超大直徑盾構(gòu)地下道路橫斷面設(shè)計

李非桃，劉明高，陳仁東

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市 100082）

1 國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)地下道路發(fā)展現(xiàn)狀

世界上公認(rèn)的第一條超大直徑盾構(gòu)法隧道——東京灣海底隧道于1989年開工建設(shè)，采用φ14.14 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，1997年貫通。目前世界上最大的盾構(gòu)隧道為2013年開始建設(shè)的香港屯門至赤鱲角海底隧道，采用φ17.6 m 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)隧道的建設(shè)從2003年上海市上中路隧道開始，隧道管片外徑14.5 m，采用φ14.87 m 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。繼上海上中路隧道成功建設(shè)之后，中國開啟了超大直徑盾構(gòu)法隧道建設(shè)的浪潮，并且在盾構(gòu)機(jī)的直徑上不斷出現(xiàn)新的突破[1]。2005年開始建設(shè)的上海長江隧道是國內(nèi)第一座管片外徑達(dá)到15 m 的盾構(gòu)隧道，采用φ15.43 m 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。2012年，國內(nèi)盾構(gòu)隧道管片最大外徑達(dá)到15.2 m，2019年管片最大外徑達(dá)到15.4 m，2020年管片最大外徑達(dá)到15.5 m。據(jù)公開資料統(tǒng)計，截至2020年，國內(nèi)已開工或建成超大直徑盾構(gòu)地下道路超過30 座（見圖1）。

圖1 國內(nèi)（大陸地區(qū)）部分超大直徑盾構(gòu)地下道路統(tǒng)計（截至2020年底在建或已建）

從分布區(qū)域看，上海作為國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)隧道的始發(fā)地，逐步帶動長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)陸續(xù)建設(shè)盾構(gòu)隧道。之后珠三角地區(qū)、中部地區(qū)、華北地區(qū)相繼開始建設(shè)，呈現(xiàn)出由一線城市向二線城市發(fā)展的態(tài)勢（見圖2）。

圖2 國內(nèi)（大陸地區(qū)）部分超大直徑盾構(gòu)地下道路分布（截至2020年底在建或已建）

2 既有超大直徑盾構(gòu)地下道路橫斷面尺寸統(tǒng)計分析

根據(jù)公開資料統(tǒng)計的部分國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)地下道路工程見表1。

根據(jù)表1 統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分析，雙向6 車道隧道23座，雙向4 車道隧道7 座。道路等級以城市快速路、高速公路等高等級道路為主，隧道管片外徑為14～15.5 m 不等，其中14.5 m 和15 m 直徑的隧道占比達(dá)到70%（見圖3）。

表1 國內(nèi)部分超大直徑盾構(gòu)地下道路工程統(tǒng)計一覽

圖3 管片外徑14 m 以上盾構(gòu)隧道數(shù)量分布

對雙向6 車道和雙向4 車道盾構(gòu)隧道分別統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)（見圖4、圖5），雙向6 車道隧道管片外徑尺寸由14.5～15.5 m 不等，雙向4 車道隧道管片外徑也出現(xiàn)了14 m、14.5 m、15.2 m 三個尺寸。

圖4 雙向6 車道盾構(gòu)隧道數(shù)量分布

圖5 雙向4 車道盾構(gòu)隧道數(shù)量分布

即使在主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相同的條件下，不同工程選擇的斷面尺寸不盡相同。對設(shè)計車速80 km/h 的雙向6 車道隧道的統(tǒng)計見圖6，管片外徑尺寸跨度達(dá)1 m。這其中有具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同的原因，如不同道路性質(zhì)的車道寬度、凈空等標(biāo)準(zhǔn)不一致；有側(cè)向設(shè)備空間尺寸選取不一的原因；也有早期隧道受裝備制造和施工技術(shù)水平制約尺寸受限等原因。

圖6 設(shè)計車速80 km/h、雙向6 車道盾構(gòu)隧道數(shù)量分布

3 盾構(gòu)橫斷面設(shè)計的主要影響因素

影響盾構(gòu)橫斷面設(shè)計的因素可分為建筑限界內(nèi)和建筑限界外兩類。建筑限界內(nèi)主要包括車道寬度、凈高、側(cè)向余寬等。建筑限界外主要包括防撞墻位置、疏散梯道位置、設(shè)備箱室和管線布置空間等。

3.1 建筑限界內(nèi)

城市道路和公路相關(guān)設(shè)計規(guī)范對隧道建筑限界各項尺寸要求有所區(qū)別，導(dǎo)致同一標(biāo)準(zhǔn)下不同性質(zhì)道路建筑限界有所不同。

（1）車道寬度

《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》和《公路路線設(shè)計規(guī)范》對于車速60 km/h 以上機(jī)動車道最小寬度的規(guī)定基本一致，原則上均采用3.75 m，小客車專用道采用3.5 m；60km/h 及以下車道寬度規(guī)定有所區(qū)別，特別是在40 km/h 和60 km/h 下小客車專用道的寬度，《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定為3.25 m，《公路路線設(shè)計規(guī)范》要求3.5 m，具體見圖7、圖8。

圖7 《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》5.3.2 條

圖8 《公路路線設(shè)計規(guī)范》6.2.1 條

從實際工程看，設(shè)計車速同為40～60 km/h，深圳春風(fēng)路、武漢黃鶴樓隧道、上海諸光路隧道等城市地下道路均采用了3.25 m 車道寬度，上海北橫通道和軍工路隧道更是采用了3 m 的車道寬度，而道路等級為一級公路的汕頭蘇埃通道采用了3.5 m 車道寬度。

（2）凈高

《公路路線設(shè)計規(guī)范》第6.6.2 條規(guī)定：高速公路、一級公路、二級公路的凈高應(yīng)為5.00 m。《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》第3.5.2 條要求機(jī)動車最小凈高為4.5 m，小客車為3.5/3.2 m（見圖9）。實際工程中，城市地下道路最小凈高為3.2 m，公路地下道路最小凈高為5 m。

圖9 《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》表3.5.2

（3）路緣帶寬度（側(cè)向?qū)挾龋?/p>

對比圖10 和圖11 可知，設(shè)計車速達(dá)60 km/h 及以上時，《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》要求的側(cè)向?qū)挾龋ǔ鞘械缆贩Q“路緣帶”）比《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》要求的更大。

圖10 《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》3.5.1 條

圖11 《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》表4.4.1

從實際工程看，公路地下道路中除上海長江隧道修建較早，右側(cè)向?qū)挾热≈禐?.5 m 而非0.75 m 外，其余均取值為左側(cè)向?qū)挾?.5 m，右側(cè)向?qū)挾?.75 m；而城市地下道路左右側(cè)路緣帶寬度均取值0.5 m。

根據(jù)對既有工程的統(tǒng)計分析，對目前常用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下地下道路建筑限界進(jìn)行歸納，結(jié)果見表2。

表2 常見技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)地下道路建筑限界

3.2 建筑限界外

（1）防撞墻

《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計規(guī)范第一冊土建工程》關(guān)于建筑限界與防撞墻關(guān)系的圖示有所區(qū)別。城市道路限界為折線，防撞墻正面輪廓與建筑限界重合；公路限界為直折角，僅留出了余寬和檢修道高度。防撞墻應(yīng)完全位于建筑限界以外，因此公路隧道防撞墻所要求的橫向空間要略大于城市地下道路（見圖12、圖13）。

圖12 城市地下道路建筑限界（單位：cm）

圖13 公路隧道建筑限界（單位：cm）

（2）疏散梯道

大部分大直徑盾構(gòu)隧道未設(shè)置人行橫通道，以疏散梯道作為主要的疏散救援通道。《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》第8.3.5 條規(guī)定：疏散樓梯凈寬度不應(yīng)小于0.8 m，坡度不應(yīng)大于60°。為避免極端情況下，車輛壓住蓋板導(dǎo)致蓋板無法開啟，從而影響人員疏散的情況出現(xiàn)，建議疏散梯道整體布置在車行道以外。實際工程中，部分隧道梯道蓋板侵入車行道，見圖14。疏散樓梯一般布置于車行道最內(nèi)側(cè)或者最外側(cè)，對于公路隧道而言，由于外側(cè)側(cè)向?qū)挾雀鼘挘贾迷谕鈧?cè)更節(jié)省空間（見圖15）。

圖14 既有隧道內(nèi)疏散通道蓋板侵入車行道

圖15 疏散梯道整體布置在車行道以外

（3）設(shè)備箱室和管線布置空間

隧道內(nèi)輪廓斷面與建筑限界之間的空間應(yīng)滿足隧道設(shè)備箱室和管線布置的要求，也應(yīng)滿足測量及施工誤差的要求。相關(guān)規(guī)范要求如下：

《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》第4.4.3條規(guī)定：隧道內(nèi)輪廓凈空斷面應(yīng)滿足隧道建筑限界所需空間，并預(yù)留不小于50 mm 的富余量。

《公路隧道設(shè)計細(xì)則》第5.2.4 條規(guī)定：隧道內(nèi)輪廓斷面與建筑限界行車限界線最小間距宜大于10 cm。

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》第11.2.2 條規(guī)定：射流風(fēng)機(jī)的邊沿與隧道建筑限界的凈距不宜小于15 cm。

《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》第5.1.4 條和第16.0.3 條規(guī)定見圖16。

圖16 《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》第5.1.4 條和第16.0.3 條

總結(jié)以上規(guī)范要求，隧道內(nèi)輪廓斷面與建筑限界之間應(yīng)預(yù)留不小于5 cm 的富余，但考慮到橫向貫通測量限差在10～20 cm，因此最小凈距宜不小于20 cm，極限值應(yīng)不小于10 cm。

4 案例分析

北京東六環(huán)改造工程位于北京市城市副中心，道路等級為高速公路，雙向6 車道，設(shè)計車速80 km/h。線路全長約16 km，其中隧道段約9.2 km。隧道段采用明挖與盾構(gòu)結(jié)合工法，盾構(gòu)段長約7.4 km。該項目為北京市第一條超大直徑盾構(gòu)地下道路。

項目前期對盾構(gòu)隧道的橫斷面設(shè)計方案進(jìn)行了充分論證，盾構(gòu)隧道橫斷面尺寸的選取主要從4 個因素考慮：

（1）建筑限界凈寬是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）防撞墻位置是否占用余寬范圍。

（3）疏散梯道出入口蓋板是否侵入車行道范圍。

（4）所有設(shè)備箱室、管線的布置空間是否滿足使用要求。

基于以上考慮，對不同尺寸的盾構(gòu)隧道管片外徑進(jìn)行比選，比選尺寸分別為15.5 m、15.4 m、15.3 m 和15.0 m（見表3）。

對表3 中的各方案逐一進(jìn)行分析，當(dāng)隧道管片外徑采用15.0 m 時，防撞墻位置不能滿足公路規(guī)范相關(guān)要求，內(nèi)輪廓與建筑限界的間隙采用極限值，疏散梯道蓋板侵入車行道范圍內(nèi)。同時結(jié)合東六環(huán)項目交通組成特點，不適用設(shè)置寬度3.5 m 車道的條件，因此未選用方案四。方案一、方案二、方案三均滿足各項規(guī)范要求，但考慮測量誤差等因素，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，內(nèi)輪廓與建筑限界的間隙不應(yīng)小于15 cm。本項目組織的橫斷面設(shè)計專家會論證意見為：“盾構(gòu)隧道內(nèi)輪廓與建筑限界的間隙不應(yīng)小于15 cm，盾構(gòu)隧道斷面管片內(nèi)徑不宜小于14.1 m。”從最大限度節(jié)約投資角度考慮，最終選用方案二，即15.4 m。

表3 東六環(huán)改造工程盾構(gòu)隧道橫斷面比選

5 結(jié)論與建議

隨著中國城市化進(jìn)程的不斷加快，越來越多的城市選擇采用地下道路的形式解決城市交通問題，盾構(gòu)隧道因具有以下優(yōu)點而被越來越廣泛采納。

（1）全機(jī)械化作業(yè)，有足夠的施工安全性。

（2）地下施工不影響地面交通和環(huán)境，產(chǎn)生的環(huán)境危害小。

（3）施工操作不受氣候條件的影響等。

隨著裝備制造水平的不斷進(jìn)步，特別是盾構(gòu)機(jī)國產(chǎn)化的發(fā)展，超大直徑盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)已經(jīng)非常成熟，盾構(gòu)隧道斷面的布置已從功能和空間兼顧向充分保障功能轉(zhuǎn)變。

當(dāng)然，盾構(gòu)法隧道的直徑并不會無休止地增大。因為即使解決了設(shè)備研發(fā)上的制約問題，考慮到經(jīng)濟(jì)性、城市交通的現(xiàn)有規(guī)劃布局及對車道數(shù)量的實際需求[1]，過大直徑的盾構(gòu)法隧道并不一定是最優(yōu)選擇。過大的直徑也會造成空間利用率的降低。因此，盾構(gòu)隧道橫斷面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的確定，對超大直徑盾構(gòu)在地下道路領(lǐng)域的進(jìn)一步普及和發(fā)展十分重要。

根據(jù)前述分析，超大直徑盾構(gòu)地下道路橫斷面設(shè)計建議主要考慮以下原則：（1）建筑限界滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；（2）隧道內(nèi)輪廓斷面與建筑限界之間最小凈距不宜小于20 cm，極限值不應(yīng)小于10 cm。綜合既有案例，對目前常見技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下地下道路橫斷面設(shè)計參考值見表4。

表4 常見技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)地下道路橫斷面設(shè)計參考值

結(jié)合上表核查既有工程案例，接近75% 的案例實際取值與參考值一致，另有8 項案例出現(xiàn)建筑限界凈寬和隧道管片外徑較參考值偏小的情況。由于這些工程普遍建設(shè)時間較早，受當(dāng)年設(shè)備制造水平、施工技術(shù)和實際工程條件影響，出現(xiàn)與現(xiàn)行規(guī)范的偏差也屬正常。但是，這些工程的建設(shè)為我國后續(xù)盾構(gòu)隧道技術(shù)的發(fā)展作出了卓越貢獻(xiàn)。

我國超大直徑盾構(gòu)隧道的發(fā)展已進(jìn)入快車道，建議結(jié)合工程項目，對盾構(gòu)隧道內(nèi)設(shè)備排布、上下層空間利用等內(nèi)容進(jìn)行更深入的研究，進(jìn)一步推動超大盾構(gòu)地下道路橫斷面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。