复杂条件下城市下穿隧道工程设计技术

GXF360 2017-05-27

展开全文

? 复杂条件下城市下穿隧道工程设计技术

复杂条件下城市下穿隧道工程设计技术

沈洪波

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽合肥　230088)

摘　要：城市下穿隧道作为改善城市公共交通状况的有效途径，在城市公共交通中起着越来越重要的作用。作为一类典型地下工程，受到岩土条件、施工空间、城区环境、交通疏解、管线改迁及工期等多因素的交叉限制和制约，具有较高的安全风险、质量风险和环境风险。文章结合具体工程案例，重点从条状基坑分段设计、大跨度高悬臂结构设计和与周边工程协调设计等方面，浅析相应的关键点设计技术，以期为类似工程积累一定的工程经验。

关键词：城市下穿隧道；协调设计；基坑分段开挖；大跨度高悬臂结构

随着城市经济的高速发展，规模不断扩大，在一定时期和区域内，城市发展规模已经达到甚至超越了现有交通环境所能承受的最大发展规模，使现有的交通环境系统功能和结构无法满足城市发展需求。城市下穿隧道工程作为改善城区交通拥堵的一个有效措施，能够分层次改善道路交口的交通条件，从而缓解区域交通压力，为城市的发展创造有利条件[1-2]。

近几年，我国城市隧道的建设数量也越来越多，本文结合具体案例，分析总结合肥城市下穿隧道工程设计的关键技术。

1　工程地质概况

(1) 工程概况。望江西路节点工程是合肥市畅通二环工程的重要节点，由西二环方向上跨桥、地面道路及望江西路方向下穿隧道组成的3层立交结构，如图1所示。其中隧道工程西起望江西路与西二环交口西侧，下穿西二环向东延伸至合肥西客站西侧，与铁路部门建设的下穿西客站隧道工程相接，并设置A、D匝道与西二环路顺接。

主线明挖矩形隧道总长为469 m(暗埋段长为110 m)，为城市主干道，设计速度为60 km/h，双向6车道，标准段隧道单孔净宽为12 m。A匝道总长为308.858 m(暗埋段长为113 m)，D匝道总长为201 m(均为敞开结构)，为城市次干道，均为单向一车道，设计速度为40 km/h，A、D匝道标准段隧道净宽分别为8 m、7 m。

图1　隧道工程效果图

(2) 地质概况。工程范围内陆层主要为填土、黏土，下覆层为泥质砂岩，为合肥地区典型地层分布，具体指标见表1所列，其中K0为静止土压力系数，黏土自由膨胀率平均值δef为58%，具有弱-中膨胀潜势。地下水总体不发育，潜水水位在2.3～12.0 m。

表1　主要物理力学指标表

层号土层[fa0]/kPaES1-2/MPaγ/(kN·m-3)快剪ck/kPaφk/(°)固快ck/kPaφk/(°)渗透系数Kh/(10-5cm·s-1)Kv/(10-5cm·s-1)K0基床系数/(MPa·m-1)①杂填土--20-19-19----②黏土28016.720761493161.275.940.2570③强风化泥质砂岩300182110251530----

2　工程特点及难点

(1) 工程建设环境复杂，周边小区建筑物较多，地下管线密集，对隧道基坑方案产生极大影响。其中南侧小区地下车库侧墙距离基坑约为3 m，西二环西侧有2根DN1 400给水管，东侧有1根DN1 600和1根DN600给水管，施工期间给水管不可中断，均为方案控制性因素。

(2) 建设周期短，其中西二环南北方向上跨桥计划工期仅6个月，项目总工期为10个月。同时施工期间，二环南北向交通必须保持通畅。

(3) 桥梁与隧道工程立体交叉，隧道基坑开挖与桥梁施工干扰严重，施工工期压力更加巨大。

(4) 受总体方案控制，隧道部分敞开段结构悬臂高度最高达到13 m，底板跨度最宽超过40 m，结构尺寸大，受力复杂，协调性差。

3　设计关键技术

3.1　桥隧方案的协调设计

由于桥梁与隧道交叉节点施工相互干扰，施工期交通又不允许中断，若采用常规结构桥梁，无论桥梁先施工或隧道先施工，均难以满足工期要求。经过论证，桥梁主跨推荐采用钢混组合梁体系，跨径为50 m，利用主跨钢箱梁在工厂加工期间(约3个月)，先完成桥梁下方隧道施工，并为后期管线改迁提供空间,如图2所示。

3.2　基坑分段开挖技术

(1) 基坑总体方案。基坑呈长条状，最大宽度约为50 m，最大深度超过12 m。如图3所示，采用钻孔灌注桩+多道钢支撑围护体系，内支撑设置2～3排格构柱，基坑高度小于4 m时，采用放坡开挖。

图2　主跨桥下隧道施工

图3　支撑布置剖面示意图

(2) 分段开挖设计。如图4所示，结合隧道基坑的特点及工程控制因素，共设置4道封堵墙：0 km+342 m、0 km+370 m、0 km+396 m、0 km+421 m。如图5所示，综合考虑基坑开挖高度，隧道主线基坑分成8段，根据交通组织及桥梁施工需要，按4期施工：① 一期：1区基坑开挖并施工主体结构，利用4区域设置交通导改，满足西二环南北向交通。② 二期：2区域基坑开挖，将4区域给水管改移至1区域，1区域桥梁施工，西二环上跨桥主跨施工并放行。③ 三期：3区域基坑开挖。④ 四期：桥下南北方向交通中断，4区域基坑开挖。

图4　封堵墙位置及管线迁改示意

图5　基坑开挖分段示意图

整个工程通过合理的分段设计，在满足工程安全和施工期间交通疏解、管线迁改的要求同时，通过各单位的合理组织，仅用10个月就完成了由桥梁、平行道排和下穿隧道组成的3层立交结构施工。

3.3　大跨度高悬臂结构设计

(1) 问题分析。前期方案总体设计过程中，对本项目采用长隧道方案和短隧道+敞口段方案进行详细比选论证，认为长隧道有后期运营管理复杂、暗埋段内主线与A匝道合流段行车安全性差且工程造价高等缺点[3-4]，确定采用短隧道+敞口段方案。路线纵断面最终采用W形设计，整个工程由下穿西二环和下穿西客站2段暗埋段和3段敞口段构成，降低了隧道通风、照明要求，且主线与匝道的分合流均位于敞口段，有利于行车安全以及后期运营管理，但造成2段暗埋结构之间敞口段跨度大、悬臂高的问题。

(2) 结构精细化设计。2段暗埋段结构之间的敞口段结构整体跨度在40～48 m之间，悬臂高度在11～13 m之间，受力复杂，结构整体协调性差，南侧结构紧邻既有小区地下车库。

经过分析论证，从细节设计着手，对结构进行精细化设计。合理优化悬臂高度，充分利用周边环境及空间条件，考虑在悬臂结构外侧设置永久挡墙结构，采用分台阶设计，结构悬臂高度可减小1～2 m，经验算，悬臂结构最不利断面受力可减小10%～15%。

悬臂结构受力最大位置在墙板交角处，在满足功能要求下，通过增大墙板腋角尺寸(由50 cm×50 cm增加到80 cm×80 cm)，可适当改善角部受力，减小结构配筋[5]。

结合抗浮设计优化结构受力，根据合肥市有关规定，抗浮验算地下水位取地坪下2 m。经计算，敞口段存在抗浮安全不足问题，综合考虑结构工程造价、施工难度及质量、全包防水要求和工程耐久性，设计采用围护桩参与抗浮+设置抗拔桩方案[6-7]。

通过合理考虑围护桩参与抗浮，在减少抗拔桩工程量的同时，可以增加浮力工况下侧墙轴向压力，有利于侧墙裂缝控制。

3.4　其他设计

(1) 隧道结构与引道桥台结合设计。由于西二环通行要求，上跨桥需要在A匝道之前施工，围护设计需要考虑上跨桥挡墙段堆土(0.5～2 m)及车辆超载的影响。设计中加大围护桩刚度(采用φ1 000 mm@1 200 mm钻孔灌注桩)，满足隧道基坑开挖期间上跨桥挡墙段变形(沉降<10>

(2) 预留轨道交通下穿节点的处理。根据规划，远期轨道交通线路下穿A匝道敞口段下方。设计中通过增大远期盾构下穿段结构截面的方式，一方面通过增加自重来满足抗浮要求，另一个方面也可增大结构整体刚度，降低远期盾构穿越施工对隧道结构的影响[8-9]。

(3) A匝道曲线段结构设计。在车辆由主线分流进入A匝道隧道过程中，由于位于曲线段(曲线半径为90 m)，为保证行车安全，设计通过增加构造结构梁，起到洞口减光作用，同时可以改善结构受力[10]。