城市隧道下穿既有建筑的設計要點
——以十八梯城市隧道為例

劉源保，駱 成，魯 杰

（1.江西省交通投資集團有限責任公司贛州管理中心，江西 贛州 341000；2.江西飛尚科技有限公司，江西 南昌 330052；3.中交一公局集團有限公司，北京 100024）

1 工程概況

城市中新建隧道穿越既有建筑的情況比較常見，風險也很大，對此工程界在淺埋暗挖隧道方面也已有充分的研究和實踐[1-2]。但處于復雜的地質環境和周邊建筑環境中時，仍有大量的技術問題有待進一步總結和優化。

十八梯片區道路工程位于重慶市渝中區，分為地上和地下道路。地下道路等級為車庫連接道，設計時速為15～20 km·h-1，AK0+184-AK0+328.058段為下穿建筑的暗挖段。該隧道具有以下特點：（1）拱頂距既有建筑的基礎底距離僅3.48 m，約0.33B，隧道圍巖等級為V級，屬較大影響區；（2）隧道底板下有4.5 m×3.2 m的新建電纜隧道，隧道開挖后需施工電纜隧道后才能封閉底板，導致隧道不能及時封閉成環，增加了隧道風險；（3）既有防空洞邊線距離十八梯隧道開挖邊線2.73 m，導致隧道邊墻處荷載的不對稱；（4）隧道洞身處于V級的泥巖，開挖跨度大于5 m，無自穩能力。樁號AK0+240斷面布置如圖1所示。

圖1 斷面布置

針對隧道的上述特點，本文詳細分析隧道的支護結構受力和施工方案，及對既有建筑物沉降的影響。

2 設計關鍵指標與施工工藝

根據地質條件、施工技術和經濟性分析，確定了十八梯下穿暗挖段隧道的結構設計參數，見表1。

表1 十八梯下穿暗挖段隧道圍巖支護設計參數

下穿暗挖段施工工序如下：

（1）開挖隧道主體；

（2）施作拱頂和側墻的初期支護；

（3）開挖電力隧道；

（4）電力隧道回填至隧道底板處；

（5）二襯施工。

施工過程遵循“預支護、預加固、早封閉”的原則。隧道設計與施工中要考慮既有建筑和緊鄰的防空洞的保護與影響，這構成了本項目中的重點和難點[3]。

3 計算分析

為了有效分析施工中結構受力、地層變形等，采用數值方法模擬計算了開挖施工過程[4]。主要分為以下3個步驟：

（1）施加自重荷載，模擬土層在既有建筑物重力荷載作用下應力的重新分布；

（2）超前預支護預加固；

（3）隧道開挖支護后地表建筑物變形及隧道初支和二襯的受力特點。

計算主要包含3部分：（1）隧道開挖前初始應力狀態；（2）預加固前既有建筑物的豎向位移；（3）二襯后既有建筑的最終沉降量和初期支護、二次襯砌受力計算[3]。

3.1 隧道穩定性和既有建筑物的沉降計算

計算選擇采用地層結構法，考慮錨桿和超前注漿小導管加固部位的圍巖粘聚力不變、內摩擦角值提高20%。計算選用Midas NX程序進行模擬；局部網格劃分如圖2所示。

圖2 二維有限元網格局部示意圖

計算分析后，得出以下結果。

（1）既有建筑的沉降。既有建筑物豎向位移如圖3所示。在沒有開挖時，隧道拱頂處豎向位移收斂于13.95 mm，既有建筑豎向位移收斂于15.96 mm；施加支護結構后，隧道拱頂豎向位移收斂于2.89 mm，如圖4所示。既有建筑豎向位移收斂于0.75 mm。

圖3 隧道開挖前圍巖和既有建筑物豎向位移示意圖

圖4 隧道支護后既有建筑物豎向位移示意圖

（2）隧道初期支護力學特性。由于邊墻左右荷載不對稱，靠近防空洞一側的荷載為另外一側的1.94倍，初期支護最小安全系數為1.85，見表2。新建隧道支護受力如圖5、圖6所示。

圖5 初支軸力圖

圖6 初支彎矩圖

表2 初期支護計算結果

3.2 二次襯砌計算

二次襯砌采用結構-荷載法計算。

3.2.1 荷載承擔系數

初期支護和二次襯砌共同承擔土柱壓力，承擔比例與其剛度（EI）有關，設計中V級圍巖二襯承擔總荷載的60%，初期支護承擔的40%[5]。

3.2.2 新建隧道不對稱荷載的影響

由于原防空洞的存在，新建隧道的荷載是不對稱的，墻部的位移大小與其受力成正相關，十八梯隧道左側邊墻水平位移是靠近既有防空洞邊墻的水平位移的0.58倍，則靠近防空洞一側的荷載為另外一側的1.72倍。

3.2.3 計算結果

由于防空洞的存在，十八梯隧道左右邊墻兩側水平力不對稱，襯砌的右邊墻的彎矩是左邊墻的1.72倍，二襯內力計算結果見表3。

表3 二襯內力計算結果

4 施工方案及監控量測

十八梯隧道出口段采用CD法施工，由于該隧道拱頂距既有建筑物基礎底距離僅3.48 m，約0.33B，為保證既有建筑的安全性，因此施工中加強監控量測[6]；監測主要內容見表4。

表4 監控量測主要項目

由于城市近接暗挖隧道風險較高，且存在地層和結構受力的非對稱性，施工中建議采用建立基于物聯網實時監測系統，通過云平臺分析和管理數據并及時預警，提高信息化施工水平，保障工程安全。

5 結論

隨著城市建設的深化發展，隧道近接施工也成為目前市政隧道建設必須面對的重要問題，依托十八梯城市隧道建設方案的研究，進一步驗證和提煉了既有建筑物下穿隧道的設計要點：

（1）穿越既有建筑物時，應及時預支護預加固強支護，防止建筑物和構筑物有害變形；

（2）受不對稱荷載的隧道應考慮不對稱荷載的影響，襯砌厚度應根據荷載非對稱性科學設置；

（3）穿越既有建筑物時，應盡可能減小對圍巖的擾動。