软土地区隧道明挖法的典型断面结构受力及围护结构变形分析

杭州市城市基础设施建设发展中心 杭州 310001

城市隧道的施工方式一般分为明挖法和暗挖法，在场地和周边环境允许的情况下，明挖法具有施工方便、造价低的特点。明挖法中的基坑工程部分具有较多的风险和不确定因素，从而主导并控制着这类施工方法的安全性。本文以杭州紫金港隧道为工程背景，对明挖法隧道结构受力进行计算，并对典型断面的深层土体侧向位移监测结果进行了分析。

1 工程概况

杭州紫金港隧道工程全长2.65 km，其中文一西路北侧约0.5 km为地面道路，其他为下穿隧道，长2.16 km。隧道为双向四车道，中间隔断，等级为城市主干道。整个隧道设有3 个匝道，其中A匝道和B匝道位于余杭塘河附近，隧道下穿余杭塘河。根据隧道开挖深度及考虑到规划中的轨交5号线与紫金港隧道斜交，其竖向围护结构采用钻孔咬合桩（其中桩间止水采用素混凝土桩）、地下连续墙（壁厚有800 mm和1 000 mm）和SMW工法桩。内支撑为混凝土内支撑和钢管内支撑的单独及混合组合模式。

本隧道2 个典型位置剖面分别为SMW工法桩和地下连续墙断面，其施工顺序为先施工三轴水泥搅拌桩、打入型钢、施工围檩和前后H型钢的连系梁。采用3 道钢筋混凝土支撑，挖深为15.20 m，位于K3+841.72～K3+883.0里程桩号。在挖深最深断面（挖深为18.5 m），采用壁厚为1 000 mm的地下连续墙，设有3 道钢筋混凝土支撑和3 道钢支撑。紫金港隧道位于杭州的城西，分布在软土区域，土层的主要物理力学性能参数见表1所示。

表1 土层主要物理力学性能参数

2 隧道主体结构受力及围护结构深层侧向位移分布[1,2]

2.1 隧道结构弯矩分布

图1为紫金港隧道围护结构和主体结构典型断面图，我们采用地层结构法对SMW工法桩断面和隧道埋置最深断面进行全过程施工分析，可得到隧道主体结构的弯矩（kN·m/m）分布，分别见图2和图3所示，由于隧道侧墙和中墙对顶板的约束作用，受到顶板上覆土重和地面荷载传递的作用，顶板弯矩呈W形分布。而对于底板，上部填土覆重和隧道结构自重主要通过中墙传递至底板，底板下部受到坑底地基土体的抗力，而底板侧墙转角处变形受到地下连续墙的约束作用，因此隧道底板在中墙处竖向位移最大，隧道底板结构最大弯矩出现在隧道中墙对应的底板处。但当隧道埋深较浅时，隧道底板弯矩呈W形分布（SMW工法桩断面），当隧道埋深较深时，底板弯矩呈V形分布，底板两侧弯矩内侧受弯。这与地层结构法计算结构相反，经分析，这是由于围护结构的侧向约束造成的，这对隧道结构进行配筋计算时尤为重要，否则可能导致隧道底板外侧开裂。

图1 隧道围护结构及隧道主体结构

图2 SMW工法桩处隧道结构弯矩分布

图3 隧道埋深最深处隧道 结构弯矩分布

2.2 围护结构深层侧向位移分布

SMW工法桩断面基坑挖深15.50 m，采用2 道混凝土支撑，桩长28 m，因轨交5号线与紫金港隧道斜交，因此，与隧道轴线垂直的断面两侧围护结构型式不同，一侧为SMW工法桩，另外一侧为地下连续墙，整个施工过程围护结构侧向位移监测结果见图4，SMW工法桩侧的最大侧向位移为27.6 mm，发生在深12 m附近，最大侧向位移为基坑挖深的1.78‰；地下连续墙侧的最大侧向位移为25.3 mm，发生的位置与理论计算较接近，均在深10 m位置附近，最大侧向位移为基坑挖深的1.63‰。

在采用地下连续墙基坑挖深的最深断面，挖深为18.5 m，地下连续墙长度为36.50 m，该断面施工过程中侧向变形见图5所示，最大侧向位移的实测值为44.8 mm，发生的位置较为接近，大约在15 m深处，最大侧向位移为基坑挖深的2.42‰。

图4 SMW工法桩断面竖向围护结构侧向变形

图5 地下连续墙侧向位移沿深度变形

3 结语

本文以杭州紫金港隧道为工程背景，对隧道明挖法的典型断面结构受力及围护结构变形进行分析得出：

（a）当隧道埋置较深时，由于竖向围护结构的侧向约束作用，导致隧道结构底板两侧内侧受弯，这与传统的采用荷载结构法计算结果相反。因此需要采用地层结构法的断面结果对隧道结构配筋进行复核。

（b）基坑围护采用SMW工法桩的断面，最大侧向位移占基坑开挖深度1.78‰，地下连续墙侧则为1.63‰；在基坑开挖深度最大、采用地下连续墙作围护的断面，围护结构最大侧向位移占基坑开挖深度的2.42‰。围护结构侧向变形较小，说明基坑的安全性远远满足要求。