洪 雷

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210000)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的建設(shè)空間需求的逐年增大，空間擴(kuò)張無序、低質(zhì)量化及環(huán)境污染加劇等問題尤為突出，如何科學(xué)地開發(fā)利用地下空間，保證地下與地表空間建設(shè)運(yùn)營的協(xié)調(diào)性，注重城市高質(zhì)量有序發(fā)展，對于緩解與消除城市可利用空間緊張問題具有積極作用[1]。

在日本等國家，地下系統(tǒng)建設(shè)主要表現(xiàn)在大型綜合體的興建與地下交通系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，地下空間功能既有區(qū)分，更有協(xié)調(diào)的職能開發(fā)發(fā)展模式[2]。我國在城市化進(jìn)程中對地下空間開發(fā)也進(jìn)行了大量探索，然而，快速發(fā)展的城市地下空間開發(fā)利用也會產(chǎn)生一定問題。楊曉剛等[3]通過國內(nèi)8個(gè)典型城市地下空間利用的現(xiàn)狀調(diào)查，認(rèn)為不同城市開發(fā)程度差別較大，且部分存在冒進(jìn)式和不協(xié)調(diào)的開發(fā)問題。雷升祥等[4]認(rèn)為我國地下空間開發(fā)系統(tǒng)主要集中于地下淺層空間，對于地下豎向分層規(guī)劃考慮不足，影響開挖潛力。

黃俊等[5]針對地下空間分層規(guī)劃問題，提出城市隧道夾空層空間利用技術(shù)，在城市長隧道建設(shè)過程中，為了避讓軌道交通或其它地下構(gòu)造物，往往埋深很大，隧道上方為了減少覆土壓力，通常采用結(jié)構(gòu)夾空層的做法。在城市地下空間資源日益緊張的情況下，如何利用夾空層，成為隧道設(shè)計(jì)不可或缺的內(nèi)容。鄒大海等[6]以南京江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)隧道為例，對城市隧道的夾空層空間形態(tài)進(jìn)行了細(xì)致研究，對夾空層空間利用進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)與消防考慮。然而以上研究均未對隧道夾空層空間利用的適用條件及設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行分析。

鑒于此，以南京市橫江大道快速化改造工程為依托，提出不同埋深的明挖隧道與地面夾空層空間利用的適用條件及應(yīng)用方式，并選取典型夾空層斷面形式進(jìn)行有限元分析，探究夾空層空間構(gòu)筑物的存在對地面沉降的影響，分析夾空層空間利用的合理性，以期對現(xiàn)有人口密集型城市的地下空間合理規(guī)劃建設(shè)提供參考。

1 工程概況

橫江大道是南京市江北新區(qū)規(guī)劃“六橫十縱”快速路中的一橫。橫江大道(緯三路-城南河段)路線全長7.2km。本項(xiàng)目向北接橫江大道(長江大橋-緯三路段)，向南接橫江大道(城南河路-S356段)，設(shè)計(jì)速度為80km/h，遠(yuǎn)景年交通量路段平均9.2萬pcu/d，項(xiàng)目位于長江漫灘區(qū)，表層為填土、其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、軟塑～可塑的粘性土、砂土，軟土全線均有分布，地質(zhì)條件較差?？焖俾反┰叫聟^(qū)CBD采用下穿隧道形式，全線設(shè)有“一長隧一中隧一節(jié)點(diǎn)隧”，隧道總長4.165km，占總里程57.95%。其中，長隧(中央商務(wù)區(qū)隧道)埋深最大達(dá)30m，隧道基坑支護(hù)主要采用地連墻工藝，地連墻最大深度可達(dá)68m，隧道埋深和樁基深度均屬國內(nèi)市政明挖隧道領(lǐng)先水平。

2 隧道與地面夾空層空間開發(fā)利用

對于明挖隧道建設(shè)工程設(shè)計(jì)中隧道夾空層空間利用率低的問題，工程考慮到土方回填的經(jīng)濟(jì)性和地下空間開發(fā)的不可逆性，在針對不同埋深的隧道夾空層空間，考慮不同工況下外部荷載條件，保證隧道結(jié)構(gòu)安全前提下，進(jìn)行有針對性的空間利用設(shè)計(jì)，能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

2.1 夾空層空間改造地下停車場

對于明挖隧道埋深較大地段，可在滿足結(jié)構(gòu)安全的條件下對夾空層進(jìn)行附屬設(shè)施建設(shè)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，橫江大道中央商務(wù)區(qū)隧道工程在穿越江北新區(qū)商務(wù)區(qū)地下空間時(shí)，形成南北兩處空腔，其中南側(cè)空腔可利用部分長度約660m，寬度約31m，隧道最大埋深達(dá)20m，通過考慮管線、抗浮等因素，對明挖隧道頂部夾空層區(qū)域建設(shè)城市公共停車場(如圖1、圖2所示)。由于土建工程成本已在隧道結(jié)構(gòu)施工中結(jié)算，故只需考慮停車場自身結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本，能夠有效節(jié)省投資，同時(shí)在豎向空間利用上，可新增近700個(gè)車位，能夠有效服務(wù)于兩側(cè)地塊。

圖1 夾空層空間地下停車場布置縱斷面示意圖

圖2 夾空層空間地下停車場布置斷面示意圖

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，考慮到隧道埋深較大，上部荷載經(jīng)過應(yīng)力擴(kuò)散后對隧道結(jié)構(gòu)影響較小，同時(shí)空腔結(jié)構(gòu)的停車場較直接回填土所產(chǎn)生的附加應(yīng)力荷載較小，能夠有效保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 夾空層空間建設(shè)地下道路

對于交通流量大、紅線范圍窄的地表用地受限路段，可在隧道夾空層中設(shè)置交叉或平行的輔助道路、地下環(huán)路、過道及出入口等。

如圖3、圖4所示，在明挖隧道埋深大于15m的地段中，夾空層中進(jìn)行地下環(huán)路和地下空間出入口建設(shè)，考慮到隧道結(jié)構(gòu)安全性，設(shè)計(jì)中僅考慮荷載較小的單行車道，同時(shí)對夾層中地下空間出入口建設(shè)進(jìn)行對稱設(shè)計(jì)，盡可能減小非對稱荷載導(dǎo)致的地面或隧道結(jié)構(gòu)不均勻變形。

圖3 夾空層空間地下環(huán)路與隧道關(guān)系示意圖

圖4 夾空層空間地下道路建設(shè)橫斷面示意圖

2.3 夾空層空間綜合管廊交叉共建

對于明挖隧道埋深較淺地段，由于夾空層空間受限，不利于進(jìn)行大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

考慮到路面荷載對隧道影響，對埋深較小的隧道夾空層中僅設(shè)置小型恒重的附屬設(shè)施，盡可能排除動(dòng)荷載對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響。在工程位于康華路處，隧道夾空層頂部為中央分隔帶，輔道車輛動(dòng)荷載對下部結(jié)構(gòu)影響較小，設(shè)計(jì)中為減小地下空間占用及施工方便，將綜合管廊結(jié)構(gòu)在夾空層中，與隧道結(jié)構(gòu)交叉建設(shè)(如圖5)，隧道與管廊接觸段，道頂板與管廊底板共建，能夠有效節(jié)省空間，工程造價(jià)較低，建設(shè)工期較短。

圖5 夾空層空間綜合管廊交叉建設(shè)橫斷面示意圖

3 夾空層空間利用合理性分析

夾空層的利用需建立在對地面交通基本無影響的基礎(chǔ)上，為探究夾空層空間利用的合理性，以隧道與地面之間綜合管廊交叉建設(shè)工況為例，結(jié)合數(shù)值分析，對比夾空層空間直接回填土與設(shè)置綜合管廊交叉建設(shè)的不同工況下，外部荷載對地表沉降的影響。

為提高計(jì)算效率，采用平面二維對稱模型(如圖6)，將綜合管廊結(jié)構(gòu)等效為具有一定剛度的結(jié)構(gòu)層，考慮上部車輛荷載(20kPa)及種植綠化、人行交通等其他荷載(5kPa)影響，同時(shí)忽略隧道結(jié)構(gòu)自身變形，具體參數(shù)如表1所示。

圖6 有限元模型示意圖(單位：m)

表1 物理力學(xué)參數(shù)

隧道頂部不同處理形式下，上部荷載作用后產(chǎn)生的沉降變形差別較大，直接回填土處理會在路面表層處產(chǎn)生明顯的變形集中現(xiàn)象(圖7)；而通過在隧道頂部進(jìn)行綜合管廊的交叉鋪設(shè)，由于管廊剛度較大，地面表層產(chǎn)生的沉降變形幅度變化較小(圖8)，說明在夾空層空間中建設(shè)剛度較大的構(gòu)筑物能夠有效緩解上部地面層的沉降變形集中。

圖7 隧道頂部填充回填土豎向變形分布云圖(單位：mm)

圖8 隧道頂部設(shè)置夾空層豎向變形分布云圖(單位：mm)

如圖9所示，在上部荷載較大區(qū)域(機(jī)動(dòng)車道)，回填土處理方式產(chǎn)生的最大沉降量為4cm，而設(shè)置綜合管廊橫穿處理方式最大沉降為2cm，最大沉降量與橫向差異沉降變化均較小，說明在隧道與荷載較大機(jī)動(dòng)車道間設(shè)置大剛度的構(gòu)筑物能夠有效減緩地面沉降及其不均勻性。

圖9 兩種處理方式地面沉降量對比

4 結(jié)論

以南京市橫江大道快速化改造工程為依托，對明挖隧道與地面夾空層空間的合理有效利用進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)可以集約化利用隧道夾空層空間。明挖隧道埋深較大時(shí)，可在地下空間布局合理安全的條件下最大限度利用夾空層空間，建設(shè)地下停車場、平行隧道的輔助道路、地下空間出入口或地下環(huán)路等；對于埋深較淺的明挖隧道，可在較小的動(dòng)荷載影響下建設(shè)城市管廊等小型附屬設(shè)施。能夠有效減小投資成本、降低土地占用，有利于城市地下空間的可持續(xù)發(fā)展，縮短施工工期。

(2)在隧道夾空層設(shè)置自重小、剛度大、體對稱、無動(dòng)載的附屬設(shè)施，能夠有效擴(kuò)散上部荷載應(yīng)力傳遞，減小地表沉降及減緩路面變形的不均勻性。