隧道围护结构设计研究

1概述

随着我国城市化进程的加快，原有公路两侧集聚了大量的城镇，城镇内部交通对公路通行的影响日益突出。公路提档升级需要另辟新线，但规划完成的城市地块经常没有路线走廊，需要沿着城市选线。一些城市临河或临水而建，大堤线位是比较好的路线方案，但采用大堤线位的路基方案穿越势必会对城市与水体造成割裂，景观效果也很差。针对以上工程现状，提出采用隧道与大堤共建的工程方案。隧道与大堤共建国内外可借鉴的经验很少，其受力机理、施工运营风险比较突出。本文对背景工程的围护结构设计、施工、运营工况进行分析探讨。

2依托项目背景

隧道采用六车道一级公路标准，设计年限100年。隧道全长2305m，根据结构形式不同，分为北侧敞开段、北侧光过渡段、明挖暗埋段、南侧光过渡段、南侧敞开段五个部分。隧道采用两孔(行车孔)一廊(管线廊)断面构造。

3围护结构总体设计

3．1隧道基坑围护。据周围环境条件、开挖深度、支护结构功能等确定基坑工程等级，根据不同工程段的设计要求，分段采用合理的支护体系。我国常用的基坑围护结构型式有土钉墙、钻孔桩(或咬合桩)、地下连续墙、搅拌桩、SMW等多种结构形式。本工程区内分布有多条环形的港汊，地基土浅，局部为新近淤积的淤泥，分布广，厚度变化大，含水率高，孔隙比大土的物理力学性质差，强度低，属高压缩性土层，根据勘探情况分析，淤泥层厚度变化大，工程地质条件较差;淤泥土下部除局部分布的粘土性质较差外，均为性质较好的含粘性土角砾、粘土等。由于隧道基坑最低点开挖深度将近5m，而两侧围堰距离较近，土层地质条件较差，不具备全线放坡开挖的条件，施工过程中需进行基坑支护。在各种围护结构型式中，SMW工法具有工艺简单、成桩速度快、工期短，投资省的优点;对周围环境影响小、环保节能，且其适用地层范围较广，有较好的隔水性。本工程明挖段所处场地为滩涂，地势空旷，无重要构筑物与地下管线。通过多方案比选确定采用的围护结构如下:以－0．8为场地整平标高，当基坑深度在2m以内较浅的部分，采用放坡开挖型式。2m～3m的采用重力式挡墙，深度超过3m的则采用SMW工法桩(850桩径)和钢支撑。3．2大堤围堰。为了确保隧道施工期间，尤其是隧道基坑开挖期间，免受水淹风险，同时也可以为地基处理和填筑施工提供良好的施工环境，需要在隧道两侧各设置施工期围堰一道对水进行封堵。综合考虑项目建设场地的地形地质、水利条件，各围堰方案的占地、工期和造价情况，拟定了重力式围堰方案和混凝土板桩围堰结合永久堤方案。3．2．1重力式围堰方案。按照因地制宜、就地取材并兼顾施工因素的原则，重力式围堰采用抛石堤身+防渗土工膜防水。抛石围堰方案分两期施工，一期施工内外临时围堰，为隧道施工创造干作业施工区，二期加高并改造外堰，形成永久堤(见图1)。隧道基坑外左右各5m修筑内堰:先进行淤泥固化，形成良好的围堰地基，待固化度达到要求后，淤泥土上方铺设土工布和200mm的碎石，随后进行抛石填筑，两侧的坡度是1∶1．5。隧道主体结构完成后，由于大开挖施工的地下隧道不可避免地需设置沉降变形缝或后浇带，为避免变形缝处出现渗漏水，在隧道箱体外填筑水泥土至块石挡墙边缘，水泥土与抛石用袋装土分隔，中间设垂直防渗土工膜至淤泥顶面，折成L形铺至搅拌桩防渗墙顶。3．2．2板桩围堰结合永久堤方案。板桩围堰方案在隧道内外侧分别设置U型桩基坝体，外侧堤坝迎水面按永久堤设计，堤顶标高6．6m;内侧堤坝为施工临时围护结构，堤顶标高6．6m，堤底标高－1．3m。内外侧坝体之间为隧道开挖施工面(见图2)。外侧坝体采用两排的预应力混凝土U型桩基。U型桩为工厂预制，运抵现场后采用锤击或者振动沉桩。U型桩顶设置100cm×100cm的帽梁，每5m设置一道80cm×100cm的横系梁。坝体内外侧间填筑袋装黏土，增加坝体的隔水性能。外侧坝体迎水面下部采用厚40cmC20细石混凝土灌砌块石护面，坡度1∶3。内侧坝体顶宽7m，结构型式与外侧坝体一致。坝体反压采用抛石回填，坡度为1∶1．5，并在标高2．0m位置设宽2m的平台。内外侧坝体和隧道结构基础为淤泥质土，需对淤泥质土进行固化处理。固化采用直径800mm水泥搅拌桩，间距1．5m梅花形布置。淤泥固化总宽87m。重力式围堰结构明确，受力清晰，施工方便展开工作面。因此设计推荐重力式围堰结构形式(见表1)。

4施工过程模拟采用地层—结构法对堤隧结合

隧道各施工阶段的位移场、围堰边坡和大堤稳定性进行模拟计算分析。模拟围岩受力状态采用基于摩尔库仑强度准则的弹塑性模型，边坡稳定的强度折减法。本文模拟埋深最大断面施工过程，施工顺序见图3。4．1沉降位移场。当两道围堰对称填筑完成后，堤顶的沉降在6．5cm左右;吹填施工后，外侧堤顶的沉降约5．5cm，内侧堤顶的沉降约8．6cm。开挖后坑底隆起约4．0cm，坑顶面隆起约1．4cm，坑底抗隆起安全系数满足要求(见图4)。隧道主体结构浇筑完毕并回填后，隧道底板沉降量约4．6cm，隧顶地面沉降约5．0cm，外侧堤顶沉降约7．2cm，内侧堤顶沉降约9．6cm，即隧顶地面与两侧堤顶地面将有2．2cm～2．4cm左右的差异沉降，堤顶宽度为476cm，局部两点间的最大倾度小于1%，不会导致裂缝产生，而且通过延后施工堤顶路面等措施可以有效防止大堤路面结构的损害(见图5)。4．2水平位移场。当两道围堰对称填筑完成后，坡脚的水平位移在0．7cm～1．0cm左右，方向分别为各自的坡向;吹填施工后，整体位移场向左侧(临水侧)，外侧围堰坡脚的水平位移约3．0cm，内侧围堰坡脚的水平位移约3．9cm。基坑开挖后外侧围堰坡脚的水平位移约4．1cm，内侧围堰坡脚的水平位移约2．0cm(见图6)。隧道主体结构浇筑完毕并回填后，隧道及堤顶的水平位移在1．7cm～2．2cm，方向为向左侧(临水侧)，满足抗滑稳定性要求(见图7)。

5运营期间变形及稳定性分析

根据GB50286—2013大堤工程设计规范，大堤边坡稳定采用瑞典圆弧法，运行工况下，最小安全系数Kmin按正常运行条件考虑控制在1．20以上(见表2)。本工程滩涂面高程变化和地基土层变化情况选取典型断面后，采用边坡计算分析软件进行边坡稳定计算(见表3)。边坡临水侧边坡稳定系数2．42，岸侧边坡稳定系数9．74，均能满足要求。6结语本项目为典型堤隧结合隧道，通过对该类型隧道围护结构总体设计的叙述，提出了堤隧结构的设计要点。

根据选择围护结构，进行了施工阶段联合计算，分析了其竖向及水平向位移和稳定，探讨了大堤与隧道共同作用机理。本文还模拟分析了大堤与隧道运营期间的变形及稳定分析，对类似的工程建设提供了参考。

参考文献:

［1］王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［M］．北京:人民交通出版社，2015．

［2］熊勇．复杂条件下城市隧道工程设计［J］．城市道桥与防洪，2019(8):49-51．

［3］王生林．明挖隧道支护设计方案优化［J］．交通世界，2019(17):33-34．

［4］张顶立，李鹏飞，侯艳娟，等．城市隧道开挖对地表建筑群的影响分析及其对策［J］．岩土工程学报，2014(15):1-5．

作者:夏至 单位:江苏中设集团股份有限公司