城市明挖隧道與地面夾空層空間合理化利用研究

洪 雷

(蘇交科集團股份有限公司 南京市 210000)

0 引言

隨著現代城市的建設空間需求的逐年增大，空間擴張無序、低質量化及環境污染加劇等問題尤為突出，如何科學地開發利用地下空間，保證地下與地表空間建設運營的協調性，注重城市高質量有序發展，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，地下系統建設主要表現在大型綜合體的興建與地下交通系統的聯動，地下空間功能既有區分，更有協調的職能開發發展模式[2]。我國在城市化進程中對地下空間開發也進行了大量探索，然而，快速發展的城市地下空間開發利用也會產生一定問題。楊曉剛等[3]通過國內8個典型城市地下空間利用的現狀調查，認為不同城市開發程度差別較大，且部分存在冒進式和不協調的開發問題。雷升祥等[4]認為我國地下空間開發系統主要集中于地下淺層空間，對于地下豎向分層規劃考慮不足，影響開挖潛力。

黃俊等[5]針對地下空間分層規劃問題，提出城市隧道夾空層空間利用技術，在城市長隧道建設過程中，為了避讓軌道交通或其它地下構造物，往往埋深很大，隧道上方為了減少覆土壓力，通常采用結構夾空層的做法。在城市地下空間資源日益緊張的情況下，如何利用夾空層，成為隧道設計不可或缺的內容。鄒大海等[6]以南京江北新區中央商務區隧道為例，對城市隧道的夾空層空間形態進行了細致研究，對夾空層空間利用進行了方案設計與消防考慮。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計合理性進行分析。

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用方式，并選取典型夾空層斷面形式進行有限元分析，探究夾空層空間構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，以期對現有人口密集型城市的地下空間合理規劃建設提供參考。

1 工程概況

橫江大道是南京市江北新區規劃“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)，設計速度為80km/h，遠景年交通量路段平均9.2萬pcu/d，項目位于長江漫灘區，表層為填土、其下為淤泥質粉質粘土、軟塑～可塑的粘性土、砂土，軟土全線均有分布，地質條件較差。快速路穿越新區CBD采用下穿隧道形式，全線設有“一長隧一中隧一節點隧”，隧道總長4.165km，占總里程57.95%。其中，長隧(中央商務區隧道)埋深最大達30m，隧道基坑支護主要采用地連墻工藝，地連墻最大深度可達68m，隧道埋深和樁基深度均屬國內市政明挖隧道領先水平。

2 隧道與地面夾空層空間開發利用

對于明挖隧道建設工程設計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濟性和地下空間開發的不可逆性，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，保證隧道結構安全前提下，進行有針對性的空間利用設計，能夠取得良好的經濟及社會效益。

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，可在滿足結構安全的條件下對夾空層進行附屬設施建設。

根據設計要求，橫江大道中央商務區隧道工程在穿越江北新區商務區地下空間時，形成南北兩處空腔，其中南側空腔可利用部分長度約660m，寬度約31m，隧道最大埋深達20m，通過考慮管線、抗浮等因素，對明挖隧道頂部夾空層區域建設城市公共停車場(如圖1、圖2所示)。由于土建工程成本已在隧道結構施工中結算，故只需考慮停車場自身結構的建設成本，能夠有效節省投資，同時在豎向空間利用上，可新增近700個車位，能夠有效服務于兩側地塊。

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

在結構設計方面，考慮到隧道埋深較大，上部荷載經過應力擴散后對隧道結構影響較小，同時空腔結構的停車場較直接回填土所產生的附加應力荷載較小，能夠有效保證整體結構的穩定性。

2.2 夾空層空間建設地下道路

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置交叉或平行的輔助道路、地下環路、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，夾空層中進行地下環路和地下空間出入口建設，考慮到隧道結構安全性，設計中僅考慮荷載較小的單行車道，同時對夾層中地下空間出入口建設進行對稱設計，盡可能減小非對稱荷載導致的地面或隧道結構不均勻變形。

圖3 夾空層空間地下環路與隧道關系示意圖

圖4 夾空層空間地下道路建設橫斷面示意圖

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，不利于進行大型基礎設施建設。

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置小型恒重的附屬設施，盡可能排除動荷載對結構整體穩定性的影響。在工程位于康華路處，隧道夾空層頂部為中央分隔帶，輔道車輛動荷載對下部結構影響較小，設計中為減小地下空間占用及施工方便，將綜合管廊結構在夾空層中，與隧道結構交叉建設(如圖5)，隧道與管廊接觸段，道頂板與管廊底板共建，能夠有效節省空間，工程造價較低，建設工期較短。

圖5 夾空層空間綜合管廊交叉建設橫斷面示意圖

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工況為例，結合數值分析，對比夾空層空間直接回填土與設置綜合管廊交叉建設的不同工況下，外部荷載對地表沉降的影響。

為提高計算效率，采用平面二維對稱模型(如圖6)，將綜合管廊結構等效為具有一定剛度的結構層，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，同時忽略隧道結構自身變形，具體參數如表1所示。

圖6 有限元模型示意圖(單位：m)

表1 物理力學參數

隧道頂部不同處理形式下，上部荷載作用后產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生明顯的變形集中現象(圖7)；而通過在隧道頂部進行綜合管廊的交叉鋪設，由于管廊剛度較大，地面表層產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剛度較大的構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，在上部荷載較大區域(機動車道)，回填土處理方式產生的最大沉降量為4cm，而設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動車道間設置大剛度的構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行研究，主要得到以下結論：

(1)可以集約化利用隧道夾空層空間。明挖隧道埋深較大時，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路等；對于埋深較淺的明挖隧道，可在較小的動荷載影響下建設城市管廊等小型附屬設施。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發展，縮短施工工期。

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