侯立勛，黃 俊，張忠宇，陳喜坤,*，俞蔡城,蘇宇宸

(1.南京市公共工程建設(shè)中心，南京 210019； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

大中城市新建道路與既有高速公路相交工程多采用下穿方案[1]，由于施工工法復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求高、不允許截?cái)嘟煌ǖ葪l件的制約，下穿節(jié)點(diǎn)往往成為影響項(xiàng)目工期和造價(jià)的重要因素。

目前，類似下穿工程可采用的工法通常包括明挖法和暗挖法。明挖法施工工藝簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)較小，往往可以通過修建臨時(shí)便道保證高速公路的暢通，如南京馬高路下穿滬寧高速公路節(jié)點(diǎn)工程；暗挖法包括淺埋暗挖法[2-4]、管幕法[5-6]、頂推法、頂管法[7]。不同施工方法在沉降控制、造價(jià)、工期、安全性等方面皆有所差異[8-9]，施工設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行合理的選擇。

順天大街是連接南京主城與仙林福城、東山福城的快速通道，其快速化改造工程對(duì)改善城東片區(qū)居民出行、促進(jìn)南部新城及東南片區(qū)發(fā)展、完善市域快速路網(wǎng)體系、提升城市形象具有重要作用。該項(xiàng)工程中，下穿滬寧高速公路南京連接線是重要節(jié)點(diǎn)之一，面臨著曲線斜交且覆土深度小等一系列工程難題，本文對(duì)其設(shè)計(jì)過程和施工方法進(jìn)行研究，確立了適用于該節(jié)點(diǎn)的施工方法，為類似下穿工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地理位置

南京市順天大街快速化改造二期工程起點(diǎn)位于順天大街與石楊路交叉口，終點(diǎn)接滬寧高速公路南京連接線(以下簡(jiǎn)稱“滬寧連接線”)，主線按快速路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h。

1.2 總體設(shè)計(jì)

為滿足滬寧連接線與順天大街車輛互通需求，項(xiàng)目在滬寧連接線處采用分離式隧道，其中，左線隧道下穿滬寧連接線，用于滬寧連接線車輛左轉(zhuǎn)至順天大街。同時(shí)，為了滿足順接要求，采用了半徑R=265 m的曲線，下穿段與滬寧連接線夾角約20°，總長(zhǎng)約112.7 m，位于中山陵景區(qū)附近，其平面布置如圖1所示。

圖1 下穿滬寧高速公路連接線節(jié)點(diǎn)平面布置

下穿高速公路后，需將路面標(biāo)高短距離內(nèi)抬至高速路面標(biāo)高處，因此，下穿節(jié)點(diǎn)采用超淺埋，北側(cè)覆土最小位置約2.6 m，南側(cè)覆土最大位置約4.1 m，縱向坡度從4%漸變至0.9%，其縱斷面如圖2所示。

圖2 下穿滬寧連接線節(jié)點(diǎn)縱斷面

左線下穿隧道設(shè)計(jì)為單洞兩車道，建筑限界高度4.5 m，限界寬度為：2×3.75+2×0.5+2×0.25=9 m，具體如圖3所示。

圖3 下穿滬寧連接線節(jié)點(diǎn)建筑限界

1.3 工程地質(zhì)

隧道下穿地層主要為⑤-1、⑤-2及少量⑤-2A，其地層描述信息如下：

⑤ -1強(qiáng)風(fēng)化角礫巖(K2p)，呈紫紅色、淺棕褐色，巖芯主要為砂礫土狀，致密堅(jiān)硬，碎屑結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，工程地質(zhì)條件一般。

⑤ -2中風(fēng)化角礫巖(K2p)，呈紫紅色、淺棕褐色，巖芯為短柱狀、碎塊狀，碎屑結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，工程地質(zhì)條件較好。

⑤ -2A中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖(K2p)，呈淺紫紅色、磚紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)程度較高，巖芯為短柱狀，手掰不易碎，灰刀切割不易，浸水易軟化，失水變硬，工程地質(zhì)條件介于一般與較好之間。

1.4 關(guān)鍵問題

順天大街下穿滬寧高速公路南京連接線工程施工主要面臨如下問題：

(1) 滬寧連接線交通量較大，要求施工中不能阻斷交通。

(2) 節(jié)點(diǎn)覆土少，施工中應(yīng)采取措施避免影響滬寧連接線正常運(yùn)營(yíng)。

(3) 下穿節(jié)點(diǎn)鄰近中山陵風(fēng)景區(qū)，考慮園區(qū)管理要求，施工中不允許爆破開挖，以免產(chǎn)生噪音污染，同時(shí)，不能大面積損壞植被、排放污水。

(4) 節(jié)點(diǎn)工期應(yīng)滿足項(xiàng)目總體工期要求，施工進(jìn)度需有保障措施。

2 下穿方案

論證認(rèn)為，該工程不具備修建臨時(shí)匝道的條件，因此，不適宜采用明挖法施工；因下穿段距離短、經(jīng)濟(jì)性差，故排除盾構(gòu)法；頂管法無(wú)法適應(yīng)小半徑曲線頂進(jìn)，盡管可以通過擴(kuò)大斷面寬度改曲線段為直線段，但斷面寬度將超過20 m，尚無(wú)該種大直徑頂管機(jī)，也不適用。因此，本項(xiàng)目主要針對(duì)淺埋暗挖法和管幕法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)比選。

2.1 淺埋暗挖法

淺埋暗挖法是在距離地表較近的地下進(jìn)行各種類型地下洞室暗挖施工的一種方法。在城鎮(zhèn)軟弱圍巖地層中，淺埋條件下修建地下工程，以改造地質(zhì)條件為前提，以控制地表沉降為重點(diǎn)，通常以格柵(或其他鋼結(jié)構(gòu))和噴錨作為初期支護(hù)手段，按照十八字原則進(jìn)行施工[10]。

2.1.1 橫斷面設(shè)計(jì)

為保證結(jié)構(gòu)安全，橫斷面設(shè)計(jì)初支厚度0.3 m，二襯厚度0.6 m，斷面外包尺寸12.8 m×8.2 m，側(cè)墻采用拱形結(jié)構(gòu)，以減少側(cè)向土壓力引起的結(jié)構(gòu)變形，具體如圖4所示。

圖4 橫斷面設(shè)計(jì)(單位:mm)

2.1.2 支護(hù)形式選取

由于項(xiàng)目條件復(fù)雜，沉降控制等級(jí)較高，且鄰近中山陵景區(qū)，高速公路下方擬采用直徑159 mm大管棚配合直徑42 mm注漿小導(dǎo)管作為超前支護(hù)，高速公路北側(cè)接敞開段區(qū)域采用鋼筋混凝土護(hù)拱，以滿足淺埋暗挖法進(jìn)洞施工要求。初期支護(hù)采用徑向錨桿和鋼筋網(wǎng)及型鋼支護(hù)，二次襯砌采用60 cm 的C40鋼筋混凝土，主要參數(shù)如表1所示。

表1 隧道復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)

為保證施工安全，并適應(yīng)曲線線路需求，大管棚超前支護(hù)設(shè)計(jì)如圖5所示。其中，滬寧連接線北側(cè)為梯型鋼筋混凝土護(hù)拱，護(hù)拱與大管棚剛性接駁，可采用焊接或?qū)摻畈迦牍芘飪?nèi)進(jìn)行連接。護(hù)拱下方施作15根φ800鉆孔灌注樁以支撐護(hù)拱結(jié)構(gòu)。大管棚覆蓋整個(gè)斜穿隧道區(qū)域，大管棚由下方44根長(zhǎng)30 m鋼管和上方56根長(zhǎng)82 m鋼管組成，間距0.25 m，在滬寧連接線北側(cè)增設(shè)護(hù)坡，以保證施工期間高速公路的邊坡穩(wěn)定。滬寧連接線北側(cè)隧道橫斷面如圖6所示。護(hù)坡設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為24.8 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；導(dǎo)向墻采用C20混凝土，厚度為80 cm。

圖5 大管棚及護(hù)拱平面設(shè)計(jì)(單位:m)

圖6 隧道典型橫斷面

大管棚縱斷面如圖7所示。其中，大管棚與水平方向夾角取為1.1°，護(hù)拱段取為2°，二者交接長(zhǎng)度為2 m，以保證結(jié)構(gòu)的整體性。

圖7 大管棚及護(hù)拱縱斷面(單位：m)

2.1.3 計(jì)算校核

(1) 計(jì)算模型

針對(duì)滬寧連接線下穿節(jié)點(diǎn)暗埋段，選取覆土厚度最小斷面，即覆土厚度為2.6 m處斷面，計(jì)算分析隧道開挖引起的地表變形。

土體采用摩爾-庫(kù)倫(M-C)彈塑性本構(gòu)模型。左右各取隧道直徑的4倍(約50 m)，在豎向向下取隧道高度的2倍(約20 m)，向上取至地表進(jìn)行模擬。初支、中隔墻、臨時(shí)橫撐采用板單元模擬，模型網(wǎng)格如圖8所示。

圖8 下穿滬寧連接線節(jié)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算模型

(2) 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果如圖9及表2所示。

圖9 計(jì)算結(jié)果云圖

類型地表垂直位移/mm地表水平位移/mm結(jié)構(gòu)垂直位移/mm結(jié)構(gòu)水平位移/mm軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)最大值9.434.235.352.06587.3226.179.45

計(jì)算結(jié)果表明：地表最大沉降位于隧道正上方，垂直最大位移9.43 mm，地表水平最大位移4.23 mm，均滿足相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)要求。

2.2 管幕暗挖法

管幕暗挖法是利用微型頂管技術(shù)在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管或其他材質(zhì)的管子，鋼管之間采用鎖口連接并注入防水材料，形成水密性地下空間，然后在管幕的保護(hù)下，對(duì)管幕內(nèi)土體加固處理后，邊開挖邊支撐，直至管幕段開挖貫通，再澆注結(jié)構(gòu)體；或者，先在兩側(cè)工作井內(nèi)現(xiàn)澆箱涵，然后邊開挖土體邊牽引對(duì)拉箱涵[11]。

因管幕施工無(wú)法適應(yīng)小半徑曲線，故采取擴(kuò)大斷面寬度，改小半徑為大半徑或直線的方法。由此，設(shè)計(jì)了兩種管幕法施工方式，分別為直線管幕和曲線管幕。

2.2.1 直線管幕

直線管幕平面設(shè)計(jì)如圖10所示，管幕段總長(zhǎng)162.7 m。右側(cè)工作井尺寸為34×15 m，左側(cè)工作井尺寸為34×8 m。

圖10 直線管幕平面(單位：m)

直線管幕橫斷面如圖11～12所示。擴(kuò)大斷面寬度后，斷面尺寸由11.5 m變?yōu)?9.2 m，管幕采用φ800@10鋼管，共布設(shè)84根。

圖11 橫斷面示意(單位：mm)

圖12 管幕橫斷面示意(單位：mm)

2.2.2 曲線管幕

曲線管幕平面設(shè)計(jì)如圖13所示。管幕頂進(jìn)曲線半徑由265 m增大至508 m，管幕段總長(zhǎng)165.5 m；左側(cè)工作井尺寸為21.4×6.6 m，右側(cè)工作井尺寸為21×11.6 m。

圖13 曲線管幕平面

擴(kuò)大斷面寬度后，斷面尺寸由11.5 m變?yōu)?5.3 m，管幕采用φ800@10鋼管，共布設(shè)54根，如圖14～15所示。

圖14 橫斷面示意(單位：mm)

圖15 管幕橫斷面示意(單位：mm)

2.2.3 管幕連接

鋼管連接如圖16所示，鋼管之間采用角鋼連接，角鋼尺寸為100×80×10 mm。連接處空隙內(nèi)部采用水泥漿充填防水，必要時(shí)輔助凍結(jié)法施工。

圖16 鋼管連接示意(單位:mm)

2.3 方案比選

從施工安全、交通影響、施工難度、施工工期、工程造價(jià)等方面進(jìn)行比選，確定最佳工程方案。

(1) 施工安全

淺埋暗挖法施工案例多，工藝成熟，施工中控制措施多樣，可以有效降低高速公路的路面沉降，施工風(fēng)險(xiǎn)較小；管幕暗挖法需進(jìn)行淺覆土鋼管頂進(jìn)施工，施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)高速公路的結(jié)構(gòu)安全影響相對(duì)較大。

(2) 施工難度

淺埋暗挖法相對(duì)容易，而管幕法往往出現(xiàn)鋼管連接問題，導(dǎo)致水土滲漏，從而導(dǎo)致地表沉降超限。

(3) 施工工期

管幕法施工需先頂進(jìn)鋼管，隨后在管幕保護(hù)下進(jìn)行開挖施工，施工工期約為淺埋暗挖法的兩倍。

(4) 施工造價(jià)

管幕法施工擴(kuò)大了斷面跨度，增加了約一半的混凝土用量和土方開挖量，此外，需在兩側(cè)挖設(shè)工作井，其中南側(cè)工作井位于中山陵某山丘處，開挖難度較大，費(fèi)用遠(yuǎn)大于淺埋暗挖法。

通過以上對(duì)比可知，淺埋暗挖法在施工難度、施工工期和工程造價(jià)等方面均具有一定的優(yōu)勢(shì)，建議案例工程采用該方法施工。

3 關(guān)鍵點(diǎn)分析

3.1 施工工序

為保障開挖面穩(wěn)定，采用CRD法分臺(tái)階開挖，循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度控制為一榀的距離0.6 m。施工工序如圖17所示。

3.2 安全保障

(1) 嚴(yán)格遵循十八字方針。施工中應(yīng)嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的要求。

(2) 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。下穿滬寧連接線工程重要程度高，施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程隱患，該工程在地表80 m范圍內(nèi)布設(shè)了15個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，施工中進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和預(yù)警。

(3) 制定應(yīng)急措施。施工中應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案，制定地表沉降超限的處置措施，如注漿等。

(a) 施作初期支護(hù)，鋼架支撐下施作大

管棚，并注漿加固周圍土層，開挖洞室Ⅰ (b) 臺(tái)階法開挖洞室Ⅱ，施作初期支護(hù) (c) 臺(tái)階法開挖洞室Ⅲ，施作初期支護(hù)

(d) 開挖洞室Ⅳ，施作初期支護(hù) (e) 根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，縱向分段拆除臨時(shí)支撐 (f) 敷設(shè)防水層，施作二次襯砌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖17CRD法施工工序

4 結(jié)論

以南京市順天大街快速化改造二期工程為依托工程，開展了淺埋斜交條件下城市道路下穿高速公路設(shè)計(jì)與施工方法研究，得出如下結(jié)論：

(1) 淺埋斜交條件下下穿高速工程中淺埋暗挖法和管幕法均有一定的適用性，具體選取時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的方案比選。

(2) 確定淺埋暗挖法為本項(xiàng)目的推薦方案。相較于其他方案，淺埋暗挖法在沉降控制、施工難度、施工工期和工程造價(jià)等方面均具有一定的優(yōu)勢(shì)。

(3) 淺埋暗挖法應(yīng)采取φ159大管棚并配合小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，嚴(yán)格按照十八字方針進(jìn)行施工管理，并做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。