城市地下立交設計施工關鍵技術(shù)

許艷林

（天津市翔泰市政公路工程設計有限公司,天津市 300384）

城市地下立交設計施工關鍵技術(shù)

許艷林

（天津市翔泰市政公路工程設計有限公司,天津市 300384）

以大連南部濱海大道東端橋隧工程為例，主要介紹了大型城市地下立交的結(jié)構(gòu)型式、平面分岔結(jié)構(gòu)，以及隧道的整體設計及施工關鍵技術(shù)。該隧道特有的超大斷面、大斷面與明挖箱涵連接，明挖箱涵與雙連拱隧道等特殊結(jié)構(gòu)型式在我國隧道建設中均屬罕見，可為我國其他地區(qū)同類工程提供參考。

地下立交；大跨度分叉隧道；明挖箱涵；雙連拱隧道；超大斷面

0 引言

交通是城市系統(tǒng)的重要組成部分，在城市的發(fā)展過程中有著不可替代的作用。然而，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷推進，城市交通日益惡化，特別是城市交通建設用地緊缺已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的重要因素。要實現(xiàn)城市交通的可持續(xù)發(fā)展，既要解決經(jīng)濟迅速發(fā)展帶來的城市交通需求急劇增長的壓力，又要求城市交通建設盡可能地少占用寶貴的城市建設用地。因此，城市交通的發(fā)展不應當局限于一維的地表平面，而應當從三維立體的角度來發(fā)展，通過發(fā)展立體交通系統(tǒng)來緩解城市交通建設用地緊缺的問題[1]。對一些大型城市而言，交通量特別巨大，交通系統(tǒng)極其復雜，地價十分昂貴，再加上城市財力雄厚，就非常有必要發(fā)展地下交通。城市交通空間布局的形成是隨著城市發(fā)展而不斷發(fā)展的，其基本的演化過程就是由地表向地下轉(zhuǎn)變。城市地下交通占用的是城市地下空間，不會占用城市地表用地，節(jié)省了城市土地資源。這對于緩解城市用地緊張的現(xiàn)狀具有極大的現(xiàn)實意義。分岔立交隧道為一種新的隧道建設型式，一般由4車道大跨度隧道或連拱隧道逐漸過渡到上下行分離式雙洞隧道，因此它同時具備超大跨度隧道、連拱隧道、小凈距隧道、地下空間立體交叉[2，3]隧道等多種結(jié)構(gòu)型式隧道的特點。作為一種新的隧道建設型式，目前國內(nèi)尚不多見，缺乏可供參考的設計、施工經(jīng)驗。地下立交雖然可以減少用地，但其具有結(jié)構(gòu)復雜、隧道開挖斷面大[4]、結(jié)構(gòu)型式多、各類型斷面過渡施工復雜等難點，合理解決上述難題，是城市地下立交設計的關鍵。

1 立交功能定位

立交主要解決特大橋梁接線及與既有或規(guī)劃路網(wǎng)的銜接，發(fā)揮交通疏散功能，提高道路的運營效率。一般地面立交在主干路交叉時選用全互通式立交，而地下立交由于建設成本、施工風險、地質(zhì)條件、現(xiàn)狀地上（地下）構(gòu)筑物、運營風險等因素的制約，一般僅解決主要車流方向的疏導。

大連南部濱海大道東端橋隧工程隧道段主線按城市快速路標準3車道設計，設計車速60 km/h。起點接星海灣跨海大橋東引橋終點處。隧道穿越迎客山，向北至白云雁水附近山體主隧道分叉：一支向北至勝利路，終于東北路與勝利路交叉處，向北連接東北路高架橋；一支向東至長春路，近期修建道路、橋梁接入東北路，遠期設置互通立交與長春路、規(guī)劃南部通道相接。東北路為大連市南北貫通的城市快速路，南部通道為大連市規(guī)劃的一條快速路。該隧道工程主要功能是“增加南北通道，完善交通功能；利用地下空間，解決與規(guī)劃東西快速路的銜接”。圖1為南部濱海大道東端橋隧建設工程平面總圖。

2 工程概況

南部濱海大道東端橋隧建設工程主線路線全長3.88 km，其中隧道段3.0 km（以雙洞計）。長春路支線隧道長740 m（以雙洞計）,工程入口為分離式雙洞，單向3車道，在森林動物園白云雁水山體附近由2個單向3車道隧道分為4個單向2車道隧道。其中：2條單向2車道隧道向北在白云山隧道北口接入拓寬后的東北路；另外2條單向2車道隧道向東在話劇院西側(cè)山體穿出后與東北路相接。

圖1 南部濱海大道東端橋隧建設工程平面總圖

工程超大跨度分岔立交隧道段（見圖2）穿越地層圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主，主要為中風化石英巖夾板巖。主線隧道為分離式，由單洞單向3車道經(jīng)由暗挖超大跨度隧道變寬段、明挖箱涵段、雙連拱隧道段及小凈距隧道段變?yōu)殡p洞單向2車道。其中：暗挖隧道變寬段建筑限界寬14.75～18.7 m，高5 m，最大開挖跨度為22.5 m，最大開挖斷面面積為266.2 m2，暗挖隧道開挖順序為由大到小。該段隧道支護結(jié)構(gòu)采用三層復合式襯砌結(jié)構(gòu)：初期支護由型鋼拱架噴射混凝土及錨桿組成，二次襯砌采用格柵拱架噴射混凝土結(jié)構(gòu)，三次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。隧道兩車道建筑限界寬10 m、高5 m。該雙連拱隧道段開挖跨度由25.1 m漸變至28 m，長度26.5 m，后接小凈距隧道段、空間立體交叉段及下穿防空洞段。該段隧道支護結(jié)構(gòu)采用復合式襯砌方案。初期支護由型鋼拱架噴射混凝土及錨桿組成，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。隧道中隔墻設計采用復合式曲中墻，中隔墻厚度由2 m漸變至4.9 m（含兩層二襯厚度，每層0.55 m）。

圖2 隧道工程主體平面圖

3 結(jié)構(gòu)設計及施工

3.1 明挖基坑部分

該工程中隧道在白云雁水山體附近形成分岔，該處斷面最大寬度達到30 m。該種斷面屬于超大斷面地下結(jié)構(gòu)，設計難度大、風險高。利用白云雁水處埋深較淺的特點，將分岔點即超大斷面設置在此處，配合基坑及箱涵結(jié)構(gòu)，將超大斷面隧道變暗挖為明做，以降低施工難度。具體思路是：兩條主線分岔位置設置在白云雁水泄洪道范圍內(nèi)，設置兩個超大基坑，基坑長74 m，寬31 m，最大開挖深度34 m，最小開挖深度21 m，在基坑向兩個方向施工暗挖隧道。圖3為基坑平面布置圖，圖4為基坑剖面圖。

圖3 基坑平面布置圖

圖4 基坑剖面圖

基坑采用放坡開挖，輔以噴錨復合土釘墻支護，從現(xiàn)狀地面向下分5次開挖，每層開挖5 m直至基坑底，每開挖一級在坡面進行32全長黏結(jié)型錨桿以及3×7S15.2錨索的施工。錨桿布置的原則為豎、橫向間距1.2 m，錨索布設原則為豎、橫向間距4.8 m和3.6 m。每步開挖須待上一級開挖坡面土釘墻與錨索施工完畢后方能繼續(xù)，基坑施工完畢后南北兩側(cè)坡面分別進行隧道開挖施工?；娱_挖現(xiàn)場施工實景見圖5。

圖5 基坑開挖現(xiàn)場施工實景圖

3.2 大跨度箱涵部分

箱涵采用C45鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，為減少箱涵上覆土荷載，采用了上下雙箱結(jié)構(gòu)。東線箱涵頂板厚度1.6 m，中隔板厚度1.2 m，側(cè)墻厚度2.2 m，底板厚度1.6 m，封堵墻厚度1.5 m；西線箱涵頂板厚度1.3 m，中隔板厚度1.0 m，側(cè)墻厚度2.2 m，底板厚度1.6 m，封堵墻厚度1.5 m。大跨度箱涵如圖6所示。

圖6 大跨度箱涵實景圖

3.3 超大跨度暗挖隧道

根據(jù)分岔處大斷面尺寸，暗挖隧道最大開挖寬度為22.5 m，開挖高度為15.2 m，最大開挖斷面面積為266.2 m2?？紤]到大型機械設備施工，同時結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，加快施工進度，最終基于實際圍巖條件，隧道開挖采用雙側(cè)壁+臨時橫撐法。施工工序如圖7所示，圖8為施工現(xiàn)場。

圖7 雙側(cè)壁+臨時橫撐法

圖8 超大斷面雙側(cè)壁法施工

結(jié)合實際地質(zhì)條件，經(jīng)過結(jié)構(gòu)二維、三維數(shù)值模擬計算分析，為了保證超大斷面市政隧道在施工過程中的穩(wěn)定性，設計中擬采用雙層初期支護型式。為了經(jīng)濟、安全，需要考慮承載力、施工工藝等因素，并對初期支護的厚度和型式等進行研究。初期支護拱架定為I25b工字鋼，二次襯砌為格柵拱架結(jié)合噴射C30混凝土，三次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。超大斷面市政隧道工程建設中，要保證分步開挖、支護等施工過程中，以及施作二襯前、拆除初期支護后大斷面隧洞的整體穩(wěn)定性。隧道采用雙側(cè)壁+臨時橫撐法施工開挖過程中，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)控量測，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形均在規(guī)范容許范圍。圖9為該段完工實景圖。

圖9 暗挖大斷面隧道

3.4 連拱隧道部分

該連拱隧道采用復合式曲中墻支護方案。初期支護由型鋼拱架噴射混凝土及錨桿組成，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中隔墻厚度由2 m漸變至4.9 m（含兩層二襯厚度，每層0.55 m）。

連拱隧道段施工采用中導洞+兩側(cè)臺階法開挖。為減小左右洞施工過程對中隔墻的影響，采取了墻側(cè)面回填和臨時木支撐的輔助措施。施工工法如圖10所示。施工過程：第1步開挖中導洞一次性貫通（中導洞、左右洞每循環(huán)開挖進尺均為2 m）；第2步澆筑中隔墻，混凝土達到強度后施作中隔墻后行洞一側(cè)臨時木支撐；第3步開挖先行洞上臺階，同時回填中隔墻先行洞這一側(cè)；第4步開挖后行洞上臺階；第5步開挖先行洞下臺階；第6步開挖后行洞下臺階至連拱隧道貫通。

圖10 雙連拱隧道施工工序

從施工過程來看，連拱隧道復合式曲中墻結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定及防水性能方面都得到了滿足。圖11、圖12為完工后的工程照片。

圖11 雙連拱隧道施工實景

圖12 連拱隧道與箱涵相接處

3.5 隧道空間立體交叉部分

第一處交叉位于主線隧道東線下穿支線隧道北線。兩隧道均為新建，設計時采用先施工下方隧道（主線東線），當進尺不小于30 m且支護全部完成后（見圖13）再施工上方隧道（支線北線），上下隧道均將圍巖降級加強支護設計，均采用帶仰拱斷面型式。支線北線隧道施工時亦應采取短進尺、微爆破控制技術(shù)，并加強監(jiān)控量測。目前，該空間交叉段施工已順利完成，上方隧道施工過程對下方隧道影響較小。

3.6 理論分析與實踐

根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、開挖跨度及地應力場水平等影響因素選取計算范圍。該雙連拱隧道最大開挖跨度為22.5 m，開挖高度14.7 m。有限元模型計算范圍在水平方向邊界距建筑外邊線80 m，豎直方向下邊界取距建筑外邊線50 m，上邊界取至地表（隧道頂板覆土17 m）。超大跨度隧道三維計算模型如圖14所示，隧道位移計算結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖13 主線東線和支線北線空間立體關系圖

圖14 雙側(cè)壁法計算模型

圖15 隧道圍巖豎向位移云圖

圖16 隧道圍巖水平向位移云圖

結(jié)合實際地質(zhì)條件，經(jīng)過結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬計算分析，為了保證超大斷面隧道在施工過程中的穩(wěn)定性，設計中擬采用雙層初期支護型式。為了經(jīng)濟、安全，需要考慮承載力、施工工藝等并對初期支護的厚度和型式等進行研究。經(jīng)過反復優(yōu)化對比，最終將初期支護拱架定為I25b工字鋼，二次襯砌為格柵拱架結(jié)合噴射C30混凝土，三次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

大跨度隧道段EK1+799斷面圍巖位移監(jiān)測結(jié)果如圖17、圖18所示。將位移監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對比可以看出，數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場實際監(jiān)測值較接近，大跨度隧道段施工期間拱頂沉降控制在4～6 mm以內(nèi)，邊墻收斂控制在8～11 mm以內(nèi)。

圖17 大斷面隧道拱頂沉降曲線

圖18 大斷面隧道邊墻收斂曲線

超大斷面隧道不但需要保證分步開挖及支護過程中圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還需保證拆除初期支護后、施作三次襯砌前斷面及隧道運營期間結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。從對暗挖超大斷面隧道開挖全過程的現(xiàn)場監(jiān)控量測情況來看，隧道采用雙側(cè)壁+臨時橫撐法施工開挖，采用三層支護結(jié)構(gòu)的方案，滿足了隧道施工期間及后期運營中的安全穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語

地下立交作為一個系統(tǒng)工程，設計中應充分考慮結(jié)構(gòu)安全性、施工可行性以及運營期間的有效性，以確保地下立交的結(jié)構(gòu)安全和運營安全。

（1）地下立交一般緊鄰特大橋梁，洞口地形條件差，施工場地狹小。

（2）地下立交的設置需考慮的因素較多，通常難以實現(xiàn)真正意義上的全互通立交，但可以解決主要的交通問題，克服地面立交難以克服的展線、拆遷、征地等難點。

（3）隧道地下立交工程結(jié)構(gòu)復雜，工程風險大，建設費用高，但在成熟的城市環(huán)境中，在不破壞既有地面規(guī)劃的條件下，地下立交工程很大程度上解決了城市局部交通擁堵問題，因此，隨著地下立交建設技術(shù)的成熟，將為城市發(fā)展提供新的思路。

[1]胡學兵.地下立交設計施工關鍵技術(shù)研究[J].公路隧道，2012，77（3）：1-5.

[2]畢強，吳金剛.大跨度分岔式隧道結(jié)構(gòu)設計關鍵技術(shù)研究[J].隧道建設，2011，31（6）：668-677.

[3]李術(shù)才,王漢鵬.分叉隧道穩(wěn)定性分析及施工優(yōu)化研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（3）：447-456.

[4]JTG D70-2004，公路隧道設計規(guī)范[S].

成貴鐵路大方隧道順利貫通

成貴鐵路全線6個一級管理風險隧道之一的7 130 m大方隧道近日順利貫通。該隧道位于成貴鐵路大方至黔西區(qū)間，設計為雙線，地質(zhì)復雜，施工過程穿越巖溶、斷層破碎帶及礦窯礦碴多種不良地質(zhì)帶，時常遭遇大型溶洞、涌水、突泥的風險。特別是隧道進口段3 030 m和平行導洞2 025 m，下穿杭瑞高速和大片居民區(qū)，安全風險大，施工難度高，沉降變形要求嚴，80 m長管棚導向控制精度高，是成貴鐵路重難點控制工程之一，施工備受各方關注。

U45

B

1009-7716（2017）10-0001-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.001

2017-05-23

許艷林（1977-），男，吉林伊通人，高級工程師，碩士，總工程師，主要從事橋梁與隧道工程設計和研究工作。