隧道超浅埋曲线段与高速公路斜交设计研究

侯立勋，黄 俊，张忠宇，陈喜坤,*，俞蔡城,苏宇宸

(1.南京市公共工程建设中心，南京 210019； 2.苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

大中城市新建道路与既有高速公路相交工程多采用下穿方案[1]，由于施工工法复杂、环境保护要求高、不允许截断交通等条件的制约，下穿节点往往成为影响项目工期和造价的重要因素。

目前，类似下穿工程可采用的工法通常包括明挖法和暗挖法。明挖法施工工艺简单，风险较小，往往可以通过修建临时便道保证高速公路的畅通，如南京马高路下穿沪宁高速公路节点工程；暗挖法包括浅埋暗挖法[2-4]、管幕法[5-6]、顶推法、顶管法[7]。不同施工方法在沉降控制、造价、工期、安全性等方面皆有所差异[8-9]，施工设计中应根据具体项目特点进行合理的选择。

顺天大街是连接南京主城与仙林福城、东山福城的快速通道，其快速化改造工程对改善城东片区居民出行、促进南部新城及东南片区发展、完善市域快速路网体系、提升城市形象具有重要作用。该项工程中，下穿沪宁高速公路南京连接线是重要节点之一，面临着曲线斜交且覆土深度小等一系列工程难题，本文对其设计过程和施工方法进行研究，确立了适用于该节点的施工方法，为类似下穿工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 地理位置

南京市顺天大街快速化改造二期工程起点位于顺天大街与石杨路交叉口，终点接沪宁高速公路南京连接线(以下简称“沪宁连接线”)，主线按快速路标准设计，设计时速60 km/h。

1.2 总体设计

为满足沪宁连接线与顺天大街车辆互通需求，项目在沪宁连接线处采用分离式隧道，其中，左线隧道下穿沪宁连接线，用于沪宁连接线车辆左转至顺天大街。同时，为了满足顺接要求，采用了半径R=265 m的曲线，下穿段与沪宁连接线夹角约20°，总长约112.7 m，位于中山陵景区附近，其平面布置如图1所示。

图1 下穿沪宁高速公路连接线节点平面布置

下穿高速公路后，需将路面标高短距离内抬至高速路面标高处，因此，下穿节点采用超浅埋，北侧覆土最小位置约2.6 m，南侧覆土最大位置约4.1 m，纵向坡度从4%渐变至0.9%，其纵断面如图2所示。

图2 下穿沪宁连接线节点纵断面

左线下穿隧道设计为单洞两车道，建筑限界高度4.5 m，限界宽度为：2×3.75+2×0.5+2×0.25=9 m，具体如图3所示。

图3 下穿沪宁连接线节点建筑限界

1.3 工程地质

隧道下穿地层主要为⑤-1、⑤-2及少量⑤-2A，其地层描述信息如下：

⑤ -1强风化角砾岩(K2p)，呈紫红色、浅棕褐色，岩芯主要为砂砾土状，致密坚硬，碎屑结构，层理构造，原岩结构大部分破坏，工程地质条件一般。

⑤ -2中风化角砾岩(K2p)，呈紫红色、浅棕褐色，岩芯为短柱状、碎块状，碎屑结构，层理构造，工程地质条件较好。

⑤ -2A中风化砂质泥岩(K2p)，呈浅紫红色、砖红色，泥质结构，层理构造，泥质胶结程度较高，岩芯为短柱状，手掰不易碎，灰刀切割不易，浸水易软化，失水变硬，工程地质条件介于一般与较好之间。

1.4 关键问题

顺天大街下穿沪宁高速公路南京连接线工程施工主要面临如下问题：

(1) 沪宁连接线交通量较大，要求施工中不能阻断交通。

(2) 节点覆土少，施工中应采取措施避免影响沪宁连接线正常运营。

(3) 下穿节点邻近中山陵风景区，考虑园区管理要求，施工中不允许爆破开挖，以免产生噪音污染，同时，不能大面积损坏植被、排放污水。

(4) 节点工期应满足项目总体工期要求，施工进度需有保障措施。

2 下穿方案

论证认为，该工程不具备修建临时匝道的条件，因此，不适宜采用明挖法施工；因下穿段距离短、经济性差，故排除盾构法；顶管法无法适应小半径曲线顶进，尽管可以通过扩大断面宽度改曲线段为直线段，但断面宽度将超过20 m，尚无该种大直径顶管机，也不适用。因此，本项目主要针对浅埋暗挖法和管幕法进行详细设计比选。

2.1 浅埋暗挖法

浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法。在城镇软弱围岩地层中，浅埋条件下修建地下工程，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，通常以格栅(或其他钢结构)和喷锚作为初期支护手段，按照十八字原则进行施工[10]。

2.1.1 横断面设计

为保证结构安全，横断面设计初支厚度0.3 m，二衬厚度0.6 m，断面外包尺寸12.8 m×8.2 m，侧墙采用拱形结构，以减少侧向土压力引起的结构变形，具体如图4所示。

图4 横断面设计(单位:mm)

2.1.2 支护形式选取

由于项目条件复杂，沉降控制等级较高，且邻近中山陵景区，高速公路下方拟采用直径159 mm大管棚配合直径42 mm注浆小导管作为超前支护，高速公路北侧接敞开段区域采用钢筋混凝土护拱，以满足浅埋暗挖法进洞施工要求。初期支护采用径向锚杆和钢筋网及型钢支护，二次衬砌采用60 cm 的C40钢筋混凝土，主要参数如表1所示。

表1 隧道复合式衬砌设计参数

为保证施工安全，并适应曲线线路需求，大管棚超前支护设计如图5所示。其中，沪宁连接线北侧为梯型钢筋混凝土护拱，护拱与大管棚刚性接驳，可采用焊接或将钢筋插入管棚内进行连接。护拱下方施作15根φ800钻孔灌注桩以支撑护拱结构。大管棚覆盖整个斜穿隧道区域，大管棚由下方44根长30 m钢管和上方56根长82 m钢管组成，间距0.25 m，在沪宁连接线北侧增设护坡，以保证施工期间高速公路的边坡稳定。沪宁连接线北侧隧道横断面如图6所示。护坡设计长度为24.8 m，采用钢筋混凝土结构；导向墙采用C20混凝土，厚度为80 cm。

图5 大管棚及护拱平面设计(单位:m)

图6 隧道典型横断面

大管棚纵断面如图7所示。其中，大管棚与水平方向夹角取为1.1°，护拱段取为2°，二者交接长度为2 m，以保证结构的整体性。

图7 大管棚及护拱纵断面(单位：m)

2.1.3 计算校核

(1) 计算模型

针对沪宁连接线下穿节点暗埋段，选取覆土厚度最小断面，即覆土厚度为2.6 m处断面，计算分析隧道开挖引起的地表变形。

土体采用摩尔-库伦(M-C)弹塑性本构模型。左右各取隧道直径的4倍(约50 m)，在竖向向下取隧道高度的2倍(约20 m)，向上取至地表进行模拟。初支、中隔墙、临时横撑采用板单元模拟，模型网格如图8所示。

图8 下穿沪宁连接线节点数值计算模型

(2) 计算结果分析

计算结果如图9及表2所示。

图9 计算结果云图

类型地表垂直位移/mm地表水平位移/mm结构垂直位移/mm结构水平位移/mm轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)最大值9.434.235.352.06587.3226.179.45

计算结果表明：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，均满足相关规范和工程经验要求。

2.2 管幕暗挖法

管幕暗挖法是利用微型顶管技术在拟建的地下建筑物四周顶入钢管或其他材质的管子，钢管之间采用锁口连接并注入防水材料，形成水密性地下空间，然后在管幕的保护下，对管幕内土体加固处理后，边开挖边支撑，直至管幕段开挖贯通，再浇注结构体；或者，先在两侧工作井内现浇箱涵，然后边开挖土体边牵引对拉箱涵[11]。

因管幕施工无法适应小半径曲线，故采取扩大断面宽度，改小半径为大半径或直线的方法。由此，设计了两种管幕法施工方式，分别为直线管幕和曲线管幕。

2.2.1 直线管幕

直线管幕平面设计如图10所示，管幕段总长162.7 m。右侧工作井尺寸为34×15 m，左侧工作井尺寸为34×8 m。

图10 直线管幕平面(单位：m)

直线管幕横断面如图11～12所示。扩大断面宽度后，断面尺寸由11.5 m变为29.2 m，管幕采用φ800@10钢管，共布设84根。

图11 横断面示意(单位：mm)

图12 管幕横断面示意(单位：mm)

2.2.2 曲线管幕

曲线管幕平面设计如图13所示。管幕顶进曲线半径由265 m增大至508 m，管幕段总长165.5 m；左侧工作井尺寸为21.4×6.6 m，右侧工作井尺寸为21×11.6 m。

图13 曲线管幕平面

扩大断面宽度后，断面尺寸由11.5 m变为15.3 m，管幕采用φ800@10钢管，共布设54根，如图14～15所示。

图14 横断面示意(单位：mm)

图15 管幕横断面示意(单位：mm)

2.2.3 管幕连接

钢管连接如图16所示，钢管之间采用角钢连接，角钢尺寸为100×80×10 mm。连接处空隙内部采用水泥浆充填防水，必要时辅助冻结法施工。

图16 钢管连接示意(单位:mm)

2.3 方案比选

从施工安全、交通影响、施工难度、施工工期、工程造价等方面进行比选，确定最佳工程方案。

(1) 施工安全

浅埋暗挖法施工案例多，工艺成熟，施工中控制措施多样，可以有效降低高速公路的路面沉降，施工风险较小；管幕暗挖法需进行浅覆土钢管顶进施工，施工作业时间长，对高速公路的结构安全影响相对较大。

(2) 施工难度

浅埋暗挖法相对容易，而管幕法往往出现钢管连接问题，导致水土渗漏，从而导致地表沉降超限。

(3) 施工工期

管幕法施工需先顶进钢管，随后在管幕保护下进行开挖施工，施工工期约为浅埋暗挖法的两倍。

(4) 施工造价

管幕法施工扩大了断面跨度，增加了约一半的混凝土用量和土方开挖量，此外，需在两侧挖设工作井，其中南侧工作井位于中山陵某山丘处，开挖难度较大，费用远大于浅埋暗挖法。

通过以上对比可知，浅埋暗挖法在施工难度、施工工期和工程造价等方面均具有一定的优势，建议案例工程采用该方法施工。

3 关键点分析

3.1 施工工序

为保障开挖面稳定，采用CRD法分台阶开挖，循环进尺长度控制为一榀的距离0.6 m。施工工序如图17所示。

3.2 安全保障

(1) 严格遵循十八字方针。施工中应严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的要求。

(2) 加强监控量测。下穿沪宁连接线工程重要程度高，施工中应加强监控量测，及时发现工程隐患，该工程在地表80 m范围内布设了15个沉降测点，施工中进行实时分析和预警。

(3) 制定应急措施。施工中应做好应急预案，制定地表沉降超限的处置措施，如注浆等。

(a) 施作初期支护，钢架支撑下施作大

管棚，并注浆加固周围土层，开挖洞室Ⅰ (b) 台阶法开挖洞室Ⅱ，施作初期支护 (c) 台阶法开挖洞室Ⅲ，施作初期支护

(d) 开挖洞室Ⅳ，施作初期支护 (e) 根据监测情况，纵向分段拆除临时支撑 (f) 敷设防水层，施作二次衬砌及内部结构

图17CRD法施工工序

4 结论

以南京市顺天大街快速化改造二期工程为依托工程，开展了浅埋斜交条件下城市道路下穿高速公路设计与施工方法研究，得出如下结论：

(1) 浅埋斜交条件下下穿高速工程中浅埋暗挖法和管幕法均有一定的适用性，具体选取时，应进行详细的方案比选。

(2) 确定浅埋暗挖法为本项目的推荐方案。相较于其他方案，浅埋暗挖法在沉降控制、施工难度、施工工期和工程造价等方面均具有一定的优势。

(3) 浅埋暗挖法应采取φ159大管棚并配合小导管进行超前支护，严格按照十八字方针进行施工管理，并做好相应的应急预案。