復雜條件下城市下穿隧道工程設計技術

沈洪波

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥　230088)

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復雜條件下城市下穿隧道工程設計技術

沈洪波

(安徽省交通規劃設計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、城區環境、交通疏解、管線改遷及工期等多因素的交叉限制和制約，具有較高的安全風險、質量風險和環境風險。文章結合具體工程案例，重點從條狀基坑分段設計、大跨度高懸臂結構設計和與周邊工程協調設計等方面，淺析相應的關鍵點設計技術，以期為類似工程積累一定的工程經驗。

關鍵詞：城市下穿隧道；協調設計；基坑分段開挖；大跨度高懸臂結構

隨著城市經濟的高速發展，規模不斷擴大，在一定時期和區域內，城市發展規模已經達到甚至超越了現有交通環境所能承受的最大發展規模，使現有的交通環境系統功能和結構無法滿足城市發展需求。城市下穿隧道工程作為改善城區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，從而緩解區域交通壓力，為城市的發展創造有利條件[1-2]。

近幾年，我國城市隧道的建設數量也越來越多，本文結合具體案例，分析總結合肥城市下穿隧道工程設計的關鍵技術。

1工程地質概況

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

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，設計速度為60 km/h，雙向6車道，標準段隧道單孔凈寬為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(均為敞開結構)，為城市次干道，均為單向一車道，設計速度為40 km/h，A、D匝道標準段隧道凈寬分別為8 m、7 m。

圖1　隧道工程效果圖

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

表1　主要物理力學指標表

2工程特點及難點

(1) 工程建設環境復雜，周邊小區建筑物較多，地下管線密集，對隧道基坑方案產生極大影響。其中南側小區地下車庫側墻距離基坑約為3 m，西二環西側有2根DN1 400給水管，東側有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) 建設周期短，其中西二環南北方向上跨橋計劃工期僅6個月，項目總工期為10個月。同時施工期間，二環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，隧道部分敞開段結構懸臂高度最高達到13 m，底板跨度最寬超過40 m，結構尺寸大，受力復雜，協調性差。

3設計關鍵技術

3.1橋隧方案的協調設計

由于橋梁與隧道交叉節點施工相互干擾，施工期交通又不允許中斷，若采用常規結構橋梁，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

(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+多道鋼支撐圍護體系，內支撐設置2～3排格構柱，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) 分段開挖設計。如圖4所示，結合隧道基坑的特點及工程控制因素，共設置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，根據交通組織及橋梁施工需要，按4期施工：① 一期：1區基坑開挖并施工主體結構，利用4區域設置交通導改，滿足西二環南北向交通。② 二期：2區域基坑開挖，將4區域給水管改移至1區域，1區域橋梁施工，西二環上跨橋主跨施工并放行。③ 三期：3區域基坑開挖。④ 四期：橋下南北方向交通中斷，4區域基坑開挖。

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計，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層立交結構施工。

3.3大跨度高懸臂結構設計

(1) 問題分析。前期方案總體設計過程中，對本項目采用長隧道方案和短隧道+敞口段方案進行詳細比選論證，認為長隧道有后期運營管理復雜、暗埋段內主線與A匝道合流段行車安全性差且工程造價高等缺點[3-4]，確定采用短隧道+敞口段方案。路線縱斷面最終采用W形設計，整個工程由下穿西二環和下穿西客站2段暗埋段和3段敞口段構成，降低了隧道通風、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營管理，但造成2段暗埋結構之間敞口段跨度大、懸臂高的問題。

(2) 結構精細化設計。2段暗埋段結構之間的敞口段結構整體跨度在40～48 m之間，懸臂高度在11～13 m之間，受力復雜，結構整體協調性差，南側結構緊鄰既有小區地下車庫。

經過分析論證，從細節設計著手，對結構進行精細化設計。合理優化懸臂高度，充分利用周邊環境及空間條件，考慮在懸臂結構外側設置永久擋墻結構，采用分臺階設計，結構懸臂高度可減小1～2 m，經驗算，懸臂結構最不利斷面受力可減小10%～15%。

懸臂結構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)，可適當改善角部受力，減小結構配筋[5]。

結合抗浮設計優化結構受力，根據合肥市有關規定，抗浮驗算地下水位取地坪下2 m。經計算，敞口段存在抗浮安全不足問題，綜合考慮結構工程造價、施工難度及質量、全包防水要求和工程耐久性，設計采用圍護樁參與抗浮+設置抗拔樁方案[6-7]。

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

3.4其他設計

(1) 隧道結構與引道橋臺結合設計。由于西二環通行要求，上跨橋需要在A匝道之前施工，圍護設計需要考慮上跨橋擋墻段堆土(0.5～2 m)及車輛超載的影響。設計中加大圍護樁剛度(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，同時將橋臺與圍護樁固結，有利于控制橋臺后期沉降，如圖6所示。

(2) 預留軌道交通下穿節點的處理。根據規劃，遠期軌道交通線路下穿A匝道敞口段下方。設計中通過增大遠期盾構下穿段結構截面的方式，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構整體剛度，降低遠期盾構穿越施工對隧道結構的影響[8-9]。

(3) A匝道曲線段結構設計。在車輛由主線分流進入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，設計通過增加構造結構梁，起到洞口減光作用，同時可以改善結構受力[10]。

圖6　隧道與引道橋臺結合設計

4結論

(1) 下穿隧道結構設計應注意細節設計，可通過有效措施優化體系受力，提高結構安全度。

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

(3) 城市下穿隧道工程設計中要全面考慮與鄰近工程或后續工程的對接與結合，為后續發展預留空間和時間條件。

〔參考文獻〕

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[10]敖敏霞.新城隧道遮光棚段光過渡效應與經濟性的結合[J].隧道建設,2004(4):76-77,51.

收稿日期：2016-03-15

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

中圖分類號：U452.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0169-03