水下隧道立交段设计与施工方案研究

文章编号：1004 2954 (2017 )09 0098 05

RAILWAY STANDARD DESIGN

铁道标准设计Vol.61 No. 9 Sep. 2017

水下隧道立交段设计与施工方案研究

李柱1

,

谢锋2,3

(1.重庆水利电力职业技术学院，重庆402160;2郾重庆交通大学，重庆400074;

3.重庆市武隆县交通委员会，重庆408500)

摘要：水下隧道已逐步成为我国跨江越海的主要交通方式之一，水下隧道立体交叉的情况也越来越常见。针对 目前国内缺乏完善的水下立体交叉隧道设计及施工体系，以我国某座水下隧道立交段为研究对象，对立体交叉段 做了总体设计，确定了主线与匝道的内轮廓；同时，基于ANSYS有限元软件对主线隧道及匝道开挖过程进行模拟 分析，提出隧道主线及匝道的开挖方案。得出如下结论：（1)通过采取CRD法等进行开挖，将大断面化为小断面， 分部开挖，双层支护，成功解决了水下隧道立交段施工安全穗定的难题，可有效确保水下立交段隧道开挖的安全；(2)开挖过程中应严格遵守“先下后上、错开施工、超前支护、减少振动、分部施工、及时二衬”的施工原则，能够保 证隧道的施工安全；（3)应紧密结合现场实际量测数据对围岩及支护结构的穗定性进行判别，二次衬砌尽量紧跟初 期支护施作。

关键词：水下隧道；立交段；设计；施工；矿山法中图分类号：U459.5

文献标识码：A

DOI：10.13238/j. issn. 1004-2954. 2017. 09. 021

Research on the Design and Construction Plan of

Underwater Tunnel Grade Separation

LI Zhu1 , XIE Feng2 3

(1. Chongqing Water Resources and Electric Engineering College，Chongqing 402160, China； 2. Chongqing Jiaotong

University，Chongqing 400074，China； 3. Traffic Committee of Wulong，Chongqing 408500，China)

Abstract:

With underwater tunnel as one of the main traffic means for crossing river or sea， grade separation of underwater tunnel becomes more common. Due to the lack of perfect system for design and construction of underwater tunnel grade separation，this paper conducts in-depth study with reference to a domestic underwater tunnel grade separation， completes an overall design of the grade separation and defines the internal profiles of the mainline and the ramp. Excavation processes of main line tunnel and ramp are simulated based on ANSYS finite element software and the excavation plan is drawn out. The conclusions are as the followings ： (1) security and stability problems can be resolved through CRD method by means of reducing large cross-section to small one， excavation by segments， double-layer support; (2) such construction principles are adopted as “ cross construction，advance support，vibration reduction，segment construction and timely second lining冶；(3) second lining should be kept in progress with initial support and stability discrimination of surrounding rock and support structure is conducted based on site measurement data.Key words ： Underwater tunnel; Grade separation ； Design ； Tunnel construction ； Mining method

环境破坏小等优点；相对于桥梁，具有引线短、易于路 网衔接等优点。水下隧道已逐渐成为我国跨江越海的 主要方式之一[| 3]，已建成的典型跨江越海隧道有湛 江湾跨海隧道[4]、港珠澳大桥沉管隧道[5]等。随着我 国沿海地区经济的快速发展，修建水下隧道的需求越

水下隧道相对于地面交通，具有不拆迁或少拆迁、

收稿日期:2016 12 10;修回日期:2017 01 07

基金项目：国家自然科学基金项目（50778154)作者简介:李柱（1981—），女，讲师,2012年毕业于重庆交通大学道

路与铁道工程专业，工学硕士，主要从事岩石力学及地下工程研究与教 学工作，E-mail:liz981@163. com。

第9期李柱，谢锋一水下隧道立交段设计与施工方案研究

99

来越迫切。目前，我国的水下隧道多采用盾构法施工， 如上海崇明长江隧道、南京长江隧道、武汉长江隧道 等[68]。国内采用矿山法修建水下隧道的工程案例相 对较少，已建成的有厦门翔安海底隧道[9]、青岛胶洲 湾海底隧道[10]、长沙浏阳河隧道[11]等；张先锋、单磊 等[1213]从设计要点等方面对矿山法修建水下隧道进 行了分析和论述。总体来看，我国矿山法修建水下隧 道的设计计算理论、施工技术等方面还未形成较成熟 的理论体系。针对目前国内还没有水下浅埋分岔大断 面矿山法施工隧道的工程实例，以国内某座水下隧道 为对象，针对水下矿山法隧道立交段设计及施工方面 存在的隧道断面大、主线隧道与匝道近距离交叉等难 题进行探讨，以促进我国水下隧道修建技术的发展。1 工程概况

该隧道位于长沙市银盆岭大桥与橘子洲大桥之 间，主要穿越地层有砂卵石地层、风化泥质粉砂岩等， 岩性软、强度低、自稳性相对较差，对隧道施工极为不 利。隧道立体交叉结构位于某江大道下方。该段自上mm

向下覆土层依次为:4〜8 厚杂填土层、0〜2 厚素 填土层、2〜6 m

厚粉质黏土层、强风化板岩和中风化 板岩等。南、北主线隧道主要位于中-强风化板岩中，CD

围岩开挖条件相对较好；、匝道主要位于圆砾层、

粉质黏土层中，围岩自稳能力极弱，隧道开挖条件 较差。

为充分发挥该水下隧道的跨越、分流功能，实现某

江东西两岸均能“双进双出”，采用了“两主线、四匝 道”的隧道设计思路。由于匝道与主线隧道分合流设 置在暗挖段，使得隧道立交段出现4处分岔大跨断面， 车道宽度由8 m过渡到19. 58 m

，考虑到矿山法隧道断 面的灵活性，整个隧道采用矿山法进行施工。

匝道与主线合（分）流段，主线隧道洞室跨度相对 增加;另一方面，由于受匝道位置、坡度、曲线半径等相 关因素的影响，隧道合流段也必然伸入江底水下段。 此外，受隧道两岸接线位置的影响，使得隧道埋深较 小，而截至目前，国内还没有水下浅埋分岔大断面矿山 法隧道施工实例。该隧道埋深浅、地质条件差、开挖跨 度大，且在地下立体交叉，无论是工程难度，还是施工 风险在国内外水下隧道中都是相对罕见的。江中分岔 大跨段、长距离过圆砾流砂层段、江底断层破碎带段等 复杂地段的设计与施工，都是隧道施工中需重点解决 的技术难题。2

立交段总体方案设计

根据隧道线路设计，隧道东、西两岸共设置

A、B、C、D共计4个匝道，匝道与主线隧道分合流均在暗挖

段，导致暗挖段出现4处分岔大跨断面。主线隧道与 匝道平交形成的地下分岔大跨断面向隧道标准断面过 渡段结构，根据分、合流以及加减速车道的宽度和长 度，以及便于施工及节省模板台车的投入等方面的综 合考虑，大跨隧道的断面设定不采用常规的喇叭口式 渐变结构，而是以隧道内轮廓为基础，以主线隧道边墙 为基准，采用单侧分段扩大的大跨隧道结构形式。由 于各匝道与主线平交角度不同，分、合流的大跨断面根

据交汇处道路宽度的不同分为4种大跨型断面。

主线隧道断面净宽10. 1 m

A

，双向4车道，施工方 法为浅埋暗挖法。主线平面分南、北两线设计（单线 全长约2 850 m

)，最大纵坡5. 95%。匝道隧道设计为

单向单车道（单线全长约2752 m

)，最大纵坡6. 98%。 4条匝道与主隧道形成地下立体交叉隧道群（最大宽 度26 m、最大开挖面积375 m

2)。为满足不同结构段 功能及受力需求，隧道分明挖

U形、框架、拱形及上下

交叉等结构类型，如图1所示。

图1

隧道交叉关系

主线隧道之间净距约15 ，超过1倍洞径，隧道 埋深约23 m

m

。两匝道均位于主线隧道的上方，且与主

线隧道呈90。交叉。C、D匝道净间距约2. 9 m

，埋深分

别为8〜10m、11〜13 m。主线隧道断面拱墙、拱脚、仰 拱的半径分别为5. 05、1. 5、9. 5 m，断面内轮廓净宽、 净高分别为10. 1、8. 45 m，仰拱高1. 8 m，隧道净空面 积约68 m2。主线隧道断面情况如图2所示。

匝道断面拱墙、拱脚、仰拱的半径分别为4. 5、2、 8 m;断面内轮廓净宽、净高分别为9、7. 8 m

，仰拱高度1. 6 m，净空面积约57 m

2，匝道断面情况如图3所示。3

施工方案及关键技术研究3. 1

总体施工方案设计

根据现场管线调查，由于C、D

匝道处于城市主干 道下方，地下管线纵横交错，且均为主干管网。采用明 挖法施工不仅中断了地面城市主干道交通，管线迁移 还将极大地影响市民的生活，其中城市高、CD

低排水管迁 改期对城市排水极其不利。因此，、匝道采用暗挖

100

铁道标准设计第61卷

1010

图2

主线隧道断面示意（单位:cm)

法施工，开挖顺序为:先下后上，错开施工、超前支护、

微爆开挖、分部实施、及时二衬（图4)。3.2主线隧道开挖方案设计

该水下隧道分岔大跨段地质条件差,埋深浅、跨度 大、开挖支护难度高，通过采用

CRD法将大断面化为

小断面，分部开挖，双层支护，可解决水下大跨度隧道 施工安全稳定的难题[14 15],确保地面交通、管线及周 边建筑物安全。经分析,南北主线隧道先后采用“四 步

CRD法”施工开挖，如图5所示。

施工顺序说明:依次完成①、②、③、④的导坑开挖

并初期支护;⑤待初支变形收敛稳定后，截断临时竖 撑,施做仰拱和仰拱回填，临时竖撑支撑在仰拱回填层 上;⑥拆除临时支撑,一■次施做拱墙二■衬衬砲。3.3D匝道开挖方案设计

匝道采用“四步CRD法”施工开挖，为加快隧道

开挖后封闭成环的速度、减少对已开挖隧道的影 响[16]，因此，后行开挖的C

匝道采用“六步CRD

法，’， 具体如图6所示。

施工顺序说明:依次完成①、②、③、④、⑤、⑥部的 导坑开挖并初期支护;⑦待初支变形收敛稳定后，截断

图6 C匝道分部开挖示意

临时竖撑，施做仰拱及仰拱回填,临时竖撑支撑在仰拱 回填层上;⑧拆除临时支撑,一•次施做拱墙^■衬衬砲。

3. 4立体交叉段施工技术

从注浆加固、超前支护措施、开挖工序3方面对立

第9期李柱，谢锋一水下燧道立交段设计与施工方案研究

101

体交叉段施工关键技术进行分析如下。

(1) 注浆加固。在隧道开挖轮廓线外5

m以内，

采用地表袖阀管进行注浆加固（袖阀管间距为1. 5 ),加固深度以进人中-强风化板岩2. 5 以上为

mm

基本标准。对于地质条件较差的地段,加固深度可根 据实际工况条件进一步增加。注浆材料采用1颐1水 泥-水玻璃双液浆。

(2) 超前支护措施。超前预支护采用小导管与长 管棚(准伊6 mm厚热轧无缝钢管，长50 m)相结合的

方式。(3)

开挖工序。立体交叉段施工按“先下后上开施工、超前支护、减少振动、分部施工、及时二衬”的 原则开挖,开挖顺序如下:①通过1号竖井向东开挖南

北主线隧道，待主线隧道南北线向东施工至匝道 (立体交叉段）外轮廓平面位置以东20 m

C

;②开挖2号 竖井通道;③通过2号竖井通道向江底方向开挖C匝

道;④通过2号竖井通道向江底方向开挖D匝道；⑤

待

D匝道在平面上暗挖通过南北主线后，通过2号竖 井通道向陆域方向开挖C匝道，向陆域方向开挖D匝 道;⑥C、D匝道通过交叉段后，先行施做主线二衬，后

行施做匝道二衬。4

立交段开挖数值模拟分析4. 1

开挖计算模型建立

匝道与主线隧道立体交叉段结构形式复杂，二维 平面模型难以进行精确的分析计算，决定基于ANSYS

有限元软件建立三维立体模型对其开挖过程进行计算

分析。计算模型主要参数如表1所示。

表1

计算模型主要参数

材料

容重泊名称

/(kN/m3)量弹/ 性 M模Pa

比松渗/(透m系/d数) 内/kPa聚力 内摩擦

角/(。）

杂填土

19. 12. 020. 400. 371011粉质黏土

19. 80. 860. 380. 083719强风化板岩23. 13120.350. 2215524中风化板岩23.6

7400. 310. 1272033圆砾层20.2290.3240043

三维模型的计算范围为：南北主线上50 、

m厚度50 m

mC、D

匝道方向上90 、计算。土体单元、初期支

护分别采用SOLID45单元、壳体单元进行模拟。计算

模型如图7所示。

4.2边界条件设定及计算过程

设定边界条件：隧道开挖过程中，土体是半无限 体,但计算模拟中无法全面表现这一点，为减少误差， 水平方向计算范围取为90 为 60 m

mx60 m,竖向计算长度取

。

土体模型及参数选取：选用弹塑性模型中的

图7

隧道立交段计算模型（单位:m)

Drucker-Prager材料模型对土体进行模拟，结合工程实

际及数值模拟需要,输人土体的弹性模量、质量、黏聚 力、泊松比等物理力学参数。

计算工况:在保证不漏水的情况，初期支护受力及 变形的控制工况是高水位工况，计算水位取到地表，同 时考虑地面20

kPa的超载。

开挖步骤:为避免模型结构过于复杂，同时提高计 算结果的精确度,基于工程实际,对隧道开挖步序进行 了优化:①完成初始应力计算，进行北主线开挖，北主

线通过后，C进行南主线开挖;②C、D

匝道开挖过程中，

匝道先行开挖,D匝道滞后C匝道30 m。

4. 3

计算结果分析

选取有代表性的断面或者点进行模拟分析，数据

采集点如图8所示，其中UY2〜UY5为南北主线数据

采集断面，Ic、nc、Id、nd为C、D匝道数据采集

断面。

匝道开挖完成后围岩、支护结构的位移变化情况 如图9所示。

主线隧道拱顶及仰拱的弯矩、竖向位移变化情况

、错102

铁道标准设计

第61卷

(a)地层竖向位移(C匝道完成）

（b)结构竖向位移(C匝道完成)

(c)地层竖向位移(D匝道完成）

（d)结构竖向位移(D匝道完成)

图9

围岩与支护的整体变形云图

如图10所示。

1X

9o

(日(

1

8o•S M5D/S

• 7o1X

铷

s 6olvr1

K

5o1X

140—2 —4 1—6 1—8 1—10 1—12 1—14

1

施工步序

(a) UY2~UY5拱顶弯矩(b) UY2~UY5仰拱弯矩

2 4 施6 工步8 序

10 12 14

1^0=3Q ：1/~^

0 2 4 6 8 10 12 14

=茲匕 施工步序

(c) UY2~UY5拱顶竖向位移

（d) UY2~UY5仰拱竖向位移

图10主线分析点的弯矩及位移变化曲线

C、D匝道拱顶及仰拱的弯矩、竖向位移变化情况

如图11所示。

图9〜图11中施工步序0为原始状态；1为南线 施工完成;2为北线施工完成;3〜14步为

C、D匝道施 工过程，D匝道开始施工为6步，滞后C匝道施工

30 m。通过对计算结果分析得出以下结论。(1) C匝道开挖到第5步，即开挖面基本位于南线洞顶时，南线隧道拱顶弯矩增加了 20%，增加了此段

隧道洞顶失稳的风险。(2) D

匝道开挖到南线拱顶后，南主线拱顶弯矩没有增加，反而减少了 25%，主要是侧向的土体挖出 后，主线隧道顶部受力三角区域荷载减少。

2

5o

-一 ♦-Ic2w0|

lie-仰顶\"-仰顶~*x--1nd(1--仰仰顶顶

1(

5 1

So募. (>®lo

#

6 7 8 9 10 11 12 13 14

施工步序

施工步序

(a) C、D匝道拱顶弯矩

施工步序

(c)C、D匝道拱顶竖向位移

（d)C、D匝道仰拱竖向位移

图11匝道分析点的弯矩及位移变化曲线

(3) 南北主线隧道拱顶位移变化基本处于减少的状态，整体上减少的速率较平稳，只有在上层隧道通过 隧道顶部的时候位移变化较剧烈。南北主线仰拱竖向 位移略有增加，不过变化不大。南线隧道在北线隧道mm

贯通后，竖向位移收敛值略有减少（5 以内），可以

认为洞净距大于1倍洞径后，相互影响较小。

Hd(4)

C、D匝道拱部位移先大后小，逐步趋于稳定。处拱顶弯矩一直处于一个较大的值，Ic处拱顶弯

矩先大后小，最后稳定在一个相对较小的值。开挖完 成后，采集点处初期支护受力还处于一个增长的阶段。 因此，在后续施工的过程中应加强对已完成的初期支 护的监控，在距离掌子面超过5倍洞径后，方可减少监

控次数。

根据以上分析计算结果可知，在立体交叉段采用 “先下后上、逐条施工”，并加强先行施工的支护刚度， 完全可以满足隧道立交段施工的安全需求。5

结论与总结

为满足长沙市的区域功能规划要求，通过研究，提

出了水下隧道交叉段的整体布局方案，

实现了某江东 西两岸均能“双进双出”的交通功能。研究结论如下。(1) 水下立交段采用“先下后上、分块施工、距离” 设计施工原则，并采用合理施工工法、步序及有 效支护，能够将施工过程中各隧道之间的相互干扰降

到最低，保证隧道的施工安全。

(2)

施工中采取地表袖阀管注浆加固，长管棚与小导管超前预支护，主线隧道与匝道均采用

CRD法进

行开挖，可有效确保水下立交段隧道开挖的安全。

保证

第61卷第9期2017年9月

文章编号：1004 2954 (2017 )09 0103 08

RAILWAY STANDARD DESIGN

铁道标准设计

Vol.61 No. 9

Sep. 2017

市政道路下穿城市复杂区域隧道工程总体方案设计

韩武民

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要:通过对康王路下穿流花湖隧道工程复杂建设条件下控制因素分析，提出合理的总体设计方案，旨在探求在 复杂建设条件下城市大型隧道工程科学合理的工程全局构思理念。城市道路隧道设计是一个综合性课题，与地 形、地貌、工程地质、水文地质、社会人文和环境等多方面因素密切相关，它需要设计者在满足设计规范的前提下， 对涉及方案的影响因素和控制条件进行逐步分析，理清主次，结合路网规划、隧道埋深、洞口位置及洞外接线、工期 等综合考虑，进行多方案比较，从而合理得出最有利的道路方案和隧道方案。关键词：市政隧道；总体方案；控制条件；工法；比选中图分类号:U412. 3;U452

文献标识码：A

DOI：10.13238/j. issn. 1004-2954. 2017.09.022

The General Planning of Municipal Road Tunnel

Passing through Complex Urban Area

HAN Wu-min

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

Through the controlling factor analysis of Kangwang Road tunnel passing through Liuhua Lake under complicated conditions，a reasonable general design plan is proposed aiming at exploring scientific and reasonable general engineering concepts for large-scale tunneling under complicated construction condition. Urban road tunnel design is a comprehensive project in close relationship with terrain，

topography, engineering geology, hydrogeology,

收稿日期:2017 02 16;修回日期:2017 03 07

social humanity, environmental and other作者简介:韩武民（1983—）男，工程师,2005年毕业于长安大学公路学

院公路与城市道路专业，工学学士，E-mail:94176072@qq.com。

aspects, which requires the designer to analyze

Abstract:

|

.

令

|

.

令

i+

令

i+

令

i.♦.卜

|.令 |

.

令

|

.

令

i+

令

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令

i.

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(3)施工期间，应紧密结合现场实际量测数据对

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