復(fù)雜條件下城市過(guò)河隧道結(jié)構(gòu)方案研究

鄒 濤

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200030）

0 引言

城市地面土地資源的緊缺促進(jìn)了城市空間向地下發(fā)展，地下交通系統(tǒng)已成為城市地下空間利用的重要組成部分[1]。但是大型城市中心區(qū)建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)隧道工程結(jié)構(gòu)方案、施工工法都提出了更高的要求[2]。

本文以上海市某過(guò)蘇州河隧道為例，詳細(xì)介紹了在充分利用地下空間、發(fā)揮道路交通功能、保護(hù)周邊環(huán)境的要求下，對(duì)于城市過(guò)河隧道不同結(jié)構(gòu)方案的比選過(guò)程。

1 工程概況

擬建隧道位于上海市西部中環(huán)線與外環(huán)線之間，道路基本呈東西走向，規(guī)劃為城市次干路，雙向4車(chē)道，主線設(shè)計(jì)車(chē)速40 km/h。

地面道路西側(cè)沿線主要為工業(yè)、教育科研用地，東側(cè)主要為成熟居住區(qū)，現(xiàn)狀地下管線眾多。

蘇州河深層排水調(diào)蓄管道工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)深隧）包括一級(jí)調(diào)蓄管道、綜合設(shè)施和二三級(jí)管道等。深隧主線盾構(gòu)段北起工作井，與隧道結(jié)構(gòu)平面斜交，隧道于深隧主線上層布置；二三級(jí)管道平面基本與隧道平行，采用盾構(gòu)施工。

隧道與深隧主線及二三級(jí)管道位置關(guān)系圖見(jiàn)圖1。

本工程方案的研究重點(diǎn)在于過(guò)蘇州河的實(shí)施工法，應(yīng)結(jié)合沿線用地和實(shí)際情況進(jìn)行多方案比選，根據(jù)方案的合理性和可行性，確定功能最優(yōu)、規(guī)模合理、交通適應(yīng)性強(qiáng)、可實(shí)施性強(qiáng)、對(duì)周邊環(huán)境影響最小的方案。

2 設(shè)計(jì)方案比選

過(guò)河隧道的主要修建方法有圍堤明挖法、鉆爆法、盾構(gòu)法、沉管法和TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)法[3]。本工程蘇州河寬度60 m，根據(jù)工程規(guī)模、地質(zhì)條件，明挖方案比較了平鋪、疊層結(jié)構(gòu)方案；暗挖方案比較了沉管及矩形、圓盾構(gòu)方案。

2.1 比選原則

（1）過(guò)河節(jié)點(diǎn)應(yīng)考慮蘇州河河床底標(biāo)高，滿足河底最小覆土要求。

（2）蘇州河以東道路兩側(cè)局部居民小區(qū)圍墻間距僅24 m，隧道建設(shè)空間有限。平面布置需盡量避免拆除小區(qū)圍墻及周邊建筑。

（3）周邊布置有深隧主線、二三級(jí)管道等市政設(shè)施，需處理好與市政工程的關(guān)系，做好預(yù)留。

（4）需考慮接線道路的重要交叉口交通組織方案，出入口布置應(yīng)與周邊路網(wǎng)相匹配。

2.2 明挖方案

2.2.1 平鋪方案

針對(duì)出入口平行、前后依次接地2種設(shè)置方式，將隧道方案分為3種。限于文章篇幅，僅介紹比選后的推薦方案。

隧道暗埋段為單層雙孔箱涵，縱斷面最大縱坡6%，過(guò)河段河底最小覆土1.1 m。隧道與深隧相交處埋深11 m，與深隧主線豎向間距29.9 m，與二三級(jí)管道最小凈距1.1 m。平鋪方案隧道平面圖、結(jié)構(gòu)橫斷面圖見(jiàn)圖2、圖3。東端敞開(kāi)段距南側(cè)小區(qū)圍墻僅0.5 m，施工期間需拆除圍墻并還建。

圖2 平鋪方案隧道平面圖

圖3 平鋪方案隧道結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：mm）

2.2.2 疊層方案

隧道暗埋段隨埋深增大由單層單孔箱涵逐漸變化為疊層箱涵。上層車(chē)行方向?yàn)樽晕飨驏|，下層為自東向西，出入口前后依次接地，縱斷面最大縱坡6.5%，過(guò)河段河底最小覆土1.0 m。隧道與深隧相交處埋深17 m，與深隧主線豎向間距23.9 m，與二三級(jí)管道最小凈距4.6 m。疊層方案隧道平面圖、結(jié)構(gòu)橫斷面圖見(jiàn)圖4、圖5。東端敞開(kāi)段與南、北側(cè)小區(qū)圍墻最近距離7.5 m，提供了充足的施工空間，施工期間無(wú)需拆除小區(qū)圍墻。

圖4 疊層方案隧道平面圖

圖5 疊層方案隧道結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：mm）

疊層方案用地集約，隧道距兩側(cè)建筑遠(yuǎn)，沿線小區(qū)圍墻無(wú)須拆遷，能釋放更大空間用以敷設(shè)二三級(jí)管道和管線。因此，明挖方案中推薦疊層方案。

2.3 暗挖方案

2.3.1 沉管方案

隧道南北平鋪布置，過(guò)河段采用沉管法。沉管段長(zhǎng)約90 m，最大縱坡6%，河底最小覆土1.1 m。沉管方案隧道平面圖見(jiàn)圖6。

圖6 沉管方案隧道平面圖

可采用1節(jié)、2節(jié)管節(jié)沉放方案，但均存在以下問(wèn)題：（1）干塢施工在深隧主線上大量卸土，存在上浮風(fēng)險(xiǎn)；（2）干塢圍護(hù)結(jié)構(gòu)侵入西岸南北側(cè)地塊，距南側(cè)寫(xiě)字樓近，需采取保護(hù)措施；（3）管節(jié)沉放期間影響蘇州河通航。

2.3.2 圓盾構(gòu)方案

采用φ14.5 m圓盾構(gòu)，盾構(gòu)段長(zhǎng)292 m，隧道最大縱坡6%，河底最小覆土8.2 m。隧道與深隧相交處埋深22.8 m，與深隧主線豎向間距18.1 m，與二三級(jí)管道最小凈距2.5 m。圓盾構(gòu)方案隧道平面圖、結(jié)構(gòu)橫斷面圖見(jiàn)圖7、圖8。圓盾構(gòu)埋深大，導(dǎo)致隧道規(guī)模大。西端八字形出入口交通繞行，東端依次接地交通功能較差。隧道與深隧相交處，深隧主線上方覆土僅18.1 m，卸載較大時(shí)存在上浮風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 圓盾構(gòu)方案隧道平面圖

圖8 圓盾構(gòu)方案隧道結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：mm）

2.3.3 矩形盾構(gòu)方案

（1）采用9.9 m×7.6 m矩形盾構(gòu)，北線盾構(gòu)段長(zhǎng)293 m，南線盾構(gòu)段長(zhǎng)154 m，縱斷面最大縱坡7%，過(guò)河段河底最小覆土2.7 m。隧道與深隧相交處埋深12.6 m，與深隧主線豎向間距28.3 m，與二三級(jí)管道最小凈距1.6 m。矩形盾構(gòu)方案隧道平面圖、結(jié)構(gòu)橫斷面圖見(jiàn)圖9、圖10。隧道西岸南側(cè)工作井侵入地塊4.2 m，距離高層建筑3.4 m，與深隧盾構(gòu)段水平距離2.1 m，工作井施工難度大，必須先于深隧實(shí)施。

圖9 矩形盾構(gòu)方案隧道平面圖

圖10 矩形盾構(gòu)方案隧道結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：mm）

（2）采用11 m×13.25 m雙層矩形盾構(gòu)，盾構(gòu)段長(zhǎng)293 m，縱斷面最大縱坡6.5%，過(guò)河段河底最小覆土6.1 m。隧道與深隧相交處埋深21.1 m，與深隧主線豎向間距19.8 m，與二三級(jí)管道最小凈距4.9 m。雙層矩形盾構(gòu)方案隧道平面布置與圓盾構(gòu)方案隧道平面布置基本一致。雙層矩形盾構(gòu)方案結(jié)構(gòu)橫斷面圖見(jiàn)圖11。雙層矩形盾構(gòu)缺點(diǎn)同圓盾構(gòu)方案，隧道埋深大，深隧主線卸載較大時(shí)存在上浮風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 雙層矩形盾構(gòu)方案隧道結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：mm）

2.4 推薦方案

綜合考慮工程造價(jià)、交通功能、周邊環(huán)境影響、相關(guān)工程條件、施工工藝，針對(duì)云嶺西路過(guò)蘇州河的建設(shè)條件，最終推薦選用明挖疊層方案。各方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 方案比選

3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)及環(huán)境保護(hù)

3.1 過(guò)蘇州河方案

蘇州河節(jié)點(diǎn)河道寬度60 m，為保證施工期間蘇州河正常防汛及通航功能，采用兩階段圍堰-導(dǎo)流的分幅明挖施工，圍堰采用鋼平臺(tái)+拉森鋼板樁，施工期間需拆除現(xiàn)狀兩岸防汛墻并重建。

本段基坑深度18.8～22 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)[4]。圍護(hù)采用厚1.0 m地下連續(xù)墻（疊合墻形式），支撐采用3道混凝土支撐+3道鋼支撐，以增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。

3.2 對(duì)蘇州河深層排水調(diào)蓄管道工程的影響

基坑開(kāi)挖卸載對(duì)下臥隧道的影響以豎向變形為主，選擇合適的施工方案，能在一定程度上減小基坑開(kāi)挖對(duì)下臥隧道造成的變形影響[5]。按照工期計(jì)劃，深隧主線先于隧道施工，隧道先于二三級(jí)管道施工。隧道與深隧主線平面交角為31°，平面交叉長(zhǎng)度約25 m。該段隧道基坑深度17 m，圍護(hù)采用厚0.8 m地連墻，共設(shè)置5道支撐，坑底采用三軸攪拌樁加固。深隧襯砌采用C60鋼筋混凝土，頂覆土40.9 m，內(nèi)徑10 m，管片厚度0.65 m，襯砌頂部?jī)?nèi)水壓假定為0.5 MPa。場(chǎng)地地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

采用Midas/GTS建立三維有限元計(jì)算模型（見(jiàn)圖12），分析基坑開(kāi)挖對(duì)深隧襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響。土體采用3D實(shí)體單元進(jìn)行應(yīng)力變形分析，地連墻、深隧襯砌采用2D板單元，內(nèi)支撐采用1D梁?jiǎn)卧?。根?jù)基坑開(kāi)挖過(guò)程，定義數(shù)值模擬施工步：（1）初始應(yīng)力場(chǎng)分析；（2）修建深隧盾構(gòu)段；（3）施工地連墻；（4）分5次開(kāi)挖土層及施工內(nèi)支撐。土體采用修正Mohr-Coulomb模型，深隧襯砌、地連墻、內(nèi)支撐采用彈性模型。

圖12 計(jì)算模型

圖13給出了基坑開(kāi)挖過(guò)程中深隧襯砌結(jié)構(gòu)豎向、水平變形發(fā)展曲線（在深隧盾構(gòu)完成后設(shè)置位移清零步）。由圖13可知，襯砌變形隨著開(kāi)挖深度的增加而不斷增大，以豎向變形為主，最大豎向變形7.2 mm，最大水平變形1.3 mm。由于基坑內(nèi)的開(kāi)挖卸載，使深隧襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生以豎向變形為主的隆起變形，但最大變形量小于襯砌允許最大變形量0.5%襯砌外徑的限值[6]。

圖13 基坑開(kāi)挖過(guò)程中深隧襯砌變形發(fā)展曲線

圖14為基坑開(kāi)挖完成后深隧襯砌結(jié)構(gòu)變形云圖。由圖14可知，最大豎向變形位于基坑正下方襯砌拱頂處，最大水平變形位于基坑正下方兩側(cè)約15 m襯砌拱腰處，并沿基坑中心線呈對(duì)稱(chēng)分布。因此，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)深隧襯砌拱頂、拱腰部位的變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)信息化施工。由于深隧使用期間會(huì)遇到多種工況（滿管、半管、空管），內(nèi)水壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，需控制深隧內(nèi)水壓，以確保深隧安全。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本文對(duì)隧道的不同結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比選研究，重點(diǎn)對(duì)比了過(guò)蘇州河不同實(shí)施工法的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為明挖疊層結(jié)構(gòu)方案功能最優(yōu)，規(guī)模、造價(jià)合理；采用兩階段圍堰-導(dǎo)流，分幅明挖施工可實(shí)施性強(qiáng)，對(duì)周邊環(huán)境影響最小，可供相似工程參考。

（2）隧道上跨深隧主線處基坑方案采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。對(duì)基坑開(kāi)挖全過(guò)程進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果表明，開(kāi)挖卸載使深隧主線襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生以豎向變形為主的隆起變形，但最大變形量滿足規(guī)范要求?；娱_(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)深隧襯砌拱頂、拱腰處的變形監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)基坑信息化施工，以確保深隧安全。