復雜條件下城市隧道工程設計

熊 勇

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

1 工程概況

廣州市廣花一級公路地下綜合管廊及道路快捷化改造配套工程位于廣州市北部，連接白云區、花都區，路線全長18.4 km。改造內容為拓寬現狀雙向6車道至雙向8～10車道，同時在該道路地下布設綜合管廊。快捷化改造標準為主線交通流連續的主干路，建設、改造11個交叉節點，包括在G106節點設置左轉定向下穿隧道，夏茅客運站節點、X264節點設置廣花一級公路主線跨線橋，新石路節點、江人路節點、塘貝北路節點及鏡湖大道節點設置廣花一級公路主線下穿隧道，平沙立交節點、北二環高速公路水瀝立交節點增設南北向掉頭匝道，江村大橋兩側設置掉頭車道，雅瑤中路節點設置廣花一級公路主線隧道加南往西定向匝道。

2 國道G106節點隧道工程現狀分析

現狀G106與廣花一級公路呈T字交叉，斜交角度27.59°，見圖1。G106現狀雙向6車道，中央綠化帶6 m寬，車行道寬度2×12 m=24 m，道路總寬度46.5 m，規劃為城市主干路，紅線寬度60 m，設計速度50 km/h[1]。廣花一級公路現狀雙向6車道，車行道寬2×14.5 m，中央綠化帶6～8 m，地面以上為現狀機場高速高架橋，橋下凈空7～10 m。該節點北側有一條自東往西方向的寬10 m的河涌，西南側分布有少量2～4層建筑。東側人行道下方有現狀地鐵110 kV高壓電纜溝，該電力溝尺寸2.0 m×0.5 m，管頂標高+8.54 m；東側綠化帶下方，距離廣花道路中心線36 m，布設有凱旋高壓電纜隧道，該隧道管徑3.6 m，管頂標高+3.85 m。

圖1 G106節點現狀平面圖

經與廣州市機場高速公路公司、廣州市地鐵總公司、廣州市供電局有限公司等單位多次溝通，現狀高架橋在開挖G106隧道基坑時，必須嚴格控制位移，以保證高架橋上下部結構安全；地鐵電纜溝同時為地鐵二、三、五、六號線等四條運營線供電，不存在遷改的可能；凱旋高壓電纜隧道內敷設的電纜線路均為廣州市北部片區主干線網，線路重要且復雜，也不存在遷改的可能。

3 隧道工程設計方案

3.1 總體設計

根據規劃條件，廣花一級公路為城市主干路，設計速度60 km/h。該段道路現狀地面道路雙向8車道，地面以上有機場高速高架橋，分別在地面道路中央及道路兩側設有橋墩，周邊城市發展較快，兩側房屋密布。該節點現狀交通擁堵的主要原因為G106節點東轉南左轉交通需要先右轉再在廣花一級公路上掉頭實現，交通轉換曲折迂回，且該方向交通流較大，車道變換交織長度不足。

根據現狀交通需求及遠期交通預測，為滿足該節點東往南左轉主流向需求，確保行車凈空要求，避讓機場高架橋墩，設計在東往南方向設置定向左轉隧道。左轉匝道平面線形受機場高速高架橋墩、西側房屋建筑等因素制約，縱斷面線形受隧道凈空、機場高架橋下凈空、地鐵110 kV高壓電纜溝、凱旋高壓電纜隧道、匝道起止點標高限制等因素制約，綜合征地拆遷、道路線形指標，設計方案利用節點以北及廣花一級公路兩側的綠地空間布線，匝道設計速度采用30 km/h，平面最小平曲線半徑55 m，緩和曲線最小長度36.4 m，隧道縱斷面最大縱坡4.2%，最小坡長155 m，隧道行車凈高地鐵電纜處按3.2 m控制，兩端按4.5 m預留，兩車道匝道斷面[1]。由于該左轉隧道平面線形為反彎曲線，半徑較小、行車視距較差，為降低隧道縱坡，方案在保證機場路道路凈空的前提下提升機場路道路標高，最大抬高約1.6 m。為滿足行人過街需求，在隧道北側，里程K0+470處，設置地下人行通道，具體見圖2。

圖2 G106下穿隧道總平面圖

3.2 基坑支護設計

本隧道基坑開挖寬度為13.2～14.6 m，基坑開挖深度為0.9～10.8 m。基坑安全等級：開挖深度不小于9 m或三倍基坑開挖深度范圍內有重要管線、構筑物時為一級；本隧道與機場高速相交段及與凱旋電纜隧道相交段基坑為一級。其余為二級。

勘察鉆孔顯示，隧道底板主要位于①2素填土、②1粉質黏土、②2淤泥、②4粗砂、③1粉質黏土、④1粉質黏土。①2素填土、②2淤泥層厚在0.9～1.9m，本次設計擬對其進行換填中粗砂處理，換填壓實度不小于0.96。根據工程所處地質情況、基坑深度、工期、造價等因素，所采用的基坑支護方式主要為拉森IV型鋼板樁、SMW工法樁+內支撐支護方案、混凝土灌注樁+內支撐支護方案。具體分段支護設計情況見表1。

表1 分段支護設計情況

3.3 重要構造物保護設計

3.3.1 凱旋電纜

凱旋電纜隧道位于新建G106隧道敞開段K0+186.638處底板頂面結構以下1.3 m，凱旋電纜隧道管頂標高+3.850，管底標高+0.250，持力層為粉質粘土。該段隧道底板設置直徑1 m抗拔樁，抗拔樁即可為車行隧道提供抗浮力，也可作為樁基承載車行隧道的荷載，起到保護電纜隧道的作用。抗拔樁按端承樁設計，持力層為泥質粉砂巖，樁長為18 m，與凱旋電纜最小凈距按2 m控制。施工前對電纜進行工前鑒定，施工期間強基坑和電纜變形監測，確保電纜安全[2]，見圖3。

圖3 凱旋電纜隧道保護圖立面（單位：m）

3.3.2 地鐵110 kV高壓電纜

地鐵電纜位于現狀廣花路東側車行道邊線下呈南北走向，電纜溝尺寸為2.0 m×0.5 m，共2回6根電纜，管頂標高+8.54，管頂埋深1.14 m。涉及地鐵二、三、五、六共4條運營地鐵線路，使用接近20年。考慮該電纜建成時間早、負荷重、遷改風險大，受凱旋電纜位置和埋深限制，隧道無法避讓，地鐵電纜侵入隧道4.5 m行車界限設計采用原地保護方案，調整隧道結構設計，土建預留4.5 m凈高，近期受地鐵電纜限制，限高3.2 m只通行小客車、遠期待電纜遷改后恢復4.5 m凈高，見圖4。

圖4 地鐵110 kV高壓電纜懸吊保護立面（單位：m）

3.3.3 機場高速高架橋

G106隧道擬從機場高速高架橋D-97～D-98橋墩之間下穿，平面斜交角為68.6°。該段機場高架上部結構采用26 m跨簡支預制預應力混凝土空心板，橋面連續，6～7跨一聯；下部結構采用預應力混凝土倒T型蓋梁接雙柱矩形方柱墩結構類型，雙樁承臺，端承樁基礎，樁基直徑2 m，樁端持力層為微風化泥巖或泥質砂巖，樁底標高為-15.042～-16.463，樁長為22.342～23.683m，橋下凈高約7.2m。

隧道在機場高速范圍為暗埋段斷面，采用單箱單室結構形式。隧道主體結構距高架承臺及樁基最小凈距分別2.8 m、3.9 m，采用明挖施工。基坑長28 m，寬13m，支護采用 ?1.0@1.15 m混凝土灌注樁支護+1道混凝土橫撐+1道鋼支撐，樁間設置?0.6 m雙管高壓旋噴樁止水帷幕。標準段最大基坑深7.9 m，支護距高架承臺及樁基最小凈距分別為1.64 m、2.71 m，支護樁底標高最深為-4.6。泵房段基坑深10.4 m，支護距高架承臺及樁基最小凈距分別為3.87 m、4.94 m，支護樁底標高最深為-8.8。支護樁底設計標高不低于機場高架橋樁底標,見圖5。采用MIDAS/GTS對基坑開挖過程進行仿真分析，具體過程見圖6。

圖5 機場高速高架橋保護立面（單位：m）

圖6 有限元模擬基坑開挖過程示意圖

圖7 ～圖9顯示，基坑開挖至最深10.8 m時，有限元模型顯示高架橋樁底最大順橋向位移為3 mm，滿足規范及安全要求。

圖7 開挖階段1（Umax=0 mm）

4 其他設計

圖8 開挖階段2（Umax=2 mm）

圖9 開挖階段3（Umax=3 mm）

本項目場地地下水位較高，地下水補給來源豐富。為避免基坑開挖對周邊道路、管線造成明顯影響，需采用相應止水措施[3]。采用SMW工法樁段由于SMW工法樁自帶止水效果可兼做止水帷幕；采用混凝土灌注樁段，在樁間設置?600 mm雙管高壓旋噴樁止水帷幕，進入基坑底不透水層2 m。隧道范圍內地下水主要為潛水，基坑開挖范圍內主要有砂層等不良地質，基坑開挖期間，在基坑外側止水帷幕采取封閉設計情況下，基坑內側采用排水溝、集水井結合管井降水措施，確保基坑干燥；并避開雨季施工，確保周邊地下水位穩定[3]。降水井采用平面間距15 m，梅花型布置，井孔直徑0.7 m，井管直徑0.4 m，井深進入坑底不得小于5 m。

5 結語

隨著城市的快速發展，城市道路改擴建或城市公路市政化改造中，會遇到越來越多的地下管線、地上構造物等限制條件。本文介紹了復雜條件下，在管線及構造物零拆遷情況下，城市隧道的一種設計思路，為同類條件下的城市隧道設計提供參考。