復雜條件下城市過河隧道結構方案研究

鄒 濤

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市200030）

0 引言

城市地面土地資源的緊缺促進了城市空間向地下發(fā)展，地下交通系統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)建設環(huán)境復雜，對隧道工程結構方案、施工工法都提出了更高的要求[2]。

本文以上海市某過蘇州河隧道為例，詳細介紹了在充分利用地下空間、發(fā)揮道路交通功能、保護周邊環(huán)境的要求下，對于城市過河隧道不同結構方案的比選過程。

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車道，主線設計車速40 km/h。

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

蘇州河深層排水調蓄管道工程（以下簡稱深隧）包括一級調蓄管道、綜合設施和二三級管道等。深隧主線盾構段北起工作井，與隧道結構平面斜交，隧道于深隧主線上層布置；二三級管道平面基本與隧道平行，采用盾構施工。

隧道與深隧主線及二三級管道位置關系圖見圖1。

本工程方案的研究重點在于過蘇州河的實施工法，應結合沿線用地和實際情況進行多方案比選，根據方案的合理性和可行性，確定功能最優(yōu)、規(guī)模合理、交通適應性強、可實施性強、對周邊環(huán)境影響最小的方案。

2 設計方案比選

過河隧道的主要修建方法有圍堤明挖法、鉆爆法、盾構法、沉管法和TBM全斷面掘進機法[3]。本工程蘇州河寬度60 m，根據工程規(guī)模、地質條件，明挖方案比較了平鋪、疊層結構方案；暗挖方案比較了沉管及矩形、圓盾構方案。

2.1 比選原則

（1）過河節(jié)點應考慮蘇州河河床底標高，滿足河底最小覆土要求。

（2）蘇州河以東道路兩側局部居民小區(qū)圍墻間距僅24 m，隧道建設空間有限。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、二三級管道等市政設施，需處理好與市政工程的關系，做好預留。

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

2.2 明挖方案

2.2.1 平鋪方案

針對出入口平行、前后依次接地2種設置方式，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，與二三級管道最小凈距1.1 m。平鋪方案隧道平面圖、結構橫斷面圖見圖2、圖3。東端敞開段距南側小區(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 平鋪方案隧道結構橫斷面圖（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。上層車行方向為自西向東，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，與二三級管道最小凈距4.6 m。疊層方案隧道平面圖、結構橫斷面圖見圖4、圖5。東端敞開段與南、北側小區(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 疊層方案隧道結構橫斷面圖（單位：mm）

疊層方案用地集約，隧道距兩側建筑遠，沿線小區(qū)圍墻無須拆遷，能釋放更大空間用以敷設二三級管道和管線。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，過河段采用沉管法。沉管段長約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，但均存在以下問題：（1）干塢施工在深隧主線上大量卸土，存在上浮風險；（2）干塢圍護結構侵入西岸南北側地塊，距南側寫字樓近，需采取保護措施；（3）管節(jié)沉放期間影響蘇州河通航。

2.3.2 圓盾構方案

采用φ14.5 m圓盾構，盾構段長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，與二三級管道最小凈距2.5 m。圓盾構方案隧道平面圖、結構橫斷面圖見圖7、圖8。圓盾構埋深大，導致隧道規(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，卸載較大時存在上浮風險。

圖7 圓盾構方案隧道平面圖

圖8 圓盾構方案隧道結構橫斷面圖（單位：mm）

2.3.3 矩形盾構方案

（1）采用9.9 m×7.6 m矩形盾構，北線盾構段長293 m，南線盾構段長154 m，縱斷面最大縱坡7%，過河段河底最小覆土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，與二三級管道最小凈距1.6 m。矩形盾構方案隧道平面圖、結構橫斷面圖見圖9、圖10。隧道西岸南側工作井侵入地塊4.2 m，距離高層建筑3.4 m，與深隧盾構段水平距離2.1 m，工作井施工難度大，必須先于深隧實施。

圖9 矩形盾構方案隧道平面圖

圖10 矩形盾構方案隧道結構橫斷面圖（單位：mm）

（2）采用11 m×13.25 m雙層矩形盾構，盾構段長293 m，縱斷面最大縱坡6.5%，過河段河底最小覆土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，與二三級管道最小凈距4.9 m。雙層矩形盾構方案隧道平面布置與圓盾構方案隧道平面布置基本一致。雙層矩形盾構方案結構橫斷面圖見圖11。雙層矩形盾構缺點同圓盾構方案，隧道埋深大，深隧主線卸載較大時存在上浮風險。

圖11 雙層矩形盾構方案隧道結構橫斷面圖（單位：mm）

2.4 推薦方案

綜合考慮工程造價、交通功能、周邊環(huán)境影響、相關工程條件、施工工藝，針對云嶺西路過蘇州河的建設條件，最終推薦選用明挖疊層方案。各方案對比見表1。

表1 方案比選

3 基坑支護方案設計及環(huán)境保護

3.1 過蘇州河方案

蘇州河節(jié)點河道寬度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-導流的分幅明挖施工，圍堰采用鋼平臺+拉森鋼板樁，施工期間需拆除現狀兩岸防汛墻并重建。

本段基坑深度18.8～22 m，基坑安全等級為一級[4]。圍護采用厚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，以增大圍護結構剛度和穩(wěn)定性。

3.2 對蘇州河深層排水調蓄管道工程的影響

基坑開挖卸載對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挖對下臥隧道造成的變形影響[5]。按照工期計劃，深隧主線先于隧道施工，隧道先于二三級管道施工。隧道與深隧主線平面交角為31°，平面交叉長度約25 m。該段隧道基坑深度17 m，圍護采用厚0.8 m地連墻，共設置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，內徑10 m，管片厚度0.65 m，襯砌頂部內水壓假定為0.5 MPa。場地地層物理力學參數見表2。

表2 土層物理力學參數

采用Midas/GTS建立三維有限元計算模型（見圖12），分析基坑開挖對深隧襯砌結構變形的影響。土體采用3D實體單元進行應力變形分析，地連墻、深隧襯砌采用2D板單元，內支撐采用1D梁單元。根據基坑開挖過程，定義數值模擬施工步：（1）初始應力場分析；（2）修建深隧盾構段；（3）施工地連墻；（4）分5次開挖土層及施工內支撐。土體采用修正Mohr-Coulomb模型，深隧襯砌、地連墻、內支撐采用彈性模型。

圖12 計算模型

圖13給出了基坑開挖過程中深隧襯砌結構豎向、水平變形發(fā)展曲線（在深隧盾構完成后設置位移清零步）。由圖13可知，襯砌變形隨著開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。由于基坑內的開挖卸載，使深隧襯砌結構發(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 基坑開挖過程中深隧襯砌變形發(fā)展曲線

圖14為基坑開挖完成后深隧襯砌結構變形云圖。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約15 m襯砌拱腰處，并沿基坑中心線呈對稱分布。因此，在基坑開挖過程中應加強對深隧襯砌拱頂、拱腰部位的變形實時監(jiān)測,實現信息化施工。由于深隧使用期間會遇到多種工況（滿管、半管、空管），內水壓會發(fā)生相應變化，基坑開挖過程中，需控制深隧內水壓，以確保深隧安全。

4 結語

（1）本文對隧道的不同結構方案進行比選研究，重點對比了過蘇州河不同實施工法的優(yōu)缺點，認為明挖疊層結構方案功能最優(yōu)，規(guī)模、造價合理；采用兩階段圍堰-導流，分幅明挖施工可實施性強，對周邊環(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+內支撐體系。對基坑開挖全過程進行的數值模擬結果表明，開挖卸載使深隧主線襯砌結構產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_挖過程中應加強對深隧襯砌拱頂、拱腰處的變形監(jiān)測,實現基坑信息化施工，以確保深隧安全。