武漢長江公鐵隧道武昌岸設計方案

李 鵬 干學軍

(湖北省城建設計院股份有限公司軌道交通分院， 430051， 武漢∥第一作者， 高級工程師)

1 工程概況

武漢長江公鐵隧道距離其下游的長江二橋1.3 km，距離其上游的武漢長江隧道1.9 km。該隧道被規(guī)劃定位為城市道路與武漢軌道交通7號線(以下簡為“7號線”)共用的越江隧道，在漢口岸沿三陽路敷設，在武昌岸沿秦園路敷設。其地理位置如圖1所示。

武漢長江公鐵隧道采用雙向6車道公鐵合建雙管盾構(gòu)隧道穿越長江，其越江段隧道橫斷面布置如圖2所示[1]。

武漢長江公鐵隧道從漢口岸的三陽路站出發(fā)，穿越長江后到達武昌岸，通過武昌風井(工作井)后，公路隧道與地鐵隧道豎向分離，為7號線徐家棚站的設置提供條件；在武昌岸通過徐家棚站后，公路隧道與地鐵隧道在平面上完全分離。武漢長江公鐵隧道縱斷面如圖3所示[2]。

武漢長江公鐵隧道在武昌岸形成三級交通疏解(見圖4)：通過武昌風井后，主線雙向6車道隧道沿秦園路下方爬升，在團結(jié)路、和平大道分別設置進口E、出口F匝道，形成第一級交通疏解；經(jīng)過一級交通疏解，主線由雙向6車道調(diào)整為雙向4車道，下穿和平大道及沿和平大道敷設的規(guī)劃5號線后，繼續(xù)向南前行至7號線徐家棚站，上穿徐家棚站后在友誼大道設置進口G、出口H匝道，形成第二級交通疏解；主線下穿友誼大道后爬坡出地面，形成第三級交通疏解。

地鐵線路在毗鄰武昌濱江商務區(qū)處設置徐家棚站，該車站為線網(wǎng)規(guī)劃5、7、8號線3線換乘車站。其中，5號線沿和平大道走行，7號線沿秦園路通道過江，8號線沿團結(jié)路通道過江。公路隧道與地鐵5、7、8號線徐家棚站位置關系如圖5所示[3]。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

工程場地地貌單元為河流堆積平原，屬長江I級階地。場地表層為松散人工填土層(Qml)，局部分布淤泥質(zhì)土，厚2～4 m；上部為第四系全新統(tǒng)沖積相(Qal4)軟-可塑狀態(tài)黏性土，軟-流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土互層，厚13～15 m；中部為稍密-中密粉細砂、中密-密實狀態(tài)細砂，約厚40 m；下伏基巖為白堊-下第三系東湖群(K-E)泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖。

2.2 水文地質(zhì)

工程場地地下水分為上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。孔隙承壓水主要賦存于砂性土中，上覆黏性土及下伏基巖為相對隔水層。含水層約厚40 m，主要接受側(cè)向地下水補給，與長江水力聯(lián)系密切，呈互補關系，且水量豐富。

3 公路隧道與地鐵隧道疊交段設計要點

3.1 公路隧道與7號線隧道平行疊交段設計要點

3.1.1 公路隧道與7號線區(qū)間平行疊交段設計要點

公路隧道主線里程LK4+119.001—LK4+287.985段為公路隧道與7號線區(qū)間隧道平行疊交段。公路隧道結(jié)構(gòu)總寬度為24.077～52.854 m，底板頂部埋深為17.718～28.419 m；其正下方地鐵區(qū)間隧道頂部埋深為26.615～30.263 m，盾構(gòu)管片外徑為6.2 m。公路隧道與地鐵區(qū)間隧道在豎向逐漸分離，公路隧道明挖主體結(jié)構(gòu)與地鐵盾構(gòu)隧道的豎向凈距：左線由0.809 m逐漸增大至7.129 m，右線由0.874 m逐漸增大至7.133 m。公路隧道左、右線中心線與地鐵盾構(gòu)隧道左、右線中心線基本重合。根據(jù)施工籌劃，公路隧道先行施工完成后，地鐵盾構(gòu)區(qū)間從武昌工作井始發(fā)掘進，在徐家棚站調(diào)頭，最終在武昌工作井接收。該工程設計與施工中存在以下技術難點：

1) 受武漢長江公鐵隧道縱斷面線形約束，盾構(gòu)機出武昌工作井后公路隧道底板頂埋深最大值為28.419 m，為超厚覆土。

2) 受線位限制及盾構(gòu)始發(fā)空間要求約束，明挖矩形隧道底板尺寸不能設置過大。

3) 地鐵區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)時，隧道軌面距明挖公路隧道路面最小值為7.102 m，且兩者之間為超薄夾土。公路隧道先行施工完成后，地鐵盾構(gòu)始發(fā)引起的地層位移對明挖隧道結(jié)構(gòu)的安全影響較大。

4) 公路隧道基坑開挖寬度為24.077～52.854 m，開挖深度為19.119～29.820 m，屬超深基坑；且周邊建(構(gòu))筑物及地下管線密集，開挖風險大，地表變形控制及環(huán)境保護要求高。

針對上述工程難點，采取以下應對措施：

1) 超厚覆土段明挖隧道設置架空層，以控制底板結(jié)構(gòu)厚度。隧道結(jié)構(gòu)上方設置3層架空層，其中，地下一、二層凈高為4.5 m；地下三層凈高隨下方公路隧道縱坡變化，由8.4 m過渡至2.1 m。地下一、二層采用梁-柱框架結(jié)構(gòu)，并且預留架空層與遠期周邊地塊地下開發(fā)空間銜接條件。其中，框架邊柱外側(cè)設置臨時封堵墻，并在遠期周邊地塊地下空間與架空層銜接時將其拆除；沿隧道縱向地下一層結(jié)構(gòu)空間與5、7號線徐家棚站站廳層連通。將底板結(jié)構(gòu)厚度控制在1.20 m，公路隧道與盾構(gòu)隧道豎向最小凈距為0.637 m，滿足盾構(gòu)始發(fā)空間要求。設置架空層后的公路隧道橫斷面如圖6所示。

2) 超深基坑圍護結(jié)構(gòu)設計。超厚覆土段基坑最大深度達30 m，為超深基坑。該段處于長江I級階地，砂土層埋藏相對較淺，厚度達40 m；賦存于該層中的承壓水水量豐富，與長江水力聯(lián)系緊密。根據(jù)武漢市深基坑施工經(jīng)驗[4]，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用厚1.2 m地連墻落底方案：地連墻長55.0 m，伸入15b-1弱膠結(jié)礫巖的深度不小于1.5 m，以隔斷基坑內(nèi)、外地下水力聯(lián)系；同時設置疏干降水井和降壓降水井進行降水，并設置一定數(shù)量的坑外觀測井，兼作應急降壓降水井；采用工字鋼接頭作為地連墻接頭，地連墻接縫外側(cè)設置2根φ1 000 mm @6 00 mm“雙高壓”三管旋噴樁，旋噴樁伸至基坑底部下方10 m。

3) 地鐵盾構(gòu)始發(fā)掘進時對公路隧道的影響控制。地鐵盾構(gòu)隧道底部與公路隧道底板結(jié)構(gòu)的豎向凈距：左線為0.637～7.695 m，右線為0.703～7.747 m，屬“超近接”施工。綜合類似工程經(jīng)驗[5-6]及計算分析結(jié)果，在公路隧道中隔墻下方底板的底部布置鉆孔灌注樁(支撐兼抗拔樁)，在橫向共布置3根，縱向間距為6 m；考慮后續(xù)地鐵盾構(gòu)掘進引起的樁基側(cè)摩阻力損失，計算公路隧道樁基承載力時，樁側(cè)摩阻力須進行折減取值，折減系數(shù)為0.5。圍護結(jié)構(gòu)采用地連墻和主體側(cè)墻構(gòu)成的“疊合墻”結(jié)構(gòu)，兩墻合一，以增加圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度，充分發(fā)揮地連墻的抗浮作用。為盡可能減小下方盾構(gòu)掘進對已建公路隧道結(jié)構(gòu)的影響，盾構(gòu)始發(fā)掘進前對公路隧道底板下方土體進行預加固(見圖7)；并在其底板下部預埋注漿管，在盾構(gòu)下穿后進行補充注漿(見圖8)。

3.1.2 公路隧道與7號線車站平行疊交段設計要點

主線里程為LK4+326.485—LK4+543.882段公路隧道與7號線徐家棚站合建，公路路面以4.5%的坡度沿車站縱向爬升。為充分利用建筑空間，起始里程段公路隧道上方設置物業(yè)開發(fā)層，車站與5、8號線通道換乘。武漢長江公鐵隧道主體結(jié)構(gòu)為地下4層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)[7]。該隧道縱段面如圖9所示，在其中心里程處基坑深38.36 m。采用蓋挖逆作法施工[8]，圍護結(jié)構(gòu)采用厚1.5 m地連墻和主體側(cè)墻構(gòu)成的“疊合墻”結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)梁-板系統(tǒng)作為圍護結(jié)構(gòu)的水平支撐，主體結(jié)構(gòu)永久柱兼作水平支撐的臨時支承柱，柱基礎采用鉆孔灌注樁。

3.2 公路隧道與5號線盾構(gòu)隧道垂直疊交段設計要點

3.2.1 主體結(jié)構(gòu)方案比選

公路隧道主線從武昌工作井出發(fā)后，沿秦園路繼續(xù)向南穿越前行，在LK4+287.985—LK4+319.285段秦園路與和平大道交叉路口遠期規(guī)劃有5號線徐家棚站。該車站設置為地下二層，采用矩形框架結(jié)構(gòu)，埋深較淺，在公路隧道竣工通車后實施。根據(jù)公路隧道與5號線的線位關系，兩者結(jié)構(gòu)設置形式有以下3種方案可供選擇：

1) 方案1：地鐵車站與公路隧道共板合建(見圖10)。規(guī)劃5號線與公路隧道交叉節(jié)點處設置地下二層徐家棚站。地鐵車站提前與公路隧道同步實施，形成地下三層結(jié)構(gòu)。其中，地下一、二層分別為車站站廳、站臺層，地下三層為公路隧道，均采用明挖法施工。車站與公路隧道共板合建可避免二次開挖，但合建后車站頂板覆土僅厚1.3 m，無法滿足市政管線的埋設要求。

2) 方案2：地鐵盾構(gòu)區(qū)間上跨公路隧道(見圖11)。遠期5號線在公路隧道上方以盾構(gòu)隧道區(qū)間穿越。由于公路隧道采用明挖法先行施工，基坑深度約22.5 m，需采用地連墻圍護結(jié)構(gòu)。為滿足地鐵盾構(gòu)穿越圍護結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)穿越區(qū)域地連墻采用C15混凝土及玻璃纖維筋。后期盾構(gòu)機推進時可直接切割纖維筋混凝土，但基坑開挖時存在安全隱患，且盾構(gòu)穿越地連墻時存在刀盤磨損嚴重甚至無法切削地連墻的隱患。

3) 方案3：地鐵區(qū)間隧道與公路隧道共板合建(見圖12)。5號線徐家棚站—楊園站區(qū)間部分節(jié)點提前與公路隧道同步實施，地鐵區(qū)間隧道與公路隧道合建形成地下3層結(jié)構(gòu)。其中，地下一層為過街通道；地下二層為5號線軌行區(qū)，地下三層為公路隧道，采用明挖法施工。本方案可避免二次開挖，且區(qū)間頂板覆土達到3.3 m，可滿足各類市政管線埋設要求。

綜上所述，從施工難度、施工風險及市政管線敷設等因素綜合比較，該工程采用方案3，即明挖區(qū)間與公路隧道共板合建。

3.2.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)設計

本段基坑圍護結(jié)構(gòu)采用厚1.2 m地連墻方案。同時考慮到本段公路隧道下穿和平大道路口，為維持明挖基坑開挖時和平大道交通及地下市政管線敷設現(xiàn)狀，在橫跨和平大道路口段采用頂板蓋挖逆作法施工。基坑圍護結(jié)構(gòu)橫斷面及主體結(jié)構(gòu)防水關鍵節(jié)點做法如圖13所示。

4 結(jié)語

1) 城市公路隧道與地鐵隧道在越江段合建時，兩岸接線工程由于道路與地鐵的線位條件及技術要求的不同，存在較多疊交節(jié)點。疊交節(jié)點處采用結(jié)構(gòu)合建技術，可有效減小主體結(jié)構(gòu)尺寸及基坑規(guī)模，從而避免近接施工，降低施工風險。

2) 受越江段線位的約束，兩岸工作井后續(xù)明挖段埋深較大，可考慮結(jié)合周邊地塊地下空間開發(fā)，合理設置架空層并預留銜接條件，以充分利用地下空間。

3) 采用圍護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的疊合墻支護方案，結(jié)合鉆孔灌注樁的設置，形成門架式支撐體系，盡可能減小公路隧道明挖施工完成后，其下方地鐵區(qū)間盾構(gòu)近接掘進時對公路隧道結(jié)構(gòu)的影響。

4) 深基坑采用落底式止水帷幕，合理選擇地連墻墻縫接頭形式，以及在接縫處采用高壓旋噴樁止水防滲等措施，成功治理了地下水，有效控制了施工風險。