杭州市康园路隧道与基坑设计*

2021-12-17周青松

现代矿业 2021年11期

黄延周青松

（1.杭州市城乡建设设计院股份有限公司；2.上海市建筑科学研究院有限公司）

杭州市规划杭钢单元（GS13）位于主城拱墅区北部，半山西麓，范围南北跨越绕城高速公路，西北、北侧和余杭区接壤，规划用地面积为5.66 km2，其核心位置距离延安路及滨湖地区直线距离约为11 km，距钱江新城直线距离约为13 km，正好处在整合运河与半山景观资源的重要节点上。

康园路为杭钢单元空间结构“一轴一环”中的城市发展轴，其作为城市主干路串联起了杭钢单元与杭钢新城的其他功能区，是一条重要的交通要道；作为杭钢休闲文化中心的南北向中心主轴，具有未来成为景观大道、文化大道的潜力。

1 总体概况

康园路（康桥路—金昌路）规划为城市主干路，标准段双向六车道布置，建设范围南起金昌路，北至康桥路，全长约为1 162 m。由南向北分别与金昌路、炼铁路、平安桥路、平炼路和焦北路、独城路和康桥路相交，全线共涉及2座跨河桥梁和1座下穿隧道。其中，隧道设置在金昌路—独城路段，隧道暗埋段长为234 m，敞开段长为240 m，双向4车道布置。隧道分别下穿炼铁路、平安桥路、平炼路及焦北路，并在地面设置辅道与炼铁路、平安桥路、平炼路及焦北路平交。地铁四号线二期区间段与康园路线位立体交叉，位于康园路与平炼路交叉口下方，交叉口涉地铁四号线二期区间段隧道暗埋段箱涵主体（约为54 m）已先期实施完成，本次工程与其顺接（图1）。表1为隧道分段情况。

2 隧道主要技术标准

（1）设计车速为50 km/h。

（2）车道宽度为3.50+3.50 m；行车净高为4.5 m。

（3）路面设计荷载为城-A级。

（4）混凝土耐久性设计环境类别为“二b”类，主体结构设计使用年限为100 a。

（5）结构安全等级为一级；结构重要性系数γ0=1.1。

（6）隧道防水等级为二级。

（7）结构混凝土强度等级为C40，抗渗等为级P8。

（8）参考地勘资料，抗浮水位按设计地面下0.5m。

（9）本工程地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g。抗震设防分类为丙类，抗震等级取为四级。

3 建筑限界

本工程暗埋段位于地铁四号线，盾构正上方特别保护区范围内的54 m暗埋段箱涵已采用明挖法先期实施，实施段隧道结构净空高度为5.65 m，净宽度（单孔）为9.30 m，断面形式为双孔一隔墙。新建段根据该尺寸及相关规划要求与之统一。

（1）结构净高。隧道结构净空为5.65 m（机动车道净高限界为4.5 m，设备及指示标志净高限界为0.50 m，铺装层为0.65 m）。

（2）结构净宽。车行隧道标准结构净宽度（单孔）为9.30 m，包括0.25 m装饰宽度+0.85 m内侧检修通道宽度（含侧向余宽）+0.50 m路缘带+3.50 m车道宽+3.50 m车道宽+0.25 m路缘带+0.25 m侧向余宽+0.20 m装饰宽度（图2）。

4 工法选择

文献［1］对城市隧道施工工法进行了详细分析介绍。根据道路等级及交通功能的要求，隧道常用的施工方法可分为明挖法及顶推法、矿山法、盾构法等非开挖法。

顶推法适用于道路等级较高、无法断交或翻交的道路，其施工难度大、施工技术要求高、隧道线形限制多且造价很高，不适用于本工程。

矿山法一般用于岩层中，因为本工程位于软土层中，考虑地质、埋深、造价、施工风险等原因，矿山法不适用于本工程。

软土地区长距离隧道施工技术上可采用盾构法，盾构法是一种采用盾构机挖掘并使用预制管片拼装施工的先进隧道施工工法。盾构施工相对较慢、造价较高，但对周边环境及交通影响较小。本工程为路口下穿，埋深浅，且位于地铁四号线盾构正上方的54 m暗埋段已采用明挖法先期实施。所以盾构法不适用于本工程。

明挖法（图3）适用于道路等级一般、可临时进行断交或翻交的道路，施工质量易保证，安全性高，施工速度快，造价较为经济。

本工程周边环境大多较为空旷，施工条件好。暗埋段隧道长度仅为234 m，且其中位于地铁四号线盾构正上方的54 m暗埋段已采用明挖法先期实施，采用明挖法可便于与其对接，故本工程采用明挖法施工。

5 主体结构设计

5.1 结构成型工艺选择

现浇施工法为最常用的施工方法。采用这种施工方法可以大面积作业，将整个工程分割为多个施工标段，以便于加快施工进度。

现浇施工法优点：经济性好，施工技术要求低，施工质量能够得以保证。

本工程隧道敞开段及暗埋段结构尺寸随埋深不同而相应变化，预制拼装标准化施工较为困难。同时考虑到经济性及隧道施工场地空旷，本隧道推荐采用现浇施工法。

5.2 暗埋段结构设计

参考国内的既有工程实例，明挖法常用的隧道断面布置有“双孔一隔墙”两舱断面与“双孔一管廊”三舱断面2种形式。由于本工程先期预埋段已按双孔一隔墙实施，本次设计采用“双孔一隔墙”形式。

考虑明挖暗埋段结构埋深及U型槽不同的入土深度，同时考虑基坑围护形式和变形缝设置的需要，按明挖结构厚度不同分成若干段，各段尺寸见表2。

5.3 敞开段结构设计

敞开段均采用U形槽结构（结构尺寸见表3），部分设置抗浮桩。

5.4 隧道结构计算

5.4.1主体结构计算模型

隧道结构计算分施工阶段及使用阶段。施工阶段考虑由临时支护结构承担水土压力及施工期间荷载。使用阶段不考虑临时支护结构作用，由隧道主体结构承担水土压力及地面荷载等。

5.4.2荷载计算

5.4.2.1永久荷载

（1）结构自重应力。钢筋混凝土容重γ=25kN/m3。

（2）覆土重应力。覆土容重取γ=19 kN/m3。

（3）侧向水土压力。施工阶段作用在支护结构的土压力采用朗金主动土压力，黏性土层采用水土合算，其他土层采用水土分算。

（4）静水压力和浮力。水容重为10 kN/m3，计算时按最不利水位考虑，最不利水位按设计地面以下0.5 m计。

（5）混凝土收缩的影响。假定混凝土降低温度10℃。

（6）侧向土体抗力。以土弹簧模拟。

5.4.2.2可变荷载

（1）地面超载。施工阶段及使用阶段均取20 kPa。

（2）施工活载。考虑施工时可能情况的组合。

（3）温度变化影响。地下结构温度变化影响使用阶段按15～46℃考虑。施工期间按混凝土内部峰值温度75℃考虑。

（4）地震作用。地震基本烈度为7度。

（5）荷载组合。①恒载+活载；②恒载+部分活载+地震荷载。

（6）本工程地下结构重要性系数取1.1，结构设计时按结构整体或单个构件可能出现的最不利组合，依据相关规范进行计算，并考虑施工过程中荷载变化情况分阶段计算。

5.4.3结构计算示例

以标准暗埋段内部结构为计算模型（图4），计算结果见图5～图7。

5.5 隧道抗浮设计

隧道结构的抗浮是隧道设计的关键［2］，常规成熟可行的隧道抗浮方法有增加结构自重应力、结构底板外挑、采用抗拔桩以及倒滤层等4种，现对此隧道抗浮方法进行分析比较（表4）。

拟建隧道部分埋深较深的敞开段抗浮不满足要求，根据各抗浮措施优缺点的比较及当地类似隧道工程的经验，采用钻孔灌注桩作为隧道的抗浮措施。

5.6 地基处理

根据地质报告，本工程范围内地质情况良好，暗埋段及U3～U6基底位于5-1，5-2，5-3粉质黏土层，不需进行特别地基处理。U1、U2基底位于杂填土层采用级配碎石换填。U7、U8基底位于2-3黏质粉土层，承载能力较弱，采用水泥搅拌桩加固土体。

5.7 回填

隧道顶部道路范围内采用级配碎石回填，道路范围外采用原土回填。放坡开挖基坑底部三角区密实困难处采用素混凝土回填，其余部分采用级配碎石回填至现状地面。

变形缝两侧1 m范围内采用1 m厚黏性土回填。

5.8 结构变形缝设计

隧道结构纵向变形的处理：在隧道节段间设置变形缝，以减小混凝土因温差、干缩和不均匀沉降引起的横向裂缝，将裂缝宽度控制在设计允许限度内，且变形缝应具有一定的刚度，以适应适量的不均匀沉降。结合本工程隧道暗埋段以及两侧敞开段的长度，沿纵向每隔30 m在结构、地基、基础和荷载发生变化的部位设置变形缝，变形缝处隧道底板设置榫槽，侧墙设置剪力销以保证隧道结构的连续性，调整两者间的不均匀沉降。

5.9 主体结构主要材料

本工程隧道受力结构一般采用钢筋混凝土。混凝土的原材料和配比、最低强度等级、最大水灰比、每立方米混凝土的水泥用量、外加剂的性能及掺加量等应符合耐久性要求。同时要满足抗裂和抗侵蚀的需要。本工程地下结构混凝土强度见表5。钢筋采用HPB300或HRB400级钢筋。焊条采用E43XX型和E55XX型。

5.10 隧道基坑设计

5.10.1基坑支护方案设计

本工程暗埋段与地铁4号线区间近乎垂直相交，暗埋段的基坑围护设计（图8）分为以下3个部分。

（1）与暗埋段已完工部分的接口。已完工部分已先于4号线下穿前完工、覆盖了地铁特别保护区两侧约为15 m范围。围护工法采用的是放坡，内部结构留有封堵墙并预留了接口。

（2）已完工部分至地铁控制保护区范围内。因位于地铁50 m保护区范围内，需严控暗埋段基坑开挖、降水对地铁区间造成的影响。

（3）地铁控制保护区外。该部分基坑按照基坑安全等级二级进行设计。

综上所述，结合地质、场地周边情况，基坑围护方案如下。

（1）与已完工结构位置的接口处理（K0+464.8，K0+516.3）。该2处基坑深度约为9 m，与四号线二期地铁隧道水平距离约为15 m，基坑开挖对区间有一定影响，是工程基坑设计的难点。基坑东西两侧采用钻孔桩+搅拌桩止水帷幕作为围护结构，与已完工结构搭接，搭接范围内采用旋喷桩填充土体空隙，端头处采用MJS桩进行封堵；基坑与既有结构南北两端自坑底至中风化层采用钻孔桩+MJS桩进行横向封堵。采取以上措施后，可保证新建基坑与既有结构在接口位置的严密封堵，将基坑开挖对区间的影响减到最小。

（2）已完工部分至地铁控制保护区范围内。该范围内基坑深度约为9 m，采用直径1 m钻孔桩+搅拌桩止水帷幕作为主要围护结构，支护方案采用1道混凝土撑+1道钢支撑，基坑开挖后变形可满足安全等级为一级的要求。

（3）地铁保护区域范围以外。该范围内基坑埋深为2～9 m，场地周边较空旷，基坑安全等级为二级、三级。基坑支护体系分为2个方案：①基坑埋深＞4 m的，采用“SMW工法桩+支撑”方案，支撑方案为混凝土撑+局部钢支撑；②基坑埋深≤4 m的，采用放坡开挖的围护方案。基坑降水采用坑外控制性降水+坑内降水相结合的方案。

5.10.2基坑支护计算

以基坑开挖深度约为9.2 m的节段为例，基坑支护采用直径1 m钻孔桩+搅拌桩止水帷幕方案。文献［3］详细介绍了此类支护结构的设计与施工方法。整体稳定与墙底抗隆起计算如图9所示。

6 基坑施工监测建议及结果

6.1 基坑施工监测建议

基坑工程施工过程中会导致周边建（构）筑物发生位移、沉降或倾斜，甚至会影响周边建（构）筑物正常使用［4］。因此，基坑开挖施工期间需对基坑、支护结构、周边建筑物变形进行监测。基坑监测测点布置如图10所示。同时紧邻地铁隧道的基坑工程，施工过程中要对地铁隧道进行实时自动化监测，并预测该基坑工程施工是否会造成紧邻隧道的破坏，判断对隧道的影响程度，从而可以采取有效的措施，以便最大程度降低基坑开挖对紧邻隧道带来的影响［5］。对地铁隧道自动化监测测点布置如图11所示。