隧道圍護結構設計研究

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1概述

隨著我國城市化進程的加快，原有公路兩側集聚了大量的城鎮，城鎮內部交通對公路通行的影響日益突出。公路提檔升級需要另辟新線，但規劃完成的城市地塊經常沒有路線走廊，需要沿著城市外圍選線。一些城市臨河或臨水而建，大堤線位是比較好的路線方案，但采用大堤線位的路基方案穿越勢必會對城市與水體造成割裂，景觀效果也很差。針對以上工程現狀，提出采用隧道與大堤共建的工程方案。隧道與大堤共建國內外可借鑒的經驗很少，其受力機理、施工運營風險比較突出。本文對背景工程的圍護結構設計、施工、運營工況進行分析探討。

2依托項目背景

隧道采用六車道一級公路標準，設計年限100年。隧道全長2305m，根據結構形式不同，分為北側敞開段、北側光過渡段、明挖暗埋段、南側光過渡段、南側敞開段五個部分。隧道采用兩孔(行車孔)一廊(管線廊)斷面構造。

3圍護結構總體設計

3．1隧道基坑圍護。據周圍環境條件、開挖深度、支護結構功能等確定基坑工程等級，根據不同工程段的設計要求，分段采用合理的支護體系。我國常用的基坑圍護結構型式有土釘墻、鉆孔樁(或咬合樁)、地下連續墻、攪拌樁、SMW等多種結構形式。本工程區內分布有多條環形的港汊，地基土淺，局部為新近淤積的淤泥，分布廣，厚度變化大，含水率高，孔隙比大土的物理力學性質差，強度低，屬高壓縮性土層，根據勘探情況分析，淤泥層厚度變化大，工程地質條件較差;淤泥土下部除局部分布的粘土性質較差外，均為性質較好的含粘性土角礫、粘土等。由于隧道基坑最低點開挖深度將近5m，而兩側圍堰距離較近，土層地質條件較差，不具備全線放坡開挖的條件，施工過程中需進行基坑支護。在各種圍護結構型式中，SMW工法具有工藝簡單、成樁速度快、工期短，投資省的優點;對周圍環境影響小、環保節能，且其適用地層范圍較廣，有較好的隔水性。本工程明挖段所處場地為灘涂，地勢空曠，無重要構筑物與地下管線。通過多方案比選確定采用的圍護結構如下:以－0．8為場地整平標高，當基坑深度在2m以內較淺的部分，采用放坡開挖型式。2m～3m的采用重力式擋墻，深度超過3m的則采用SMW工法樁(850樁徑)和鋼支撐。3．2大堤圍堰。為了確保隧道施工期間，尤其是隧道基坑開挖期間，免受水淹風險，同時也可以為地基處理和填筑施工提供良好的施工環境，需要在隧道兩側各設置施工期圍堰一道對水進行封堵。綜合考慮項目建設場地的地形地質、水利條件，各圍堰方案的占地、工期和造價情況，擬定了重力式圍堰方案和混凝土板樁圍堰結合永久堤方案。3．2．1重力式圍堰方案。按照因地制宜、就地取材并兼顧施工因素的原則，重力式圍堰采用拋石堤身+防滲土工膜防水。拋石圍堰方案分兩期施工，一期施工內外臨時圍堰，為隧道施工創造干作業施工區，二期加高并改造外堰，形成永久堤(見圖1)。隧道基坑外左右各5m修筑內外圍堰:先進行淤泥固化，形成良好的圍堰地基，待固化度達到要求后，淤泥土上方鋪設土工布和200mm的碎石，隨后進行拋石填筑，兩側的坡度是1∶1．5。隧道主體結構完成后，由于大開挖施工的地下隧道不可避免地需設置沉降變形縫或后澆帶，為避免變形縫處出現滲漏水，在隧道箱體外填筑水泥土至塊石擋墻邊緣，水泥土與拋石用袋裝土分隔，中間設垂直防滲土工膜至淤泥頂面，折成L形鋪至攪拌樁防滲墻頂。3．2．2板樁圍堰結合永久堤方案。板樁圍堰方案在隧道內外側分別設置U型樁基壩體，外側堤壩迎水面按永久堤設計，堤頂標高6．6m;內側堤壩為施工臨時圍護結構，堤頂標高6．6m，堤底標高－1．3m。內外側壩體之間為隧道開挖施工面(見圖2)。外側壩體采用兩排的預應力混凝土U型樁基。U型樁為工廠預制，運抵現場后采用錘擊或者振動沉樁。U型樁頂設置100cm×100cm的帽梁，每5m設置一道80cm×100cm的橫系梁。壩體內外側間填筑袋裝黏土，增加壩體的隔水性能。外側壩體迎水面下部采用厚40cmC20細石混凝土灌砌塊石護面，坡度1∶3。內側壩體頂寬7m，結構型式與外側壩體一致。壩體反壓采用拋石回填，坡度為1∶1．5，并在標高2．0m位置設寬2m的平臺。內外側壩體和隧道結構基礎為淤泥質土，需對淤泥質土進行固化處理。固化采用直徑800mm水泥攪拌樁，間距1．5m梅花形布置。淤泥固化總寬87m。重力式圍堰結構明確，受力清晰，施工方便展開工作面。因此設計推薦重力式圍堰結構形式(見表1)。

4施工過程模擬采用地層—結構法對堤隧結合

隧道各施工階段的位移場、圍堰邊坡和大堤穩定性進行模擬計算分析。模擬圍巖受力狀態采用基于摩爾庫侖強度準則的彈塑性模型，邊坡穩定的強度折減法。本文模擬埋深最大斷面施工過程，施工順序見圖3。4．1沉降位移場。當兩道圍堰對稱填筑完成后，堤頂的沉降在6．5cm左右;吹填施工后，外側堤頂的沉降約5．5cm，內側堤頂的沉降約8．6cm。開挖后坑底隆起約4．0cm，坑頂面隆起約1．4cm，坑底抗隆起安全系數滿足要求(見圖4)。隧道主體結構澆筑完畢并回填后，隧道底板沉降量約4．6cm，隧頂地面沉降約5．0cm，外側堤頂沉降約7．2cm，內側堤頂沉降約9．6cm，即隧頂地面與兩側堤頂地面將有2．2cm～2．4cm左右的差異沉降，堤頂寬度為476cm，局部兩點間的最大傾度小于1%，不會導致裂縫產生，而且通過延后施工堤頂路面等措施可以有效防止大堤路面結構的損害(見圖5)。4．2水平位移場。當兩道圍堰對稱填筑完成后，坡腳的水平位移在0．7cm～1．0cm左右，方向分別為各自的坡向;吹填施工后，整體位移場向左側(臨水側)，外側圍堰坡腳的水平位移約3．0cm，內側圍堰坡腳的水平位移約3．9cm。基坑開挖后外側圍堰坡腳的水平位移約4．1cm，內側圍堰坡腳的水平位移約2．0cm(見圖6)。隧道主體結構澆筑完畢并回填后，隧道及堤頂的水平位移在1．7cm～2．2cm，方向為向左側(臨水側)，滿足抗滑穩定性要求(見圖7)。

5運營期間變形及穩定性分析

根據GB50286—2013大堤工程設計規范，大堤邊坡穩定采用瑞典圓弧法，運行工況下，最小安全系數Kmin按正常運行條件考慮控制在1．20以上(見表2)。本工程灘涂面高程變化和地基土層變化情況選取典型斷面后，采用邊坡計算分析軟件進行邊坡穩定計算(見表3)。邊坡臨水側邊坡穩定系數2．42，岸側邊坡穩定系數9．74，均能滿足要求。6結語本項目為典型堤隧結合隧道，通過對該類型隧道圍護結構總體設計的敘述，提出了堤隧結構的設計要點。

根據選擇圍護結構，進行了施工階段聯合計算，分析了其豎向及水平向位移和穩定，探討了大堤與隧道共同作用機理。本文還模擬分析了大堤與隧道運營期間的變形及穩定分析，對類似的工程建設提供了參考。

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作者:夏至 單位:江蘇中設集團股份有限公司