复杂条件下城市隧道工程设计

熊 勇

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060）

1 工程概况

广州市广花一级公路地下综合管廊及道路快捷化改造配套工程位于广州市北部，连接白云区、花都区，路线全长18.4 km。改造内容为拓宽现状双向6车道至双向8～10车道，同时在该道路地下布设综合管廊。快捷化改造标准为主线交通流连续的主干路，建设、改造11个交叉节点，包括在G106节点设置左转定向下穿隧道，夏茅客运站节点、X264节点设置广花一级公路主线跨线桥，新石路节点、江人路节点、塘贝北路节点及镜湖大道节点设置广花一级公路主线下穿隧道，平沙立交节点、北二环高速公路水沥立交节点增设南北向掉头匝道，江村大桥两侧设置掉头车道，雅瑶中路节点设置广花一级公路主线隧道加南往西定向匝道。

2 国道G106节点隧道工程现状分析

现状G106与广花一级公路呈T字交叉，斜交角度27.59°，见图1。G106现状双向6车道，中央绿化带6 m宽，车行道宽度2×12 m=24 m，道路总宽度46.5 m，规划为城市主干路，红线宽度60 m，设计速度50 km/h[1]。广花一级公路现状双向6车道，车行道宽2×14.5 m，中央绿化带6～8 m，地面以上为现状机场高速高架桥，桥下净空7～10 m。该节点北侧有一条自东往西方向的宽10 m的河涌，西南侧分布有少量2～4层建筑。东侧人行道下方有现状地铁110 kV高压电缆沟，该电力沟尺寸2.0 m×0.5 m，管顶标高+8.54 m；东侧绿化带下方，距离广花道路中心线36 m，布设有凯旋高压电缆隧道，该隧道管径3.6 m，管顶标高+3.85 m。

图1 G106节点现状平面图

经与广州市机场高速公路公司、广州市地铁总公司、广州市供电局有限公司等单位多次沟通，现状高架桥在开挖G106隧道基坑时，必须严格控制位移，以保证高架桥上下部结构安全；地铁电缆沟同时为地铁二、三、五、六号线等四条运营线供电，不存在迁改的可能；凯旋高压电缆隧道内敷设的电缆线路均为广州市北部片区主干线网，线路重要且复杂，也不存在迁改的可能。

3 隧道工程设计方案

3.1 总体设计

根据规划条件，广花一级公路为城市主干路，设计速度60 km/h。该段道路现状地面道路双向8车道，地面以上有机场高速高架桥，分别在地面道路中央及道路两侧设有桥墩，周边城市发展较快，两侧房屋密布。该节点现状交通拥堵的主要原因为G106节点东转南左转交通需要先右转再在广花一级公路上掉头实现，交通转换曲折迂回，且该方向交通流较大，车道变换交织长度不足。

根据现状交通需求及远期交通预测，为满足该节点东往南左转主流向需求，确保行车净空要求，避让机场高架桥墩，设计在东往南方向设置定向左转隧道。左转匝道平面线形受机场高速高架桥墩、西侧房屋建筑等因素制约，纵断面线形受隧道净空、机场高架桥下净空、地铁110 kV高压电缆沟、凯旋高压电缆隧道、匝道起止点标高限制等因素制约，综合征地拆迁、道路线形指标，设计方案利用节点以北及广花一级公路两侧的绿地空间布线，匝道设计速度采用30 km/h，平面最小平曲线半径55 m，缓和曲线最小长度36.4 m，隧道纵断面最大纵坡4.2%，最小坡长155 m，隧道行车净高地铁电缆处按3.2 m控制，两端按4.5 m预留，两车道匝道断面[1]。由于该左转隧道平面线形为反弯曲线，半径较小、行车视距较差，为降低隧道纵坡，方案在保证机场路道路净空的前提下提升机场路道路标高，最大抬高约1.6 m。为满足行人过街需求，在隧道北侧，里程K0+470处，设置地下人行通道，具体见图2。

图2 G106下穿隧道总平面图

3.2 基坑支护设计

本隧道基坑开挖宽度为13.2～14.6 m，基坑开挖深度为0.9～10.8 m。基坑安全等级：开挖深度不小于9 m或三倍基坑开挖深度范围内有重要管线、构筑物时为一级；本隧道与机场高速相交段及与凯旋电缆隧道相交段基坑为一级。其余为二级。

勘察钻孔显示，隧道底板主要位于①2素填土、②1粉质黏土、②2淤泥、②4粗砂、③1粉质黏土、④1粉质黏土。①2素填土、②2淤泥层厚在0.9～1.9m，本次设计拟对其进行换填中粗砂处理，换填压实度不小于0.96。根据工程所处地质情况、基坑深度、工期、造价等因素，所采用的基坑支护方式主要为拉森IV型钢板桩、SMW工法桩+内支撑支护方案、混凝土灌注桩+内支撑支护方案。具体分段支护设计情况见表1。

表1 分段支护设计情况

3.3 重要构造物保护设计

3.3.1 凯旋电缆

凯旋电缆隧道位于新建G106隧道敞开段K0+186.638处底板顶面结构以下1.3 m，凯旋电缆隧道管顶标高+3.850，管底标高+0.250，持力层为粉质粘土。该段隧道底板设置直径1 m抗拔桩，抗拔桩即可为车行隧道提供抗浮力，也可作为桩基承载车行隧道的荷载，起到保护电缆隧道的作用。抗拔桩按端承桩设计，持力层为泥质粉砂岩，桩长为18 m，与凯旋电缆最小净距按2 m控制。施工前对电缆进行工前鉴定，施工期间强基坑和电缆变形监测，确保电缆安全[2]，见图3。

图3 凯旋电缆隧道保护图立面（单位：m）

3.3.2 地铁110 kV高压电缆

地铁电缆位于现状广花路东侧车行道边线下呈南北走向，电缆沟尺寸为2.0 m×0.5 m，共2回6根电缆，管顶标高+8.54，管顶埋深1.14 m。涉及地铁二、三、五、六共4条运营地铁线路，使用接近20年。考虑该电缆建成时间早、负荷重、迁改风险大，受凯旋电缆位置和埋深限制，隧道无法避让，地铁电缆侵入隧道4.5 m行车界限设计采用原地保护方案，调整隧道结构设计，土建预留4.5 m净高，近期受地铁电缆限制，限高3.2 m只通行小客车、远期待电缆迁改后恢复4.5 m净高，见图4。

图4 地铁110 kV高压电缆悬吊保护立面（单位：m）

3.3.3 机场高速高架桥

G106隧道拟从机场高速高架桥D-97～D-98桥墩之间下穿，平面斜交角为68.6°。该段机场高架上部结构采用26 m跨简支预制预应力混凝土空心板，桥面连续，6～7跨一联；下部结构采用预应力混凝土倒T型盖梁接双柱矩形方柱墩结构类型，双桩承台，端承桩基础，桩基直径2 m，桩端持力层为微风化泥岩或泥质砂岩，桩底标高为-15.042～-16.463，桩长为22.342～23.683m，桥下净高约7.2m。

隧道在机场高速范围为暗埋段断面，采用单箱单室结构形式。隧道主体结构距高架承台及桩基最小净距分别2.8 m、3.9 m，采用明挖施工。基坑长28 m，宽13m，支护采用 ø1.0@1.15 m混凝土灌注桩支护+1道混凝土横撑+1道钢支撑，桩间设置ø0.6 m双管高压旋喷桩止水帷幕。标准段最大基坑深7.9 m，支护距高架承台及桩基最小净距分别为1.64 m、2.71 m，支护桩底标高最深为-4.6。泵房段基坑深10.4 m，支护距高架承台及桩基最小净距分别为3.87 m、4.94 m，支护桩底标高最深为-8.8。支护桩底设计标高不低于机场高架桥桩底标,见图5。采用MIDAS/GTS对基坑开挖过程进行仿真分析，具体过程见图6。

图5 机场高速高架桥保护立面（单位：m）

图6 有限元模拟基坑开挖过程示意图

图7 ～图9显示，基坑开挖至最深10.8 m时，有限元模型显示高架桥桩底最大顺桥向位移为3 mm，满足规范及安全要求。

图7 开挖阶段1（Umax=0 mm）

4 其他设计

图8 开挖阶段2（Umax=2 mm）

图9 开挖阶段3（Umax=3 mm）

本项目场地地下水位较高，地下水补给来源丰富。为避免基坑开挖对周边道路、管线造成明显影响，需采用相应止水措施[3]。采用SMW工法桩段由于SMW工法桩自带止水效果可兼做止水帷幕；采用混凝土灌注桩段，在桩间设置ø600 mm双管高压旋喷桩止水帷幕，进入基坑底不透水层2 m。隧道范围内地下水主要为潜水，基坑开挖范围内主要有砂层等不良地质，基坑开挖期间，在基坑外侧止水帷幕采取封闭设计情况下，基坑内侧采用排水沟、集水井结合管井降水措施，确保基坑干燥；并避开雨季施工，确保周边地下水位稳定[3]。降水井采用平面间距15 m，梅花型布置，井孔直径0.7 m，井管直径0.4 m，井深进入坑底不得小于5 m。

5 结语

随着城市的快速发展，城市道路改扩建或城市公路市政化改造中，会遇到越来越多的地下管线、地上构造物等限制条件。本文介绍了复杂条件下，在管线及构造物零拆迁情况下，城市隧道的一种设计思路，为同类条件下的城市隧道设计提供参考。