深圳海園一路隧道設計技術分析

陳宏彬

（廣東省冶金建筑設計研究院，廣東廣州510080）

0 引言

近年來，由于我國快速的工業化和人口的高度城市集中化，為緩解或解決人口增長對城市交通環境的壓力和威脅，修建各種城市隧道和地下構筑物在各大城區呈現急劇增長的趨勢。在北京、上海、廣州等地，近年來經濟的發展使居民不斷感覺到城市隧道與地下工程在城市發展建設中的巨大作用[1]。

盡管城市隧道與山區隧道有著許多共同點，但城市隧道由于所處地理位置的特殊性和使用功能的多樣性，其與山區隧道相比又表現出顯著的不同，為正確進行設計和施工方案的選擇，對其特點應有充分的理解。

1 研究現狀

明挖法是城市隧道施工中采用比較多的施工方法之一，即從地表一邊支擋一邊向下開挖到規定位置，再修筑箱形結構物的方法。與多年前不同，當時明挖法討論的問題如臨時結構物和主體結構物的外力如何確定、地下連續墻如何與主體結構結合等，目前都已較好地解決。如今討論的，更多的是諸如近接施工、大跨隧道、地下水處理、地層改良加固的設計方法，考慮環境和節省資源的設計施工等，技術水平有了很大提高。

在城市隧道施工中，由于隧道開挖后圍巖自穩能力差易發生圍巖大變形從而引起開挖面失穩和較大的地表沉降導致地面結構物的變形與破壞，因而隧道工程施工中，開挖面前方巖土體的穩定性問題是一個十分重要的課題。國內外隧道圍巖預加固（支護）采用較多的措施有超前小導管注漿，管棚注漿，水平旋噴注漿。國內外較多研究者對其加固機理、數值分析方法進行了較多的研究。歐洲一些國家如法國、意大利常采用玻璃纖維錨桿注漿加固技術及機械預切槽法等[2]。

目前，國內城市隧道施工技術相對較為成熟，但仍以經驗法為主，施工中大多以本單位工程經驗類比確定相應的施工方案，不能為其它隧道的施工從力學原理上提供普遍意義上指導。因而針對城市隧道的特點，還需進一步系統地分析研究與總結。

2 隧道圍巖加固機理

目前，在隧道支護結構設計中常采用方法主要有4種，即以工程類比為依據的經驗法，特征曲線法，荷載結構法及地層結構法。特征曲線法盡管很難定量地表現加固對圍巖應力、應變狀態的影響，但其能較好地解釋巖體加固的機理與作用[3]（見圖1）。

圖1 預加固前后隧道圍巖的特征曲線圖

圖1中，曲線1是在一個初始地應力場為P0，未加固的均一地層中開挖一圓形洞室巖體特征曲線方程P1=P1（c1，φ1，E1，μ1，...）所確定的特征曲線。其中，c1，φ1，E1，μ1為圍巖加固前的物理力學參數。由彈塑性力學原理，在初始地應力場為P0的均質各向同性的連續彈塑性體，開挖一半徑為R0的圓形隧道，采用莫爾-庫侖塑性屈服準則，可得塑性徑向應力、切向應力及隧道周邊徑向位移表達式如下[4]：

式中，Rp為塑性區半徑；c、φ分別為土體的粘結力、內摩擦角；P0為均勻初始地應力。

從式（1）～式（3）可知，隧道開挖后圍巖應力、收斂值的大小主要與圍巖的粘結力，內摩擦角等物理力學參數有關。從圖1中可以看出采取加固措施相當于提高了圍巖的內摩擦角和粘結力等物理力學參數，提高了圍巖的自穩能力，其結果是降低了圍巖的變形。從另一方面說，也使作用于襯砌結構上的短期和長期荷載減少，顯著地改善了結構受力狀態。

3 工程實例

3.1 工程概況

海園一路隧道位于深圳市南山區，海園一路是一條平行的南北走向城市快速干道，長約600 m，南接濱海大道，北與白石路相互銜接，為深圳市東部重要的交通樞紐工程。海園一路隧道主要服務于濱海醫院。隧道在中部開口與濱海醫院負一層實現直接互通，現階段濱海醫院負一層正在施工。

海園一路隧道起于K0+150，止于K0+540，全長390 m。分開口段與閉口段，開口段共330 m，其中K0+150～K0+280及K0+458～K0+540為開口U型框架結構,K0+280～K0+346及K0+406～K0+458為開口L型結構,K0+346～K0+406為閉口段，共長60 m，采用側U型框架+立柱結構。隧道設排水泵房一座。閉口段某截面如圖2所示。

3.2 水文地質

隧道原始地貌單元為海邊灘涂，后經人工填海造陸，原始地形業已改變。勘察時，場地較平坦，各鉆孔孔口標高變化于5.15～6.74 m。根據勘察結果，擬建場地內分布的主要地層有：人工填土層、第四系海陸交互相沉積層及第四系殘積層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖（r53-1）。不良地質問題主要為飽和砂土液化，未發現其他巖溶、滑坡、采空區等不良地質作用，特殊性巖土為填筑土、軟土層。

勘察期間，各鉆孔均遇見地下水，主要為賦存于第四系地層中的孔隙水類型，受大氣降水及地表水補給，水位變化因氣候、季節而異；豐水季節，地下水位上升，第四系各地層多處于飽水狀態。由于海園一路北側正在修建排洪渠，上部水流已封堵，溝渠干涸，勘察期間測得場地地下水穩定水位埋藏深度介于1.10～7.10 m之間，水位標高介于-3.94～4.98 m之間，水位變化幅度小，年變化幅度不超過2.00 m[5]。

3.3 設計要點

3.3.1 隧道結構分段

隧道采用鋼筋混凝土結構，結構劃分為8個節段，各節段長度為40～45 m。相鄰節段結構間設2 cm寬變形縫，變形縫設OR-300-9型止水帶；因隧道市政結構與濱海醫院負一層民用用途不同，且受力存在一定差異，故隧道與醫院接縫處也設計一道2 cm的變形縫。

3.3.2 結構抗浮

隧道為全埋式結構，一般情況下抗浮水位取原地面以下約1 m，標高為5 m。普通U型開口節段采用結構自重+C15素混凝土壓重層抗浮，L型濱海醫院出入口段主要由結構自重+抗浮樁，閉口段主要由結構自重抗浮。抗浮安全系數取1.05，不計隧道側壁與土的摩阻力。

圖2 閉口段某橫斷面圖（單位：cm）

3.3.3 基底承載力

對基底承載力要求隧道結構U型開口段不小于110 kPa，L型及閉口段、泵房不小于140 kPa。由于隧道底板范圍有2～3 m的淤泥層，地基承載力不能滿足設計要求，故采取了灌注樁軟基處理與結構抗浮相結合的方式處理。

3.3.4 防水

防水以結構自防水為主，附加外防水為輔。結構采用摻入CMA高性能膨脹劑的防水抗裂混凝土（低堿低摻量），其抗滲等級為P8，底板摻量每立方混凝土不小于30 kg，側板摻量每立方混凝土不小于35 kg，加強帶內摻量每立方混凝土不小于50 kg；結構外防水采用“外防外貼法”，防水材料采用3 mmBAC橡膠瀝青雙面自粘防水卷材。

3.3.5 隧道排水

隧道起點設反坡，防止隧道范圍以外周邊雨水進入，隧道內設置縱向暗埋式排水溝，隧道L型的第六節段設一道橫截式排水溝，最終將所有雨水在該處由底板下設置的集水井順底板縱向排水管排至泵房，再經泵房導至明渠（因隧道與濱海醫院直接相通）。

3.3.6 隧道基坑支護

3.3.6.1 引道開口段支護方案

引道開口段由于基坑深度較淺、且基坑外邊線距離河堤擋墻較遠，西側擬采用掛鋼筋網噴射混凝土放坡坡+高壓旋噴樁止水的支護形式開挖；東側基坑則采用1：1放坡開挖；第一、二、八節段等基坑埋深較淺的，則可以直接采用1：1放坡開挖基坑[6]。

3.3.6.2 閉口段方案

隧道閉口段及濱海醫院出入口段基坑東側與醫院負一層基坑共同實施，且有較大放坡空間，故該范圍內基坑東側不設支護，可與醫院基坑一起直接放坡開挖。

西側由于河堤擋墻距離隧道基坑距離較小，推薦方案采用灌注樁支護+高壓旋噴樁止水的支護形式，隧道基礎底擬采用D100 cm鋼筋混凝土灌注樁軟基處理。由于海園一路施工期間小沙河明渠已竣工通水，且水利部門要求海園一路隧道施工不得對河涌進行截流，故采用分段放坡開挖基坑，至設計指定標高處，平整場地，施工D80 cm鉆孔灌注樁及D50 cm密布高壓旋噴樁止水帷幕，待結構達到設計強度時再繼續分段開挖下一段基坑，并重復上一階段基坑支護施工；支護樁與河堤擋墻間保留原狀土層，放坡部分通過掛鋼筋網噴射混凝土做簡易支護及止水，待隧道主體結構修筑完成后，隧道側壁與河堤擋墻間空隙采用級配碎石填筑。

3.3.6.3 泵房方案

該項目因場地局限，排水泵房設置在濱海醫院紅線內，右側醫院基坑基本開挖到設計標高，一定程度上降低了泵房基坑深度，故設計采用拉森鋼板樁+鋼管內撐+止水帷幕的支護方式。

（1）止水體系：

基坑局部存在較薄的砂層與淤泥質土層，采用φ50@35 cm密排高壓旋噴樁形成止水帷幕，采用φ50@95 cm支護樁樁間止水及φ50@30 cm外圍密布方式，旋噴樁底應深度于支護樁2.0 m以上。

（2）基坑挖土組織設計：

基坑施工及挖土步驟為：場地整平，在不擾動西側明渠擋墻前提下，開挖土方，至標高3.56 m左右（明渠50 a一遇水位），然后施工支護樁（支護樁高出設計標高部分采用空樁處理），并施工止水樁；靠近支護樁一側隧道內抗浮及地基處理灌注樁也應在基坑開挖前施工，對坑內土體起一定的加固作用；開挖土方至2.0 m標高位置，坡面噴射混凝土坡面，并澆筑冠梁；待支護樁樁身混凝土強度滿足要求后，繼續開挖隧道基坑至基坑底，期間應密切注意止水樁止水效果，如有滲漏應及時回填補樁處理。為保證樁身外觀質量及盡量少擾動明渠擋墻，支護樁施工時，施工單位應采取措施保證樁身平整,垂直。

3.3.7 基坑排水

基坑施工時如坑內明水較多，可采用明溝結合集水坑用電泵抽的方式進行降水。抽水時注意監測基坑滲漏及基坑周圍地表的情況，如有涌水量較大、涌水長時間渾濁、地表沉降超過預警至、裂縫發展等情況，應立即回填，同時通知設計處理。

4 耐久性措施

根據地質勘察資料，隧道所在處水質對隧道結構存在弱腐蝕性，環境作用等級為C級，設計時采取以下措施增加結構的耐久性：

（1）對混凝土材料的基本要求：最大水膠比為0.45（膠凝材料為水泥、礦粉、粉煤灰等），最小膠凝材料用量為320 kg/m3；最低混凝土強度等級為C40，氯離子擴散系數DRCM（28d齡期，10～12 m2/s）<10。

（2）混凝土應摻入抗裂膨脹劑，水泥用量不應小于320 kg/m3。當摻入參合料時，水泥用量不應小于280 kg/m3。

（3）對主體結構施作全外包防水層。

（4）施工期間確保鋼筋保護層滿足設計要求，迎水面主筋凈保護層為5 cm,背水面為4 cm。

（5）混凝土裂縫寬度控制在0.2 mm以內[7]。

5 結語

雖然城市隧道的修建已經取得了較大的進步，但地下工程是多學科交融的科學，注定了在其發展過程中需要一批新研究理論的誕生。專家指出，21世紀將是大力發展城市地下空間的世紀。如何開發和利用好地下空間是人類文明發展中必將面臨的問題，在城市隧道的修建中，還有大量難題需要解決。目前，在城市地下空間利用與交通隧道修建領域，需對諸如城市地下空間利用的規劃問題、城市地下空間規劃的評價方法與評價標準、地質調查技術研究問題、建設方案評價及動態設計理念問題和降低工程造價途徑等問題作進一步的分析研究。本文就深圳海園一路隧道的設計理念及設計方法、相關措施做了詳細介紹，可為以后相關工程提供技術參考。

[1]黃宏偉.城市隧道與地下工程的發展與展望 [J].地下空間,2001,21(4):311-317.

[2]石明霞,譚文,吉小明.大跨隧道臨時支護拆除及二次襯砌施工數值模擬分析[J].公路交通技術,2009,(5):106-110.

[3]關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社.

[4]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京:人民交通出版社，2004.

[5]JTJ 064-98，公路工程地質勘察規范[S].

[6]DBJ/T15-20-97，建筑基坑支護工程技術規程[S].

[7]GB/T50476-2008，混凝土結構耐久性設計規范[S].