深圳海园一路隧道设计技术分析

陈宏彬

（广东省冶金建筑设计研究院，广东广州510080）

0 引言

近年来，由于我国快速的工业化和人口的高度城市集中化，为缓解或解决人口增长对城市交通环境的压力和威胁，修建各种城市隧道和地下构筑物在各大城区呈现急剧增长的趋势。在北京、上海、广州等地，近年来经济的发展使居民不断感觉到城市隧道与地下工程在城市发展建设中的巨大作用[1]。

尽管城市隧道与山区隧道有着许多共同点，但城市隧道由于所处地理位置的特殊性和使用功能的多样性，其与山区隧道相比又表现出显著的不同，为正确进行设计和施工方案的选择，对其特点应有充分的理解。

1 研究现状

明挖法是城市隧道施工中采用比较多的施工方法之一，即从地表一边支挡一边向下开挖到规定位置，再修筑箱形结构物的方法。与多年前不同，当时明挖法讨论的问题如临时结构物和主体结构物的外力如何确定、地下连续墙如何与主体结构结合等，目前都已较好地解决。如今讨论的，更多的是诸如近接施工、大跨隧道、地下水处理、地层改良加固的设计方法，考虑环境和节省资源的设计施工等，技术水平有了很大提高。

在城市隧道施工中，由于隧道开挖后围岩自稳能力差易发生围岩大变形从而引起开挖面失稳和较大的地表沉降导致地面结构物的变形与破坏，因而隧道工程施工中，开挖面前方岩土体的稳定性问题是一个十分重要的课题。国内外隧道围岩预加固（支护）采用较多的措施有超前小导管注浆，管棚注浆，水平旋喷注浆。国内外较多研究者对其加固机理、数值分析方法进行了较多的研究。欧洲一些国家如法国、意大利常采用玻璃纤维锚杆注浆加固技术及机械预切槽法等[2]。

目前，国内城市隧道施工技术相对较为成熟，但仍以经验法为主，施工中大多以本单位工程经验类比确定相应的施工方案，不能为其它隧道的施工从力学原理上提供普遍意义上指导。因而针对城市隧道的特点，还需进一步系统地分析研究与总结。

2 隧道围岩加固机理

目前，在隧道支护结构设计中常采用方法主要有4种，即以工程类比为依据的经验法，特征曲线法，荷载结构法及地层结构法。特征曲线法尽管很难定量地表现加固对围岩应力、应变状态的影响，但其能较好地解释岩体加固的机理与作用[3]（见图1）。

图1 预加固前后隧道围岩的特征曲线图

图1中，曲线1是在一个初始地应力场为P0，未加固的均一地层中开挖一圆形洞室岩体特征曲线方程P1=P1（c1，φ1，E1，μ1，...）所确定的特征曲线。其中，c1，φ1，E1，μ1为围岩加固前的物理力学参数。由弹塑性力学原理，在初始地应力场为P0的均质各向同性的连续弹塑性体，开挖一半径为R0的圆形隧道，采用莫尔-库仑塑性屈服准则，可得塑性径向应力、切向应力及隧道周边径向位移表达式如下[4]：

式中，Rp为塑性区半径；c、φ分别为土体的粘结力、内摩擦角；P0为均匀初始地应力。

从式（1）～式（3）可知，隧道开挖后围岩应力、收敛值的大小主要与围岩的粘结力，内摩擦角等物理力学参数有关。从图1中可以看出采取加固措施相当于提高了围岩的内摩擦角和粘结力等物理力学参数，提高了围岩的自稳能力，其结果是降低了围岩的变形。从另一方面说，也使作用于衬砌结构上的短期和长期荷载减少，显著地改善了结构受力状态。

3 工程实例

3.1 工程概况

海园一路隧道位于深圳市南山区，海园一路是一条平行的南北走向城市快速干道，长约600 m，南接滨海大道，北与白石路相互衔接，为深圳市东部重要的交通枢纽工程。海园一路隧道主要服务于滨海医院。隧道在中部开口与滨海医院负一层实现直接互通，现阶段滨海医院负一层正在施工。

海园一路隧道起于K0+150，止于K0+540，全长390 m。分开口段与闭口段，开口段共330 m，其中K0+150～K0+280及K0+458～K0+540为开口U型框架结构,K0+280～K0+346及K0+406～K0+458为开口L型结构,K0+346～K0+406为闭口段，共长60 m，采用侧U型框架+立柱结构。隧道设排水泵房一座。闭口段某截面如图2所示。

3.2 水文地质

隧道原始地貌单元为海边滩涂，后经人工填海造陆，原始地形业已改变。勘察时，场地较平坦，各钻孔孔口标高变化于5.15～6.74 m。根据勘察结果，拟建场地内分布的主要地层有：人工填土层、第四系海陆交互相沉积层及第四系残积层，下伏基岩为燕山晚期花岗岩（r53-1）。不良地质问题主要为饱和砂土液化，未发现其他岩溶、滑坡、采空区等不良地质作用，特殊性岩土为填筑土、软土层。

勘察期间，各钻孔均遇见地下水，主要为赋存于第四系地层中的孔隙水类型，受大气降水及地表水补给，水位变化因气候、季节而异；丰水季节，地下水位上升，第四系各地层多处于饱水状态。由于海园一路北侧正在修建排洪渠，上部水流已封堵，沟渠干涸，勘察期间测得场地地下水稳定水位埋藏深度介于1.10～7.10 m之间，水位标高介于-3.94～4.98 m之间，水位变化幅度小，年变化幅度不超过2.00 m[5]。

3.3 设计要点

3.3.1 隧道结构分段

隧道采用钢筋混凝土结构，结构划分为8个节段，各节段长度为40～45 m。相邻节段结构间设2 cm宽变形缝，变形缝设OR-300-9型止水带；因隧道市政结构与滨海医院负一层民用用途不同，且受力存在一定差异，故隧道与医院接缝处也设计一道2 cm的变形缝。

3.3.2 结构抗浮

隧道为全埋式结构，一般情况下抗浮水位取原地面以下约1 m，标高为5 m。普通U型开口节段采用结构自重+C15素混凝土压重层抗浮，L型滨海医院出入口段主要由结构自重+抗浮桩，闭口段主要由结构自重抗浮。抗浮安全系数取1.05，不计隧道侧壁与土的摩阻力。

图2 闭口段某横断面图（单位：cm）

3.3.3 基底承载力

对基底承载力要求隧道结构U型开口段不小于110 kPa，L型及闭口段、泵房不小于140 kPa。由于隧道底板范围有2～3 m的淤泥层，地基承载力不能满足设计要求，故采取了灌注桩软基处理与结构抗浮相结合的方式处理。

3.3.4 防水

防水以结构自防水为主，附加外防水为辅。结构采用掺入CMA高性能膨胀剂的防水抗裂混凝土（低碱低掺量），其抗渗等级为P8，底板掺量每立方混凝土不小于30 kg，侧板掺量每立方混凝土不小于35 kg，加强带内掺量每立方混凝土不小于50 kg；结构外防水采用“外防外贴法”，防水材料采用3 mmBAC橡胶沥青双面自粘防水卷材。

3.3.5 隧道排水

隧道起点设反坡，防止隧道范围以外周边雨水进入，隧道内设置纵向暗埋式排水沟，隧道L型的第六节段设一道横截式排水沟，最终将所有雨水在该处由底板下设置的集水井顺底板纵向排水管排至泵房，再经泵房导至明渠（因隧道与滨海医院直接相通）。

3.3.6 隧道基坑支护

3.3.6.1 引道开口段支护方案

引道开口段由于基坑深度较浅、且基坑外边线距离河堤挡墙较远，西侧拟采用挂钢筋网喷射混凝土放坡坡+高压旋喷桩止水的支护形式开挖；东侧基坑则采用1：1放坡开挖；第一、二、八节段等基坑埋深较浅的，则可以直接采用1：1放坡开挖基坑[6]。

3.3.6.2 闭口段方案

隧道闭口段及滨海医院出入口段基坑东侧与医院负一层基坑共同实施，且有较大放坡空间，故该范围内基坑东侧不设支护，可与医院基坑一起直接放坡开挖。

西侧由于河堤挡墙距离隧道基坑距离较小，推荐方案采用灌注桩支护+高压旋喷桩止水的支护形式，隧道基础底拟采用D100 cm钢筋混凝土灌注桩软基处理。由于海园一路施工期间小沙河明渠已竣工通水，且水利部门要求海园一路隧道施工不得对河涌进行截流，故采用分段放坡开挖基坑，至设计指定标高处，平整场地，施工D80 cm钻孔灌注桩及D50 cm密布高压旋喷桩止水帷幕，待结构达到设计强度时再继续分段开挖下一段基坑，并重复上一阶段基坑支护施工；支护桩与河堤挡墙间保留原状土层，放坡部分通过挂钢筋网喷射混凝土做简易支护及止水，待隧道主体结构修筑完成后，隧道侧壁与河堤挡墙间空隙采用级配碎石填筑。

3.3.6.3 泵房方案

该项目因场地局限，排水泵房设置在滨海医院红线内，右侧医院基坑基本开挖到设计标高，一定程度上降低了泵房基坑深度，故设计采用拉森钢板桩+钢管内撑+止水帷幕的支护方式。

（1）止水体系：

基坑局部存在较薄的砂层与淤泥质土层，采用φ50@35 cm密排高压旋喷桩形成止水帷幕，采用φ50@95 cm支护桩桩间止水及φ50@30 cm外围密布方式，旋喷桩底应深度于支护桩2.0 m以上。

（2）基坑挖土组织设计：

基坑施工及挖土步骤为：场地整平，在不扰动西侧明渠挡墙前提下，开挖土方，至标高3.56 m左右（明渠50 a一遇水位），然后施工支护桩（支护桩高出设计标高部分采用空桩处理），并施工止水桩；靠近支护桩一侧隧道内抗浮及地基处理灌注桩也应在基坑开挖前施工，对坑内土体起一定的加固作用；开挖土方至2.0 m标高位置，坡面喷射混凝土坡面，并浇筑冠梁；待支护桩桩身混凝土强度满足要求后，继续开挖隧道基坑至基坑底，期间应密切注意止水桩止水效果，如有渗漏应及时回填补桩处理。为保证桩身外观质量及尽量少扰动明渠挡墙，支护桩施工时，施工单位应采取措施保证桩身平整,垂直。

3.3.7 基坑排水

基坑施工时如坑内明水较多，可采用明沟结合集水坑用电泵抽的方式进行降水。抽水时注意监测基坑渗漏及基坑周围地表的情况，如有涌水量较大、涌水长时间浑浊、地表沉降超过预警至、裂缝发展等情况，应立即回填，同时通知设计处理。

4 耐久性措施

根据地质勘察资料，隧道所在处水质对隧道结构存在弱腐蚀性，环境作用等级为C级，设计时采取以下措施增加结构的耐久性：

（1）对混凝土材料的基本要求：最大水胶比为0.45（胶凝材料为水泥、矿粉、粉煤灰等），最小胶凝材料用量为320 kg/m3；最低混凝土强度等级为C40，氯离子扩散系数DRCM（28d龄期，10～12 m2/s）<10。

（2）混凝土应掺入抗裂膨胀剂，水泥用量不应小于320 kg/m3。当掺入参合料时，水泥用量不应小于280 kg/m3。

（3）对主体结构施作全外包防水层。

（4）施工期间确保钢筋保护层满足设计要求，迎水面主筋净保护层为5 cm,背水面为4 cm。

（5）混凝土裂缝宽度控制在0.2 mm以内[7]。

5 结语

虽然城市隧道的修建已经取得了较大的进步，但地下工程是多学科交融的科学，注定了在其发展过程中需要一批新研究理论的诞生。专家指出，21世纪将是大力发展城市地下空间的世纪。如何开发和利用好地下空间是人类文明发展中必将面临的问题，在城市隧道的修建中，还有大量难题需要解决。目前，在城市地下空间利用与交通隧道修建领域，需对诸如城市地下空间利用的规划问题、城市地下空间规划的评价方法与评价标准、地质调查技术研究问题、建设方案评价及动态设计理念问题和降低工程造价途径等问题作进一步的分析研究。本文就深圳海园一路隧道的设计理念及设计方法、相关措施做了详细介绍，可为以后相关工程提供技术参考。

[1]黄宏伟.城市隧道与地下工程的发展与展望 [J].地下空间,2001,21(4):311-317.

[2]石明霞,谭文,吉小明.大跨隧道临时支护拆除及二次衬砌施工数值模拟分析[J].公路交通技术,2009,(5):106-110.

[3]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社.

[4]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社，2004.

[5]JTJ 064-98，公路工程地质勘察规范[S].

[6]DBJ/T15-20-97，建筑基坑支护工程技术规程[S].

[7]GB/T50476-2008，混凝土结构耐久性设计规范[S].