城市地下立交设计施工关键技术

许艳林

（天津市翔泰市政公路工程设计有限公司,天津市 300384）

城市地下立交设计施工关键技术

许艳林

（天津市翔泰市政公路工程设计有限公司,天津市 300384）

以大连南部滨海大道东端桥隧工程为例，主要介绍了大型城市地下立交的结构型式、平面分岔结构，以及隧道的整体设计及施工关键技术。该隧道特有的超大断面、大断面与明挖箱涵连接，明挖箱涵与双连拱隧道等特殊结构型式在我国隧道建设中均属罕见，可为我国其他地区同类工程提供参考。

地下立交；大跨度分叉隧道；明挖箱涵；双连拱隧道；超大断面

0 引言

交通是城市系统的重要组成部分，在城市的发展过程中有着不可替代的作用。然而，随着经济的快速发展和城市化进程的不断推进，城市交通日益恶化，特别是城市交通建设用地紧缺已经成为制约城市发展的重要因素。要实现城市交通的可持续发展，既要解决经济迅速发展带来的城市交通需求急剧增长的压力，又要求城市交通建设尽可能地少占用宝贵的城市建设用地。因此，城市交通的发展不应当局限于一维的地表平面，而应当从三维立体的角度来发展，通过发展立体交通系统来缓解城市交通建设用地紧缺的问题[1]。对一些大型城市而言，交通量特别巨大，交通系统极其复杂，地价十分昂贵，再加上城市财力雄厚，就非常有必要发展地下交通。城市交通空间布局的形成是随着城市发展而不断发展的，其基本的演化过程就是由地表向地下转变。城市地下交通占用的是城市地下空间，不会占用城市地表用地，节省了城市土地资源。这对于缓解城市用地紧张的现状具有极大的现实意义。分岔立交隧道为一种新的隧道建设型式，一般由4车道大跨度隧道或连拱隧道逐渐过渡到上下行分离式双洞隧道，因此它同时具备超大跨度隧道、连拱隧道、小净距隧道、地下空间立体交叉[2，3]隧道等多种结构型式隧道的特点。作为一种新的隧道建设型式，目前国内尚不多见，缺乏可供参考的设计、施工经验。地下立交虽然可以减少用地，但其具有结构复杂、隧道开挖断面大[4]、结构型式多、各类型断面过渡施工复杂等难点，合理解决上述难题，是城市地下立交设计的关键。

1 立交功能定位

立交主要解决特大桥梁接线及与既有或规划路网的衔接，发挥交通疏散功能，提高道路的运营效率。一般地面立交在主干路交叉时选用全互通式立交，而地下立交由于建设成本、施工风险、地质条件、现状地上（地下）构筑物、运营风险等因素的制约，一般仅解决主要车流方向的疏导。

大连南部滨海大道东端桥隧工程隧道段主线按城市快速路标准3车道设计，设计车速60 km/h。起点接星海湾跨海大桥东引桥终点处。隧道穿越迎客山，向北至白云雁水附近山体主隧道分叉：一支向北至胜利路，终于东北路与胜利路交叉处，向北连接东北路高架桥；一支向东至长春路，近期修建道路、桥梁接入东北路，远期设置互通立交与长春路、规划南部通道相接。东北路为大连市南北贯通的城市快速路，南部通道为大连市规划的一条快速路。该隧道工程主要功能是“增加南北通道，完善交通功能；利用地下空间，解决与规划东西快速路的衔接”。图1为南部滨海大道东端桥隧建设工程平面总图。

2 工程概况

南部滨海大道东端桥隧建设工程主线路线全长3.88 km，其中隧道段3.0 km（以双洞计）。长春路支线隧道长740 m（以双洞计）,工程入口为分离式双洞，单向3车道，在森林动物园白云雁水山体附近由2个单向3车道隧道分为4个单向2车道隧道。其中：2条单向2车道隧道向北在白云山隧道北口接入拓宽后的东北路；另外2条单向2车道隧道向东在话剧院西侧山体穿出后与东北路相接。

图1 南部滨海大道东端桥隧建设工程平面总图

工程超大跨度分岔立交隧道段（见图2）穿越地层围岩级别以Ⅳ、Ⅴ级为主，主要为中风化石英岩夹板岩。主线隧道为分离式，由单洞单向3车道经由暗挖超大跨度隧道变宽段、明挖箱涵段、双连拱隧道段及小净距隧道段变为双洞单向2车道。其中：暗挖隧道变宽段建筑限界宽14.75～18.7 m，高5 m，最大开挖跨度为22.5 m，最大开挖断面面积为266.2 m2，暗挖隧道开挖顺序为由大到小。该段隧道支护结构采用三层复合式衬砌结构：初期支护由型钢拱架喷射混凝土及锚杆组成，二次衬砌采用格栅拱架喷射混凝土结构，三次衬砌采用钢筋混凝土结构。隧道两车道建筑限界宽10 m、高5 m。该双连拱隧道段开挖跨度由25.1 m渐变至28 m，长度26.5 m，后接小净距隧道段、空间立体交叉段及下穿防空洞段。该段隧道支护结构采用复合式衬砌方案。初期支护由型钢拱架喷射混凝土及锚杆组成，二次衬砌采用钢筋混凝土结构。隧道中隔墙设计采用复合式曲中墙，中隔墙厚度由2 m渐变至4.9 m（含两层二衬厚度，每层0.55 m）。

图2 隧道工程主体平面图

3 结构设计及施工

3.1 明挖基坑部分

该工程中隧道在白云雁水山体附近形成分岔，该处断面最大宽度达到30 m。该种断面属于超大断面地下结构，设计难度大、风险高。利用白云雁水处埋深较浅的特点，将分岔点即超大断面设置在此处，配合基坑及箱涵结构，将超大断面隧道变暗挖为明做，以降低施工难度。具体思路是：两条主线分岔位置设置在白云雁水泄洪道范围内，设置两个超大基坑，基坑长74 m，宽31 m，最大开挖深度34 m，最小开挖深度21 m，在基坑向两个方向施工暗挖隧道。图3为基坑平面布置图，图4为基坑剖面图。

图3 基坑平面布置图

图4 基坑剖面图

基坑采用放坡开挖，辅以喷锚复合土钉墙支护，从现状地面向下分5次开挖，每层开挖5 m直至基坑底，每开挖一级在坡面进行32全长黏结型锚杆以及3×7S15.2锚索的施工。锚杆布置的原则为竖、横向间距1.2 m，锚索布设原则为竖、横向间距4.8 m和3.6 m。每步开挖须待上一级开挖坡面土钉墙与锚索施工完毕后方能继续，基坑施工完毕后南北两侧坡面分别进行隧道开挖施工。基坑开挖现场施工实景见图5。

图5 基坑开挖现场施工实景图

3.2 大跨度箱涵部分

箱涵采用C45钢筋混凝土框架结构，为减少箱涵上覆土荷载，采用了上下双箱结构。东线箱涵顶板厚度1.6 m，中隔板厚度1.2 m，侧墙厚度2.2 m，底板厚度1.6 m，封堵墙厚度1.5 m；西线箱涵顶板厚度1.3 m，中隔板厚度1.0 m，侧墙厚度2.2 m，底板厚度1.6 m，封堵墙厚度1.5 m。大跨度箱涵如图6所示。

图6 大跨度箱涵实景图

3.3 超大跨度暗挖隧道

根据分岔处大断面尺寸，暗挖隧道最大开挖宽度为22.5 m，开挖高度为15.2 m，最大开挖断面面积为266.2 m2。考虑到大型机械设备施工，同时结合现场实际施工情况，加快施工进度，最终基于实际围岩条件，隧道开挖采用双侧壁+临时横撑法。施工工序如图7所示，图8为施工现场。

图7 双侧壁+临时横撑法

图8 超大断面双侧壁法施工

结合实际地质条件，经过结构二维、三维数值模拟计算分析，为了保证超大断面市政隧道在施工过程中的稳定性，设计中拟采用双层初期支护型式。为了经济、安全，需要考虑承载力、施工工艺等因素，并对初期支护的厚度和型式等进行研究。初期支护拱架定为I25b工字钢，二次衬砌为格栅拱架结合喷射C30混凝土，三次衬砌采用钢筋混凝土结构。超大断面市政隧道工程建设中，要保证分步开挖、支护等施工过程中，以及施作二衬前、拆除初期支护后大断面隧洞的整体稳定性。隧道采用双侧壁+临时横撑法施工开挖过程中，经现场监控量测，支护结构内力及变形均在规范容许范围。图9为该段完工实景图。

图9 暗挖大断面隧道

3.4 连拱隧道部分

该连拱隧道采用复合式曲中墙支护方案。初期支护由型钢拱架喷射混凝土及锚杆组成，二次衬砌采用钢筋混凝土结构，中隔墙厚度由2 m渐变至4.9 m（含两层二衬厚度，每层0.55 m）。

连拱隧道段施工采用中导洞+两侧台阶法开挖。为减小左右洞施工过程对中隔墙的影响，采取了墙侧面回填和临时木支撑的辅助措施。施工工法如图10所示。施工过程：第1步开挖中导洞一次性贯通（中导洞、左右洞每循环开挖进尺均为2 m）；第2步浇筑中隔墙，混凝土达到强度后施作中隔墙后行洞一侧临时木支撑；第3步开挖先行洞上台阶，同时回填中隔墙先行洞这一侧；第4步开挖后行洞上台阶；第5步开挖先行洞下台阶；第6步开挖后行洞下台阶至连拱隧道贯通。

图10 双连拱隧道施工工序

从施工过程来看，连拱隧道复合式曲中墙结构从结构自身的稳定及防水性能方面都得到了满足。图11、图12为完工后的工程照片。

图11 双连拱隧道施工实景

图12 连拱隧道与箱涵相接处

3.5 隧道空间立体交叉部分

第一处交叉位于主线隧道东线下穿支线隧道北线。两隧道均为新建，设计时采用先施工下方隧道（主线东线），当进尺不小于30 m且支护全部完成后（见图13）再施工上方隧道（支线北线），上下隧道均将围岩降级加强支护设计，均采用带仰拱断面型式。支线北线隧道施工时亦应采取短进尺、微爆破控制技术，并加强监控量测。目前，该空间交叉段施工已顺利完成，上方隧道施工过程对下方隧道影响较小。

3.6 理论分析与实践

根据围岩地质条件、开挖跨度及地应力场水平等影响因素选取计算范围。该双连拱隧道最大开挖跨度为22.5 m，开挖高度14.7 m。有限元模型计算范围在水平方向边界距建筑外边线80 m，竖直方向下边界取距建筑外边线50 m，上边界取至地表（隧道顶板覆土17 m）。超大跨度隧道三维计算模型如图14所示，隧道位移计算结果如图15、图16所示。

图13 主线东线和支线北线空间立体关系图

图14 双侧壁法计算模型

图15 隧道围岩竖向位移云图

图16 隧道围岩水平向位移云图

结合实际地质条件，经过结构三维数值模拟计算分析，为了保证超大断面隧道在施工过程中的稳定性，设计中拟采用双层初期支护型式。为了经济、安全，需要考虑承载力、施工工艺等并对初期支护的厚度和型式等进行研究。经过反复优化对比，最终将初期支护拱架定为I25b工字钢，二次衬砌为格栅拱架结合喷射C30混凝土，三次衬砌采用钢筋混凝土结构。

大跨度隧道段EK1+799断面围岩位移监测结果如图17、图18所示。将位移监测结果与数值分析结果对比可以看出，数值分析结果与现场实际监测值较接近，大跨度隧道段施工期间拱顶沉降控制在4～6 mm以内，边墙收敛控制在8～11 mm以内。

图17 大断面隧道拱顶沉降曲线

图18 大断面隧道边墙收敛曲线

超大断面隧道不但需要保证分步开挖及支护过程中围岩及结构的稳定性，还需保证拆除初期支护后、施作三次衬砌前断面及隧道运营期间结构的整体稳定性。从对暗挖超大断面隧道开挖全过程的现场监控量测情况来看，隧道采用双侧壁+临时横撑法施工开挖，采用三层支护结构的方案，满足了隧道施工期间及后期运营中的安全稳定性要求。

4 结语

地下立交作为一个系统工程，设计中应充分考虑结构安全性、施工可行性以及运营期间的有效性，以确保地下立交的结构安全和运营安全。

（1）地下立交一般紧邻特大桥梁，洞口地形条件差，施工场地狭小。

（2）地下立交的设置需考虑的因素较多，通常难以实现真正意义上的全互通立交，但可以解决主要的交通问题，克服地面立交难以克服的展线、拆迁、征地等难点。

（3）隧道地下立交工程结构复杂，工程风险大，建设费用高，但在成熟的城市环境中，在不破坏既有地面规划的条件下，地下立交工程很大程度上解决了城市局部交通拥堵问题，因此，随着地下立交建设技术的成熟，将为城市发展提供新的思路。

[1]胡学兵.地下立交设计施工关键技术研究[J].公路隧道，2012，77（3）：1-5.

[2]毕强，吴金刚.大跨度分岔式隧道结构设计关键技术研究[J].隧道建设，2011，31（6）：668-677.

[3]李术才,王汉鹏.分叉隧道稳定性分析及施工优化研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（3）：447-456.

[4]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

成贵铁路大方隧道顺利贯通

成贵铁路全线6个一级管理风险隧道之一的7 130 m大方隧道近日顺利贯通。该隧道位于成贵铁路大方至黔西区间，设计为双线，地质复杂，施工过程穿越岩溶、断层破碎带及矿窑矿碴多种不良地质带，时常遭遇大型溶洞、涌水、突泥的风险。特别是隧道进口段3 030 m和平行导洞2 025 m，下穿杭瑞高速和大片居民区，安全风险大，施工难度高，沉降变形要求严，80 m长管棚导向控制精度高，是成贵铁路重难点控制工程之一，施工备受各方关注。

U45

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1009-7716（2017）10-0001-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.001

2017-05-23

许艳林（1977-），男，吉林伊通人，高级工程师，硕士，总工程师，主要从事桥梁与隧道工程设计和研究工作。