城市敏感环境下隧道设计关键技术方案研究.pdf

第 卷，第 期年 月公路工程 ，：收稿日期 基金项目江苏省科学技术计划项目（）作者简介彭智（），女，高级工程师，硕士，主要从事市政工程设计及技术管理相关工作。引文格式彭智，熊阳阳，段晓沛，等 城市敏感环境下隧道设计关键技术方案研究 公路工程，（）：，（）：，城市敏感环境下隧道设计关键技术方案研究彭智，熊阳阳，段晓沛，杨奎（广州市南沙区建设中心，广东 广州 ；中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东 广州 ；天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 ；苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 ）摘要大角山隧道是广州市南沙区第一条城区山岭隧道，是打通大角山屏障，连接港前大道与环市大道的重要骨架通道之一。项目周边环境复杂，线位穿越地铁 号线、国家级文物大角山炮台等多处敏感环境控制点，设计和施工难度极大。为解决周边敏感环境与项目的相互制约，采用资料收集、文献调研、现场勘察、理论分析和经验总结等手段，对大角山隧道工程总体设计和控制关键节点进行分析研究，结果表明：工程总体方案和施工工法经济最优、工期合理，方案可行；综合考虑周边管线、相交道路、沿线树木和地铁 号线等因素，合理选择最优路线，最大程度上节约了资源、减小了对景观的破坏；通过比选市政电力管线过隧道方案，选取最优的排管方案，为类似电力管线过隧道工程提供一定的借鉴参考；结合爆破方案设计，通过数值模拟、理论分析爆破允许安全距离和单次最大装药量等因素，采用合适的爆破方法和施工方案，确保文物的安全；洞口超小净距段采用地面注浆、对拉锚杆和小导管注浆的工法，保证隧道施工的安全性。关键词城市隧道；总体设计；复杂环境；国家级文物；关键技术 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，；，；，），：第 期彭智，等：城市敏感环境下隧道设计关键技术方案研究 ，；，；，；，；，；概述近年以来，随着我国城市铁路、公路工程的不断发展，为满足城市建设和交通的需要，时常需要在城区内建设城市山岭隧道。杨明哲 考虑道路功能需求、周边地块限制、规范标准的采用等关键因素，探讨了适合城市地下隧道的最优建设方案。吕延豪 对隧道平面、纵断面、横断面设计等总体方案和关键技术进行研究，成功确保了越江隧道的顺利贯通。李宇翔 通过分析项目周边的控制因素、探讨工程选线应该注意的问题，总结了工程选线原则。钟祖良等 结合工程建设条件和限制因素，探讨了重庆朝天门两江隧道工程可行性方案。刘建友等 通过采取出入口消隐设计、排水系统、耐久性结构设计、微震微损伤控制爆破技术、除尘技术、曝污水处理技术和洞碴回收利用技术等环保措施后，隧道穿越风景名胜区能够满足景区各项环保指标的要求。还有一些学者对隧道临近或下穿既有公路、铁路工程和古文物进行研究，总结了隧道开挖对周边敏感建筑物的影响规律 。但是，以往的隧道设计和施工的研究主要集中在山岭隧道方面，城市隧道相关研究还比较少。由于城区内周边情况复杂，存在较多的环境控制点和制约因素，尤其工程位于古文物的建控区内，故从设计方面来说如何有效地应对控制因素就显得至关重要。大角山隧道工程作为南沙区第一条城区山岭市政隧道，其周边存在蒲州花园（公园）、英东中学、蒲 州 炮 台、大 角 山 炮 台（国 家 级 文 物）、规划地铁 号线等重要建（构）筑物和敏感环境控制点。针对其工程特点，对工程平面、纵断面、横断面设计等总体方案与线位选择、隧道内电力管廊布置方案、文物保护、树木保护、超小净距等关键控制节点进行研究和论证，提出大角山隧道的设计方案，为本工程和类似工程提供一定的参考。工程概况 工程简介大角山隧道工程项目起点北接现状港前大道南，线路往南延伸，以隧道形式纵穿大角山，终点至现状海滨路与环市大道交叉口。项目路线长约 （其 中 西 线 长 ，东 线 长 ），规划道路等级为城市主干路，双向六车道设计，标准段规划红线宽度 ，设计速度 ，全线设小净 距山岭隧道一 座，均长 约 （其中西线洞长 ，右洞长 ），工程平面示意图见图 。工程地质条件和水文地质条件场区总体位于广州市南沙区辖南横村范围内，珠江一级阶地、地势相对平坦，沿线范围内林木较多，池塘密布。大角山主要为侵蚀、剥蚀构造地貌、丘陵峰顶高度约 ；两端拟建道路，属三角洲冲积平原地貌、地势相对平坦，区内地面标高为 ，由北、西北向东南降低，区内水网密布，河涌交错。大角山隧道地质纵断图如图 所示。隧道穿越范围内主要为、级燕山晚期强风化和中风化花岗岩，同时存在断层破碎带、危岩、崩塌与岩堆等不良地质。强风化花岗岩，褐黄色，主要矿物为长石、石公路工程 卷图 大角山隧道线路平面示意 图 大角山隧道地质纵断图 英，部分云母和少量暗色矿物；岩芯呈碎屑 碎块状，敲击可碎，属软岩；岩体基本质量等级为级。中风化花岗岩，灰黄 浅灰色，中粒 细粒花岗结构，块状构造，主要矿物为长石、石英，部分云母和少量暗色矿物；节理裂隙较发育，可见铁锰质浸染；岩芯呈柱状，少呈碎块状，岩质较硬，锤击声脆，锤击不易碎；隧道区地下水根据其不同赋存形式、埋藏条件和分布情况与水动力性质，可将地下水分为 类：松散岩土类孔隙水、基岩类裂隙水和构造裂隙水。松散岩土类孔隙水：第四系残坡积砂质黏性土和全风化基岩上层滞水，厚度较小，多处在地下常水位以上，降雨时充水，雨后排泄，水量相对不大，主要靠大气降水补给。基岩裂隙水：主要赋存于强 中风化基岩裂隙中，水量中等，主要接受地下径流和上层孔隙水渗透补给，地表水侧向补给等，水力梯度相对较大，以地下渗流形式向附近沟谷排泄，地下水在隧道洞身的埋深普遍较浅。构造裂隙水：主要赋存于沿线断裂带及其影响范围带、节理密集带，裂隙发育，具有岩体相对破碎、导水性较好、透水性中等特征。由于岩层和构造破碎带的涌水量和透水性主要受其裂隙发育程度所控制，存在不均匀性，存在局部有较大涌水量的可能。第 期彭智，等：城市敏感环境下隧道设计关键技术方案研究 关键技术难题 线位选择 接驳关系复杂沿线现状道路主要有港前大道、商贸南二路、天后路、大角一路、海滨路和环市大道等道路，与本项目的接驳关系见图 。根据现状路网并结合规划路网，项目全线共设置路线交叉 处，主要节点包括：港前大道南、天后路、环市大道南，接驳统计见表 。图 沿线既有道路与线位的位置关系 表 沿线既有道路、规划道路与线位的接驳 ，序号节点名称交叉方案港前大道南信号灯 字平交天后路右出的 型平交花园酒店出入口信号灯 型平交环市大道南信号灯 环形平交规划支路右进右出的 型平交规划支路右进右出的 型平交规划支路右进右出的 型平交规划支路右进右出的 型平交 管线较多项目线路范围内，与现状道路相接的起点和终点处存在已实施的市政管网，现状管线主要集中在现状港前大道、天后路、大角一路、环市大道南和海滨路。主要有雨水、污水、电力管沟、通信、燃气、交通管线和路灯照明，大角山隧道范围无现状 管 线，工 程 沿 线 现 状 管 线 示 意 图 见图 。沿线树木保护通过对建设用地范围内的现有绿地、连片成林树木、古树名木和古树后续资源的现状进行摸查，隧道北侧路基段重点树木资源共 棵。其中直径大于 的榕树有两棵，树木为胸径 榕树，树木为胸径 榕树；隧道南侧路基段重点树木资源共 棵，树种多为桉树和大叶相思。其中直径大于 榕树迁移较为困难，建议原址保护。沿线树木信息和位置统计见图 、图 和表 。公路工程 卷图 沿线现状管线与线位的关系示意 图 隧道北侧路基段重点树木资源信息 第 期彭智，等：城市敏感环境下隧道设计关键技术方案研究图 隧道南侧路基段重点树木资源信息 表 沿线树木实测位置统计表 编号位置树木名称胸径 坐标 坐标 备注 ，右偏 杜英 ，右偏 杜英 ，右偏 榕树 ，左偏 榕树 ，左偏 柳树 树干有分支 ，左偏 榕树 树干有分支 ，右偏 桉树 ，右偏 桉树 ，左偏 桉树 ，左偏 大叶相思 ，左偏 桉树 地铁线路制约规划地铁 号线与本项目线位局部重合，地铁 号线南沙客运港均为地下两层站，其中南沙客运港站为 号线与 号线的换乘站，目前地铁号线已在南沙客运港站地下 层预留 号线接口，出站隧顶覆土 。根据相关要求，大角山隧道主体结构应与地铁结构保持 以上距离。地铁 号线与隧道的位置关系如图 所示。国家级保护文物（大角山炮台）本项目沿线存在一处国家级保护文物：大角山炮台，该炮台位于本项目线路东侧约 范围。线路距文物保护范围（文物 范围）最近处约，位于建设控制地带（文物 范围）。保护文物保护区范围与设计线路的位置见图 。根据现场调查和网上公开资料，大角山炮台、蒲州炮台属虎门炮台。其中大角炮台共计分布有 处火炮遗址，各炮台都有完整的炮池、坑道、门楼，部分还有独立的火药局和军事设施，唯火炮全失，目前现存火炮均为仿制品；蒲州炮台现存 处炮池遗迹，炮台门楼和火炮等为翻新、仿制品。根据 粤府（）号 文规定，将大角山炮台、蒲州炮台列为全国重点文物，文物外沿起向外延伸 列为保护区，从保护范围外缘起向外延伸 为一级控制地带，大角山炮台与隧道线位距离见表 。公路工程 卷图 设计道路与地铁 号线的关系 图 文物保护区范围与设计线路的位置示意 第 期彭智，等：城市敏感环境下隧道设计关键技术方案研究表 大角山炮台与隧道线位距离统计 序号名称与正线距离 类型备注安胜台 砌砖流星台 砌砖安威台 砌砖安定台 砌砖安平台 炮振威台 砌砖振定台 炮 隧道洞口净距小不同于 分 离 式 隧 道，小 净 距 隧 道 相 邻 隧 洞施工过程中 相互 扰 动 影 响 较 大，先 行 动 的 开 挖会改变围岩 的应 力 场，后 行 洞 开 挖 容 易 造 成 中岩 柱 变 形。根 据公 路 隧 道 设 计 规 范（），规 范 中 根 据 隧 道 净 距的大小，将并行隧道结构划分为不同程度的影响，如表 所示。本项目中，洞口段隧 道的最 小净 距约 为 表 隧道净距分类 隧道净距双洞影响级围岩级围岩级围岩超小净距严重影响 较小净距中等影响（）（）（）小净距轻微影响（）（）（）；洞身段最大净距约为 ，为小净距隧道；其中洞口段为约 ，为超小净距。设计对策 平面设计路线全线设置 处圆曲线，考虑规划用地红线与相邻不同等级道路接顺，最小圆曲线半径 。圆曲线与直线、圆曲线与圆曲线之间采用长度 的缓和曲线相连接。西线半径 的圆曲线之间，以及与直线之间未设置缓和曲线。圆曲线最小长度 ；停车视距 ；洞口内外侧线型保持一致最短距离 （满足 距离）。纵断面设计道路全线设有 处变坡点，最大纵坡 ，最小 纵 坡 ，最 小 坡 长 ，最 大 坡 长 ；最小凸曲线半径 ，最小凹曲线半径 ，最小竖曲线长度 。横断面设计 道路横断面天后路与 本 项 目 的 交 点 距 离 隧 道 出 洞 口 不足 ，从安全的角度出发，天后路不与本项目设置 平 交 口。横 断 面 布 置 为：人 行 道 非机动车道 树穴 路缘带 主路机动车道 路缘带 分隔带 路缘带 主路机动车道 路缘带 树穴 非机动车道 人行道 ，道路横断面设置见图 。图 道路横断面示意图（单位：）（：）隧道横断面如图 所示，山岭隧道段采用小净距 分离式暗挖隧道，两个隧道之间的净距不小于 。路基宽度为 ，横断面布置为：侧墙 检修道 路缘带 机动车道 路缘带 挡墙 电力管廊 检修道 侧墙 间距 侧墙 检修道 电力管廊 挡墙 路缘带 机动车道 路缘带 检修道 侧墙 。公路工程 卷图 隧道横断面示意图（单位：）（：）关键技术 蒲洲花园路基段方案目前蒲洲花园路基段的建设方案有路基横穿、桥梁上跨、天后路抬升、隧道下穿等 种。各个方案的优缺点和造价如表 所示。从表 可知，虽然地面道路方案交通功能比隧道方案弱一点，建设时对周边环境的影响稍微大一点，但是近期能解决路网交通连接的问题，远期能服务周边地块出行，地面道路方案造价低，后期运营成本低，而且对地铁 号线没有影响。故从实际使用需求、景观效果与投资造价考虑，推荐采用路基横穿的方案。表 节点方案比选表 方案优点缺点对地铁的影响造价 万元是否推荐路基横穿造价低；解决了近期天后宫交通出行问题；方便与其他路网对接；符合规划要求对蒲州花园影响最大，将蒲州花园分隔成两块；天后路被切断，进入天后宫需绕行园区内部道路进入，