南京市機場二通道隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

孫慧明

（南京雨花軟件園發(fā)展有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

地下通道是城市用地的重要組成部分，必須對其進行科學、系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計，以促進城市整體的發(fā)展。隧道是地下通道的結(jié)構(gòu)之一，其資源主要包括地鐵、隧道等。隧道工程結(jié)構(gòu)比較復雜，因此在進行隧道工程設(shè)計時應考慮到安全問題，并將現(xiàn)代技術(shù)與智能技術(shù)相結(jié)合，利用先進的技術(shù)和裝備來提升隧道的科學性[1]。

1 工程概況

機場二通道起于小行立交即機場二通道、軟件大道、鳳臺南路的交匯點，止于規(guī)劃的機場西大門，向北通過小行高架接入井字內(nèi)環(huán)快速體系，向南連接祿口機場及規(guī)劃的寧高新通道，路線溝通南京主城、江寧副城以及祿口新城，全長約33 km。機場二通道鳳信路以南段總體方案為“主線高架+上下匝道+地面輔道”，目前主線高架部分已實施至鳳信路交叉口，因此本段機場二通道實施迫在眉睫。

機場二通道工程中的隧道起終點為MK0+579.888~MK1+042.888，隧道全長463 m。隧道下穿部隊用地。隧道起終點均位于部隊用地范圍外，部隊范圍內(nèi)隧道頂均覆土，滿足部隊正常使用要求。隧道主線接南北兩側(cè)高架，輔道連接地面道路。隧道南側(cè)出口MK1+042.888至該次設(shè)計終點MK1+114.085，共71.2 m。根據(jù)項目環(huán)評報告，此段須設(shè)置全封閉式聲屏障，隧道封閉段長度534.2 m，設(shè)計按三類隧道考慮。

2 工程建設(shè)環(huán)境

2.1 地形地貌

南京市平面位置南北長、東西窄，呈正南北向；南北直線距離150 km，中部東西寬50~70 km，南北兩端東西寬約30 km。南面是低山、崗地、河谷平原、濱湖平原和沿江河地等地形單元構(gòu)成的地貌綜合體。

擬建機場二通道建設(shè)工程位于南京市雨花臺區(qū)，地勢總體平緩，地面高11.64~39.36 m，最大高差27.72 m。擬建橋梁北接軟件大道，南接擬建項目的隧道部分。擬建場地為崗地及崗間坳溝地貌單元。

2.2 地下水

擬建場地地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。

2.2.1 孔隙潛水

主要賦存于①填土和新近沉積的②粉質(zhì)黏土中。該含水層透水性、賦水性一般，水量較小，局部填土層較厚部位水量較豐富?？辈炱陂g實測部分鉆孔內(nèi)地下孔隙潛水初見水位埋深0.30~4.50 m，穩(wěn)定水位埋深0.50~5.00 m，水位標高為9.79~34.36 m（隨地面起伏高程不同）。水位變化主要受大氣降水及地表水垂直入滲補給影響，年水位升降變幅約0.50~1.00 m。

2.2.2 基巖裂隙水

擬建線路場地底部基巖為白堊系葛村組（K1g）砂巖，大部分地段裂隙稍發(fā)育，裂隙連通性較差，含有少量基巖裂隙水，局部地段裂隙發(fā)育強烈，裂隙連通性較好，基巖裂隙水較豐富。

3 隧道工程設(shè)計

3.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道斷面根據(jù)結(jié)構(gòu)、通風、供電、照明、監(jiān)控、管線等多專業(yè)協(xié)調(diào)進行綜合設(shè)計。隧道主、輔道結(jié)構(gòu)盡量考慮共墻結(jié)構(gòu)，以減少結(jié)構(gòu)占地面積，慢行道單獨成孔，減少后期結(jié)構(gòu)整體剛度不一致帶來隧道不均勻沉降等不利影響[2]。市政管線盡量利用人行道板下空間敷設(shè)，燃氣管不入隧道，在隧道結(jié)構(gòu)頂板以上單獨過路。

根據(jù)地勘報告中間資料，隧道段基本為1~2填土、4~11強風化凝灰?guī)r及4~31中風化凝灰?guī)r。結(jié)構(gòu)底板基本位于4~11強風化凝灰?guī)r層、4~21中風化凝灰?guī)r層。

隧道MK0+579.888~MK0+609.888段為主四輔四斷面。根據(jù)道路條件，主輔道高差最大6.1 m。隧道結(jié)構(gòu)共用側(cè)墻。主、輔道之間高差較大，基坑支護設(shè)計D1000@1200灌注樁，底板結(jié)構(gòu)下另設(shè)計抗拔錨桿，結(jié)構(gòu)不與基坑樁基連接。

隧道MK0+609.888~MK0+860.726段進入部隊用地紅線，根據(jù)現(xiàn)在地形及部隊要求，隧道頂填土標高需恢復至46.0，同時考慮80 kPa大面積堆載。隧道結(jié)構(gòu)共用側(cè)墻。底板最大高差約3.6 m。主、輔道結(jié)構(gòu)下設(shè)置抗拔錨桿。隧道結(jié)構(gòu)上設(shè)置架空層，架空層上覆土厚度暫定為2 m，架空層內(nèi)增設(shè)隔板，減少板跨度。

隧道MK0+860.726~MK0+912.388段為隧道內(nèi)部交織段。隧道斷面由雙八過渡為雙十斷面。根據(jù)道路條件，該段地下道路為主輔道交織段，結(jié)構(gòu)型式為兩孔混凝土現(xiàn)澆箱體。單孔內(nèi)設(shè)置4~5車道，根據(jù)隧道埋深，結(jié)構(gòu)上設(shè)置架空層，以減少覆土荷載。

3.2 隧道附屬工程設(shè)計

3.2.1 隧道通風

按照目前執(zhí)行的設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標準，可供設(shè)計作為依據(jù)的規(guī)范以《公路隧道通風設(shè)計》（JTG/T D70/2—02—2014）為最詳。該規(guī)范總則確定的適用范圍為“高速公路，一、二、三、四級公路的新建隧道和改建山嶺隧道 ”[3]。

有關(guān)城市市政隧道的專用設(shè)計規(guī)范和標準，目前尚無相關(guān)資料。因此，該工程通風設(shè)計的主要依據(jù)為《公路隧道通風設(shè)計細則》。

（1）通風方案分析。根據(jù)細則，隧道長度小于500 m，按國內(nèi)工程經(jīng)驗本可不設(shè)置機械通風。通風計算，正常情況下，隧道車輛行駛速度不低于20 km/h，交通風力即可滿足設(shè)計要求，不需要輔助其他形式的通風。

根據(jù)環(huán)保部門提出意見，隧道出口處增加設(shè)置全封閉聲屏障，使得整個密閉通道長度超過500 m，并且隧道與聲屏障連接處與外界隔絕，不能有效地將隧道內(nèi)的有害氣體及時稀釋排走，故機動車道考慮安裝射流風機，來排除隧道內(nèi)有害氣體及通風換氣。

（2）通風方式分析。公路隧道通風方式的選擇應綜合考慮隧道的平縱指標、交通量、氣象條件、地貌、經(jīng)濟性等因素，根據(jù)設(shè)計細則4.1.4條，單向交通且長度L≤5 000 m的隧道可采用全射流縱向通風方案。

該工程隧道長度小于500 m，加上聲屏障后約為540 m，屬小規(guī)模隧道，全射流縱向通風方案適用該工程。

（3）通風標準。當采用縱向通風時，CO設(shè)計濃度應符合下表的規(guī)定；當采用全橫向通風和半橫向通風方式時，CO設(shè)計濃度可比下表中規(guī)定值降低50 ppm；地下道路空氣異味稀釋不間斷換氣次數(shù)宜為3~5次/h，排煙時，應能迅速組織氣流、有效排煙?？v向氣流速度不小于2.5 m/s。

（4）通風設(shè)施設(shè)置。該工程隧道機動車道設(shè)計縱向通風方式，通風換氣次數(shù)不小于3次/h，排煙時，選取縱向氣流速度3 m/s，選用SDS系列900型射流風機。非機動車道設(shè)計縱向通風方式，選取縱向氣流速度1.5 m/s，選用SDS系列630型射流風機。

（5）通風工況分析。在車輛正常運行情況下，由于車輛行駛產(chǎn)生的交通風力使隧道環(huán)境產(chǎn)生負壓，室外空氣將沿隧道入口不斷進入隧道，形成對隧道環(huán)境空氣的不斷更新，對隧道環(huán)境有害氣體的濃度不斷稀釋。實際正常運行中，有害氣體的濃度將比設(shè)計控制標準更低，再輔助機械通風，迅速將有害氣體排出隧道。

在交通阻滯情況，由于CO和煙霧的氣體密度皆小于空氣（比空氣輕），CO和煙霧的氣體將自然向上，在隧道環(huán)境空氣靜止、濃度不斷增加的情況下，在隧道形成聚集，射流風機開啟后將有害氣體最終擴散到隧道兩端，進入大氣。

（6）火災工況分析。火災發(fā)生時，直接為火災烈焰所傷人員甚微，人員傷亡的主要因素是煙霧引起的窒息。因此控制煙霧在隧道中的彌漫，使人員盡快離開煙霧環(huán)境，成為人員成功撤離火災現(xiàn)場的關(guān)鍵。

該工程當火災發(fā)生時，高溫煙氣產(chǎn)生強大的自然升力而向上行。煙霧在隧道中的彌漫長度，即為火災發(fā)生點至隧道的出口的長度。在隧道中，煙霧的彌漫長度越短，人員撤離的成功率越高。該工程隧道射流風機在檢測到火災時能夠迅速切換到排煙模式，及時將火災產(chǎn)生的煙氣排出隧道，保證人員安全撤離火災現(xiàn)場。

由于非機動車駕駛?cè)藛T以及步行通過隧道的人員在隧道內(nèi)活動的時間較長，發(fā)生火災時，逃生時間也比機動車要長，考慮到非機動車隧道空氣質(zhì)量及電瓶車火災狀況下的安全撤離，非機動車隧道設(shè)置機械通風措施。

3.2.2 隧道排水系統(tǒng)設(shè)計

（1）設(shè)計原則。為保證地道的安全運營，地道內(nèi)設(shè)置相應的排水設(shè)施，主要包括雨水系統(tǒng)和廢水系統(tǒng)。地道排水系統(tǒng)采用雨廢水合流制。雨廢水經(jīng)通道內(nèi)邊溝及隧道外雨水管自排至南河。給排水設(shè)備的選型，采用技術(shù)先進、安全可靠、經(jīng)濟合理并經(jīng)過實際運營檢驗成熟的產(chǎn)品，規(guī)格盡可能統(tǒng)一，便于安裝和維修[4]。

（2）設(shè)計標準。結(jié)構(gòu)滲漏水量按1 L/m2·d計算。暴雨強度計算公式如下：

式中，P——設(shè)計暴雨強度重現(xiàn)期，取50年；t——降雨歷時，根據(jù)道路坡長、坡度和路面粗糙度等計算確定。

（3）市政排水情況及排水接口。該工程附近的南河可作為隧道排水出路。

（4）雨、廢水系統(tǒng)。隧道兩側(cè)及最低點設(shè)有橫截溝，在最低點處，橫截溝與輔道橫截溝溝通，輔道由南向北為一個坡向，輔道內(nèi)橫截溝在隧道北口匯入雨水管后，自排至南河[5]。

4 隧道結(jié)構(gòu)計算

4.1 計算圖式與荷載

使用階段采用荷載——結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)為彈性地基上的閉合框架，采用豎向彈簧模擬坑底地層對結(jié)構(gòu)底板垂直位移的約束作用，豎向彈簧僅承受壓力。

4.2 主要計算參數(shù)

在正常使用情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行強度計算及裂縫驗算，考慮永久荷載與偶然荷載的工況組合，只進行強度計算，不進行裂縫驗算[6]。

4.3 計算模型

結(jié)構(gòu)采用Midas Gen進行模型計算，針對隧道主六輔四-標準斷面計算，結(jié)構(gòu)采用板單元模擬30 m長節(jié)段[7]。隧道主六輔四-標準斷面計算模型如圖1所示。

圖1 隧道主六輔四-標準斷面計算模型

隧道主六輔四-標準斷面荷載作用基本組合下效應如圖2所示。

圖2 隧道主六輔四-標準斷面荷載作用效應

荷載作用基本組合下，結(jié)構(gòu)最大負彎矩在中支點位置，頂板中支點-1 200 kN·m，底板中支點-1 500 kN·m，結(jié)構(gòu)在相應受力較大位置設(shè)置倒角。

5 結(jié)語

目前我國的城市經(jīng)濟正在逐漸發(fā)展，對城市隧道建設(shè)也提出了更高要求，例如設(shè)計合理、節(jié)約成本、安全性高等。文章對南京市機場二通道隧道結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計與研究，主要考慮了工程建設(shè)的環(huán)境，例如地形地貌、地下水等，并對隧道工程中的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計與附屬工程設(shè)計進行了詳細闡述，采用Midas Gen針對隧道主六輔四—標準斷面進行了結(jié)構(gòu)計算。