城市地下立交設計施工關鍵技術

許艷林

（天津市翔泰市政公路工程設計有限公司,天津市 300384）

城市地下立交設計施工關鍵技術

許艷林

（天津市翔泰市政公路工程設計有限公司,天津市 300384）

以大連南部濱海大道東端橋隧工程為例，主要介紹了大型城市地下立交的結構型式、平面分岔結構，以及隧道的整體設計及施工關鍵技術。該隧道特有的超大斷面、大斷面與明挖箱涵連接，明挖箱涵與雙連拱隧道等特殊結構型式在我國隧道建設中均屬罕見，可為我國其他地區同類工程提供參考。

地下立交；大跨度分叉隧道；明挖箱涵；雙連拱隧道；超大斷面

0 引言

交通是城市系統的重要組成部分，在城市的發展過程中有著不可替代的作用。然而，隨著經濟的快速發展和城市化進程的不斷推進，城市交通日益惡化，特別是城市交通建設用地緊缺已經成為制約城市發展的重要因素。要實現城市交通的可持續發展，既要解決經濟迅速發展帶來的城市交通需求急劇增長的壓力，又要求城市交通建設盡可能地少占用寶貴的城市建設用地。因此，城市交通的發展不應當局限于一維的地表平面，而應當從三維立體的角度來發展，通過發展立體交通系統來緩解城市交通建設用地緊缺的問題[1]。對一些大型城市而言，交通量特別巨大，交通系統極其復雜，地價十分昂貴，再加上城市財力雄厚，就非常有必要發展地下交通。城市交通空間布局的形成是隨著城市發展而不斷發展的，其基本的演化過程就是由地表向地下轉變。城市地下交通占用的是城市地下空間，不會占用城市地表用地，節省了城市土地資源。這對于緩解城市用地緊張的現狀具有極大的現實意義。分岔立交隧道為一種新的隧道建設型式，一般由4車道大跨度隧道或連拱隧道逐漸過渡到上下行分離式雙洞隧道，因此它同時具備超大跨度隧道、連拱隧道、小凈距隧道、地下空間立體交叉[2，3]隧道等多種結構型式隧道的特點。作為一種新的隧道建設型式，目前國內尚不多見，缺乏可供參考的設計、施工經驗。地下立交雖然可以減少用地，但其具有結構復雜、隧道開挖斷面大[4]、結構型式多、各類型斷面過渡施工復雜等難點，合理解決上述難題，是城市地下立交設計的關鍵。

1 立交功能定位

立交主要解決特大橋梁接線及與既有或規劃路網的銜接，發揮交通疏散功能，提高道路的運營效率。一般地面立交在主干路交叉時選用全互通式立交，而地下立交由于建設成本、施工風險、地質條件、現狀地上（地下）構筑物、運營風險等因素的制約，一般僅解決主要車流方向的疏導。

大連南部濱海大道東端橋隧工程隧道段主線按城市快速路標準3車道設計，設計車速60 km/h。起點接星海灣跨海大橋東引橋終點處。隧道穿越迎客山，向北至白云雁水附近山體主隧道分叉：一支向北至勝利路，終于東北路與勝利路交叉處，向北連接東北路高架橋；一支向東至長春路，近期修建道路、橋梁接入東北路，遠期設置互通立交與長春路、規劃南部通道相接。東北路為大連市南北貫通的城市快速路，南部通道為大連市規劃的一條快速路。該隧道工程主要功能是“增加南北通道，完善交通功能；利用地下空間，解決與規劃東西快速路的銜接”。圖1為南部濱海大道東端橋隧建設工程平面總圖。

2 工程概況

南部濱海大道東端橋隧建設工程主線路線全長3.88 km，其中隧道段3.0 km（以雙洞計）。長春路支線隧道長740 m（以雙洞計）,工程入口為分離式雙洞，單向3車道，在森林動物園白云雁水山體附近由2個單向3車道隧道分為4個單向2車道隧道。其中：2條單向2車道隧道向北在白云山隧道北口接入拓寬后的東北路；另外2條單向2車道隧道向東在話劇院西側山體穿出后與東北路相接。

圖1 南部濱海大道東端橋隧建設工程平面總圖

工程超大跨度分岔立交隧道段（見圖2）穿越地層圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主，主要為中風化石英巖夾板巖。主線隧道為分離式，由單洞單向3車道經由暗挖超大跨度隧道變寬段、明挖箱涵段、雙連拱隧道段及小凈距隧道段變為雙洞單向2車道。其中：暗挖隧道變寬段建筑限界寬14.75～18.7 m，高5 m，最大開挖跨度為22.5 m，最大開挖斷面面積為266.2 m2，暗挖隧道開挖順序為由大到小。該段隧道支護結構采用三層復合式襯砌結構：初期支護由型鋼拱架噴射混凝土及錨桿組成，二次襯砌采用格柵拱架噴射混凝土結構，三次襯砌采用鋼筋混凝土結構。隧道兩車道建筑限界寬10 m、高5 m。該雙連拱隧道段開挖跨度由25.1 m漸變至28 m，長度26.5 m，后接小凈距隧道段、空間立體交叉段及下穿防空洞段。該段隧道支護結構采用復合式襯砌方案。初期支護由型鋼拱架噴射混凝土及錨桿組成，二次襯砌采用鋼筋混凝土結構。隧道中隔墻設計采用復合式曲中墻，中隔墻厚度由2 m漸變至4.9 m（含兩層二襯厚度，每層0.55 m）。

圖2 隧道工程主體平面圖

3 結構設計及施工

3.1 明挖基坑部分

該工程中隧道在白云雁水山體附近形成分岔，該處斷面最大寬度達到30 m。該種斷面屬于超大斷面地下結構，設計難度大、風險高。利用白云雁水處埋深較淺的特點，將分岔點即超大斷面設置在此處，配合基坑及箱涵結構，將超大斷面隧道變暗挖為明做，以降低施工難度。具體思路是：兩條主線分岔位置設置在白云雁水泄洪道范圍內，設置兩個超大基坑，基坑長74 m，寬31 m，最大開挖深度34 m，最小開挖深度21 m，在基坑向兩個方向施工暗挖隧道。圖3為基坑平面布置圖，圖4為基坑剖面圖。

圖3 基坑平面布置圖

圖4 基坑剖面圖

基坑采用放坡開挖，輔以噴錨復合土釘墻支護，從現狀地面向下分5次開挖，每層開挖5 m直至基坑底，每開挖一級在坡面進行32全長黏結型錨桿以及3×7S15.2錨索的施工。錨桿布置的原則為豎、橫向間距1.2 m，錨索布設原則為豎、橫向間距4.8 m和3.6 m。每步開挖須待上一級開挖坡面土釘墻與錨索施工完畢后方能繼續，基坑施工完畢后南北兩側坡面分別進行隧道開挖施工。基坑開挖現場施工實景見圖5。

圖5 基坑開挖現場施工實景圖

3.2 大跨度箱涵部分

箱涵采用C45鋼筋混凝土框架結構，為減少箱涵上覆土荷載，采用了上下雙箱結構。東線箱涵頂板厚度1.6 m，中隔板厚度1.2 m，側墻厚度2.2 m，底板厚度1.6 m，封堵墻厚度1.5 m；西線箱涵頂板厚度1.3 m，中隔板厚度1.0 m，側墻厚度2.2 m，底板厚度1.6 m，封堵墻厚度1.5 m。大跨度箱涵如圖6所示。

圖6 大跨度箱涵實景圖

3.3 超大跨度暗挖隧道

根據分岔處大斷面尺寸，暗挖隧道最大開挖寬度為22.5 m，開挖高度為15.2 m，最大開挖斷面面積為266.2 m2。考慮到大型機械設備施工，同時結合現場實際施工情況，加快施工進度，最終基于實際圍巖條件，隧道開挖采用雙側壁+臨時橫撐法。施工工序如圖7所示，圖8為施工現場。

圖7 雙側壁+臨時橫撐法

圖8 超大斷面雙側壁法施工

結合實際地質條件，經過結構二維、三維數值模擬計算分析，為了保證超大斷面市政隧道在施工過程中的穩定性，設計中擬采用雙層初期支護型式。為了經濟、安全，需要考慮承載力、施工工藝等因素，并對初期支護的厚度和型式等進行研究。初期支護拱架定為I25b工字鋼，二次襯砌為格柵拱架結合噴射C30混凝土，三次襯砌采用鋼筋混凝土結構。超大斷面市政隧道工程建設中，要保證分步開挖、支護等施工過程中，以及施作二襯前、拆除初期支護后大斷面隧洞的整體穩定性。隧道采用雙側壁+臨時橫撐法施工開挖過程中，經現場監控量測，支護結構內力及變形均在規范容許范圍。圖9為該段完工實景圖。

圖9 暗挖大斷面隧道

3.4 連拱隧道部分

該連拱隧道采用復合式曲中墻支護方案。初期支護由型鋼拱架噴射混凝土及錨桿組成，二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，中隔墻厚度由2 m漸變至4.9 m（含兩層二襯厚度，每層0.55 m）。

連拱隧道段施工采用中導洞+兩側臺階法開挖。為減小左右洞施工過程對中隔墻的影響，采取了墻側面回填和臨時木支撐的輔助措施。施工工法如圖10所示。施工過程：第1步開挖中導洞一次性貫通（中導洞、左右洞每循環開挖進尺均為2 m）；第2步澆筑中隔墻，混凝土達到強度后施作中隔墻后行洞一側臨時木支撐；第3步開挖先行洞上臺階，同時回填中隔墻先行洞這一側；第4步開挖后行洞上臺階；第5步開挖先行洞下臺階；第6步開挖后行洞下臺階至連拱隧道貫通。

圖10 雙連拱隧道施工工序

從施工過程來看，連拱隧道復合式曲中墻結構從結構自身的穩定及防水性能方面都得到了滿足。圖11、圖12為完工后的工程照片。

圖11 雙連拱隧道施工實景

圖12 連拱隧道與箱涵相接處

3.5 隧道空間立體交叉部分

第一處交叉位于主線隧道東線下穿支線隧道北線。兩隧道均為新建，設計時采用先施工下方隧道（主線東線），當進尺不小于30 m且支護全部完成后（見圖13）再施工上方隧道（支線北線），上下隧道均將圍巖降級加強支護設計，均采用帶仰拱斷面型式。支線北線隧道施工時亦應采取短進尺、微爆破控制技術，并加強監控量測。目前，該空間交叉段施工已順利完成，上方隧道施工過程對下方隧道影響較小。

3.6 理論分析與實踐

根據圍巖地質條件、開挖跨度及地應力場水平等影響因素選取計算范圍。該雙連拱隧道最大開挖跨度為22.5 m，開挖高度14.7 m。有限元模型計算范圍在水平方向邊界距建筑外邊線80 m，豎直方向下邊界取距建筑外邊線50 m，上邊界取至地表（隧道頂板覆土17 m）。超大跨度隧道三維計算模型如圖14所示，隧道位移計算結果如圖15、圖16所示。

圖13 主線東線和支線北線空間立體關系圖

圖14 雙側壁法計算模型

圖15 隧道圍巖豎向位移云圖

圖16 隧道圍巖水平向位移云圖

結合實際地質條件，經過結構三維數值模擬計算分析，為了保證超大斷面隧道在施工過程中的穩定性，設計中擬采用雙層初期支護型式。為了經濟、安全，需要考慮承載力、施工工藝等并對初期支護的厚度和型式等進行研究。經過反復優化對比，最終將初期支護拱架定為I25b工字鋼，二次襯砌為格柵拱架結合噴射C30混凝土，三次襯砌采用鋼筋混凝土結構。

大跨度隧道段EK1+799斷面圍巖位移監測結果如圖17、圖18所示。將位移監測結果與數值分析結果對比可以看出，數值分析結果與現場實際監測值較接近，大跨度隧道段施工期間拱頂沉降控制在4～6 mm以內，邊墻收斂控制在8～11 mm以內。

圖17 大斷面隧道拱頂沉降曲線

圖18 大斷面隧道邊墻收斂曲線

超大斷面隧道不但需要保證分步開挖及支護過程中圍巖及結構的穩定性，還需保證拆除初期支護后、施作三次襯砌前斷面及隧道運營期間結構的整體穩定性。從對暗挖超大斷面隧道開挖全過程的現場監控量測情況來看，隧道采用雙側壁+臨時橫撐法施工開挖，采用三層支護結構的方案，滿足了隧道施工期間及后期運營中的安全穩定性要求。

4 結語

地下立交作為一個系統工程，設計中應充分考慮結構安全性、施工可行性以及運營期間的有效性，以確保地下立交的結構安全和運營安全。

（1）地下立交一般緊鄰特大橋梁，洞口地形條件差，施工場地狹小。

（2）地下立交的設置需考慮的因素較多，通常難以實現真正意義上的全互通立交，但可以解決主要的交通問題，克服地面立交難以克服的展線、拆遷、征地等難點。

（3）隧道地下立交工程結構復雜，工程風險大，建設費用高，但在成熟的城市環境中，在不破壞既有地面規劃的條件下，地下立交工程很大程度上解決了城市局部交通擁堵問題，因此，隨著地下立交建設技術的成熟，將為城市發展提供新的思路。

[1]胡學兵.地下立交設計施工關鍵技術研究[J].公路隧道，2012，77（3）：1-5.

[2]畢強，吳金剛.大跨度分岔式隧道結構設計關鍵技術研究[J].隧道建設，2011，31（6）：668-677.

[3]李術才,王漢鵬.分叉隧道穩定性分析及施工優化研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（3）：447-456.

[4]JTG D70-2004，公路隧道設計規范[S].

成貴鐵路大方隧道順利貫通

成貴鐵路全線6個一級管理風險隧道之一的7 130 m大方隧道近日順利貫通。該隧道位于成貴鐵路大方至黔西區間，設計為雙線，地質復雜，施工過程穿越巖溶、斷層破碎帶及礦窯礦碴多種不良地質帶，時常遭遇大型溶洞、涌水、突泥的風險。特別是隧道進口段3 030 m和平行導洞2 025 m，下穿杭瑞高速和大片居民區，安全風險大，施工難度高，沉降變形要求嚴，80 m長管棚導向控制精度高，是成貴鐵路重難點控制工程之一，施工備受各方關注。

U45

B

1009-7716（2017）10-0001-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.001

2017-05-23

許艷林（1977-），男，吉林伊通人，高級工程師，碩士，總工程師，主要從事橋梁與隧道工程設計和研究工作。