从圣地亚哥地下贯穿的高速公路大断面土质隧道

从圣地亚哥地下贯穿的高速公路大断面土质隧道

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来源：《现代城市轨道交通》2019年第02期

巴西一条全长 42.7 km 的高速公路由 2 段组成：科斯坦尼拉段（35.3 km）和肯尼迪段（7.4 km）。肯尼迪段以隧道方式从地下自西向东穿过圣地亚哥城，通向东郊飞机场，整个隧

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道线路走向与肯尼迪大道平行，大部分在高尔夫球场下面穿过，被称为“肯尼迪隧道”。它紧邻城市金融中心，隧道的建成有利于加强城市东、西部联系。

肯尼迪隧道的最大特点是：可容4 车道、5 车道的不同隧道断面，断面都特别大;地质（主要是冲积土层）和水文地质（地下水位相对于隧道高低不等）条件复杂;对隧道的设计和施工提出了严峻挑战。 1 隧道概况

肯尼迪隧道总长 1 166 m（里程标 DM 1034—DM 2200）（图1），包括

3 个应急出口。工程预算 5 亿美元。2014 年 3 月开工，计划 2017 年具备开通运营条件。 通向洞口的引道采用明挖法施工，基坑采用桩、梁、板支护。洞口地面的公路已逐步成形，从环岛通向几条联络线与之连接，这是一项复杂的公路立交工程。

典型的隧道断面可容 4 车道，每车道宽 3.5 m;2 路肩，各宽 0.75 m。隧道内净空宽 17.45 m，高 11.33 m。维修廊道设在路面以下。隧道入口有一段长 50 m 可容 5 车道的特殊断面，隧道内净空宽 21 m，高 11.78 m。为缓解从 5 车道断面向 4 车道断面的转换，在这 2 种断面之间专门设计了 4、5 车道的过渡段。隧道特殊断面与过渡段均已完成。图 2、图 3 是隧道 4 车道、5 车道的功能断面。

为了增加隧道开挖的工作面，已经提前建成 3 个应急出口：第 1 个应急出口紧邻隧道洞口，第 2、第 3 应急出口与从地面向下开挖的直径 8.3 m 的竖井连通。 2 地质与水文地质

图 1 显示，肯尼迪隧道全部位于冲积地层中，冲积地层是 Mapocho 河流第 1 次和第 2 次的冲积地层（砾石和卵石沉积物）。隧道在第 2 次冲积地层中开挖，有一段仰拱位于风化的 Abanico 构造中。

地下水位的海拔高度 623 m，开始高出隧道顶部，然后从顶部穿越隧道达到底部，继续到底部以下，一直到隧道末端。

在隧道施工期间，遇到的水位海拔 615 m，比预期的低 8 m。在顶部导坑开挖时，只有少量水的渗流，可能是由地面高尔夫球场排水和季节性雨水造成的。在下台阶开挖时，记录到有持续的流水，但是没有发生由水压引起的隧道不稳定问题。

圣地亚哥位于地震区，根据智利的标准，考虑水平地震加速度为 0.3g，垂直地震加速度為 0.15g。

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2015 年 9 月16日，在 Coquimbo 记录到 8.4 级地震，圣地亚哥的地震麦克里烈度为 7 度。对隧道进行监测和分析，这次地震对隧道结构无影响。 3 特殊设计要求

隧道设计需要解决的重要技术问题为： （1）减小地表沉降;

（2）降低施工对地面交通的影响; （3）隧道的防水问题。

减小地面沉降是设计的一个重要方面。由于隧道线路位于高尔夫球场下面，且与肯尼迪大道相切，要严格防止任何损坏，所以，隧道的初期支护施工必须保证质量。采用 FLAC 3D 程序，建立 4 个数值模型进行计算，应特别注意支护中的应力和施工引起的地面沉降。 为了降低隧道施工对地面交通的影响，专门开挖了1 条长 190 m、断面为 5 m×6.5 m 的临时地下道路。该地下道路的覆盖层极薄，施工中有一定难度。它与已经完成的 5 车道断面的导坑连通，这意味着创造了开挖主隧道 4 车道断面隧道的前提条件，对既有地面交通不产生任何干扰。

隧道防水层是设计考虑的另一个主要问题。决定在初期支护混凝土与永久钢筋混凝土衬砌之间设置由土工膜与防水垫层组成的防水系统。施工合同确定了水泵排水速度应小于 500 L/h，以便减小维护成本。 4 施工挑战

（1）隧道开挖断面，尤其是 5 车道断面，尺寸特别大，其面积达 250 m2。

（2）隧道都在土质地层中开挖，需要考虑几个因素（诸如结构稳定性、无支护跨度的）可能引起的变形，作用在支护中的应力，支护安全系数，开挖循环的系统化。

（3）隧道位于城市地下，覆盖层很薄（10～16 m），私人房屋的地下空间不容许进入。所以，在施工期间为了控制和地面和房屋变形，在地面监测存在许多困难。 5 开挖、支护和衬砌的设计方案 5.1 开挖

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根据新奥法原理施工方法是顺序开挖。根据顶部导坑的几何尺寸，采用 2～3 个小导洞分步开挖，在完成顶部导坑开挖后，支护采用扩大拱脚断面（象脚）。下台阶往往分 3 步开挖（图 4、图 5）。开挖采用液压挖掘机、反向铲和轮式运渣车。现场隧道断面开挖见图 6、图 7。 5.2 支护

典型断面（4 车道断面）的支护，由 30 mm 厚的喷混凝土密封层、HEB-120 钢拱架（带有 1 m 间距的象脚）与 270 mm 厚的喷混凝土（标号 Sh35）组成。

在只容许地面产生最小变形的特殊断面（5 车道断面）中，系统地采用预留核心土，偶尔也采用管棚。特殊断面（5 车道断面）的支护采用 50 mm 厚的喷混凝土密封层。在拱部，设计了间距为 0.75 m 的挪威拱架，另外，还专门设计了间距为 0.75 m 的 HEB-160 拱架，最后是 200 mm厚的喷混凝土（Sh35）。这 2 个拱架共享 1 个象脚基础。 5.3 衬砌

最后，设计夹在初期支护与钢筋混凝土永久衬砌之间的防水层。钢筋混凝土衬砌的厚度取决于水位高低，采用 200～400 mm 厚。设计了 3 种不同厚度的衬砌区段： 衬砌 A：400 mm 厚，重度配筋，设计水位位于隧道拱部以上; 衬砌 B：350 mm 厚，中度配筋，设计水位位于从隧道拱部到仰拱; 衬砌 C：200 mm 厚，轻度配筋;设计水位位于隧道仰拱以下。

最后一层衬砌的厚度均為 100 mm，含有聚丙烯纤维，考虑防火。这样，5 车道断面衬砌的总厚度将达到500 mm。 6 监测 6.1 监测项目

由于隧道覆盖层很薄，分部（分步）开挖对施工期间的结构变形和地面沉降需进行严格的观测和控制。进行观测的项目如下：

（1）测斜计和伸长计在隧道开挖之前沿隧道线路走向在地面上安装;在应急出口结构的 1 个断面（Dm1374）周围布置压力盒; （2）每隔 25 m 设 1 个收敛量测断面;

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（3）布置地面沉降槽量测断面。 6.2 监测结果

（1）隧道 4 车道断面（Dm1145）最大地面沉降为12.4 mm，这表明左侧导坑临时支护壁拆除后出现较大地面沉降。

（2）隧道 5 车道断面（Dm1037）最大地面沉降为12.8 mm，该最大沉降相对应的是右侧导坑开挖以及导坑第 2 次拆除的临时支护侧壁。

（3）隧道4车道断面（Dm1465）最大收敛值为14.4 mm，收敛速度每天为 3.66 mm（图 8）。这种表现与临时支护侧壁的拆除有关，是在支护侧壁拆除后记录到 AC 和 AB 两条连线的“伸长（发散）”变形，这一点非常重要。

（4）隧道 5 车道断面（Dm1070）最大收敛值为57.52 mm（图 9），收敛速度每天为 2.03 mm，这也与临时支护侧壁的拆除有关。

隧道开挖开始于 2014 年 10 月 24 日，开挖结束于2015 年 2 月 16 日。考虑隧道长度为 1 166 m，平均日进尺为 1.4 m。 7 结束语

巴西圣地亚哥肯尼迪隧道的两大特点是：一是断面大，最大的 5 车道断面内净跨 21 m，内净高 11.78 m，净断面面积 250 m2（开挖断面尺寸更大）;二是隧道断面全部位于含有砾石的冲积土地层中，地下水位相对于隧道有变化。

对于这种大断面的土质隧道，需要处理好下列问题：①是否需要超前支护，是小导管注浆还是其他方法，使全长隧道采用还是局部采用（肯尼迪隧道是局部采用管棚）;②如何分部（分块）、分阶段开挖（肯尼迪隧道是分部开挖上部全部，再分部开挖下部）;③初期支护紧跟分部开挖并及时封闭，采用初期支护体系由哪些部分组成，通常是由一定厚度的喷混凝土密封层、一定间距的钢拱架并带有扩大拱脚（象脚，如果断面特别大时是否还需增加钢拱架）、钢筋网，以及一定厚度的喷混凝土组成;④防水垫层与土工膜组成的防水层;⑤钢筋混凝土永久衬砌（考虑承受设计水位压力）;⑥肯尼迪隧道最后还采用了 1 层厚 100 mm 的含有聚丙乙烯纤维的防火混凝土。施工监测是必需的，毋庸赘言。 参考文献

[1] Juan Kuster， Rossana Nuez， Erik Chávez， et al. Santiago expressway[J]. Tunnels and Tunnelling International，2017（4）：27-32. 邵根大 编译

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收稿日期 2018-05-07 责任编辑 冒一平