紫之隧道下穿五浦河關鍵節點設計分析

陳　娟,許原騎,劉長寶，章立峰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014)

紫之隧道下穿五浦河關鍵節點設計分析

陳娟*,許原騎,劉長寶，章立峰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014)

明挖隧道下穿河道時，為保證河道的防洪排澇功能，需要對河道進行臨時導改。以杭州紫之隧道下穿五浦河節點為例，介紹了隧道的圍護及導流渠圍堰的方案，并對圍堰安全性、穩定性進行驗算分析，最終通過監測數據驗證設計方案的可行性。

明挖隧道；圍堰；鋼板樁；導流渠

隨著城市地下工程的不斷發展，特別是在水系發達的江南地區，明挖隧道下穿河道的情況越來越多，為了保證水系的完整性，不影響河道的防洪、排澇功能，需要進行臨時河道導流[1～3]。本文以杭州市紫之隧道工程為例，經過多方面綜合對比確定了隧道下穿五浦河節點的基坑圍護及圍堰設計方案，并通過實際監測數據對方案的進行驗證。

1　工程概況

杭州紫之隧道工程位于杭州市西湖區，北端起自天目山路以北紫金港路，沿紫金港路下穿至西溪路，進入山嶺區域靈竺景區，向西繞至大清谷生態區、至梅家塢景區出山嶺區，繼續向東下穿之江路、五浦河，終于之浦路，全長13.9km，全線含三座暗挖隧道、二座高架連接段、南北接線為地下隧道。

其中下穿五浦河段位于隧道南段，距離在建國際金融會展中心用地紅線約20m，與五浦河斜交，總長約72m,受線路縱坡影響，此段覆土較淺，暗挖風險極大，最終采用技術可靠、風險相對較小、施工簡單的明挖法施工，基坑開挖深度為12m，寬度為12.5m。隧道下穿五浦河節點位置見圖1。

圖1　隧道下穿五浦河節點位置圖

2　工程地質及水文條件

2.1工程地質

五浦河河底土層主要為:①-3層土，塘泥，厚度0.65m，灰色，流塑狀淤泥，多含有機質；③-a層，砂質粉土，厚度3.4～4.8m，黃灰色，稍密，濕—很濕；⑤層，淤泥質粉質粘土，厚度17.6m，灰色，流塑；⑥層，含粘性土碎石（夾礫砂層），厚度4.2m，灰黃色，中密，飽和；(12)-1層，全風化泥質粉砂巖，厚度1.6m，紫紅色，成粘性土狀；(12)-3層，中等風化泥質粉砂巖，厚度9.6。主要地層物理力學參數見表1。

2.2水文條件

五浦河為錢塘江水系上泗片區內一條山溪性河流，是轉塘鎮、之江度假區及周邊山區的防洪排澇河道，河道類別為Ⅲ類，河道來水主要為天然降水，在汛期和枯水期水位變化較大。

隧道過河段處于珊瑚沙景觀水閘和九溪閘上游，也處于之江國家旅游區內，珊瑚砂大橋下游300m處為新建的珊瑚沙景觀水閘，設計常水位為5.50m；再往下游約2km處為九溪閘，主要作用為防止潮水倒灌。

表1　主要地層物理力學參數表

現狀五浦河斷面為復式斷面，主河槽采用石籠網箱直立擋墻，石籠頂標高約為5.5m,主河槽寬40～42m,河道全斷面寬度50～60m，現狀河底標高3.7m，左岸標高8.5m，右岸標高9.0m。規劃河底標高2.2m,設計底坡0.017%,常水位5.5m,20年一遇洪水位7.5m。

3　下穿五浦河段節點方案設計

3.1設計難點

本工程設計難點主要有：

（1）工期緊，五浦河為防洪排澇河道，在整個施工期不允許斷流，且河道的導改需要在汛期到來之前完成。

（2）施工場地受限，五浦河北側為之江路，交通繁忙，南側為在建國際金融會展中心，河道駁坎與會展中心用地紅線僅20m寬，河道導改場地狹小。

（3）地質復雜，隧道開挖范圍內影響土層分別為淤泥質土、含粘性土碎石、全風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖。

3.2基坑圍護方案

由于受環境條件制約，結合本工程的特點，明挖隧道可以選擇的圍護型式為地下連續墻、鉆孔樁+止水帷幕、工法樁。主要從方案的可行性、技術難度、風險控制、工期、經濟型等方面進行分析。圍護結構比選見表2。

通過綜合比選，最終確定選用止水效果好、圍護結構剛度大的地下連續墻。墻厚0.8m、深18.95～29.86m，豎向設三道支撐，第一道800mm×800mm鋼筋混凝土支撐，第二、三道均為?609mm（壁厚16mm）鋼管支撐。

坑內采用?800mm@600雙軸攪拌樁抽條加固，坑底以上為弱加固，坑底以下3m為強加固。見圖2。

表2　圍護結構比選表

圖2　基坑與圍堰橫相對位置圖（單位：mm）

3.3圍堰設計

3.3.1圍堰選型原則

（1）安全可靠，能滿足穩定、抗滲、抗沖要求；（2）結構簡單，施工方便，易于拆除并能利用當地材料及開挖渣料；（3）堰基易于處理，堰體便于與岸坡或已有建筑物連接；（4）在預定施工期內修筑到需要的斷面及標高，能滿足施工進度要求；（5）具有良好的技術經濟指標。

3.3.2工程案例

近幾年，隧道下穿河道在圍堰型式的設計中也摸索出許多成功的經驗，成功案例眾多，表3列舉了國內近幾年類似工程的圍堰選型。

3.3.3五浦河圍堰選型

以“不改變河道原有排洪能力”為基本設計理念來進行本工程下穿五浦河節點圍堰設計。臨時河道導改至五浦河南岸，受在建國際金融會展中心的影響，河道必須進行壓縮，采用導流渠導流方式，分期施作過五浦河段明挖隧道。因此，根據杭州市水文氣象和五浦河地理位置，錢塘江潮汐特征，該段隧道主體工程選擇在枯水季節完成施工，在駁坎與會展中心用地紅線20m寬度范圍內，設置10m寬矩形導流渠，滿足枯水期過流能力。

表3　國內隧道工程圍堰選型案例

圍堰型式須選擇斷面較小且對地基承載力要求較低的拉森鋼板樁圍堰。導流渠北側圍堰采用3m寬雙排拉森鋼板樁結構，中間采用粘土回填，導流渠南側采用單排拉森鋼板樁結構，圍堰頂標高為9.00m，流水地面標高為3.7m。

為防止渠底沖刷和拉森鋼板樁變形，導流渠底部采用50cm厚C25砼底板，設雙層鋼筋網片；側面采用30cm厚的鋼筋砼墻，設雙層鋼筋網片；頂部采用600mm×600mm冠梁和支撐，支撐間距為3.5m。流水進出口底板采用鋼筋砼趾墻，導流渠流水進出口和下游兩岸均采用石籠網箱，防止沖刷。導流渠平面、剖面見圖3、圖4。

圖3　導流渠平面圖

圖4　導流渠剖面圖（單位：mm）

3.3.4圍堰穩定性驗算

對圍堰入基深度進行復核及在擬定堰體寬度（3.0m）下驗算圍堰抗剪、抗傾、抗滑等穩定問題。

（1）入土深度復核。入土深度復核主要為復核鋼板樁入土深度是否滿足要求（圖5），計算公式如下：

圖5　抗傾覆驗算示意圖

式中：Ep——主動側土壓力；

Hp——主動土壓力離O點的距離；

Ea——被動側土壓力；

Ha——被動土壓力離O點的距離；

Ew——主動側水壓力；

Hw——主動水壓力離O點的距離；

取內排樁計算，主、被動土壓力合力對最下道鋼拉桿安裝點的力矩分別為MA=10601.9kN·m，Mp= 33960.9kN·m。考慮兩排鋼板樁分別承擔一半水頭，計算出水壓力對對鋼拉桿安裝點的力矩為Mp= 286.9kN·m，得到F=3.12，大于允許值，鋼板樁入土深度滿足要求。

（2）抗剪穩定。抗剪穩定采用下列Terzaghi公式進行計算：

式中：M——外力對基面的力矩，主要為水壓力荷載等對基礎面的力矩；

Eg——圍堰中心線上的壓力，主要包括堰體內回填中粗砂重、堰頂活荷載(本工程暫不考慮堰頂荷載)；

B——堰頂寬度，B=3.0m；

φ——填土的內摩擦角，φ=35°。

經計算，圍堰K剪為2.86，大于0.7，滿足要求。

（3）抗傾穩定。抗傾穩定公式為：

式中：G——堰體每延米重；

B——堰頂寬度，B=3.0m；

T——每延米鋼板樁與基土的摩阻力，T=L×qsik，L為鋼板樁入基礎深度，qsik為樁與土體間的極限摩阻力，保守考慮，qsik取各土層中的相對最小值；

M——外力對基面的力矩，主要為水壓力荷載等對基礎面的力矩。

經計算，K傾=5.24，大于1.4，滿足要求。

（4）抗滑穩定。抗滑穩定公式為：

式中：G——堰體每延米重；

f——基礎滑動摩擦系數；

S——每鋼板樁的抗剪力，S=Aτ，A為每延米鋼板樁的斷面積，τ為樁的極限抗剪強度；

Ef——圍堰整體所受土壓力；

ES——圍堰整體所受水壓力。

經計算，圍堰K滑分別為65.24，大于1.4，滿足要求。

4　監測數據分析

工程實施過程中，對基坑圍護結構及鋼板樁圍堰進行全程跟蹤監測。開挖第一層土方連續墻最大變形9.13mm，開挖第二層土方最大變形為15.45mm，開挖至坑底時最大變形為24.47mm。施工完成后，鋼板樁圍堰最大水平位移出現在頂部，且最大值為10.17mm，均在可控范圍內，保證了河道導流及明挖隧道施工的安全性。

5　結論

（1）明挖隧道下穿河道時，采用鋼板樁圍堰進行河道導流，能較好地解決工期緊、場地狹小、施工環境復雜等問題，并且方法簡單，工藝成熟。

（2）導流渠采用箱涵結構，能有效地減小對導流渠底部的沖刷及圍堰結構的變形。

（3）基坑采用連續墻+內支撐的支護體系能有效控制基坑的變形，對圍堰結構的影響也較小。

[1]陳敬軍.流花湖隧道湖中段深基坑支護設計與施工[J].施工技術，2012,41（13）:85-89.

[2]郭大煥.江中超深基坑與圍堰相互作用的分析與研究[J].巖土工程學報,2006,28（增刊）：1826-1829.

[3] 李達、趙祥允.鋼板樁圍堰結合填芯筑島技術在高速鐵路[J].鐵道工程學報，2009（3）:27-32.

[4]劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1997．

[5]毛鎧主.格形鋼板樁結構設計施工手冊[M].北京：中國計劃出版社，1996．

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1004-5716(2015)07-0175-04

2014-07-07

2014-07-08

陳娟（1985-），女（漢族），湖北荊門人，工程師，現從事巖土工程設計工作。