复杂条件下城市过河隧道结构方案研究

邹 涛

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市200030）

0 引言

城市地面土地资源的紧缺促进了城市空间向地下发展，地下交通系统已成为城市地下空间利用的重要组成部分[1]。但是大型城市中心区建设环境复杂，对隧道工程结构方案、施工工法都提出了更高的要求[2]。

本文以上海市某过苏州河隧道为例，详细介绍了在充分利用地下空间、发挥道路交通功能、保护周边环境的要求下，对于城市过河隧道不同结构方案的比选过程。

1 工程概况

拟建隧道位于上海市西部中环线与外环线之间，道路基本呈东西走向，规划为城市次干路，双向4车道，主线设计车速40 km/h。

地面道路西侧沿线主要为工业、教育科研用地，东侧主要为成熟居住区，现状地下管线众多。

苏州河深层排水调蓄管道工程（以下简称深隧）包括一级调蓄管道、综合设施和二三级管道等。深隧主线盾构段北起工作井，与隧道结构平面斜交，隧道于深隧主线上层布置；二三级管道平面基本与隧道平行，采用盾构施工。

隧道与深隧主线及二三级管道位置关系图见图1。

本工程方案的研究重点在于过苏州河的实施工法，应结合沿线用地和实际情况进行多方案比选，根据方案的合理性和可行性，确定功能最优、规模合理、交通适应性强、可实施性强、对周边环境影响最小的方案。

2 设计方案比选

过河隧道的主要修建方法有围堤明挖法、钻爆法、盾构法、沉管法和TBM全断面掘进机法[3]。本工程苏州河宽度60 m，根据工程规模、地质条件，明挖方案比较了平铺、叠层结构方案；暗挖方案比较了沉管及矩形、圆盾构方案。

2.1 比选原则

（1）过河节点应考虑苏州河河床底标高，满足河底最小覆土要求。

（2）苏州河以东道路两侧局部居民小区围墙间距仅24 m，隧道建设空间有限。平面布置需尽量避免拆除小区围墙及周边建筑。

（3）周边布置有深隧主线、二三级管道等市政设施，需处理好与市政工程的关系，做好预留。

（4）需考虑接线道路的重要交叉口交通组织方案，出入口布置应与周边路网相匹配。

2.2 明挖方案

2.2.1 平铺方案

针对出入口平行、前后依次接地2种设置方式，将隧道方案分为3种。限于文章篇幅，仅介绍比选后的推荐方案。

隧道暗埋段为单层双孔箱涵，纵断面最大纵坡6%，过河段河底最小覆土1.1 m。隧道与深隧相交处埋深11 m，与深隧主线竖向间距29.9 m，与二三级管道最小净距1.1 m。平铺方案隧道平面图、结构横断面图见图2、图3。东端敞开段距南侧小区围墙仅0.5 m，施工期间需拆除围墙并还建。

图2 平铺方案隧道平面图

图3 平铺方案隧道结构横断面图（单位：mm）

2.2.2 叠层方案

隧道暗埋段随埋深增大由单层单孔箱涵逐渐变化为叠层箱涵。上层车行方向为自西向东，下层为自东向西，出入口前后依次接地，纵断面最大纵坡6.5%，过河段河底最小覆土1.0 m。隧道与深隧相交处埋深17 m，与深隧主线竖向间距23.9 m，与二三级管道最小净距4.6 m。叠层方案隧道平面图、结构横断面图见图4、图5。东端敞开段与南、北侧小区围墙最近距离7.5 m，提供了充足的施工空间，施工期间无需拆除小区围墙。

图4 叠层方案隧道平面图

图5 叠层方案隧道结构横断面图（单位：mm）

叠层方案用地集约，隧道距两侧建筑远，沿线小区围墙无须拆迁，能释放更大空间用以敷设二三级管道和管线。因此，明挖方案中推荐叠层方案。

2.3 暗挖方案

2.3.1 沉管方案

隧道南北平铺布置，过河段采用沉管法。沉管段长约90 m，最大纵坡6%，河底最小覆土1.1 m。沉管方案隧道平面图见图6。

图6 沉管方案隧道平面图

可采用1节、2节管节沉放方案，但均存在以下问题：（1）干坞施工在深隧主线上大量卸土，存在上浮风险；（2）干坞围护结构侵入西岸南北侧地块，距南侧写字楼近，需采取保护措施；（3）管节沉放期间影响苏州河通航。

2.3.2 圆盾构方案

采用φ14.5 m圆盾构，盾构段长292 m，隧道最大纵坡6%，河底最小覆土8.2 m。隧道与深隧相交处埋深22.8 m，与深隧主线竖向间距18.1 m，与二三级管道最小净距2.5 m。圆盾构方案隧道平面图、结构横断面图见图7、图8。圆盾构埋深大，导致隧道规模大。西端八字形出入口交通绕行，东端依次接地交通功能较差。隧道与深隧相交处，深隧主线上方覆土仅18.1 m，卸载较大时存在上浮风险。

图7 圆盾构方案隧道平面图

图8 圆盾构方案隧道结构横断面图（单位：mm）

2.3.3 矩形盾构方案

（1）采用9.9 m×7.6 m矩形盾构，北线盾构段长293 m，南线盾构段长154 m，纵断面最大纵坡7%，过河段河底最小覆土2.7 m。隧道与深隧相交处埋深12.6 m，与深隧主线竖向间距28.3 m，与二三级管道最小净距1.6 m。矩形盾构方案隧道平面图、结构横断面图见图9、图10。隧道西岸南侧工作井侵入地块4.2 m，距离高层建筑3.4 m，与深隧盾构段水平距离2.1 m，工作井施工难度大，必须先于深隧实施。

图9 矩形盾构方案隧道平面图

图10 矩形盾构方案隧道结构横断面图（单位：mm）

（2）采用11 m×13.25 m双层矩形盾构，盾构段长293 m，纵断面最大纵坡6.5%，过河段河底最小覆土6.1 m。隧道与深隧相交处埋深21.1 m，与深隧主线竖向间距19.8 m，与二三级管道最小净距4.9 m。双层矩形盾构方案隧道平面布置与圆盾构方案隧道平面布置基本一致。双层矩形盾构方案结构横断面图见图11。双层矩形盾构缺点同圆盾构方案，隧道埋深大，深隧主线卸载较大时存在上浮风险。

图11 双层矩形盾构方案隧道结构横断面图（单位：mm）

2.4 推荐方案

综合考虑工程造价、交通功能、周边环境影响、相关工程条件、施工工艺，针对云岭西路过苏州河的建设条件，最终推荐选用明挖叠层方案。各方案对比见表1。

表1 方案比选

3 基坑支护方案设计及环境保护

3.1 过苏州河方案

苏州河节点河道宽度60 m，为保证施工期间苏州河正常防汛及通航功能，采用两阶段围堰-导流的分幅明挖施工，围堰采用钢平台+拉森钢板桩，施工期间需拆除现状两岸防汛墙并重建。

本段基坑深度18.8～22 m，基坑安全等级为一级[4]。围护采用厚1.0 m地下连续墙（叠合墙形式），支撑采用3道混凝土支撑+3道钢支撑，以增大围护结构刚度和稳定性。

3.2 对苏州河深层排水调蓄管道工程的影响

基坑开挖卸载对下卧隧道的影响以竖向变形为主，选择合适的施工方案，能在一定程度上减小基坑开挖对下卧隧道造成的变形影响[5]。按照工期计划，深隧主线先于隧道施工，隧道先于二三级管道施工。隧道与深隧主线平面交角为31°，平面交叉长度约25 m。该段隧道基坑深度17 m，围护采用厚0.8 m地连墙，共设置5道支撑，坑底采用三轴搅拌桩加固。深隧衬砌采用C60钢筋混凝土，顶覆土40.9 m，内径10 m，管片厚度0.65 m，衬砌顶部内水压假定为0.5 MPa。场地地层物理力学参数见表2。

表2 土层物理力学参数

采用Midas/GTS建立三维有限元计算模型（见图12），分析基坑开挖对深隧衬砌结构变形的影响。土体采用3D实体单元进行应力变形分析，地连墙、深隧衬砌采用2D板单元，内支撑采用1D梁单元。根据基坑开挖过程，定义数值模拟施工步：（1）初始应力场分析；（2）修建深隧盾构段；（3）施工地连墙；（4）分5次开挖土层及施工内支撑。土体采用修正Mohr-Coulomb模型，深隧衬砌、地连墙、内支撑采用弹性模型。

图12 计算模型

图13给出了基坑开挖过程中深隧衬砌结构竖向、水平变形发展曲线（在深隧盾构完成后设置位移清零步）。由图13可知，衬砌变形随着开挖深度的增加而不断增大，以竖向变形为主，最大竖向变形7.2 mm，最大水平变形1.3 mm。由于基坑内的开挖卸载，使深隧衬砌结构发生以竖向变形为主的隆起变形，但最大变形量小于衬砌允许最大变形量0.5%衬砌外径的限值[6]。

图13 基坑开挖过程中深隧衬砌变形发展曲线

图14为基坑开挖完成后深隧衬砌结构变形云图。由图14可知，最大竖向变形位于基坑正下方衬砌拱顶处，最大水平变形位于基坑正下方两侧约15 m衬砌拱腰处，并沿基坑中心线呈对称分布。因此，在基坑开挖过程中应加强对深隧衬砌拱顶、拱腰部位的变形实时监测,实现信息化施工。由于深隧使用期间会遇到多种工况（满管、半管、空管），内水压会发生相应变化，基坑开挖过程中，需控制深隧内水压，以确保深隧安全。

4 结语

（1）本文对隧道的不同结构方案进行比选研究，重点对比了过苏州河不同实施工法的优缺点，认为明挖叠层结构方案功能最优，规模、造价合理；采用两阶段围堰-导流，分幅明挖施工可实施性强，对周边环境影响最小，可供相似工程参考。

（2）隧道上跨深隧主线处基坑方案采用地下连续墙+内支撑体系。对基坑开挖全过程进行的数值模拟结果表明，开挖卸载使深隧主线衬砌结构产生以竖向变形为主的隆起变形，但最大变形量满足规范要求。基坑开挖过程中应加强对深隧衬砌拱顶、拱腰处的变形监测,实现基坑信息化施工，以确保深隧安全。