城市隧道下穿既有建筑的设计要点——以十八梯城市隧道为例

刘源保，骆 成，鲁 杰

（1.江西省交通投资集团有限责任公司赣州管理中心，江西 赣州 341000；2.江西飞尚科技有限公司，江西 南昌 330052；3.中交一公局集团有限公司，北京 100024）

1 工程概况

城市中新建隧道穿越既有建筑的情况比较常见，风险也很大，对此工程界在浅埋暗挖隧道方面也已有充分的研究和实践[1-2]。但处于复杂的地质环境和周边建筑环境中时，仍有大量的技术问题有待进一步总结和优化。

十八梯片区道路工程位于重庆市渝中区，分为地上和地下道路。地下道路等级为车库连接道，设计时速为15～20 km·h-1，AK0+184-AK0+328.058段为下穿建筑的暗挖段。该隧道具有以下特点：（1）拱顶距既有建筑的基础底距离仅3.48 m，约0.33B，隧道围岩等级为V级，属较大影响区；（2）隧道底板下有4.5 m×3.2 m的新建电缆隧道，隧道开挖后需施工电缆隧道后才能封闭底板，导致隧道不能及时封闭成环，增加了隧道风险；（3）既有防空洞边线距离十八梯隧道开挖边线2.73 m，导致隧道边墙处荷载的不对称；（4）隧道洞身处于V级的泥岩，开挖跨度大于5 m，无自稳能力。桩号AK0+240断面布置如图1所示。

图1 断面布置

针对隧道的上述特点，本文详细分析隧道的支护结构受力和施工方案，及对既有建筑物沉降的影响。

2 设计关键指标与施工工艺

根据地质条件、施工技术和经济性分析，确定了十八梯下穿暗挖段隧道的结构设计参数，见表1。

表1 十八梯下穿暗挖段隧道围岩支护设计参数

下穿暗挖段施工工序如下：

（1）开挖隧道主体；

（2）施作拱顶和侧墙的初期支护；

（3）开挖电力隧道；

（4）电力隧道回填至隧道底板处；

（5）二衬施工。

施工过程遵循“预支护、预加固、早封闭”的原则。隧道设计与施工中要考虑既有建筑和紧邻的防空洞的保护与影响，这构成了本项目中的重点和难点[3]。

3 计算分析

为了有效分析施工中结构受力、地层变形等，采用数值方法模拟计算了开挖施工过程[4]。主要分为以下3个步骤：

（1）施加自重荷载，模拟土层在既有建筑物重力荷载作用下应力的重新分布；

（2）超前预支护预加固；

（3）隧道开挖支护后地表建筑物变形及隧道初支和二衬的受力特点。

计算主要包含3部分：（1）隧道开挖前初始应力状态；（2）预加固前既有建筑物的竖向位移；（3）二衬后既有建筑的最终沉降量和初期支护、二次衬砌受力计算[3]。

3.1 隧道稳定性和既有建筑物的沉降计算

计算选择采用地层结构法，考虑锚杆和超前注浆小导管加固部位的围岩粘聚力不变、内摩擦角值提高20%。计算选用Midas NX程序进行模拟；局部网格划分如图2所示。

图2 二维有限元网格局部示意图

计算分析后，得出以下结果。

（1）既有建筑的沉降。既有建筑物竖向位移如图3所示。在没有开挖时，隧道拱顶处竖向位移收敛于13.95 mm，既有建筑竖向位移收敛于15.96 mm；施加支护结构后，隧道拱顶竖向位移收敛于2.89 mm，如图4所示。既有建筑竖向位移收敛于0.75 mm。

图3 隧道开挖前围岩和既有建筑物竖向位移示意图

图4 隧道支护后既有建筑物竖向位移示意图

（2）隧道初期支护力学特性。由于边墙左右荷载不对称，靠近防空洞一侧的荷载为另外一侧的1.94倍，初期支护最小安全系数为1.85，见表2。新建隧道支护受力如图5、图6所示。

图5 初支轴力图

图6 初支弯矩图

表2 初期支护计算结果

3.2 二次衬砌计算

二次衬砌采用结构-荷载法计算。

3.2.1 荷载承担系数

初期支护和二次衬砌共同承担土柱压力，承担比例与其刚度（EI）有关，设计中V级围岩二衬承担总荷载的60%，初期支护承担的40%[5]。

3.2.2 新建隧道不对称荷载的影响

由于原防空洞的存在，新建隧道的荷载是不对称的，墙部的位移大小与其受力成正相关，十八梯隧道左侧边墙水平位移是靠近既有防空洞边墙的水平位移的0.58倍，则靠近防空洞一侧的荷载为另外一侧的1.72倍。

3.2.3 计算结果

由于防空洞的存在，十八梯隧道左右边墙两侧水平力不对称，衬砌的右边墙的弯矩是左边墙的1.72倍，二衬内力计算结果见表3。

表3 二衬内力计算结果

4 施工方案及监控量测

十八梯隧道出口段采用CD法施工，由于该隧道拱顶距既有建筑物基础底距离仅3.48 m，约0.33B，为保证既有建筑的安全性，因此施工中加强监控量测[6]；监测主要内容见表4。

表4 监控量测主要项目

由于城市近接暗挖隧道风险较高，且存在地层和结构受力的非对称性，施工中建议采用建立基于物联网实时监测系统，通过云平台分析和管理数据并及时预警，提高信息化施工水平，保障工程安全。

5 结论

随着城市建设的深化发展，隧道近接施工也成为目前市政隧道建设必须面对的重要问题，依托十八梯城市隧道建设方案的研究，进一步验证和提炼了既有建筑物下穿隧道的设计要点：

（1）穿越既有建筑物时，应及时预支护预加固强支护，防止建筑物和构筑物有害变形；

（2）受不对称荷载的隧道应考虑不对称荷载的影响，衬砌厚度应根据荷载非对称性科学设置；

（3）穿越既有建筑物时，应尽可能减小对围岩的扰动。