陳宏彬

（廣東省冶金建筑設(shè)計研究院，廣東廣州510080）

0 引言

近年來，由于我國快速的工業(yè)化和人口的高度城市集中化，為緩解或解決人口增長對城市交通環(huán)境的壓力和威脅，修建各種城市隧道和地下構(gòu)筑物在各大城區(qū)呈現(xiàn)急劇增長的趨勢。在北京、上海、廣州等地，近年來經(jīng)濟的發(fā)展使居民不斷感覺到城市隧道與地下工程在城市發(fā)展建設(shè)中的巨大作用[1]。

盡管城市隧道與山區(qū)隧道有著許多共同點，但城市隧道由于所處地理位置的特殊性和使用功能的多樣性，其與山區(qū)隧道相比又表現(xiàn)出顯著的不同，為正確進行設(shè)計和施工方案的選擇，對其特點應(yīng)有充分的理解。

1 研究現(xiàn)狀

明挖法是城市隧道施工中采用比較多的施工方法之一，即從地表一邊支擋一邊向下開挖到規(guī)定位置，再修筑箱形結(jié)構(gòu)物的方法。與多年前不同，當(dāng)時明挖法討論的問題如臨時結(jié)構(gòu)物和主體結(jié)構(gòu)物的外力如何確定、地下連續(xù)墻如何與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合等，目前都已較好地解決。如今討論的，更多的是諸如近接施工、大跨隧道、地下水處理、地層改良加固的設(shè)計方法，考慮環(huán)境和節(jié)省資源的設(shè)計施工等，技術(shù)水平有了很大提高。

在城市隧道施工中，由于隧道開挖后圍巖自穩(wěn)能力差易發(fā)生圍巖大變形從而引起開挖面失穩(wěn)和較大的地表沉降導(dǎo)致地面結(jié)構(gòu)物的變形與破壞，因而隧道工程施工中，開挖面前方巖土體的穩(wěn)定性問題是一個十分重要的課題。國內(nèi)外隧道圍巖預(yù)加固（支護）采用較多的措施有超前小導(dǎo)管注漿，管棚注漿，水平旋噴注漿。國內(nèi)外較多研究者對其加固機理、數(shù)值分析方法進行了較多的研究。歐洲一些國家如法國、意大利常采用玻璃纖維錨桿注漿加固技術(shù)及機械預(yù)切槽法等[2]。

目前，國內(nèi)城市隧道施工技術(shù)相對較為成熟，但仍以經(jīng)驗法為主，施工中大多以本單位工程經(jīng)驗類比確定相應(yīng)的施工方案，不能為其它隧道的施工從力學(xué)原理上提供普遍意義上指導(dǎo)。因而針對城市隧道的特點，還需進一步系統(tǒng)地分析研究與總結(jié)。

2 隧道圍巖加固機理

目前，在隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中常采用方法主要有4種，即以工程類比為依據(jù)的經(jīng)驗法，特征曲線法，荷載結(jié)構(gòu)法及地層結(jié)構(gòu)法。特征曲線法盡管很難定量地表現(xiàn)加固對圍巖應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的影響，但其能較好地解釋巖體加固的機理與作用[3]（見圖1）。

圖1 預(yù)加固前后隧道圍巖的特征曲線圖

圖1中，曲線1是在一個初始地應(yīng)力場為P0，未加固的均一地層中開挖一圓形洞室?guī)r體特征曲線方程P1=P1（c1，φ1，E1，μ1，...）所確定的特征曲線。其中，c1，φ1，E1，μ1為圍巖加固前的物理力學(xué)參數(shù)。由彈塑性力學(xué)原理，在初始地應(yīng)力場為P0的均質(zhì)各向同性的連續(xù)彈塑性體，開挖一半徑為R0的圓形隧道，采用莫爾-庫侖塑性屈服準(zhǔn)則，可得塑性徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力及隧道周邊徑向位移表達式如下[4]：

式中，Rp為塑性區(qū)半徑；c、φ分別為土體的粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角；P0為均勻初始地應(yīng)力。

從式（1）～式（3）可知，隧道開挖后圍巖應(yīng)力、收斂值的大小主要與圍巖的粘結(jié)力，內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)有關(guān)。從圖1中可以看出采取加固措施相當(dāng)于提高了圍巖的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力等物理力學(xué)參數(shù)，提高了圍巖的自穩(wěn)能力，其結(jié)果是降低了圍巖的變形。從另一方面說，也使作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的短期和長期荷載減少，顯著地改善了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

3 工程實例

3.1 工程概況

海園一路隧道位于深圳市南山區(qū)，海園一路是一條平行的南北走向城市快速干道，長約600 m，南接濱海大道，北與白石路相互銜接，為深圳市東部重要的交通樞紐工程。海園一路隧道主要服務(wù)于濱海醫(yī)院。隧道在中部開口與濱海醫(yī)院負一層實現(xiàn)直接互通，現(xiàn)階段濱海醫(yī)院負一層正在施工。

海園一路隧道起于K0+150，止于K0+540，全長390 m。分開口段與閉口段，開口段共330 m，其中K0+150～K0+280及K0+458～K0+540為開口U型框架結(jié)構(gòu),K0+280～K0+346及K0+406～K0+458為開口L型結(jié)構(gòu),K0+346～K0+406為閉口段，共長60 m，采用側(cè)U型框架+立柱結(jié)構(gòu)。隧道設(shè)排水泵房一座。閉口段某截面如圖2所示。

3.2 水文地質(zhì)

隧道原始地貌單元為海邊灘涂，后經(jīng)人工填海造陸，原始地形業(yè)已改變?？辈鞎r，場地較平坦，各鉆孔孔口標(biāo)高變化于5.15～6.74 m。根據(jù)勘察結(jié)果，擬建場地內(nèi)分布的主要地層有：人工填土層、第四系海陸交互相沉積層及第四系殘積層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖（r53-1）。不良地質(zhì)問題主要為飽和砂土液化，未發(fā)現(xiàn)其他巖溶、滑坡、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用，特殊性巖土為填筑土、軟土層。

勘察期間，各鉆孔均遇見地下水，主要為賦存于第四系地層中的孔隙水類型，受大氣降水及地表水補給，水位變化因氣候、季節(jié)而異；豐水季節(jié)，地下水位上升，第四系各地層多處于飽水狀態(tài)。由于海園一路北側(cè)正在修建排洪渠，上部水流已封堵，溝渠干涸，勘察期間測得場地地下水穩(wěn)定水位埋藏深度介于1.10～7.10 m之間，水位標(biāo)高介于-3.94～4.98 m之間，水位變化幅度小，年變化幅度不超過2.00 m[5]。

3.3 設(shè)計要點

3.3.1 隧道結(jié)構(gòu)分段

隧道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)劃分為8個節(jié)段，各節(jié)段長度為40～45 m。相鄰節(jié)段結(jié)構(gòu)間設(shè)2 cm寬變形縫，變形縫設(shè)OR-300-9型止水帶；因隧道市政結(jié)構(gòu)與濱海醫(yī)院負一層民用用途不同，且受力存在一定差異，故隧道與醫(yī)院接縫處也設(shè)計一道2 cm的變形縫。

3.3.2 結(jié)構(gòu)抗浮

隧道為全埋式結(jié)構(gòu)，一般情況下抗浮水位取原地面以下約1 m，標(biāo)高為5 m。普通U型開口節(jié)段采用結(jié)構(gòu)自重+C15素混凝土壓重層抗浮，L型濱海醫(yī)院出入口段主要由結(jié)構(gòu)自重+抗浮樁，閉口段主要由結(jié)構(gòu)自重抗浮?？垢“踩禂?shù)取1.05，不計隧道側(cè)壁與土的摩阻力。

圖2 閉口段某橫斷面圖（單位：cm）

3.3.3 基底承載力

對基底承載力要求隧道結(jié)構(gòu)U型開口段不小于110 kPa，L型及閉口段、泵房不小于140 kPa。由于隧道底板范圍有2～3 m的淤泥層，地基承載力不能滿足設(shè)計要求，故采取了灌注樁軟基處理與結(jié)構(gòu)抗浮相結(jié)合的方式處理。

3.3.4 防水

防水以結(jié)構(gòu)自防水為主，附加外防水為輔。結(jié)構(gòu)采用摻入CMA高性能膨脹劑的防水抗裂混凝土（低堿低摻量），其抗?jié)B等級為P8，底板摻量每立方混凝土不小于30 kg，側(cè)板摻量每立方混凝土不小于35 kg，加強帶內(nèi)摻量每立方混凝土不小于50 kg；結(jié)構(gòu)外防水采用“外防外貼法”，防水材料采用3 mmBAC橡膠瀝青雙面自粘防水卷材。

3.3.5 隧道排水

隧道起點設(shè)反坡，防止隧道范圍以外周邊雨水進入，隧道內(nèi)設(shè)置縱向暗埋式排水溝，隧道L型的第六節(jié)段設(shè)一道橫截式排水溝，最終將所有雨水在該處由底板下設(shè)置的集水井順底板縱向排水管排至泵房，再經(jīng)泵房導(dǎo)至明渠（因隧道與濱海醫(yī)院直接相通）。

3.3.6 隧道基坑支護

3.3.6.1 引道開口段支護方案

引道開口段由于基坑深度較淺、且基坑外邊線距離河堤擋墻較遠，西側(cè)擬采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土放坡坡+高壓旋噴樁止水的支護形式開挖；東側(cè)基坑則采用1：1放坡開挖；第一、二、八節(jié)段等基坑埋深較淺的，則可以直接采用1：1放坡開挖基坑[6]。

3.3.6.2 閉口段方案

隧道閉口段及濱海醫(yī)院出入口段基坑?xùn)|側(cè)與醫(yī)院負一層基坑共同實施，且有較大放坡空間，故該范圍內(nèi)基坑?xùn)|側(cè)不設(shè)支護，可與醫(yī)院基坑一起直接放坡開挖。

西側(cè)由于河堤擋墻距離隧道基坑距離較小，推薦方案采用灌注樁支護+高壓旋噴樁止水的支護形式，隧道基礎(chǔ)底擬采用D100 cm鋼筋混凝土灌注樁軟基處理。由于海園一路施工期間小沙河明渠已竣工通水，且水利部門要求海園一路隧道施工不得對河涌進行截流，故采用分段放坡開挖基坑，至設(shè)計指定標(biāo)高處，平整場地，施工D80 cm鉆孔灌注樁及D50 cm密布高壓旋噴樁止水帷幕，待結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度時再繼續(xù)分段開挖下一段基坑，并重復(fù)上一階段基坑支護施工；支護樁與河堤擋墻間保留原狀土層，放坡部分通過掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土做簡易支護及止水，待隧道主體結(jié)構(gòu)修筑完成后，隧道側(cè)壁與河堤擋墻間空隙采用級配碎石填筑。

3.3.6.3 泵房方案

該項目因場地局限，排水泵房設(shè)置在濱海醫(yī)院紅線內(nèi)，右側(cè)醫(yī)院基坑基本開挖到設(shè)計標(biāo)高，一定程度上降低了泵房基坑深度，故設(shè)計采用拉森鋼板樁+鋼管內(nèi)撐+止水帷幕的支護方式。

（1）止水體系：

基坑局部存在較薄的砂層與淤泥質(zhì)土層，采用φ50@35 cm密排高壓旋噴樁形成止水帷幕，采用φ50@95 cm支護樁樁間止水及φ50@30 cm外圍密布方式，旋噴樁底應(yīng)深度于支護樁2.0 m以上。

（2）基坑挖土組織設(shè)計：

基坑施工及挖土步驟為：場地整平，在不擾動西側(cè)明渠擋墻前提下，開挖土方，至標(biāo)高3.56 m左右（明渠50 a一遇水位），然后施工支護樁（支護樁高出設(shè)計標(biāo)高部分采用空樁處理），并施工止水樁；靠近支護樁一側(cè)隧道內(nèi)抗浮及地基處理灌注樁也應(yīng)在基坑開挖前施工，對坑內(nèi)土體起一定的加固作用；開挖土方至2.0 m標(biāo)高位置，坡面噴射混凝土坡面，并澆筑冠梁；待支護樁樁身混凝土強度滿足要求后，繼續(xù)開挖隧道基坑至基坑底，期間應(yīng)密切注意止水樁止水效果，如有滲漏應(yīng)及時回填補樁處理。為保證樁身外觀質(zhì)量及盡量少擾動明渠擋墻，支護樁施工時，施工單位應(yīng)采取措施保證樁身平整,垂直。

3.3.7 基坑排水

基坑施工時如坑內(nèi)明水較多，可采用明溝結(jié)合集水坑用電泵抽的方式進行降水。抽水時注意監(jiān)測基坑滲漏及基坑周圍地表的情況，如有涌水量較大、涌水長時間渾濁、地表沉降超過預(yù)警至、裂縫發(fā)展等情況，應(yīng)立即回填，同時通知設(shè)計處理。

4 耐久性措施

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，隧道所在處水質(zhì)對隧道結(jié)構(gòu)存在弱腐蝕性，環(huán)境作用等級為C級，設(shè)計時采取以下措施增加結(jié)構(gòu)的耐久性：

（1）對混凝土材料的基本要求：最大水膠比為0.45（膠凝材料為水泥、礦粉、粉煤灰等），最小膠凝材料用量為320 kg/m3；最低混凝土強度等級為C40，氯離子擴散系數(shù)DRCM（28d齡期，10～12 m2/s）<10。

（2）混凝土應(yīng)摻入抗裂膨脹劑，水泥用量不應(yīng)小于320 kg/m3。當(dāng)摻入?yún)⒑狭蠒r，水泥用量不應(yīng)小于280 kg/m3。

（3）對主體結(jié)構(gòu)施作全外包防水層。

（4）施工期間確保鋼筋保護層滿足設(shè)計要求，迎水面主筋凈保護層為5 cm,背水面為4 cm。

（5）混凝土裂縫寬度控制在0.2 mm以內(nèi)[7]。

5 結(jié)語

雖然城市隧道的修建已經(jīng)取得了較大的進步，但地下工程是多學(xué)科交融的科學(xué)，注定了在其發(fā)展過程中需要一批新研究理論的誕生。專家指出，21世紀(jì)將是大力發(fā)展城市地下空間的世紀(jì)。如何開發(fā)和利用好地下空間是人類文明發(fā)展中必將面臨的問題，在城市隧道的修建中，還有大量難題需要解決。目前，在城市地下空間利用與交通隧道修建領(lǐng)域，需對諸如城市地下空間利用的規(guī)劃問題、城市地下空間規(guī)劃的評價方法與評價標(biāo)準(zhǔn)、地質(zhì)調(diào)查技術(shù)研究問題、建設(shè)方案評價及動態(tài)設(shè)計理念問題和降低工程造價途徑等問題作進一步的分析研究。本文就深圳海園一路隧道的設(shè)計理念及設(shè)計方法、相關(guān)措施做了詳細介紹，可為以后相關(guān)工程提供技術(shù)參考。

[1]黃宏偉.城市隧道與地下工程的發(fā)展與展望 [J].地下空間,2001,21(4):311-317.

[2]石明霞,譚文,吉小明.大跨隧道臨時支護拆除及二次襯砌施工數(shù)值模擬分析[J].公路交通技術(shù),2009,(5):106-110.

[3]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社.

[4]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2004.

[5]JTJ 064-98，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[6]DBJ/T15-20-97，建筑基坑支護工程技術(shù)規(guī)程[S].

[7]GB/T50476-2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S].