軟土地層中地道下穿工法適用性分析

倉乃瑞

（上海市市政工程建設發展有限公司，上海市 200025）

0 引言

伴隨著我國經濟的高速發展，城市化進程不斷加快，為滿足交通量劇增的需求，完善區域路網是十分必要的。由于早期規劃無法滿足城市化發展需要，許多早期建設的快速路阻隔了區域交通問題。為了解決區域交通問題，同時不影響現狀道路的通行，采用地下通道穿越既有道路越來越多。目前，地下通道的施工工法很多，如盾構法、頂管法、管幕箱涵法及淺埋暗挖法等，也有很多學者分別對相關工法進行研究。何川等[1]通過綜述我國盾構修建技術的發展歷程及趨勢，對盾構法施工隧道存在的問題進行了討論，并對未來發展進行展望；朱合華等[2]運用風險分析方法，對飽和軟土地層中管幕箱涵法施工風險進行了分析；賈連輝[3]從矩形斷面開挖形式研究與選型、矩形薄殼體強度及剛度等方面研究超大斷面矩形頂管設計的關鍵技術；袁大均等[4]以南京長江超大直徑泥水盾構工程為背景研究盾構掘進對土體的擾動；周文波[5]以上海外灘公路隧道超大型土壓平衡盾構工程為背景對土壓平衡盾構施工技術進行了詳細論述；周松等[6]以虹橋綜合交通樞紐仙霞西路隧道工程為背景，介紹了泥水平衡盾構穿越虹橋機場繞滑的控制標準；邴風舉等[7]結合廣州某引水工程研究大直徑頂管在不同土質中的適用性；陳立生等[8]以上海田林路下穿中環線地道工程為例，研究管幕箱涵法在軟土層中的應用；彭立敏等[9]對矩形頂管工藝的技術基礎、適用環境條件和優越性進行了分析；魏新江等[10]通過對杭州地鐵1號線盾構隧道的現場監測，研究了土壓平衡盾構機對地層位移的影響。

本文以上海閔行某下穿S20外環高速的下穿地道工程為背景，根據相關文獻及現場調研資料，對盾構法、頂管法及管幕箱涵法等下穿工法進行介紹，并分別從地層適用性、線位選擇、空間利用率、施工可行性、工期及造價等方面對三種下穿工法進行了比較分析，選擇最優化的工法方案，為類似工程設計提供一定的參考。

1 工程概況

為打破地區阻隔，滿足外環東西兩側地塊溝通的需要；進一步支撐兩側的開發建設，緩解現狀路網壓力，新建一條下穿S20外環線的地道。下穿地道等級為城市次干路，雙向四車道，采用南、北線雙線穿越外環線，S20外環線紅線寬度為100 m，具體線位見圖1所示。

1.1 周邊情況

S20外環線西側為現狀閔行體育公園，存在較多景觀水系及一座約20 m高的垃圾山，地質條件較為復雜；S20外環線東側現為空地，但有一條平行于外環線河道藍線寬度為20 m的規劃河道，東側藍線至外環線紅線距離約32 m。緊鄰外環線兩側分布較多重要市政管線如圖2所示及表1所列。

圖1 中心線線位圖

圖2 S20外環線兩側管線示意圖

表1 現狀外環重要管線情況一覽表

該工程地質情況為上海常規土層，主要分布及土層參數詳見表2所列。

表2 土層物理力學指標一覽表

1.2 相關要求

該地道的設計需滿足地道正常運營、故障檢修、事故安全疏散等多種工況的功能要求，橫斷面設計主要考慮：地道建筑限界、設置設備空間等。地道按城市次干路標準設計，地道設計車速為40 km/h，地道建設規模為雙向四車道。根據總體設計明確的技術標準，單根車道寬度定為3.5 m，建筑限界高度為4.5 m。路緣帶寬度左側為0.25 m，右側為0.25 m。安全距離為0.25 m，建筑限界為8.0 m×4.5 m，詳見圖3所示。

圖3 地道建筑限界圖（單位：mm）

由于S20外環線兩側的燃氣管、給水管及污水管均為總管，保護要求均比較高，航油管及超高壓排管保護要求也非常高，因此在地道的設計和施工過程中，均不能影響其正常運行，同時考慮到開發時序的需要，東側的規劃河道及市政道路可能同步施工，以及目前西側體育公園景觀體系均已成熟，故在地道設計時，需盡量減少對上述兩者的影響。

2 地道下穿工法對比分析

根據該工程的規模、地質條件、相關文獻，以及目前上海在建項目現場調研資料，其下穿地道可采用盾構法（土壓、泥水平衡式）、矩形頂管法及管幕箱涵法等工法。盾構法是將盾構機械在地中推進，通過盾構外殼和管片支承四周土體防止發生往隧道內的坍塌，同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖并運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片形成隧道結構。頂管法是隧道或地下管道穿越鐵路、道路、河流或建筑物等各種障礙物時采用的一種暗挖式施工方法。在施工時，采用頂管掘進機成孔，通過傳力頂鐵和導向軌道，用支承于基坑后座上的液壓千斤頂將預制成型的管節從工作井頂入，形成連續襯砌結構。管幕箱涵法是基于管幕法及箱涵法兩種工法，將兩種工法有效地結合起來，先在箱涵頂進位置外圍采用小直徑鋼管頂進形成封閉鋼管幕，再在該封閉鋼管幕中進行箱涵的頂進。下面主要就此三種工法的地層的適用性、線位及空間利用率、施工可行性、工期及造價等方面進行分析。

2.1 地層的適用性分析

軟土地層主要有含水量高、孔隙比大、抗剪強度低、滲透性低、靈敏性高、流變性明顯及壓縮性高等特點。這些特點也導致了地下工程施工時，周圍土體自穩能力較差，容易產生坍塌，并且土體一經擾動，土體強度顯著較低，嚴重影響工程施工安全。

盾構法在軟土地層中主要采用封閉式盾構，根據保持密封土艙內承壓介質的不同，可分為泥水平衡式、土壓平衡式兩種。兩種封閉式盾構對于軟土地層均有較強的適應性，其中：泥水平衡盾構對不穩定的軟弱地層、含水砂層、黏土、沖積層及洪積層等流動性高的土質，使用效果較好。但當地層中黏土含量不足10%，使用泥水平衡盾構在開挖面上很難形成泥膜，開挖面容易坍塌，容易出現盾尾漏水現象，并且當在覆土薄及滲透系數大的砂層中掘進，容易出現地表冒泥，因此泥水平衡盾構很難適應于松散的砂及砂礫層。對于含水率低的固結黏土，由于吸水后粘附力增加，對于面板式刀盤容易產生刀盤、艙四周粘附壓實固結黏土的現象或引起泥水艙堵塞。

土壓平衡盾構對于粘質粉土和粉砂地層，根據土層的稠度，不需要加水或只需要加入少量的水，通過攪拌裝置在開挖室內的攪拌，即使土層變成塑性較好的土體；對于砂質土層，由于黏土含量較少，塑性和抗滲透性較差，為避免排土不暢，需加入相關添加劑進行渣土改進。對于含水率低的固結黏土，可以采用中心軸支承方式，輪輻刀盤掘土效果好。而土壓平衡盾構機容易產生刀盤、艙四周粘附壓實固結黏土的現象。

矩形頂管法適用于淤泥質粘土、粘土、粉質粘土、砂質粉土及滲透系統較小的砂土層。淤泥土、松填土和沼澤地基強度低，不均勻性較大，頂管軸線很難控制，可能導致工作面坍塌和軸線失穩；卵石層和滲透系數較大的砂土層，減阻泥漿不能形成泥膜，不利于頂管推進。

管幕箱涵法與矩形頂管法相似，均利用前部刀盤削土，后部千斤頂頂進的原理，其中前部刀盤與土壓平衡盾構相似，兩種工法適用于粉土、滲透系數較小的砂土及黏土等各種土層，尤其對于軟弱土層有良好的適用性。

綜上所述，三種工法均適用于軟弱土層，其中泥水平衡盾構對砂土及低含水量的固結黏土的適用性一般，土壓平衡盾構、矩形頂管及管幕箱涵法適用于所有土層（除巖層）。根據管線埋深及相關保護要求，該工程下穿地道結構上方覆土要求為14.5 m，從表2的勘察資料可知，地道位于④1淤泥質粘土、④2粉砂及⑤1-1粘土層中，土層含水量均較高，故該工程地道三種工法均可以采用。

2.2 線位分析

地道線位的選擇應滿足主要要求，有暗埋段長度、埋深、坡度及平面曲率等方面，該工程地道暗埋段長度需滿足不影響外環線及其兩側重要管線正常運行，同時盡量減少對規劃河道、道路施工的影響及公園景觀的影響；地道埋深需滿足S20外環線兩側重要管線的安全凈距要求；而地道坡度及平面曲率能滿足市政道路相關標準即可。

盾構對埋深有一定的要求，當地道埋深很淺時，將造成盾構上浮、地面隆起及壁后注漿導致地面冒漿等問題，一般埋深不低于0.5D（D為盾構直徑）；當盾構埋深很大時，軟土地層由于地下水位高，土性差，盾構機械和襯砌管片間要有很好的止水性能。盾構法施工受地道長度限制不太明顯，但考慮到經濟性問題，盾構法施工的地道長度不宜太短。為了地道施工時排水需要、出渣及運料的作業效率，以及對周邊的擾動，地道坡度以0.2%～0.5%為宜，很難適用于大坡道、大變坡的地道施工。從平面線位上，由于盾構的直徑較大、管片間防水需要，以及小曲率將導致周邊土體擾動加劇，地面沉降增大，故盾構法不太適用小曲率的線位地道的施工。

矩形頂管法主要通過后部千斤頂推進，側壁周邊的摩擦力較大，施工距離太長，所需的頂力將非常大，因此矩形頂管法不太適用于長距離地道。根據相關文獻資料及現場調研，目前已建或在建的工程中，該工法最大施工長度約為170 m。同時，根據傳力路徑，該工法不適用于大坡度及曲率的線型，主要以直線型為主。

管幕箱涵法由于箱涵頂進力及頂進精度的限制，與矩形頂管類似，施工長度也受到了較大的影響，目前已建或在建的工程中，該工法施工的長度最大僅為126 m。由于管幕的存在，分擔上部部分土體重量，使得開挖面主動土壓力減小，同時箱涵頂進施工時，管幕減少土體的隆起，從而減弱對周邊環境的影響，故管幕箱涵法也適用埋深較淺的地道；與矩形頂管法類似，當線位豎向坡度及平面曲率較大，管幕和箱涵施工均較為困難，因此該工法較適用于直線的線型。

綜上所述，盾構法適用于長距離、埋置深度深及大曲率線位的地道，而矩形頂管法和管幕箱涵法適用于短距離及直線型的地道。根據該工程的特點，為了減少對西側體育公園、外環線及其兩側管線的影響，采用盾構法施工下穿地道比較有優勢。

2.3 空間利用率分析

盾構法的斷面形式較多，如圓形、雙圓深接形、矩形、半圓形及橢圓形等。上述斷面形式中圓形以受力合理，管片制造及安裝簡單，機械設備制造簡單，施工對周邊土體擾動小等有優點得到廣泛的應用，故該工程考慮施工圓形斷面，外徑為11.36 m，詳見圖4所示。從圖4可以看出，圓形盾構的上拱部無法有效利用，下部拱部僅可以作為管線及逃生通道，故整體空間利用率較低。

圖4 雙管圓盾構橫斷面圖（外徑11.36m×2）

矩形頂管法的斷面形式有圓形和矩形，但圓形斷面一般適用于管道工程，地道工程常采用矩形斷面，詳見圖5所示。從圖5可以看出，上、下拱部曲度較大，無法利用的空間很少，故矩形頂管法的空間利用率相對較高。

圖5 雙管矩形頂管橫斷面圖（10.4m×7.5m×2）

管幕箱涵法一般采用矩形斷面，詳見圖6所示。從圖6可知，斷面的上、下部均為直線段，不存在局部拱部無法利用的情況，故管幕箱涵法的空間利用率最高。

圖6 管幕箱涵法橫斷面圖（19.5m×7.4m）

綜上所述，三種工法中，圓形盾構法的空間利用率最低，管幕箱涵法的空間利用率最高，矩形頂管法與管幕箱涵法相比略低。

2.4 施工可行性分析

根據道路方案，該工程地道全長約為1.1 km，下穿外環處路面埋深23～25 m，道路最大縱坡按5%控制。

采用盾構法方案，盾構段總長625 m，明挖段479 m，外掛地下一層設備用房。盾構段覆土厚度6.5～15.7 m，道路最大埋深22.8 m，詳見圖7所示。

圖7 盾構法平面布置圖

采用矩形頂管法方案，地道段總長度為1 160 m，頂管段160 m（外環線西側燃氣管至外環東側電力管中心間距為120 m,兩個工作井至管線的安全距離取20 m），明挖段968 m，設備用房利用車道上部空間。頂管段覆土厚度11～14.7 m，道路最大埋深25.4 m，詳見圖8所示。

圖8 矩形頂管法平面布置圖

采用管幕箱涵管法方案，管幕箱涵段160 m（外環線西側燃氣管至外環東側電力管中心間距為120 m，兩個工作井至管線的安全距離取20 m），明挖段999 m。管幕段覆土厚度13.3～15.0 m；道路最大埋深22.5 m，詳見圖9所示。

圖9 管幕法平面布置圖

綜上所述，盾構法施工對體育公園的影響較小，也不影響西側規劃河道及道路施工，而矩形盾構法及管幕箱涵法需長距離的開挖，對西側公園影響非常大，也導致西側規劃河道及市政道路無法同步施工，故就該工程而言，采用盾構法施工比較有優勢。

2.5 工期及造價分析

地道埋置深度、長度、斷面形式及平面曲率對不同工法各有利弊，因此充分利用土層性質結合線位特點選擇工法，不僅能夠縮短工期，還能有效地降低造價。

盾構法施工時，設備費用較高，當長度較長或埋置較深時，盾構設備和工作井的費用占總費用的比例下降，同時能夠減少對地面構筑物的破壞和搬遷工作，減少搬遷費用。工期方面，盾構法施工機械化程度比較高，不受外界氣候影響，施工速度較快，可達到10～12 m/d，但環境要求嚴格時，推進工期會相應延長。

矩形頂管法由于頂管施工費用較高，同時施工的長度受限制，故整體費用較高。工期方面，由于矩形管片頂進過程中，與周邊土體的摩擦力較大，施工的速度較慢，一般為3～5 m/d。管幕箱涵法由于管幕施工和箱涵頂進的費用均較高，尤其小斷面箱涵施工。由于管幕箱涵法需要先施工管幕后進行箱涵頂進，故施工工期較長，一般為2～3m/d。

3 結語

根據上述對三種工法的地層適用性、線位選擇、空間利用率、施工可行性、工期及造價等方面進行了分析，可以得出如下結論：

（1）三種工法基本適用各種軟弱土層，其中泥水平衡盾構對砂土及含水量低固結黏土的適用性受到一定限制，但就該工程地質情況而言，三種工法均適用。

（2）線位方面，盾構法適用于長距離、埋置深及大曲率的工程，而矩形頂管法及管幕箱涵法適用短距離及直線型的工程。

（3）空間利用率方面，盾構法空間利用率較低，而矩形頂管法及管幕箱涵法空間利用率均較高。

（4）施工可行性方面，從該工程現場條件進行分析，盾構法對周邊環境影響較小，臨近項目同步的施工影響也比較小，而矩形頂管法及管幕箱涵法對周邊環境的影響均較大。

（5）工期及造價方面，盾構法的工期及造價均較小；矩形頂管法造價較高，工期較長；管幕箱涵法造價最高，工期也最長。