紫之隧道下穿五浦河关键节点设计分析

2015-12-20许原骑刘长宝章立峰

西部探矿工程 2015年7期

关键词：围堰导流标高

陈　娟,许原骑,刘长宝，章立峰

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014)

紫之隧道下穿五浦河关键节点设计分析

陈娟*,许原骑,刘长宝，章立峰

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014)

明挖隧道下穿河道时，为保证河道的防洪排涝功能，需要对河道进行临时导改。以杭州紫之隧道下穿五浦河节点为例，介绍了隧道的围护及导流渠围堰的方案，并对围堰安全性、稳定性进行验算分析，最终通过监测数据验证设计方案的可行性。

明挖隧道；围堰；钢板桩；导流渠

随着城市地下工程的不断发展，特别是在水系发达的江南地区，明挖隧道下穿河道的情况越来越多，为了保证水系的完整性，不影响河道的防洪、排涝功能，需要进行临时河道导流[1～3]。本文以杭州市紫之隧道工程为例，经过多方面综合对比确定了隧道下穿五浦河节点的基坑围护及围堰设计方案，并通过实际监测数据对方案的进行验证。

1　工程概况

杭州紫之隧道工程位于杭州市西湖区，北端起自天目山路以北紫金港路，沿紫金港路下穿至西溪路，进入山岭区域灵竺景区，向西绕至大清谷生态区、至梅家坞景区出山岭区，继续向东下穿之江路、五浦河，终于之浦路，全长13.9km，全线含三座暗挖隧道、二座高架连接段、南北接线为地下隧道。

其中下穿五浦河段位于隧道南段，距离在建国际金融会展中心用地红线约20m，与五浦河斜交，总长约72m,受线路纵坡影响，此段覆土较浅，暗挖风险极大，最终采用技术可靠、风险相对较小、施工简单的明挖法施工，基坑开挖深度为12m，宽度为12.5m。隧道下穿五浦河节点位置见图1。

图1　隧道下穿五浦河节点位置图

2　工程地质及水文条件

2.1工程地质

五浦河河底土层主要为:①-3层土，塘泥，厚度0.65m，灰色，流塑状淤泥，多含有机质；③-a层，砂质粉土，厚度3.4～4.8m，黄灰色，稍密，湿—很湿；⑤层，淤泥质粉质粘土，厚度17.6m，灰色，流塑；⑥层，含粘性土碎石（夹砾砂层），厚度4.2m，灰黄色，中密，饱和；(12)-1层，全风化泥质粉砂岩，厚度1.6m，紫红色，成粘性土状；(12)-3层，中等风化泥质粉砂岩，厚度9.6。主要地层物理力学参数见表1。

2.2水文条件

五浦河为钱塘江水系上泗片区内一条山溪性河流，是转塘镇、之江度假区及周边山区的防洪排涝河道，河道类别为Ⅲ类，河道来水主要为天然降水，在汛期和枯水期水位变化较大。

隧道过河段处于珊瑚沙景观水闸和九溪闸上游，也处于之江国家旅游区内，珊瑚砂大桥下游300m处为新建的珊瑚沙景观水闸，设计常水位为5.50m；再往下游约2km处为九溪闸，主要作用为防止潮水倒灌。

表1　主要地层物理力学参数表

现状五浦河断面为复式断面，主河槽采用石笼网箱直立挡墙，石笼顶标高约为5.5m,主河槽宽40～42m,河道全断面宽度50～60m，现状河底标高3.7m，左岸标高8.5m，右岸标高9.0m。规划河底标高2.2m,设计底坡0.017%,常水位5.5m,20年一遇洪水位7.5m。

3　下穿五浦河段节点方案设计

3.1设计难点

本工程设计难点主要有：

（1）工期紧，五浦河为防洪排涝河道，在整个施工期不允许断流，且河道的导改需要在汛期到来之前完成。

（2）施工场地受限，五浦河北侧为之江路，交通繁忙，南侧为在建国际金融会展中心，河道驳坎与会展中心用地红线仅20m宽，河道导改场地狭小。

（3）地质复杂，隧道开挖范围内影响土层分别为淤泥质土、含粘性土碎石、全风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。

3.2基坑围护方案

由于受环境条件制约，结合本工程的特点，明挖隧道可以选择的围护型式为地下连续墙、钻孔桩+止水帷幕、工法桩。主要从方案的可行性、技术难度、风险控制、工期、经济型等方面进行分析。围护结构比选见表2。

通过综合比选，最终确定选用止水效果好、围护结构刚度大的地下连续墙。墙厚0.8m、深18.95～29.86m，竖向设三道支撑，第一道800mm×800mm钢筋混凝土支撑，第二、三道均为Ø609mm（壁厚16mm）钢管支撑。

坑内采用Ø800mm@600双轴搅拌桩抽条加固，坑底以上为弱加固，坑底以下3m为强加固。见图2。

表2　围护结构比选表

图2　基坑与围堰横相对位置图（单位：mm）

3.3围堰设计

3.3.1围堰选型原则

（1）安全可靠，能满足稳定、抗渗、抗冲要求；（2）结构简单，施工方便，易于拆除并能利用当地材料及开挖渣料；（3）堰基易于处理，堰体便于与岸坡或已有建筑物连接；（4）在预定施工期内修筑到需要的断面及标高，能满足施工进度要求；（5）具有良好的技术经济指标。

3.3.2工程案例

近几年，隧道下穿河道在围堰型式的设计中也摸索出许多成功的经验，成功案例众多，表3列举了国内近几年类似工程的围堰选型。

3.3.3五浦河围堰选型

以“不改变河道原有排洪能力”为基本设计理念来进行本工程下穿五浦河节点围堰设计。临时河道导改至五浦河南岸，受在建国际金融会展中心的影响，河道必须进行压缩，采用导流渠导流方式，分期施作过五浦河段明挖隧道。因此，根据杭州市水文气象和五浦河地理位置，钱塘江潮汐特征，该段隧道主体工程选择在枯水季节完成施工，在驳坎与会展中心用地红线20m宽度范围内，设置10m宽矩形导流渠，满足枯水期过流能力。

表3　国内隧道工程围堰选型案例

围堰型式须选择断面较小且对地基承载力要求较低的拉森钢板桩围堰。导流渠北侧围堰采用3m宽双排拉森钢板桩结构，中间采用粘土回填，导流渠南侧采用单排拉森钢板桩结构，围堰顶标高为9.00m，流水地面标高为3.7m。

为防止渠底冲刷和拉森钢板桩变形，导流渠底部采用50cm厚C25砼底板，设双层钢筋网片；侧面采用30cm厚的钢筋砼墙，设双层钢筋网片；顶部采用600mm×600mm冠梁和支撑，支撑间距为3.5m。流水进出口底板采用钢筋砼趾墙，导流渠流水进出口和下游两岸均采用石笼网箱，防止冲刷。导流渠平面、剖面见图3、图4。

图3　导流渠平面图

图4　导流渠剖面图（单位：mm）

3.3.4围堰稳定性验算

对围堰入基深度进行复核及在拟定堰体宽度（3.0m）下验算围堰抗剪、抗倾、抗滑等稳定问题。

（1）入土深度复核。入土深度复核主要为复核钢板桩入土深度是否满足要求（图5），计算公式如下：

图5　抗倾覆验算示意图

式中：Ep——主动侧土压力；

Hp——主动土压力离O点的距离；

Ea——被动侧土压力；

Ha——被动土压力离O点的距离；

Ew——主动侧水压力；

Hw——主动水压力离O点的距离；

取内排桩计算，主、被动土压力合力对最下道钢拉杆安装点的力矩分别为MA=10601.9kN·m，Mp= 33960.9kN·m。考虑两排钢板桩分别承担一半水头，计算出水压力对对钢拉杆安装点的力矩为Mp= 286.9kN·m，得到F=3.12，大于允许值，钢板桩入土深度满足要求。

（2）抗剪稳定。抗剪稳定采用下列Terzaghi公式进行计算：

式中：M——外力对基面的力矩，主要为水压力荷载等对基础面的力矩；

Eg——围堰中心线上的压力，主要包括堰体内回填中粗砂重、堰顶活荷载(本工程暂不考虑堰顶荷载)；

B——堰顶宽度，B=3.0m；

φ——填土的内摩擦角，φ=35°。

经计算，围堰K剪为2.86，大于0.7，满足要求。

（3）抗倾稳定。抗倾稳定公式为：

式中：G——堰体每延米重；

B——堰顶宽度，B=3.0m；

T——每延米钢板桩与基土的摩阻力，T=L×qsik，L为钢板桩入基础深度，qsik为桩与土体间的极限摩阻力，保守考虑，qsik取各土层中的相对最小值；

M——外力对基面的力矩，主要为水压力荷载等对基础面的力矩。

经计算，K倾=5.24，大于1.4，满足要求。

（4）抗滑稳定。抗滑稳定公式为：

式中：G——堰体每延米重；

f——基础滑动摩擦系数；

S——每钢板桩的抗剪力，S=Aτ，A为每延米钢板桩的断面积，τ为桩的极限抗剪强度；

Ef——围堰整体所受土压力；

ES——围堰整体所受水压力。

经计算，围堰K滑分别为65.24，大于1.4，满足要求。

4　监测数据分析

工程实施过程中，对基坑围护结构及钢板桩围堰进行全程跟踪监测。开挖第一层土方连续墙最大变形9.13mm，开挖第二层土方最大变形为15.45mm，开挖至坑底时最大变形为24.47mm。施工完成后，钢板桩围堰最大水平位移出现在顶部，且最大值为10.17mm，均在可控范围内，保证了河道导流及明挖隧道施工的安全性。