房拱顶位移沉降。风机房拱顶位移测点布置示意图如 图18 所示。

图19 与 图20 分别对应工况一与工况二开挖下风机房拱顶位移变形云图，由两图对比可以看出，整体施工完成后，两种工况下拱顶变形差别不大，10个测点中，位移沉降最大区域为测点4区域，该拱顶位置区域为右线通风管道与风机房交接区域，考虑到两种工况中，最后施工的均为右线通风管道，因此，在最后的施工阶段里，右线通风管道对风机房主体的沉降位移影响不容忽略。

由 图21 可以看出，两种工况下，拱顶10个测点位移变形趋势一致，最大位移均位于第四测点处，两种工况下风机房拱顶沉降相差很小。D1~D5范围内，工况一大于工况二；D6~D10范围内，工况二大于工况一。

图22 为地下风机房系统施工完成后双线锚杆轴力应力云图。由 图22 可知，锚杆整体最大轴力出现于左右线标准段隧道拱腰两侧锚杆，锚杆轴力应力最大值为1.51 KN/mm⁻²，位于锚杆与围岩接触部分，拱顶及最下部锚杆轴力较小，最大值为0.13 KN/mm⁻²。