超大直徑盾構地下道路橫斷面設計

李非桃，劉明高，陳仁東

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

1 國內超大直徑盾構地下道路發展現狀

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

國內超大直徑盾構隧道的建設從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 泥水平衡盾構機。繼上海上中路隧道成功建設之后，中國開啟了超大直徑盾構法隧道建設的浪潮，并且在盾構機的直徑上不斷出現新的突破[1]。2005年開始建設的上海長江隧道是國內第一座管片外徑達到15 m 的盾構隧道，采用φ15.43 m 泥水平衡盾構機。2012年，國內盾構隧道管片最大外徑達到15.2 m，2019年管片最大外徑達到15.4 m，2020年管片最大外徑達到15.5 m。據公開資料統計，截至2020年，國內已開工或建成超大直徑盾構地下道路超過30 座（見圖1）。

圖1 國內（大陸地區）部分超大直徑盾構地下道路統計（截至2020年底在建或已建）

從分布區域看，上海作為國內超大直徑盾構隧道的始發地，逐步帶動長三角經濟發達地區陸續建設盾構隧道。之后珠三角地區、中部地區、華北地區相繼開始建設，呈現出由一線城市向二線城市發展的態勢（見圖2）。

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

2 既有超大直徑盾構地下道路橫斷面尺寸統計分析

根據公開資料統計的部分國內超大直徑盾構地下道路工程見表1。

根據表1 統計的數據分析，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 直徑的隧道占比達到70%（見圖3）。

表1 國內部分超大直徑盾構地下道路工程統計一覽

圖3 管片外徑14 m 以上盾構隧道數量分布

對雙向6 車道和雙向4 車道盾構隧道分別統計可以發現（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了14 m、14.5 m、15.2 m 三個尺寸。

圖4 雙向6 車道盾構隧道數量分布

圖5 雙向4 車道盾構隧道數量分布

即使在主要技術標準相同的條件下，不同工程選擇的斷面尺寸不盡相同。對設計車速80 km/h 的雙向6 車道隧道的統計見圖6，管片外徑尺寸跨度達1 m。這其中有具體技術標準不同的原因，如不同道路性質的車道寬度、凈空等標準不一致；有側向設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水平制約尺寸受限等原因。

圖6 設計車速80 km/h、雙向6 車道盾構隧道數量分布

3 盾構橫斷面設計的主要影響因素

影響盾構橫斷面設計的因素可分為建筑限界內和建筑限界外兩類。建筑限界內主要包括車道寬度、凈高、側向余寬等。建筑限界外主要包括防撞墻位置、疏散梯道位置、設備箱室和管線布置空間等。

3.1 建筑限界內

城市道路和公路相關設計規范對隧道建筑限界各項尺寸要求有所區別，導致同一標準下不同性質道路建筑限界有所不同。

（1）車道寬度

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

圖7 《城市道路工程設計規范》5.3.2 條

圖8 《公路路線設計規范》6.2.1 條

從實際工程看，設計車速同為40～60 km/h，深圳春風路、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

《公路路線設計規范》第6.6.2 條規定：高速公路、一級公路、二級公路的凈高應為5.00 m。《城市地下道路工程設計規范》第3.5.2 條要求機動車最小凈高為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計規范》表3.5.2

（3）路緣帶寬度（側向寬度）

對比圖10 和圖11 可知，設計車速達60 km/h 及以上時，《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》要求的側向寬度（城市道路稱“路緣帶”）比《城市地下道路工程設計規范》要求的更大。

圖10 《城市地下道路工程設計規范》3.5.1 條

圖11 《公路隧道設計規范 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，右側向寬度取值為0.5 m 而非0.75 m 外，其余均取值為左側向寬度0.5 m，右側向寬度0.75 m；而城市地下道路左右側路緣帶寬度均取值0.5 m。

根據對既有工程的統計分析，對目前常用技術標準下地下道路建筑限界進行歸納，結果見表2。

表2 常見技術標準地下道路建筑限界

3.2 建筑限界外

（1）防撞墻

《城市地下道路工程設計規范》和《公路隧道設計規范第一冊土建工程》關于建筑限界與防撞墻關系的圖示有所區別。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

大部分大直徑盾構隧道未設置人行橫通道，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計規范》第8.3.5 條規定：疏散樓梯凈寬度不應小于0.8 m，坡度不應大于60°。為避免極端情況下，車輛壓住蓋板導致蓋板無法開啟，從而影響人員疏散的情況出現，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側或者最外側，對于公路隧道而言，由于外側側向寬度更寬，布置在外側更節省空間（見圖15）。

圖14 既有隧道內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）設備箱室和管線布置空間

隧道內輪廓斷面與建筑限界之間的空間應滿足隧道設備箱室和管線布置的要求，也應滿足測量及施工誤差的要求。相關規范要求如下：

《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》第4.4.3條規定：隧道內輪廓凈空斷面應滿足隧道建筑限界所需空間，并預留不小于50 mm 的富余量。

《公路隧道設計細則》第5.2.4 條規定：隧道內輪廓斷面與建筑限界行車限界線最小間距宜大于10 cm。

《公路隧道通風設計細則》第11.2.2 條規定：射流風機的邊沿與隧道建筑限界的凈距不宜小于15 cm。

《盾構法隧道施工及驗收規范》第5.1.4 條和第16.0.3 條規定見圖16。

圖16 《盾構法隧道施工及驗收規范》第5.1.4 條和第16.0.3 條

總結以上規范要求，隧道內輪廓斷面與建筑限界之間應預留不小于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，極限值應不小于10 cm。

4 案例分析

北京東六環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結合工法，盾構段長約7.4 km。該項目為北京市第一條超大直徑盾構地下道路。

項目前期對盾構隧道的橫斷面設計方案進行了充分論證，盾構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標準。

（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，對不同尺寸的盾構隧道管片外徑進行比選，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 中的各方案逐一進行分析，當隧道管片外徑采用15.0 m 時，防撞墻位置不能滿足公路規范相關要求，內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。同時結合東六環項目交通組成特點，不適用設置寬度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范要求，但考慮測量誤差等因素，并結合經濟性，內輪廓與建筑限界的間隙不應小于15 cm。本項目組織的橫斷面設計專家會論證意見為：“盾構隧道內輪廓與建筑限界的間隙不應小于15 cm，盾構隧道斷面管片內徑不宜小于14.1 m。”從最大限度節約投資角度考慮，最終選用方案二，即15.4 m。

表3 東六環改造工程盾構隧道橫斷面比選

5 結論與建議

隨著中國城市化進程的不斷加快，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，盾構隧道因具有以下優點而被越來越廣泛采納。

（1）全機械化作業，有足夠的施工安全性。

（2）地下施工不影響地面交通和環境，產生的環境危害小。

（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步，特別是盾構機國產化的發展，超大直徑盾構法隧道施工技術已經非常成熟，盾構隧道斷面的布置已從功能和空間兼顧向充分保障功能轉變。

當然，盾構法隧道的直徑并不會無休止地增大。因為即使解決了設備研發上的制約問題，考慮到經濟性、城市交通的現有規劃布局及對車道數量的實際需求[1]，過大直徑的盾構法隧道并不一定是最優選擇。過大的直徑也會造成空間利用率的降低。因此，盾構隧道橫斷面設計標準的確定，對超大直徑盾構在地下道路領域的進一步普及和發展十分重要。

根據前述分析，超大直徑盾構地下道路橫斷面設計建議主要考慮以下原則：（1）建筑限界滿足現行規范要求；（2）隧道內輪廓斷面與建筑限界之間最小凈距不宜小于20 cm，極限值不應小于10 cm。綜合既有案例，對目前常見技術標準下地下道路橫斷面設計參考值見表4。

表4 常見技術標準地下道路橫斷面設計參考值

結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時間較早，受當年設備制造水平、施工技術和實際工程條件影響，出現與現行規范的偏差也屬正常。但是，這些工程的建設為我國后續盾構隧道技術的發展作出了卓越貢獻。

我國超大直徑盾構隧道的發展已進入快車道，建議結合工程項目，對盾構隧道內設備排布、上下層空間利用等內容進行更深入的研究，進一步推動超大盾構地下道路橫斷面設計標準化。