清远市公路勘察规划设计院 广东清远 511518
摘要：介绍临江复杂地质城市下沉隧道设计经验，为类似项目提供经验教训。
关键词：临江；城市下沉隧道；经验
一、工程概况及地质水文
人民东路下沉隧道工程位于沦洲大桥南引道，北接沦洲大桥，往南以隧道方式下穿人民东路，南接清佛公路，设计道路等级为城市主干道。
项目位于北江清远市段伦洲岛之南岸，由河流冲积阶地地貌组成。土层主要有人工填土和淤泥质土，人工填土厚度较薄，淤泥质土交厚，平均厚度超过7m，具不均匀性，高压缩性及灵敏性，压缩变形大。
项目位于北江边河流阶地之上，地下水位较浅，地下水含水层厚度较大，埋藏一般较深，规模较大，分布连续稳定，主要为承压水含水层，其透水性和富水性均较强。
总体而言，人民东路下沉隧道工程地质条件复杂，淤泥及沙砾层厚度大，且工程频临北江，地下水通过沙砾层与北江联系，易产生潜蚀及管涌。工程实施风险较高。
二、隧道结构设计
人民东路下沉隧道工程为浅埋式隧道，隧道全长约645.7m，为双向六车道二孔二跨箱形结构。其中隧道北、南侧U型框架结构敞开段，共8节段；中间为隧道闭口框架结构暗埋段，共5节段。
图1 人民东路下沉隧道纵断面布置
1、主要设计原则
（1）结构的净空尺寸除满足建筑限界及使用要求外，尚应考虑施工误差、结构变形及后期沉降的影响。
（2）结构设计应能够满足设计使用年限100年的要求，并满足施工、运营、城市规划、防火、防水的要求。
（3）结构设计包括强度、刚度和稳定性验算，分别按照有关规范对施工阶段和正常使用阶段进行计算。结构允许出现裂缝，迎土面裂缝计算宽度允许值0.2mm；背土面裂缝计算宽度允许值0.3mm。
（4）主体结构，要考虑地下水浮力，进行整体抗浮稳定性验算。不考虑侧壁摩阻力时，结构抗浮安全系数≥1.05；计及侧壁摩阻力时抗浮安全系数不得小于1.15。
（5）结构按6度抗震设防要求采取相应构造措施。
（6）地下结构应根据需要设置变形缝，暗埋段、“U”型段纵向均每隔30米设一道变形缝。特殊情况时其间距可适当调整。
（7）防水设计原则：以混凝土自防水为主，外贴防水材料为辅，接头防水为重点、多道防水，综合治理。
2、结构尺寸
3、结构计算荷载
（1）作用在主体结构上的荷载主要有：
永久荷载：水压力（按设计水位与校核水位取值）、土压力（按实际覆土深度取值）、结构自重、混凝土收缩及徐变、地面超载20KPa。
可变荷载：梯度温度（按结构内外壁面温差10oC考虑）、整体温度（按升、降温10oC考虑）、车行荷载（公路-I级）。
（2）主体结构主要有暗埋段和“U”型段两种结构形式，结构计算时纵向长度均取1m，以主体结构全部承受外荷载进行模拟计算，不考虑围护结构受力。
（3）假定高水位和低水位两种工况，主体结构承载能力极限状态、正常使用极限状态分别按水、土分算及水、土合算分别进行组合验算。
（4）主体结构抗浮计算时，计算水位取地下稳定水位，校核水位取相应位置的地面高程。
（5）水平压力：施工期间支护结构的外土压力按朗金公式的主动土压力计算。使用阶段结构侧壁承受的水平力按静止土压力计算。设计采用的侧向水、土压力，对于黏性土地层采用水土合算，对于砂性土地层采用水土分算的办法。计算中计入地面荷载以及施工机械等引起的附加水平侧压力。
（6）侧向地层抗力和地基反力：根据基床系数采用弹簧进行模拟。
4、计算简图
采用平面杆系模型有限单元法。将结构离散为多个等厚度直杆梁单元。结构底板各节点上设置单向受压弹性约束 抵抗结构反力。正常使用期间由结构承受全部水土压力和其他各种荷载。计算简图见下图。
结果显示，敞口段结构边墙墙角外侧受力较大；暗埋段最大弯矩出现在中隔墙处顶板上缘及底板下缘，箱室跨中处顶板下缘及底板上缘处也较大。按以往工程经验，结构采用普通钢筋混凝土，配筋设计以正常使用极限状态下短期荷载效应组合，以最大裂缝宽度0.2mm作为控制进行配筋设计，并进行构件的承载能力极限状态验算，结构即可满足相关受力要求。
5、结构抗浮设计
本工程临近江边，地下水位较高，敞开段与闭口段均需进行抗浮计算。
（1）暗埋段
暗埋段最大覆土约2.5米，最小覆土为0.5米，围护结构采用地下连续墙，经验算，暗埋段可以满足抗浮的要求，在结构底板处不设抗浮桩。
（2）敞口段
该段基坑最大挖深约7.5米，根据不同地质情况分别及开挖深度分别采用钻孔桩、钢板桩作围护结构。在底板设置设抗浮桩的抗浮措施。抗浮桩技术成熟，结构安全可靠，对结构的长久运行有利，且抗浮钻孔灌注桩除了能满足抗浮要求外，还能为上部结构提供承载力，节省了软基处理费用，故作为本项目敞开段的抗浮措施。抗浮桩设计为钻孔灌注桩，桩径1.0米，桩长20～28.5米，横向间距6米，纵向间距5米。
6、工程软土处理
（1）敞口段
对于埋深较深的敞口段，该段范围内在主体结构底板下设计了抗浮桩，由抗浮桩为结构提供基底承载力，为满足施工要求设置碎石垫层。
对于埋深较浅的敞口段，采用点阵式布置的水泥土深层搅拌桩法进行加固。桩径为500mm，桩间距为1250mm。水泥搅拌桩在地面进行施工，主体结构底板底面以上采用空搅。具体设计见软土地基处理设计图。
（2）暗埋段
采用点阵式布置的水泥土深层搅拌桩法进行加固。桩径为500mm，桩间距为1000mm。水泥搅拌桩在地面进行施工，主体结构底板底面以上采用空搅。
三、实施经验
1、本项目在进行设计时，采用主体结构设计与基坑支护设计分开独立进行，在敞口段结构底板专门设置独立抗浮桩作为抗浮措施，没有适当考虑基坑支护桩的抗浮作用。若采用抗浮桩与支护桩联合抗浮的方案，将节省2排纵向抗浮桩，产生较大的经济效益。
2、由于项目淤泥及沙砾层厚度大，地质条件复杂，在抗浮桩施工过程中，发生了较严重的大范围塌孔情况。经分析主要是现场淤泥及沙砾层厚度大，采用旋挖钻成孔时泥浆不能有效护壁，导致频繁塌孔。后采用膨润土泥浆护臂、加长孔口钢护筒长度至8m，并采取间隔桩位跳钻等措施，使塌孔情况得到了有效控制。
3、由于沙砾层厚度大，且工程频临北江，地下水通过沙砾层与北江联系，容易诱发管涌。当基坑开挖较浅且基坑底淤泥层较厚时，基坑止水效果好，仅出现少量地下水；当基坑不断往下开挖后，由于地下水头压力升高，基坑底淤泥层减薄，在坑底较薄弱部位的淤泥层出现管涌情况。由于施工单位缺乏经验，对出现的管涌不但未能采取恰当的应急措施处理，还进一步加大坑内抽水力度，结果不但导致基坑外地表、建筑物下沉，而且还导致坑内已经完成的部分结构底板下沉、基坑下地基沙土大量流失，如情况进一步发展将造成巨大的经济损失。后经专家论证，采用袖阀管分层压密灌浆法向孔内注浆固结的方法，以达到增大原地基搅拌桩侧摩阻力、填充地基土体空隙、补偿土体损失、压密封底、堵截地下水通道等目的。
四、结语
（1）城市下沉隧道在进行敞口段抗浮设计时，宜考虑采取板底抗浮桩与支护桩联合抗浮的方案，可产生较大的经济效益。
（2）频江城市下沉隧道地质情况复杂，淤泥及沙砾土层厚度大，且分布广泛，地下水往往通过沙砾层与江河联通，极易产生潜蚀及管涌风险。设计及施工前应彻底了解项目地质情况，采取合理的方案做好基坑止水帷幕，并对施工过程中出现的管涌等险情应予以做够重视，应对应及时有效，避免进一步发展成隧道地基、结构及基坑周边地表、建筑物下沉，造成重大损失。
参考文献：
[1]蔡建中，章勇，耿大新，复杂敏感环境下明挖隧道设计与施工[M]. 成都：西南交通大学出版社，2013：1-159
[2]刘国彬，王卫东，基坑工程手册（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009：1-1323
作者简介：
何其凯（1981～），男，汉族，广东清远人，本科，路桥工程师，从事路桥设计工作。
论文作者:何其凯
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/5
标签：结构论文; 基坑论文; 隧道论文; 北江论文; 荷载论文; 底板论文; 淤泥论文; 《基层建设》2016年11期论文;