紫之隧道下穿五浦河關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分析

陳　娟,許原騎,劉長(zhǎng)寶，章立峰

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014)

紫之隧道下穿五浦河關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分析

陳娟*,許原騎,劉長(zhǎng)寶，章立峰

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014)

明挖隧道下穿河道時(shí)，為保證河道的防洪排澇功能，需要對(duì)河道進(jìn)行臨時(shí)導(dǎo)改。以杭州紫之隧道下穿五浦河節(jié)點(diǎn)為例，介紹了隧道的圍護(hù)及導(dǎo)流渠圍堰的方案，并對(duì)圍堰安全性、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算分析，最終通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

明挖隧道；圍堰；鋼板樁；導(dǎo)流渠

隨著城市地下工程的不斷發(fā)展，特別是在水系發(fā)達(dá)的江南地區(qū)，明挖隧道下穿河道的情況越來(lái)越多，為了保證水系的完整性，不影響河道的防洪、排澇功能，需要進(jìn)行臨時(shí)河道導(dǎo)流[1～3]。本文以杭州市紫之隧道工程為例，經(jīng)過(guò)多方面綜合對(duì)比確定了隧道下穿五浦河節(jié)點(diǎn)的基坑圍護(hù)及圍堰設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)方案的進(jìn)行驗(yàn)證。

1　工程概況

杭州紫之隧道工程位于杭州市西湖區(qū)，北端起自天目山路以北紫金港路，沿紫金港路下穿至西溪路，進(jìn)入山嶺區(qū)域靈竺景區(qū)，向西繞至大清谷生態(tài)區(qū)、至梅家塢景區(qū)出山嶺區(qū)，繼續(xù)向東下穿之江路、五浦河，終于之浦路，全長(zhǎng)13.9km，全線(xiàn)含三座暗挖隧道、二座高架連接段、南北接線(xiàn)為地下隧道。

其中下穿五浦河段位于隧道南段，距離在建國(guó)際金融會(huì)展中心用地紅線(xiàn)約20m，與五浦河斜交，總長(zhǎng)約72m,受線(xiàn)路縱坡影響，此段覆土較淺，暗挖風(fēng)險(xiǎn)極大，最終采用技術(shù)可靠、風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小、施工簡(jiǎn)單的明挖法施工，基坑開(kāi)挖深度為12m，寬度為12.5m。隧道下穿五浦河節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

圖1　隧道下穿五浦河節(jié)點(diǎn)位置圖

2　工程地質(zhì)及水文條件

2.1工程地質(zhì)

五浦河河底土層主要為:①-3層土，塘泥，厚度0.65m，灰色，流塑狀淤泥，多含有機(jī)質(zhì)；③-a層，砂質(zhì)粉土，厚度3.4～4.8m，黃灰色，稍密，濕—很濕；⑤層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度17.6m，灰色，流塑；⑥層，含粘性土碎石（夾礫砂層），厚度4.2m，灰黃色，中密，飽和；(12)-1層，全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，厚度1.6m，紫紅色，成粘性土狀；(12)-3層，中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，厚度9.6。主要地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2水文條件

五浦河為錢(qián)塘江水系上泗片區(qū)內(nèi)一條山溪性河流，是轉(zhuǎn)塘鎮(zhèn)、之江度假區(qū)及周邊山區(qū)的防洪排澇河道，河道類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，河道來(lái)水主要為天然降水，在汛期和枯水期水位變化較大。

隧道過(guò)河段處于珊瑚沙景觀(guān)水閘和九溪閘上游，也處于之江國(guó)家旅游區(qū)內(nèi)，珊瑚砂大橋下游300m處為新建的珊瑚沙景觀(guān)水閘，設(shè)計(jì)常水位為5.50m；再往下游約2km處為九溪閘，主要作用為防止潮水倒灌。

表1　主要地層物理力學(xué)參數(shù)表

現(xiàn)狀五浦河斷面為復(fù)式斷面，主河槽采用石籠網(wǎng)箱直立擋墻，石籠頂標(biāo)高約為5.5m,主河槽寬40～42m,河道全斷面寬度50～60m，現(xiàn)狀河底標(biāo)高3.7m，左岸標(biāo)高8.5m，右岸標(biāo)高9.0m。規(guī)劃河底標(biāo)高2.2m,設(shè)計(jì)底坡0.017%,常水位5.5m,20年一遇洪水位7.5m。

3　下穿五浦河段節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有：

（1）工期緊，五浦河為防洪排澇河道，在整個(gè)施工期不允許斷流，且河道的導(dǎo)改需要在汛期到來(lái)之前完成。

（2）施工場(chǎng)地受限，五浦河北側(cè)為之江路，交通繁忙，南側(cè)為在建國(guó)際金融會(huì)展中心，河道駁坎與會(huì)展中心用地紅線(xiàn)僅20m寬，河道導(dǎo)改場(chǎng)地狹小。

（3）地質(zhì)復(fù)雜，隧道開(kāi)挖范圍內(nèi)影響土層分別為淤泥質(zhì)土、含粘性土碎石、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

3.2基坑圍護(hù)方案

由于受環(huán)境條件制約，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，明挖隧道可以選擇的圍護(hù)型式為地下連續(xù)墻、鉆孔樁+止水帷幕、工法樁。主要從方案的可行性、技術(shù)難度、風(fēng)險(xiǎn)控制、工期、經(jīng)濟(jì)型等方面進(jìn)行分析。圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選見(jiàn)表2。

通過(guò)綜合比選，最終確定選用止水效果好、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大的地下連續(xù)墻。墻厚0.8m、深18.95～29.86m，豎向設(shè)三道支撐，第一道800mm×800mm鋼筋混凝土支撐，第二、三道均為?609mm（壁厚16mm）鋼管支撐。

坑內(nèi)采用?800mm@600雙軸攪拌樁抽條加固，坑底以上為弱加固，坑底以下3m為強(qiáng)加固。見(jiàn)圖2。

表2　圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選表

圖2　基坑與圍堰橫相對(duì)位置圖（單位：mm）

3.3圍堰設(shè)計(jì)

3.3.1圍堰選型原則

（1）安全可靠，能滿(mǎn)足穩(wěn)定、抗?jié)B、抗沖要求；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，易于拆除并能利用當(dāng)?shù)夭牧霞伴_(kāi)挖渣料；（3）堰基易于處理，堰體便于與岸坡或已有建筑物連接；（4）在預(yù)定施工期內(nèi)修筑到需要的斷面及標(biāo)高，能滿(mǎn)足施工進(jìn)度要求；（5）具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3.3.2工程案例

近幾年，隧道下穿河道在圍堰型式的設(shè)計(jì)中也摸索出許多成功的經(jīng)驗(yàn)，成功案例眾多，表3列舉了國(guó)內(nèi)近幾年類(lèi)似工程的圍堰選型。

3.3.3五浦河圍堰選型

以“不改變河道原有排洪能力”為基本設(shè)計(jì)理念來(lái)進(jìn)行本工程下穿五浦河節(jié)點(diǎn)圍堰設(shè)計(jì)。臨時(shí)河道導(dǎo)改至五浦河南岸，受在建國(guó)際金融會(huì)展中心的影響，河道必須進(jìn)行壓縮，采用導(dǎo)流渠導(dǎo)流方式，分期施作過(guò)五浦河段明挖隧道。因此，根據(jù)杭州市水文氣象和五浦河地理位置，錢(qián)塘江潮汐特征，該段隧道主體工程選擇在枯水季節(jié)完成施工，在駁坎與會(huì)展中心用地紅線(xiàn)20m寬度范圍內(nèi)，設(shè)置10m寬矩形導(dǎo)流渠，滿(mǎn)足枯水期過(guò)流能力。

表3　國(guó)內(nèi)隧道工程圍堰選型案例

圍堰型式須選擇斷面較小且對(duì)地基承載力要求較低的拉森鋼板樁圍堰。導(dǎo)流渠北側(cè)圍堰采用3m寬雙排拉森鋼板樁結(jié)構(gòu)，中間采用粘土回填，導(dǎo)流渠南側(cè)采用單排拉森鋼板樁結(jié)構(gòu)，圍堰頂標(biāo)高為9.00m，流水地面標(biāo)高為3.7m。

為防止渠底沖刷和拉森鋼板樁變形，導(dǎo)流渠底部采用50cm厚C25砼底板，設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)片；側(cè)面采用30cm厚的鋼筋砼墻，設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)片；頂部采用600mm×600mm冠梁和支撐，支撐間距為3.5m。流水進(jìn)出口底板采用鋼筋砼趾墻，導(dǎo)流渠流水進(jìn)出口和下游兩岸均采用石籠網(wǎng)箱，防止沖刷。導(dǎo)流渠平面、剖面見(jiàn)圖3、圖4。

圖3　導(dǎo)流渠平面圖

圖4　導(dǎo)流渠剖面圖（單位：mm）

3.3.4圍堰穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)圍堰入基深度進(jìn)行復(fù)核及在擬定堰體寬度（3.0m）下驗(yàn)算圍堰抗剪、抗傾、抗滑等穩(wěn)定問(wèn)題。

（1）入土深度復(fù)核。入土深度復(fù)核主要為復(fù)核鋼板樁入土深度是否滿(mǎn)足要求（圖5），計(jì)算公式如下：

圖5　抗傾覆驗(yàn)算示意圖

式中：Ep——主動(dòng)側(cè)土壓力；

Hp——主動(dòng)土壓力離O點(diǎn)的距離；

Ea——被動(dòng)側(cè)土壓力；

Ha——被動(dòng)土壓力離O點(diǎn)的距離；

Ew——主動(dòng)側(cè)水壓力；

Hw——主動(dòng)水壓力離O點(diǎn)的距離；

取內(nèi)排樁計(jì)算，主、被動(dòng)土壓力合力對(duì)最下道鋼拉桿安裝點(diǎn)的力矩分別為MA=10601.9kN·m，Mp= 33960.9kN·m?？紤]兩排鋼板樁分別承擔(dān)一半水頭，計(jì)算出水壓力對(duì)對(duì)鋼拉桿安裝點(diǎn)的力矩為Mp= 286.9kN·m，得到F=3.12，大于允許值，鋼板樁入土深度滿(mǎn)足要求。

（2）抗剪穩(wěn)定?？辜舴€(wěn)定采用下列Terzaghi公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：M——外力對(duì)基面的力矩，主要為水壓力荷載等對(duì)基礎(chǔ)面的力矩；

Eg——圍堰中心線(xiàn)上的壓力，主要包括堰體內(nèi)回填中粗砂重、堰頂活荷載(本工程暫不考慮堰頂荷載)；

B——堰頂寬度，B=3.0m；

φ——填土的內(nèi)摩擦角，φ=35°。

經(jīng)計(jì)算，圍堰K剪為2.86，大于0.7，滿(mǎn)足要求。

（3）抗傾穩(wěn)定。抗傾穩(wěn)定公式為：

式中：G——堰體每延米重；

B——堰頂寬度，B=3.0m；

T——每延米鋼板樁與基土的摩阻力，T=L×qsik，L為鋼板樁入基礎(chǔ)深度，qsik為樁與土體間的極限摩阻力，保守考慮，qsik取各土層中的相對(duì)最小值；

M——外力對(duì)基面的力矩，主要為水壓力荷載等對(duì)基礎(chǔ)面的力矩。

經(jīng)計(jì)算，K傾=5.24，大于1.4，滿(mǎn)足要求。

（4）抗滑穩(wěn)定?？够€(wěn)定公式為：

式中：G——堰體每延米重；

f——基礎(chǔ)滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

S——每鋼板樁的抗剪力，S=Aτ，A為每延米鋼板樁的斷面積，τ為樁的極限抗剪強(qiáng)度；

Ef——圍堰整體所受土壓力；

ES——圍堰整體所受水壓力。

經(jīng)計(jì)算，圍堰K滑分別為65.24，大于1.4，滿(mǎn)足要求。

4　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

工程實(shí)施過(guò)程中，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及鋼板樁圍堰進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測(cè)。開(kāi)挖第一層土方連續(xù)墻最大變形9.13mm，開(kāi)挖第二層土方最大變形為15.45mm，開(kāi)挖至坑底時(shí)最大變形為24.47mm。施工完成后，鋼板樁圍堰最大水平位移出現(xiàn)在頂部，且最大值為10.17mm，均在可控范圍內(nèi)，保證了河道導(dǎo)流及明挖隧道施工的安全性。

5　結(jié)論

（1）明挖隧道下穿河道時(shí)，采用鋼板樁圍堰進(jìn)行河道導(dǎo)流，能較好地解決工期緊、場(chǎng)地狹小、施工環(huán)境復(fù)雜等問(wèn)題，并且方法簡(jiǎn)單，工藝成熟。

（2）導(dǎo)流渠采用箱涵結(jié)構(gòu)，能有效地減小對(duì)導(dǎo)流渠底部的沖刷及圍堰結(jié)構(gòu)的變形。

（3）基坑采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)體系能有效控制基坑的變形，對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)的影響也較小。

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1004-5716(2015)07-0175-04

2014-07-07

2014-07-08

陳娟（1985-），女（漢族），湖北荊門(mén)人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程設(shè)計(jì)工作。