南大干線漢溪大道地下立交隧道的設(shè)計與分析

黃文非

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

南大干線是廣州番禺區(qū)重要的東西走向骨架道路，其中在南大干線與漢溪大道交叉處設(shè)置東往南左轉(zhuǎn)隧道A，南往西左轉(zhuǎn)隧道B。A、B隧道正下方存在一條500kV穗西電力隧道（南大干線共建段）與廣州地鐵7號線員崗站~南村萬博站區(qū)間隧道（原官堂站~鶴莊站區(qū)間隧道），空間位置關(guān)系如圖1所示。其中電力隧道（南大干線共建段）路線全長12.84km，電力隧道結(jié)構(gòu)尺寸為1-2.6×3.46m，結(jié)構(gòu)頂?shù)装?、?cè)墻厚度均為0.4m。地鐵7號線員崗站~南村萬博站區(qū)間隧道全長1958.5m，隧道左右線中心線間距約14m，隧道外徑6m，隧道結(jié)構(gòu)底板埋深約15m~27m，全線采用盾構(gòu)法施工，主要埋置于強風化、中風化泥質(zhì)粉砂巖中。

圖1 漢溪大道立交隧道、電力隧道、地鐵7號線整體三維效果圖

2 立交隧道設(shè)計

2.1 立交隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

漢溪大道立交東往南左轉(zhuǎn)隧道A總長230m，其中閉口段長度為95m，共分4個節(jié)段，兩端開口段長度分別為80m和55m，共分為4節(jié)段，隧道最大縱坡為6.0%，豎曲線最大半徑為750m；漢溪大道立交隧道B總長350m，其中閉口段長度為180m，共分6個節(jié)段，兩端開口段長度分別為80m和90m，共分為5節(jié)段，隧道最大縱坡為5.8%，豎曲線最大半徑為750m[1-2]。

隧道開口段結(jié)構(gòu)寬B=t（隧道結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚）+0.35m（側(cè)石含裝飾層）+a（車行道）+0.35m（側(cè)石含裝飾層）+t（隧道結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚）。隧道開口段采用帶中央分隔帶的U型開口框架結(jié)構(gòu)，隧道前后兩段開口U型框架結(jié)構(gòu)隧道標準段凈寬7.7m，側(cè)墻寬度60cm，底板厚度隨墻高的增加從60cm增加到80cm。隧道開口段標準節(jié)段長為40m，節(jié)段間設(shè)置30mm變形縫。

隧道閉口段結(jié)構(gòu)寬B=0.8m（隧道結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚）＋0.35m（側(cè)石含裝飾層）＋a（車行道）＋0.35m（側(cè)石含裝飾層）＋0.8m（隧道結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚）。車行隧道閉口段采用鋼筋砼單箱雙室框架結(jié)構(gòu)，隧道閉口段隧道內(nèi)凈高為4.8m，其中隧道凈空界限尺寸為4.5m，照明、裝飾等預(yù)留尺寸為0.3m；側(cè)墻厚80cm，頂板厚80cm，底板厚100cm。底板下設(shè)20cm C15砼墊層。閉口段采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，防水砼強度等級C40，抗?jié)B等級為P8。

隧道立交平面交叉，結(jié)構(gòu)分兩層布置，隧道結(jié)構(gòu)底板埋深較深，且隧道底存在地鐵7號線，為保證地鐵結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)凈距大于6m，該次立交隧道結(jié)構(gòu)部分采用共板設(shè)計。

2.2 立交隧道基坑設(shè)計

根據(jù)基坑的規(guī)模和地質(zhì)水文情況，隧道基坑側(cè)壁安全等級及重要性系數(shù)劃分均為一級，重要性系數(shù)為1.1。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件及工程周邊構(gòu)筑物情況，合理選擇施工方法和支護結(jié)構(gòu)形式，確保隧道施工對周邊環(huán)境無危害或?qū)⒂绊憸p至最小，該次隧道主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，基坑設(shè)計使用年限為一年。

根據(jù)交通疏解及總體設(shè)計要求，隧道分兩個階段施工。第一階段施工南大干線兩側(cè)立交隧道，以保持既有南大干線主路暢通；第二階段待南大干線兩側(cè)隧道施工完成后，再施工南大干線下方隧道。

A線隧道基坑埋深為1.8m~7.6m，泵房處基坑深度為9.9m；B線隧道基坑埋深為2.0m~10.8m，泵房處基坑深度為12.7m。立交隧道均采用明挖法施工。

根據(jù)計算，當基坑深度H＜5m時，隧道基坑支護設(shè)計采用拉森Ⅳ型鋼板樁懸臂支護、拉森Ⅳ型鋼板樁+鋼管支撐支護、鉆孔灌注樁懸臂支護（地鐵影響范圍內(nèi)）。當基坑深度H≥5m時，隧道基坑支護設(shè)計采用鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土橫撐的支護方式。鉆孔灌注樁直徑1.2m，間距1.4m。鉆孔樁之間采用直徑0.8m雙管旋噴樁止水，旋噴樁與鉆孔灌注樁搭接為0.2m。鉆孔樁頂設(shè)置1.2m×1m冠梁。當基坑采用2道支撐時，在排樁內(nèi)側(cè)設(shè)一道腰梁，腰梁與冠梁的豎向間距為3m，在兩側(cè)冠梁、腰梁之間各設(shè)置一道鋼筋混凝土米字型橫撐，橫撐沿隧道縱向布置，標準間距為10m。直撐斷面尺寸為0.8m×0.8m，斜撐斷面尺寸為0.6m×0.6m。

由于A、B線隧道在局部地方結(jié)構(gòu)相距較近，考慮施工可行性與經(jīng)濟性，此區(qū)間范圍內(nèi)的基坑支護采用整體式基坑支護方案，即A、B線隧道共用一基坑。在區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)相距較遠時，隧道基坑支護采用分離式基坑支護方案，即A、B線隧道基坑分開支護施工。

為減少隧道施工過程中圍護結(jié)構(gòu)對運營地鐵的影響，該次隧道基坑設(shè)計需要保證鉆孔灌注樁樁底與地鐵結(jié)構(gòu)頂凈距大于5m，其橫斷面如圖2所示。鉆孔灌注樁須采用旋挖鉆施工，施工過程應(yīng)嚴格放樣、控制樁長和樁底標高，并采取針對性措施防止塌孔。

圖2 隧道交叉段結(jié)構(gòu)及基坑支護橫斷面示意圖

3 立交隧道、電力隧道、地鐵7號線的關(guān)系

隧道基坑支護主要采用拉森Ⅳ型鋼板樁懸臂支護、鉆孔灌注樁懸臂支護和鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土橫撐的支護方式。漢溪大道立交A、B線隧道開挖最大深度為10.8m。地鐵7號線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外邊線與其正上方的隧道A基坑圍護樁、基坑底部的最小豎向凈距分別為3.3m、12m，與隧道B基坑圍護樁、基坑底部之間的最小豎向凈距分別為3.7m、7.6m。平面位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 漢溪大道節(jié)點平面示意圖

500kV穗西電力隧道（南大干線共建段）鄰近漢溪大道立交A、B線隧道基坑的電力隧道基坑區(qū)段開挖最大深度為14.9m。電力隧道上跨地鐵7號線，地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線與其正上方的圍護樁、基坑底部之間的豎向凈距分別為5.2m、8.1m。

4 數(shù)字模擬分析

4.1 計算軟件及理論

該次分析采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件MIDAS GTS NX進行計算。MIDAS GTS NX的施工階段分析采用了累加模型，分析土體材料本構(gòu)模型取用修正莫爾－庫倫模型（ModifiedMohr-Coulomb）。地鐵襯砌結(jié)構(gòu)材料按線彈性考慮。

4.2 建模分析

根據(jù)地鐵（員崗站~南村萬博站區(qū)間）隧道結(jié)構(gòu)與漢溪大道立交A、B線隧道基坑和電力隧道基坑的空間關(guān)系以及基坑工程支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、基坑工程施工、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工特點，建立三維有限元計算模型。

地鐵盾構(gòu)隧道周邊地層的力學性質(zhì)對約束漢溪大道立交A、B線隧道建設(shè)過程地鐵盾構(gòu)隧道的受力和變形具有關(guān)鍵作用，為此，進行三維模擬分析計算時須充分考慮該工程的地層分布特點，并合理選取計算參數(shù)。模型中的地層主要根據(jù)下方地鐵區(qū)間隧道、地鐵相關(guān)結(jié)構(gòu)附近的工程地質(zhì)資料以及基坑靠近地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)附近的工程地質(zhì)資料進行了適當簡化，地層自上往下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、全風化泥質(zhì)粉砂巖、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂。三維有限元計算模型的邊界條件為模型底部Z方向位移約束、模型前后面Y方向約束、模型左右面X方向約束。

漢溪大道立交A、B線隧道建設(shè)對下方地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響的三維模擬動態(tài)施工主要流程見表1。方案采用結(jié)構(gòu)自重抗浮、抗拔樁與抗浮錨塊結(jié)合的方式。漢溪大道立交隧道開口段采用抗拔樁的方式，通過抗拔樁與結(jié)構(gòu)底板固結(jié)提高隧道抗浮能力，閉口段采用自重抗浮的方式。

表1 漢溪大道立交A、B線隧道建設(shè)的三維動態(tài)施工過程

地鐵結(jié)構(gòu)抗浮驗算：假設(shè)在極端條件下，浮力過大導致地鐵隧道上方漢溪大道立交隧道主體結(jié)構(gòu)及抗拔樁范圍內(nèi)土體懸空，隧道上方僅剩5.8m覆土，覆土主要為全風化泥質(zhì)粉砂巖（1.95g/cm3）。同時，根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013），對不考慮側(cè)摩阻力的結(jié)構(gòu)進行抗浮驗算時其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05。地鐵7號盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)管片自重155kN，覆土重為（19.5-9.8）×5.8×6=330.6kN，盾構(gòu)隧道頂部水壓力為9.8×18.8×6=1105.4kN，盾構(gòu)隧道底部水浮力為9.8×24.8×6=1458.2kN。漢溪大道立交A、B線隧道下方的地鐵盾構(gòu)隧道抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為（155+330.6+1105.4）÷1458.2=1.09＞1.05。因此，在極端條件下，既有地鐵隧道的抗浮驗算滿足要求。

5 結(jié)論

4.3 計算結(jié)果

漢溪大道立交A、B線隧道建設(shè)誘發(fā)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平、豎向位移量以及位移匯總圖如圖4所示。漢溪大道立交A、B線隧道建設(shè)對下方地鐵盾構(gòu)隧道影響的三維模擬分析結(jié)果表明：漢溪大道立交A、B線隧道建設(shè)誘發(fā)地鐵隧道的最大水平位移為0.7mm，最大隆起量為2.6mm，最大總位移為2.6mm[2-3]。

圖4 漢溪大道立交及電力隧道建設(shè)過程中的地鐵位移圖

鑒于漢溪大道立交A、B線隧道建設(shè)誘發(fā)下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)的位移量較小，地鐵隧道的受力處于較低水平，均小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》相關(guān)限值，因此可認為漢溪大道立交A、B線隧道的建設(shè)不危及下方地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和地鐵的運營安全[4]。

4.4 漢溪大道立交隧道抗浮設(shè)計及地鐵極端條件下的抗浮驗算

隧道抗?。核淼朗┕るA段采取降水措施，施工階段基本不存在抗浮問題，使用階段的自重抗浮設(shè)計根據(jù)實際可能出現(xiàn)的最高水位驗算。該工程隧道抗浮設(shè)計根據(jù)計算及地鐵保護

經(jīng)過分析，在滿足自身結(jié)構(gòu)安全的前提下，該次地下立交隧道設(shè)計和施工對地鐵結(jié)構(gòu)的安全影響較小，能夠滿足控制標準的要求，但隧道基坑開挖面積較大，深基坑施工過程應(yīng)遵循分區(qū)、分塊、分層、限時的原則，避免出現(xiàn)基坑大面積開挖、長時間暴露和基坑超挖現(xiàn)象。