《武汉工程大学学报》 2011年05期
41-45,49
出版日期：2011-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
城市复杂地质与环境条件下小净距隧道设计
0引言日本科研工作者从70年代开始在小净距隧道的数值模拟、模型试验、结构相互影响评价、爆破振动控制等方面做了一些研究［1］.在我国，小净距隧道尚为新型隧道结构型式，并近年来在铁路隧道、公路隧道和城市地铁隧道中大量采用，但是类似厦门环岛干道会展中心隧道工程，即受多处大型地下结构与地面建筑严重影响、在地质条件极为复杂的海岸滩涂挖填地区修建长距离小净距隧道的工程实例，可供结构设计与施工直接参考的文献极少.本文以厦门环岛干道会展中心隧道工程为背景，探讨城市复杂地质与环境条件下小净距隧道设计相关问题.1工程概况厦门环岛干道会展中心隧道工程为双向四车道城市Ⅱ级主干路，设计车速50 km/h，隧道净宽10 m，净高5 m.路线起点位于原环岛干道里程桩号K8+750位置，终点接环湖里大道南段，工程位置(AK10+984.544)，路线全长2 234.544 m，其中隧道长1 195 m(单洞长)、U型槽引道长560 m、接线长479.544 m.本项目的建设对于完善厦门市本岛的路网结构、形成便捷通畅的路网系统，对厦门岛内东部及市中心的交通联系具有十分重要的作用；对促进本岛东部、南部开发战略的全面实施，具有十分重大的意义.1.1地形地貌、地质构造与岩土层分布 隧道场地沿线为近岸滩涂地貌，后经人工填土整平形成道路及绿化用地，场地地势开阔，地面较平坦.会展南二路东侧沿线均为高层建筑.会展北路以北沿隧道方向，为新填路基土.据钻孔测量资料，场地沿线孔口标高5.21～12.79 m，南高北低，高差7.58 m. 根据文献［2］资料，拟建场地北面1 km有虎仔山断裂带，该断裂带位于厦门岛东部虎仔山一带，发育于燕山晚期花岗岩中；场地西北面1.5 km发育黄厝～龙山断裂.近年来的研究表明，这些断裂带已趋稳定状态，拟建场地及周围地区没有发现断裂通过，属构造稳定地块. 经钻探揭露，拟建场地内岩土层自上而下依次分别为：素填土(Ｑml4)、淤泥(Ｑm4)、中砂(Ｑal+pl4)、粉质粘土(Ｑal+pl4)、粗砂(Ｑal+pl4)、残积砂质粘性土(Ｑel)、全风化花岗岩(γ)、强风化花岗岩(γ)、中风化花岗岩(γ).1.2水文地质条件 拟建场地地下水类型主要为孔隙、裂隙潜水，主要赋存和运移于中砂、粗砂孔隙中，其次孔隙潜水赋存和运移于素填土孔隙中；基岩裂隙水主要赋存于风化岩体的裂隙中，场地地下水主要靠大气降雨渗入补给及邻区地下水的侧向补给.拟建场地各岩、土层渗透系数k的试验值提供如下：素填土k=1.65×10-3 cm/s，淤泥k=9.33×10-7 cm/s、粉质粘土k=2.3×10-5 cm/s，中砂k=1.5×10-2 cm/s、粗砂k=4.5×10-2 cm/s、残积砂质粘性土k=5.6×10-5 cm/s，基岩风化带k=7.5×10-4 cm/s.沿线地下水稳定水位埋深为1.12～6.10 m(标高3.11～4.13 m，高程为85国家高程基准)，场地地下水位随季节性变化不大，其年变幅约100 m左右.地下水对砼结构具弱腐蚀性；对砼结构中的钢筋：长期浸水部分无腐蚀性，干湿交替带具弱腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀性.第5期何小龙，等：城市复杂地质与环境条件下小净距隧道设计
武汉工程大学学报第33卷
1.3隧道设计概况隧道左右线南、北端洞口都采用分离式拱形明洞结构，以左线隧道为例，AK8+930～AK9+225为北侧隧道引道，AK9+225～AK9+425为拱形明洞，AK9+225～AK10+200为小净距隧道，AK10+200～AK10+260为连拱隧道，AK10+260～AK10+420为拱形明洞，AK10+420～AK10+685为南侧隧道引道. 隧道洞身主要穿越性质差异极大的各类杂填土、粘土、砂层、砂砾层、全风化或强风化花岗岩，围岩级别属于Ⅴ级及以下的特殊围岩，有很多区段隧道洞身处于软硬交错的土岩交互地层，地下水位线仅处于地表下1.12～6.10 m，与海水有连通性，且主体隧道为浅埋条件下的暗挖双洞小净距隧道和连拱隧道. 隧道结构设计按浅埋暗挖法设计，采用复合式衬砌［3］.初期支护由喷射混凝土、钢拱架及钢筋网组成，并辅以锚杆、小导管和管棚等辅助加固措施，充分调动和发挥围岩的自承能力，在监控量测信息的指导下施作二次衬砌.小净距隧道Ⅴ级围岩标准断面如图1所示，为曲边墙拱形断面，隧道开挖轮廓宽12.02 m，高9.86 m，初期支护厚28 cm，二次衬砌45 cm.图1Ⅴ级围岩隧道标准断面(单位：cm)
Fig. 1Standard crosssection of tunnel in V class wallrock小净距隧道修建的成败关键是如何保证中夹岩层的稳定,有效的减少爆破对中夹岩的扰动,并采取一定的加固措施是可以保证其稳定和支护结构的安全的［4］.本隧道工程设计与施工的难点在于：a.下穿排洪箱涵时小净距隧道设计与施工；b.临近新景海韵园高层建筑物时连拱隧道设计与施工；c.穿越富水粘性土、砂层、强风化花岗岩等地层时浅埋小净距隧道设计与施工；d.穿越富水粘性土、砂层、强风化花岗岩等地层时浅埋连拱隧道设计与施工.同时，在小净距隧道的施工过程中还应坚持采用动态的设计方案；采用符合实际围岩级别的施工方式；做到及时支护，采用合理的支护方法；要做到勤量测,及时反馈现场情况以便有针对性地做出合理、及时的调整［5］.2隧道总体设计研究2.1设计指导思想 本工程是一项综合性的大工程，满足交通功能要求、确保工程质量和安全，以人为本、以科技为依托、以可持续发展为基础、以建设节约型工程为原则是总体设计的指导思想.a.工程总体布置要符合城市总体规划，减少拆迁，布局紧凑，满足交通功能要求，方便运营管理和维修，并与周边环境协调一致；b.必须符合国家有关国土管理、环境保护、水土保持等法规要求，同时应注意节约用地，妥善处理弃渣和污水；c.根据隧道建设方案和地质条件，安全、合理确定隧道埋深以及左、右线隧道间距，确保隧道施工安全、保证隧道使用功能、节约投资；d.尽可能采用技术成熟、降低施工难度、加快施工进度的设计，合理组织施工及施工期间的交通组织；e.采用的新技术、新工艺和新材料，既要经济合理，安全可靠，又要适合本工程的建设特点.2.2平面设计隧道平面设计的控制因素有：a.隧道线位两侧主要控制建筑物有位于会展南路南侧的12～16层高新景海韵园、34层高的明发海景苑及会展路西侧5～12层的明发国际新城，其中新景海韵园与明发国际新城两建筑间垂直距离为58 m，隧道左洞与新景海韵园最小距离为9.3 m；b.隧道右洞尽量避开会展西路下既有2-5.0 m×2.0 m 钢筋混凝土排洪箱涵，同时与排洪箱涵斜交重叠的长度尽可能减小到最小；c.会展南二路污水处理厂附近私人用地征地困难.本隧道线位考虑以上3个控制因素，最终选定隧道左、右洞均在会展北路北侧进口，线位在会展北路与会展南路间向会展中心广场草地侧偏移，以避开莲前路至会展南路间会展西路下的排洪箱涵,在会展南路南侧出口，平面线形为大半径“S”型曲线方案.2.3纵断面设计纵断面设计的控制因素有：a.按设计标准考虑纵断面坡长及坡度；b.考虑规划道路交叉点的竖向高程；c.考虑会展西路的现状高程及路下排洪箱涵的涵底高程；d.考虑会展南五路下排洪箱涵的涵顶高程及污水处理厂尾水排放管高程；e.考虑隧道的净高、埋深及与排洪箱涵涵底的安全距离；f.考虑隧道引道开始下穿的位置及引道长度、洞口位置；g.考虑与起终点已设计道路纵坡的衔接. 综合考虑以上7个控制因素及相关设计规范［6］，隧道左线的纵断面设计为：隧道北侧洞口段采用-3.75％的纵坡，于AK9+405处改以-03％的纵坡，于AK10+175改以+4.5%的纵坡直至隧道出口；隧道右线的纵断面设计为：隧道北侧洞口段采用-3.75％的纵坡，于BK9+405处改以-0.307％的纵坡，于BK10+175改以+4.5%的纵坡直至隧道出口.3下穿排洪箱涵的小净距隧道设计
与施工隧道在AK9+225～AK9+425为分离式拱形明洞，左右线中线的距离从12.63 m变为20.2 m，隧道在AK9+425～AK10+200为小净距隧道. 隧道在AK9+450会展北路下方近似正交下穿1—4.0 m×1.5 m钢筋混凝土排洪箱涵，如图2所示，隧道开挖轮廓距排洪箱涵底部仅为0.76 m，如图3所示.图2隧道与排洪箱涵的平面关系（单位：cm）
Fig. 2Plane relation between tunnel
and drainage box culvert隧道下穿排洪箱涵的施工方法从初步设计的交叉中隔墙法也称CRD工法优化为中洞法［7］，由于排洪箱涵(与海水具有连通性)的重要性，选用中洞法比CRD工法更能有效地控制地层位移，但是中洞法比CRD工法造价更高.隧道初期支护采用含聚丙烯纤维的网喷C25混凝土(双层钢筋网)，厚30 cm，全环钢拱架采用20b工字钢，间距0.75 m.二次衬砌为模筑防水耐腐蚀钢筋混凝土，厚度为50 cm.中洞法的施工分块见图3，施工工序如下：先开挖中导坑上半断面①，施作拱部初期支护、侧壁及仰拱临时支护；再开挖中洞下台阶②，施作仰拱初支及侧壁临时支护；其次开挖左右侧上导坑③，施作初期支护及临时仰拱；最后开挖左右侧下导坑④，施作边墙及仰拱的初期支护.为确保隧道施工安全，并保证隧道进洞和下穿排洪箱涵的施工安全，设计采用长管棚对洞口地段和下穿排洪箱涵段(AK9+425～AK9+465)进行洞外长管棚超前预加固，设计108钢管棚间距为40 cm，共43根.为了发挥加固圈的力学效应，保证注浆加固岩土质量，在管棚内增加钢筋笼
图3隧道与排洪箱涵的关系剖面(单位：cm)
Fig. 3Profile showing the relation between tunnel and drainage box culvert以增加管棚的刚度，在管棚之间采用长3 m的42小导管超前注浆补充加固，小导管加固的搭接长度不少于0.95 m. 隧道在AK10+173会展南路下方斜交下穿2-5.0 m×2.0 m钢筋混凝土排洪箱涵，同时隧道与排洪箱涵有较长的斜交重叠，如图4所示，隧道开挖轮廓距排洪箱涵底部净距为0.946 m，如图5所示.在隧道初步设计阶段中隧道穿越此排洪箱涵时采用CRD工法，数值计算预测采用CRD工法排洪箱涵的不均匀沉降(或位移)达到了21 mm；为了更好控制排洪箱涵的不均匀沉降，在隧道施工图设计阶段，决定采用控制地层位移更好的中洞法.图4隧道与排洪箱涵的平面关系
Fig. 4Plane relation between tunnel and drainage box culvert
图5隧道与排洪箱涵的关系剖面(单位：cm)
Fig. 5Profile showing the relation between tunnel and drainage box culvert排洪箱涵在隧道路线方向的正投影往外15 m范围内为隧道下穿排洪箱涵影响范围.因此，在左线里程AK10+153.82～AK10+193.82和右线里程BK10+130～BK10+170地段分别进行洞内长管棚超前预加固，加固方案如图6所示，管棚长40 m，右洞两排管棚之间的搭接长度为10 m，在管棚内增加钢筋笼以增加管棚的刚度.小导管采用钢管42，长3 m，小导管之间的间距为40 cm，外插角为10°左右.由于地下水位埋深较浅，因此，隧道设计与施工中必须拥有足够的防排水措施，隧道穿越排洪箱涵时采用掌子面全断面注浆和洞内排水相结合的工程措施，并根据明挖段地下水出露状况和进洞施工超前探测成果进行调整.图6洞内管棚注浆加固方案(单位：cm)
Fig. 6Grouting reinforcement scheme using shedpipe inside the tunnel为了控制由隧道施工引起排洪箱涵的不均匀沉降量，设计对排洪渠箱涵进行了重点监控量测并设计了一套备用的地表注浆加固方案.备用加固方案是在以上围岩预加固方案和开挖方案仍不能保证隧道施工安全和排洪箱涵的正常使用时根据前期施工经验总结并经专家论证后采用.4结语根据浅埋暗挖法的施工原理并经计算分析论证制定如下工程措施：a.长管棚超前注浆支护，并在长管棚间采用作小导管超前注浆支护，以保证加固圈发挥效应；b.为最大限度控制地层沉降，根据类似工程经验，采用“中洞法”工法开挖施工，使大断面隧道施工分割为较小断面的施工；c.开挖后立即初喷混凝土、架设钢支撑封闭成环并用纵向钢筋将钢支撑连成整体；d.初期支护背后回填注浆，以减少沉降变形；e.加强二次衬砌背后回填注浆工作，以减少沉降变形；f.加强监控量测工作，把施工过程中的动态变化始终纳入可控的管理体系之中，以便随时采取补救措施，建立健全监控量测预警制度，确保既有排洪箱涵不均匀沉降总值控制在19 mm以内.