城市隧道下穿既有建筑的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
——以十八梯城市隧道為例

劉源保，駱 成，魯 杰

（1.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司贛州管理中心，江西 贛州 341000；2.江西飛尚科技有限公司，江西 南昌 330052；3.中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024）

1 工程概況

城市中新建隧道穿越既有建筑的情況比較常見，風(fēng)險(xiǎn)也很大，對(duì)此工程界在淺埋暗挖隧道方面也已有充分的研究和實(shí)踐[1-2]。但處于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和周邊建筑環(huán)境中時(shí)，仍有大量的技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步總結(jié)和優(yōu)化。

十八梯片區(qū)道路工程位于重慶市渝中區(qū)，分為地上和地下道路。地下道路等級(jí)為車庫(kù)連接道，設(shè)計(jì)時(shí)速為15～20 km·h-1，AK0+184-AK0+328.058段為下穿建筑的暗挖段。該隧道具有以下特點(diǎn)：（1）拱頂距既有建筑的基礎(chǔ)底距離僅3.48 m，約0.33B，隧道圍巖等級(jí)為V級(jí)，屬較大影響區(qū)；（2）隧道底板下有4.5 m×3.2 m的新建電纜隧道，隧道開挖后需施工電纜隧道后才能封閉底板，導(dǎo)致隧道不能及時(shí)封閉成環(huán)，增加了隧道風(fēng)險(xiǎn)；（3）既有防空洞邊線距離十八梯隧道開挖邊線2.73 m，導(dǎo)致隧道邊墻處荷載的不對(duì)稱；（4）隧道洞身處于V級(jí)的泥巖，開挖跨度大于5 m，無(wú)自穩(wěn)能力。樁號(hào)AK0+240斷面布置如圖1所示。

圖1 斷面布置

針對(duì)隧道的上述特點(diǎn)，本文詳細(xì)分析隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和施工方案，及對(duì)既有建筑物沉降的影響。

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)與施工工藝

根據(jù)地質(zhì)條件、施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析，確定了十八梯下穿暗挖段隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

表1 十八梯下穿暗挖段隧道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

下穿暗挖段施工工序如下：

（1）開挖隧道主體；

（2）施作拱頂和側(cè)墻的初期支護(hù)；

（3）開挖電力隧道；

（4）電力隧道回填至隧道底板處；

（5）二襯施工。

施工過(guò)程遵循“預(yù)支護(hù)、預(yù)加固、早封閉”的原則。隧道設(shè)計(jì)與施工中要考慮既有建筑和緊鄰的防空洞的保護(hù)與影響，這構(gòu)成了本項(xiàng)目中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。

3 計(jì)算分析

為了有效分析施工中結(jié)構(gòu)受力、地層變形等，采用數(shù)值方法模擬計(jì)算了開挖施工過(guò)程[4]。主要分為以下3個(gè)步驟：

（1）施加自重荷載，模擬土層在既有建筑物重力荷載作用下應(yīng)力的重新分布；

（2）超前預(yù)支護(hù)預(yù)加固；

（3）隧道開挖支護(hù)后地表建筑物變形及隧道初支和二襯的受力特點(diǎn)。

計(jì)算主要包含3部分：（1）隧道開挖前初始應(yīng)力狀態(tài)；（2）預(yù)加固前既有建筑物的豎向位移；（3）二襯后既有建筑的最終沉降量和初期支護(hù)、二次襯砌受力計(jì)算[3]。

3.1 隧道穩(wěn)定性和既有建筑物的沉降計(jì)算

計(jì)算選擇采用地層結(jié)構(gòu)法，考慮錨桿和超前注漿小導(dǎo)管加固部位的圍巖粘聚力不變、內(nèi)摩擦角值提高20%。計(jì)算選用Midas NX程序進(jìn)行模擬；局部網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 二維有限元網(wǎng)格局部示意圖

計(jì)算分析后，得出以下結(jié)果。

（1）既有建筑的沉降。既有建筑物豎向位移如圖3所示。在沒(méi)有開挖時(shí)，隧道拱頂處豎向位移收斂于13.95 mm，既有建筑豎向位移收斂于15.96 mm；施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后，隧道拱頂豎向位移收斂于2.89 mm，如圖4所示。既有建筑豎向位移收斂于0.75 mm。

圖3 隧道開挖前圍巖和既有建筑物豎向位移示意圖

圖4 隧道支護(hù)后既有建筑物豎向位移示意圖

（2）隧道初期支護(hù)力學(xué)特性。由于邊墻左右荷載不對(duì)稱，靠近防空洞一側(cè)的荷載為另外一側(cè)的1.94倍，初期支護(hù)最小安全系數(shù)為1.85，見表2。新建隧道支護(hù)受力如圖5、圖6所示。

圖5 初支軸力圖

圖6 初支彎矩圖

表2 初期支護(hù)計(jì)算結(jié)果

3.2 二次襯砌計(jì)算

二次襯砌采用結(jié)構(gòu)-荷載法計(jì)算。

3.2.1 荷載承擔(dān)系數(shù)

初期支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)土柱壓力，承擔(dān)比例與其剛度（EI）有關(guān)，設(shè)計(jì)中V級(jí)圍巖二襯承擔(dān)總荷載的60%，初期支護(hù)承擔(dān)的40%[5]。

3.2.2 新建隧道不對(duì)稱荷載的影響

由于原防空洞的存在，新建隧道的荷載是不對(duì)稱的，墻部的位移大小與其受力成正相關(guān)，十八梯隧道左側(cè)邊墻水平位移是靠近既有防空洞邊墻的水平位移的0.58倍，則靠近防空洞一側(cè)的荷載為另外一側(cè)的1.72倍。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

由于防空洞的存在，十八梯隧道左右邊墻兩側(cè)水平力不對(duì)稱，襯砌的右邊墻的彎矩是左邊墻的1.72倍，二襯內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 二襯內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

4 施工方案及監(jiān)控量測(cè)

十八梯隧道出口段采用CD法施工，由于該隧道拱頂距既有建筑物基礎(chǔ)底距離僅3.48 m，約0.33B，為保證既有建筑的安全性，因此施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)[6]；監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容見表4。

表4 監(jiān)控量測(cè)主要項(xiàng)目

由于城市近接暗挖隧道風(fēng)險(xiǎn)較高，且存在地層和結(jié)構(gòu)受力的非對(duì)稱性，施工中建議采用建立基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)云平臺(tái)分析和管理數(shù)據(jù)并及時(shí)預(yù)警，提高信息化施工水平，保障工程安全。

5 結(jié)論

隨著城市建設(shè)的深化發(fā)展，隧道近接施工也成為目前市政隧道建設(shè)必須面對(duì)的重要問(wèn)題，依托十八梯城市隧道建設(shè)方案的研究，進(jìn)一步驗(yàn)證和提煉了既有建筑物下穿隧道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）穿越既有建筑物時(shí)，應(yīng)及時(shí)預(yù)支護(hù)預(yù)加固強(qiáng)支護(hù)，防止建筑物和構(gòu)筑物有害變形；

（2）受不對(duì)稱荷載的隧道應(yīng)考慮不對(duì)稱荷載的影響，襯砌厚度應(yīng)根據(jù)荷載非對(duì)稱性科學(xué)設(shè)置；

（3）穿越既有建筑物時(shí)，應(yīng)盡可能減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。