沈洪波

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥　230088)

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復(fù)雜條件下城市下穿隧道工程設(shè)計(jì)技術(shù)

沈洪波

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥230088)

摘要：城市下穿隧道作為改善城市公共交通狀況的有效途徑，在城市公共交通中起著越來越重要的作用。作為一類典型地下工程，受到巖土條件、施工空間、城區(qū)環(huán)境、交通疏解、管線改遷及工期等多因素的交叉限制和制約，具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。文章結(jié)合具體工程案例，重點(diǎn)從條狀基坑分段設(shè)計(jì)、大跨度高懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和與周邊工程協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)等方面，淺析相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)，以期為類似工程積累一定的工程經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：城市下穿隧道；協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)；基坑分段開挖；大跨度高懸臂結(jié)構(gòu)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，在一定時期和區(qū)域內(nèi)，城市發(fā)展規(guī)模已經(jīng)達(dá)到甚至超越了現(xiàn)有交通環(huán)境所能承受的最大發(fā)展規(guī)模，使現(xiàn)有的交通環(huán)境系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)無法滿足城市發(fā)展需求。城市下穿隧道工程作為改善城區(qū)交通擁堵的一個有效措施，能夠分層次改善道路交口的交通條件，從而緩解區(qū)域交通壓力，為城市的發(fā)展創(chuàng)造有利條件[1-2]。

近幾年，我國城市隧道的建設(shè)數(shù)量也越來越多，本文結(jié)合具體案例，分析總結(jié)合肥城市下穿隧道工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

1工程地質(zhì)概況

(1) 工程概況。望江西路節(jié)點(diǎn)工程是合肥市暢通二環(huán)工程的重要節(jié)點(diǎn)，由西二環(huán)方向上跨橋、地面道路及望江西路方向下穿隧道組成的3層立交結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中隧道工程西起望江西路與西二環(huán)交口西側(cè)，下穿西二環(huán)向東延伸至合肥西客站西側(cè)，與鐵路部門建設(shè)的下穿西客站隧道工程相接，并設(shè)置A、D匝道與西二環(huán)路順接。

主線明挖矩形隧道總長為469 m(暗埋段長為110 m)，為城市主干道，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，雙向6車道，標(biāo)準(zhǔn)段隧道單孔凈寬為12 m。A匝道總長為308.858 m(暗埋段長為113 m)，D匝道總長為201 m(均為敞開結(jié)構(gòu))，為城市次干道，均為單向一車道，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，A、D匝道標(biāo)準(zhǔn)段隧道凈寬分別為8 m、7 m。

圖1　隧道工程效果圖

(2) 地質(zhì)概況。工程范圍內(nèi)地層主要為填土、黏土，下覆層為泥質(zhì)砂巖，為合肥地區(qū)典型地層分布，具體指標(biāo)見表1所列，其中K0為靜止土壓力系數(shù)，黏土自由膨脹率平均值δef為58%，具有弱-中膨脹潛勢。地下水總體不發(fā)育，潛水水位在2.3～12.0 m。

表1　主要物理力學(xué)指標(biāo)表

2工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1) 工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，周邊小區(qū)建筑物較多，地下管線密集，對隧道基坑方案產(chǎn)生極大影響。其中南側(cè)小區(qū)地下車庫側(cè)墻距離基坑約為3 m，西二環(huán)西側(cè)有2根DN1 400給水管，東側(cè)有1根DN1 600和1根DN600給水管，施工期間給水管不可中斷，均為方案控制性因素。

(2) 建設(shè)周期短，其中西二環(huán)南北方向上跨橋計(jì)劃工期僅6個月，項(xiàng)目總工期為10個月。同時施工期間，二環(huán)南北向交通必須保持通暢。

(3) 橋梁與隧道工程立體交叉，隧道基坑開挖與橋梁施工干擾嚴(yán)重，施工工期壓力更加巨大。

(4) 受總體方案控制，隧道部分敞開段結(jié)構(gòu)懸臂高度最高達(dá)到13 m，底板跨度最寬超過40 m，結(jié)構(gòu)尺寸大，受力復(fù)雜，協(xié)調(diào)性差。

3設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1橋隧方案的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

由于橋梁與隧道交叉節(jié)點(diǎn)施工相互干擾，施工期交通又不允許中斷，若采用常規(guī)結(jié)構(gòu)橋梁，無論橋梁先施工或隧道先施工，均難以滿足工期要求。經(jīng)過論證，橋梁主跨推薦采用鋼混組合梁體系，跨徑為50 m，利用主跨鋼箱梁在工廠加工期間(約3個月)，先完成橋梁下方隧道施工，并為后期管線改遷提供空間,如圖2所示。

3.2基坑分段開挖技術(shù)

(1) 基坑總體方案。基坑呈長條狀，最大寬度約為50 m，最大深度超過12 m。如圖3所示，采用鉆孔灌注樁+多道鋼支撐圍護(hù)體系，內(nèi)支撐設(shè)置2～3排格構(gòu)柱，基坑高度小于4 m時，采用放坡開挖。

圖2　主跨橋下隧道施工

圖3　支撐布置剖面示意圖

(2) 分段開挖設(shè)計(jì)。如圖4所示，結(jié)合隧道基坑的特點(diǎn)及工程控制因素，共設(shè)置4道封堵墻：0 km+342 m、0 km+370 m、0 km+396 m、0 km+421 m。如圖5所示，綜合考慮基坑開挖高度，隧道主線基坑分成8段，根據(jù)交通組織及橋梁施工需要，按4期施工：① 一期：1區(qū)基坑開挖并施工主體結(jié)構(gòu)，利用4區(qū)域設(shè)置交通導(dǎo)改，滿足西二環(huán)南北向交通。② 二期：2區(qū)域基坑開挖，將4區(qū)域給水管改移至1區(qū)域，1區(qū)域橋梁施工，西二環(huán)上跨橋主跨施工并放行。③ 三期：3區(qū)域基坑開挖。④ 四期：橋下南北方向交通中斷，4區(qū)域基坑開挖。

圖4封堵墻位置及管線遷改示意

圖5　基坑開挖分段示意圖

整個工程通過合理的分段設(shè)計(jì)，在滿足工程安全和施工期間交通疏解、管線遷改的要求同時，通過各單位的合理組織，僅用10個月就完成了由橋梁、平行道排和下穿隧道組成的3層立交結(jié)構(gòu)施工。

3.3大跨度高懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 問題分析。前期方案總體設(shè)計(jì)過程中，對本項(xiàng)目采用長隧道方案和短隧道+敞口段方案進(jìn)行詳細(xì)比選論證，認(rèn)為長隧道有后期運(yùn)營管理復(fù)雜、暗埋段內(nèi)主線與A匝道合流段行車安全性差且工程造價高等缺點(diǎn)[3-4]，確定采用短隧道+敞口段方案。路線縱斷面最終采用W形設(shè)計(jì)，整個工程由下穿西二環(huán)和下穿西客站2段暗埋段和3段敞口段構(gòu)成，降低了隧道通風(fēng)、照明要求，且主線與匝道的分合流均位于敞口段，有利于行車安全以及后期運(yùn)營管理，但造成2段暗埋結(jié)構(gòu)之間敞口段跨度大、懸臂高的問題。

(2) 結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)。2段暗埋段結(jié)構(gòu)之間的敞口段結(jié)構(gòu)整體跨度在40～48 m之間，懸臂高度在11～13 m之間，受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)整體協(xié)調(diào)性差，南側(cè)結(jié)構(gòu)緊鄰既有小區(qū)地下車庫。

經(jīng)過分析論證，從細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)著手，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。合理優(yōu)化懸臂高度，充分利用周邊環(huán)境及空間條件，考慮在懸臂結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置永久擋墻結(jié)構(gòu)，采用分臺階設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)懸臂高度可減小1～2 m，經(jīng)驗(yàn)算，懸臂結(jié)構(gòu)最不利斷面受力可減小10%～15%。

懸臂結(jié)構(gòu)受力最大位置在墻板交角處，在滿足功能要求下，通過增大墻板腋角尺寸(由50 cm×50 cm增加到80 cm×80 cm)，可適當(dāng)改善角部受力，減小結(jié)構(gòu)配筋[5]。

結(jié)合抗浮設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，根據(jù)合肥市有關(guān)規(guī)定，抗浮驗(yàn)算地下水位取地坪下2 m。經(jīng)計(jì)算，敞口段存在抗浮安全不足問題，綜合考慮結(jié)構(gòu)工程造價、施工難度及質(zhì)量、全包防水要求和工程耐久性，設(shè)計(jì)采用圍護(hù)樁參與抗浮+設(shè)置抗拔樁方案[6-7]。

通過合理考慮圍護(hù)樁參與抗浮，在減少抗拔樁工程量的同時，可以增加浮力工況下側(cè)墻軸向壓力，有利于側(cè)墻裂縫控制。

3.4其他設(shè)計(jì)

(1) 隧道結(jié)構(gòu)與引道橋臺結(jié)合設(shè)計(jì)。由于西二環(huán)通行要求，上跨橋需要在A匝道之前施工，圍護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮上跨橋擋墻段堆土(0.5～2 m)及車輛超載的影響。設(shè)計(jì)中加大圍護(hù)樁剛度(采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁)，滿足隧道基坑開挖期間上跨橋擋墻段變形(沉降<10 mm)控制要求，同時將橋臺與圍護(hù)樁固結(jié)，有利于控制橋臺后期沉降，如圖6所示。

(2) 預(yù)留軌道交通下穿節(jié)點(diǎn)的處理。根據(jù)規(guī)劃，遠(yuǎn)期軌道交通線路下穿A匝道敞口段下方。設(shè)計(jì)中通過增大遠(yuǎn)期盾構(gòu)下穿段結(jié)構(gòu)截面的方式，一方面通過增加自重來滿足抗浮要求，另一個方面也可增大結(jié)構(gòu)整體剛度，降低遠(yuǎn)期盾構(gòu)穿越施工對隧道結(jié)構(gòu)的影響[8-9]。

(3) A匝道曲線段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在車輛由主線分流進(jìn)入A匝道隧道過程中，由于位于曲線段(曲線半徑為90 m)，為保證行車安全，設(shè)計(jì)通過增加構(gòu)造結(jié)構(gòu)梁，起到洞口減光作用，同時可以改善結(jié)構(gòu)受力[10]。

圖6　隧道與引道橋臺結(jié)合設(shè)計(jì)

4結(jié)論

(1) 下穿隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，可通過有效措施優(yōu)化體系受力，提高結(jié)構(gòu)安全度。

(2) 城市重要交通節(jié)點(diǎn)的下穿隧道工程可以結(jié)合交通疏解和管線遷改要求，合理進(jìn)行分段施工，從而科學(xué)高效安排施工工序、作業(yè)空間，縮短施工工期。

(3) 城市下穿隧道工程設(shè)計(jì)中要全面考慮與鄰近工程或后續(xù)工程的對接與結(jié)合，為后續(xù)發(fā)展預(yù)留空間和時間條件。

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收稿日期：2016-03-15

作者簡介：沈洪波(1978-)，男，安徽全椒人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司高級工程師．

中圖分類號：U452.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0169-03