全国市政工程行业科技成果展示——城市综合性超大跨度分岔立交隧道设计参数与施工技术研究
“城市综合性超大跨度分岔立交隧道设计参数与施工技术研究”项目于2012年5月立项， 2013年5月完成，2013年5月通过了项目成果鉴定。该项目研究由大连市市政设计研究院有限责任公司承担。该研究项目成果获2015年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖，其成果适用于城市地下空间三维立体交通建设，可以缓解城市用地紧张的现状，节约土地资源。
大连市南部滨海大道东端桥隧建设工程平面示意图
&sp;项目研究概况介绍
目前，分离式大跨度、连拱、小间距及立体交叉隧道的设计施工发展相对独立，在实践环节上还是较多的依赖于工程类比。因此，针对大跨度分岔立交隧道这类组合形式隧道，其布局规模、结构设计、线形优化、稳定性分析方面的研究和实践还相对较少，无成熟的规范标准可依。
“城市综合性超大跨度分岔立交隧道设计参数与施工技术研究”项目在分离式大跨度、连拱、小间距及立体交叉隧道工程实践经验基础之上，同时结合大连市南部滨海大道东端桥隧建设工程，通过理论分析、数值模拟、试验分析及现场监控量测等手段进行探索、分析、研究和创新，为地下综合性超大跨度分岔立交隧道提供理论依据及实践经验方面的支撑。该项目的主要研究内容如下。
1）综合性地下立交隧道总体布局形式及尺度规模研究 。
① 隧道大跨度变宽段鉴于隧道自身施工及支护的特点，采取突变式、台阶式还是渐变来改变隧道的跨度，从工程施工、工程量和结构与围岩稳定等角度进行理论分析及数值模拟分析论证，结合每种形式的优缺点，最终选择台阶方式。
② 根据隧道大跨度段所处位置的地质围岩情况及埋深情况，通过对施工难易程度及成本控制方面的分析论证，选择合理的基坑开挖位置、开挖尺寸。
③ 根据隧道空间立体交叉所处位置的地质围岩情况，在满足线形条件的基础上，经过理论分析，数值模拟计算，确定交叉位置上下隧道的合理间距。
隧道南洞口实景图
2）综合性地下立交隧道施工顺序及施工技术研究。
① 采用midas GTS有限元软件模拟超大跨度隧道、连拱隧道、小净距隧道、地下空间立体交叉隧道开挖及支护的全过程，通过对开挖方法、开挖顺序、开挖循环进尺长度、支护时机及临时支护结构拆除时机的模拟，分析过程中支护结构内力、中隔墙内力、小净距隧道中间岩柱应力变化、围岩变形及围岩塑性区变化等一系列力学指标，分析各种指标发生变化的原因，判定施工过程中围岩与支护结构稳定性与可靠性。
② 分岔立交隧道现场施工过程中监控量测包括：大跨度隧道段分部开挖过程中围岩变形情况、爆破对支护结构内力的影响监测，确定合理的二衬施作时机；通过双连拱隧道左右洞施工过程中围岩变形及支护结构内力监测，进行左右洞间开挖的相互影响分析，同时通过分析施工中中隔墙内力变化，研究总结连拱隧道合理的施工开挖工序来保护中隔墙的稳定及安全；通过对小净距中间岩柱施工过程中的变形及应力监测，分析爆破开挖对中岩柱的影响，优化中岩柱的合理支护形式及小净距隧道左右洞合理施工工序；立交隧道采用先下后上的施工顺序，监测分析上行隧道施工对下行隧道围岩及结构的影响，确定二次衬砌的合理施作时间。
超大断面暗挖隧道双侧壁法施工场景图
3）综合性地下立交隧道支护结构参数优化研究。
① 结合分岔隧道围岩压力分布特征研究成果基础上，采用midas Civil有限元计算软件分别建立四车道大跨度隧道、双连拱隧道及小净距隧道荷载-结构二维数值模型，初期支护及二次衬砌采用梁单元模拟，连拱隧道中隔墙采用平面单元模拟，通过计算得出隧道初期支护、二次衬砌及中隔墙内力大小及分布规律。
② 通过现场对支护结构内力的监测：考虑到分岔隧道的各部分施工工艺复杂，围岩要经过多次扰动，选取了高灵敏度和可靠度的钢结构应力计和锚杆内力计监测钢结构及锚杆内力；选取压力盒测试中隔墙承受压力和二次衬砌压力。将现场监控量测结构与前期数值计算结果进行对比分析，对分岔隧道各部分结构内力大小及分布规律得出更精确的研究结果。
4）综合性地下立交隧道关键衔接点结构设计及防水设计研究 由于超大跨度隧道、连拱隧道、小净距隧道、地下空间立体交叉隧道共同成了包含多样形式综合性隧道，隧道结构上包含多处关键衔接点，对关键部位结构形式及尺寸通过受力计算，再结合施工难易程度，提出合理的、适宜现场施工的结构。同时，关键衔接点的防水问题一直是设计的难点，通过对现有防水措施的查阅研究及现场施工实践，总结出此类结构防水问题的合理、可行的解决方法。
明挖箱涵接暗挖双连拱段施工场景图
项目关键技术及创新点
该项目研究的关键技术有以下几个方面。
1）综合性超大跨度分岔立交隧道是由大跨度、大跨度箱涵、双连拱、小净距距及地下空间立体交叉共同构成的组合隧道形式，其线形设计上的多断面、多尺度和施工工序及围岩荷载频繁转换的特点导致其开挖支护体系在复杂应力空间中表现为一个难度自增值系统，是本项目的关键技术点之一。
2）理论分析或数值模拟分析相结合，研究以实际工程为依托平台，同时研究成果又服务于工程项目，是本项目的创新之处。
3）以往对大跨度分离式、连拱、小净距及立体交叉隧道的设计施工研究相对独立，本项目综合了以上各种类型的组合形式隧道是本项目的创新之处。
4）本项目研究中采用了大型有限元分析软件，对工程的整个施工过程进行模拟分析，将模拟结果与工程监控量测结果进行对比分析，研究贯穿于工程的始终是本项目又一创新之处。
该项目研究成果2014年7月曾荣获2014年度全国优秀工程咨询成果奖，并获得授权国家实用新型专利2项，已受理实用新型专利1项。在国内期刊上发表学术论文7篇。
明挖箱涵接暗挖双连拱段竣工后实景图
项目应用成果与效益
“城市综合性超大跨度分岔立交隧道设计参数与施工技术研究”项目研究成果在大连市南部滨海大道东端桥隧建设工程项目施工过程中得到了成功应用。
大连市南部滨海大道东端桥隧建设工程起点为星海湾跨海大桥东引桥终点处，隧道穿越迎客山，向北至白云雁水附近山体主隧道分叉：一支向北至胜利路，终于东北路与胜利路交叉处，向北连接东北路高架桥；一支向东至长春路，近期修建道路、桥梁接入东北路，远期设置互通立交与长春路、规划南部通道相接。工程主线路线设计全长3.88km，其中隧道段3.0km（以双洞计），地面引线长880m(含桥梁拓宽段275m，其中引堤47m)；长春路支线设计长1.34Km，其中隧道长740m（以双洞计）， 地面引线长602m（含新建桥梁段351m，其中引堤25m）。
大连市南部滨海大道东端桥隧建设工程施工过程中，在基于该工程大跨度分岔立交隧道段及现有地质资料的前提下，采用了理论分析、数值模拟、现场试验及现场监控量测等方法，围绕大跨度分岔立交隧道施工方案及稳定性开展了相关研究工作。通过对大跨度分岔立交隧道进行理论分析和数值模拟分析，得出大跨度分岔立交隧道围岩压力分布特征及支护结构内力特点；通过对大跨度分岔隧道施工全过程的数值模拟，揭示了围岩、支护衬砌结构在施工过程中力学行为的时间、空间效应，得出了既保证安全，又经济快捷的有效开挖措施；通过对大跨度分岔立交隧道的施工过程进行现场监控量测，得到各种工法的围岩位移变化规律，提出了有效的开挖及支护手段及时机，并验证了数值分析结论的实用性，验证了设计提出的支护衬砌参数、施工开挖方案的正确性。
该研究成果应用所产生的经济和社会效益，主要体现在以下几方面。
1）该项目研究成果应用于现有城市地下空间三维立体交通建设，可有效缓解城市用地紧张的现状，节约日益稀缺的土地资源。
2）该项目研究成果的成功工程应用，完善了城市地下空间三维立体交叉隧道设计和施工标准规范化。
3）该项目研究成果在大连市南部滨海大道东端桥隧建设工程项目施工中的成功应用，证明了城市综合性超大跨度分岔立交隧道工程施工技术完全可行，与城市轨道交通工程施工技术类似，是一种可有效缓解城市地面交通拥堵，不占用城市地表建设用地，有益于城市环境保护的地下交通工程先进施工技术。
该项目研究成果的推广应用，可产生巨大的经济和社会综合效益。
（大连市市政设计研究院有限责任公司 供稿）
注：本文刊载于《市政技术》2017年第3期，第1-3页。