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(lái)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(kāi)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(shí)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(wú)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(gè)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(guó)城市隧道的建設(shè)數(shù)量也越來(lái)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(zhǎng)為469 m(暗埋段長(zhǎng)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(zhǎng)為308.858 m(暗埋段長(zhǎng)為113 m),D匝道總長(zhǎng)為201 m(均為敞開(kāi)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(jiàn)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(shì)。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(duì)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(kù)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(gè)月,項(xiàng)目總工期為10個(gè)月。同時(shí)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(kāi)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(kāi)段結(jié)構(gòu)懸臂高度最高達(dá)到13 m,底板跨度最寬超過(guò)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(wú)論橋梁先施工或隧道先施工,均難以滿足工期要求。經(jīng)過(guò)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(gè)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(kāi)挖技術(shù)
(1) 基坑總體方案?;映书L(zhǎng)條狀,最大寬度約為50 m,最大深度超過(guò)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(shí),采用放坡開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖。④ 四期:橋下南北方向交通中斷,4區(qū)域基坑開(kāi)挖。
圖4封堵墻位置及管線遷改示意
圖5 基坑開(kāi)挖分段示意圖
整個(gè)工程通過(guò)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(shí),通過(guò)各單位的合理組織,僅用10個(gè)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(wèn)題分析。前期方案總體設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)本項(xiàng)目采用長(zhǎng)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(zhǎng)隧道有后期運(yùn)營(yíng)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(jià)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(gè)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(yíng)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(wèn)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(kù)。
經(jīng)過(guò)分析論證,從細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)著手,對(duì)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(tái)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(guò)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(wèn)題,綜合考慮結(jié)構(gòu)工程造價(jià)、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(guò)合理考慮圍護(hù)樁參與抗浮,在減少抗拔樁工程量的同時(shí),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(tái)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(kāi)挖期間上跨橋擋墻段變形(沉降<10 mm)控制要求,同時(shí)將橋臺(tái)與圍護(hù)樁固結(jié),有利于控制橋臺(tái)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(guò)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(guò)增加自重來(lái)滿足抗浮要求,另一個(gè)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(duì)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(guò)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(guò)增加構(gòu)造結(jié)構(gòu)梁,起到洞口減光作用,同時(shí)可以改善結(jié)構(gòu)受力[10]。
圖6 隧道與引道橋臺(tái)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(guò)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(duì)接與結(jié)合,為后續(xù)發(fā)展預(yù)留空間和時(shí)間條件。
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收稿日期:2016-03-15
作者簡(jiǎn)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(jí)工程師.
中圖分類號(hào):U452.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1673-5781(2016)02-0169-03