城市明挖隧道与地面夹空层空间合理化利用研究

洪 雷

(苏交科集团股份有限公司 南京市 210000)

0 引言

随着现代城市的建设空间需求的逐年增大，空间扩张无序、低质量化及环境污染加剧等问题尤为突出，如何科学地开发利用地下空间，保证地下与地表空间建设运营的协调性，注重城市高质量有序发展，对于缓解与消除城市可利用空间紧张问题具有积极作用[1]。

在日本等国家，地下系统建设主要表现在大型综合体的兴建与地下交通系统的联动，地下空间功能既有区分，更有协调的职能开发发展模式[2]。我国在城市化进程中对地下空间开发也进行了大量探索，然而，快速发展的城市地下空间开发利用也会产生一定问题。杨晓刚等[3]通过国内8个典型城市地下空间利用的现状调查，认为不同城市开发程度差别较大，且部分存在冒进式和不协调的开发问题。雷升祥等[4]认为我国地下空间开发系统主要集中于地下浅层空间，对于地下竖向分层规划考虑不足，影响开挖潜力。

黄俊等[5]针对地下空间分层规划问题，提出城市隧道夹空层空间利用技术，在城市长隧道建设过程中，为了避让轨道交通或其它地下构造物，往往埋深很大，隧道上方为了减少覆土压力，通常采用结构夹空层的做法。在城市地下空间资源日益紧张的情况下，如何利用夹空层，成为隧道设计不可或缺的内容。邹大海等[6]以南京江北新区中央商务区隧道为例，对城市隧道的夹空层空间形态进行了细致研究，对夹空层空间利用进行了方案设计与消防考虑。然而以上研究均未对隧道夹空层空间利用的适用条件及设计合理性进行分析。

鉴于此，以南京市横江大道快速化改造工程为依托，提出不同埋深的明挖隧道与地面夹空层空间利用的适用条件及应用方式，并选取典型夹空层断面形式进行有限元分析，探究夹空层空间构筑物的存在对地面沉降的影响，分析夹空层空间利用的合理性，以期对现有人口密集型城市的地下空间合理规划建设提供参考。

1 工程概况

横江大道是南京市江北新区规划“六横十纵”快速路中的一横。横江大道(纬三路-城南河段)路线全长7.2km。本项目向北接横江大道(长江大桥-纬三路段)，向南接横江大道(城南河路-S356段)，设计速度为80km/h，远景年交通量路段平均9.2万pcu/d，项目位于长江漫滩区，表层为填土、其下为淤泥质粉质粘土、软塑～可塑的粘性土、砂土，软土全线均有分布，地质条件较差。快速路穿越新区CBD采用下穿隧道形式，全线设有“一长隧一中隧一节点隧”，隧道总长4.165km，占总里程57.95%。其中，长隧(中央商务区隧道)埋深最大达30m，隧道基坑支护主要采用地连墙工艺，地连墙最大深度可达68m，隧道埋深和桩基深度均属国内市政明挖隧道领先水平。

2 隧道与地面夹空层空间开发利用

对于明挖隧道建设工程设计中隧道夹空层空间利用率低的问题，工程考虑到土方回填的经济性和地下空间开发的不可逆性，在针对不同埋深的隧道夹空层空间，考虑不同工况下外部荷载条件，保证隧道结构安全前提下，进行有针对性的空间利用设计，能够取得良好的经济及社会效益。

2.1 夹空层空间改造地下停车场

对于明挖隧道埋深较大地段，可在满足结构安全的条件下对夹空层进行附属设施建设。

根据设计要求，横江大道中央商务区隧道工程在穿越江北新区商务区地下空间时，形成南北两处空腔，其中南侧空腔可利用部分长度约660m，宽度约31m，隧道最大埋深达20m，通过考虑管线、抗浮等因素，对明挖隧道顶部夹空层区域建设城市公共停车场(如图1、图2所示)。由于土建工程成本已在隧道结构施工中结算，故只需考虑停车场自身结构的建设成本，能够有效节省投资，同时在竖向空间利用上，可新增近700个车位，能够有效服务于两侧地块。

图1 夹空层空间地下停车场布置纵断面示意图

图2 夹空层空间地下停车场布置断面示意图

在结构设计方面，考虑到隧道埋深较大，上部荷载经过应力扩散后对隧道结构影响较小，同时空腔结构的停车场较直接回填土所产生的附加应力荷载较小，能够有效保证整体结构的稳定性。

2.2 夹空层空间建设地下道路

对于交通流量大、红线范围窄的地表用地受限路段，可在隧道夹空层中设置交叉或平行的辅助道路、地下环路、过道及出入口等。

如图3、图4所示，在明挖隧道埋深大于15m的地段中，夹空层中进行地下环路和地下空间出入口建设，考虑到隧道结构安全性，设计中仅考虑荷载较小的单行车道，同时对夹层中地下空间出入口建设进行对称设计，尽可能减小非对称荷载导致的地面或隧道结构不均匀变形。

图3 夹空层空间地下环路与隧道关系示意图

图4 夹空层空间地下道路建设横断面示意图

2.3 夹空层空间综合管廊交叉共建

对于明挖隧道埋深较浅地段，由于夹空层空间受限，不利于进行大型基础设施建设。

考虑到路面荷载对隧道影响，对埋深较小的隧道夹空层中仅设置小型恒重的附属设施，尽可能排除动荷载对结构整体稳定性的影响。在工程位于康华路处，隧道夹空层顶部为中央分隔带，辅道车辆动荷载对下部结构影响较小，设计中为减小地下空间占用及施工方便，将综合管廊结构在夹空层中，与隧道结构交叉建设(如图5)，隧道与管廊接触段，道顶板与管廊底板共建，能够有效节省空间，工程造价较低，建设工期较短。

图5 夹空层空间综合管廊交叉建设横断面示意图

3 夹空层空间利用合理性分析

夹空层的利用需建立在对地面交通基本无影响的基础上，为探究夹空层空间利用的合理性，以隧道与地面之间综合管廊交叉建设工况为例，结合数值分析，对比夹空层空间直接回填土与设置综合管廊交叉建设的不同工况下，外部荷载对地表沉降的影响。

为提高计算效率，采用平面二维对称模型(如图6)，将综合管廊结构等效为具有一定刚度的结构层，考虑上部车辆荷载(20kPa)及种植绿化、人行交通等其他荷载(5kPa)影响，同时忽略隧道结构自身变形，具体参数如表1所示。

图6 有限元模型示意图(单位：m)

表1 物理力学参数

隧道顶部不同处理形式下，上部荷载作用后产生的沉降变形差别较大，直接回填土处理会在路面表层处产生明显的变形集中现象(图7)；而通过在隧道顶部进行综合管廊的交叉铺设，由于管廊刚度较大，地面表层产生的沉降变形幅度变化较小(图8)，说明在夹空层空间中建设刚度较大的构筑物能够有效缓解上部地面层的沉降变形集中。

图7 隧道顶部填充回填土竖向变形分布云图(单位：mm)

图8 隧道顶部设置夹空层竖向变形分布云图(单位：mm)

如图9所示，在上部荷载较大区域(机动车道)，回填土处理方式产生的最大沉降量为4cm，而设置综合管廊横穿处理方式最大沉降为2cm，最大沉降量与横向差异沉降变化均较小，说明在隧道与荷载较大机动车道间设置大刚度的构筑物能够有效减缓地面沉降及其不均匀性。

图9 两种处理方式地面沉降量对比

4 结论

以南京市横江大道快速化改造工程为依托，对明挖隧道与地面夹空层空间的合理有效利用进行研究，主要得到以下结论：

(1)可以集约化利用隧道夹空层空间。明挖隧道埋深较大时，可在地下空间布局合理安全的条件下最大限度利用夹空层空间，建设地下停车场、平行隧道的辅助道路、地下空间出入口或地下环路等；对于埋深较浅的明挖隧道，可在较小的动荷载影响下建设城市管廊等小型附属设施。能够有效减小投资成本、降低土地占用，有利于城市地下空间的可持续发展，缩短施工工期。

(2)在隧道夹空层设置自重小、刚度大、体对称、无动载的附属设施，能够有效扩散上部荷载应力传递，减小地表沉降及减缓路面变形的不均匀性。