武漢深隧全線施工工法比選研究

周文芳

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

武漢深隧工程作為武漢城市地下建筑，其主要功能是解決城市排水問題。工程主隧段長約17.6 km，內徑3.4 m，支隧段長約1.7 km，內徑1.5 m，埋深約23～40 m，隧洞分別穿越粉細砂、強- 中風化泥質砂巖、中風化白云巖或碎石土等各類圍巖。且不同區間存在各種風險源，嚴重制約了工程設計及施工。因此，合理選擇各段的施工工法對于工程順利實施具有重大意義。

1 國內外隧洞施工案例總結

目前，國內外大型長距離轉輸管道工程技術主要有明挖法、盾構法、頂管法和礦山法[1-4]，由于明挖法對城市交通、既有管線等影響較大，且對于埋深較大的基坑支護經濟性較差，一般不予采用。國內外主要排水隧洞工程案例見表1。

表1 國內外主要排水隧道工程案例表

通過對國內外排水隧道的資料收集，可以看出，直徑小于2 m 的排水隧道，采用頂管法居多；直徑大于2 m，小于4 m，盾構法、頂管法均有成功案例；直徑大于4 m，采用盾構法居多，總體而言頂管法、盾構法是排水隧道的主要施工方法，在地層條件較好且工期較為寬裕的情況下也可采用礦山法進行施工，明挖法較少采用。

2 給排水隧道常用施工方法特點

2.1 明挖法

明挖施工可以適用于各種不同的地質情況，減少線路埋深，施工工藝簡單，技術成熟。但當施工區域位于城市道路上或居民密集區時，明挖法施工對地面交通的干擾較大，對城市居民生活有較大影響，且地下管線改遷工作量較大，基坑深度大時基坑支護費用較高。

2.2 礦山法

礦山法是主要用鉆眼爆破的方法開挖斷面而修筑隧道及地下工程的施工方法。在山嶺隧道工程中廣泛使用，根據隧道所穿越的不同地層及埋設深度，分別采用不同的支護型式。礦山法施工主要的缺點是地表沉降較大且不易控制，對周邊的建筑物的安全影響較大，防水效果相對較差。

2.3 盾構法

盾構法是采用盾構掘進機進行開挖，以鋼筋混凝土管片作為襯砌支護的隧道暗挖施工法。盾構法主要的特點一是盾構管徑不受限制；二是盾構曲線半徑R≥250 m 為安全轉彎半徑；三是在施工過程中掘進一段距離后，需組裝和內襯相應的管片；四是工作井滿足盾構施工需求即可；五是單次頂進長度不受限制，可按需求制定單次掘進長度。

2.4 頂管法

頂管法是地下管道或隧道穿越鐵路、道路、河流、建筑物等各種障礙物時采用的一種暗挖式施工方法。頂管法的主要特點一是頂管管徑一般適用于頂進DN ≤4 000；二是頂管曲線半徑R ≥600 m 為安全轉彎半徑；三是為保證長距離頂管過程中的安全及頂力，采用中繼間；四是提供一定強度的工作井（后背墻），保證頂進的安全；五是需根據實際的土層地質資料，在保證施工的安全的前提下制定單次頂進距離，一般安全距離為≤1 000 m。

3 施工方法適用性分析

3.1 隧道施工工法初步選擇

本工程主要位于現狀及規劃道路下，埋深較大，明挖施工風險高，措施費高，且需管線改遷及交通疏解量大，因此不推薦采用明挖法施工。

本工程線路長，主要位于現狀及規劃道路下方，多處穿越市政橋梁、鐵路、軌道交通等重要風險源，且地層復雜多變，圍巖等級從II～V 級均有分布，若采用礦山法施工輔助工法較多，且施工機械化程度低，施工速度慢，施工風險大[5]，因此不推薦采用礦山法施工。

根據目前國內外頂管施工的技術水平，內徑4.0 m以下的排水深隧可采用頂管法施工，但頂管法施工對隧道的曲線半徑要求較高，深隧曲線段較多，最小轉彎半徑R 為300 m，且多處轉彎半徑R 為300～500 m，而且需避讓地下構筑物，因此無法全線采用頂管法施工，可結合深隧線路及現場地形在曲線半徑大于600 m，便于設置頂管工作井的地段采用頂管法施工。

根據前述分析可知，本工程深隧均可采用盾構法施工。盾構法對周圍建筑及地面變形控制較好、施工速度快，施工環境好，施工工作井少，對地面交通影響小，且造價已接近甚至低于礦山法隧道或明挖法隧道。

3.2 工法選擇原則

通過上述隧道常用工法的分析可知，本工程不推薦采用明挖法、礦山法施工；盾構法、頂管法具有可行性，表2 針對盾構法和頂管法具體特點進行比較。

表2 盾構法與頂管法具體特點對比表

根據對比，頂管法在工期、節約工程總投資方面相比盾構法具有較為明顯的優勢，且整體性、防水性、防腐蝕性能好。故本工程工法選擇的原則：在平面布置、交通、環境等條件下允許下盡量采用頂管法施工，在深隧穿越區段有敏感建筑及高危風險源或地面交通不允許設置工作井時采用盾構法施工。

4 全線隧道工法分段分析

東湖污水深隧工程將原有沙湖、二郎廟、落步嘴、武東污水處理廠收集的污水集中轉輸至新建北湖污水處理廠，二郎廟污水處理站至北湖污水處理廠約17.6 km 污水主隧工程，落步咀預處理站至三環線1.7 km 支隧工程。東湖污水管道深隧工程平面設計圖見圖1。

圖1 東湖污水管道深隧工程平面設計圖

（1）沙湖港段

本段段隧道長約3.63 km，主要風險控制點為下穿地鐵4 號線鐵羅區間，隧道與地鐵區間隧道最小豎向凈距約6 m。隧道與地鐵4 號線位置關系見圖2。

圖2 隧道與地鐵4 號線相互關系圖（單位：m）

本段隧道主要穿越礫卵石層、粉細砂層、粉質黏土層、強風化泥質砂巖層。由于隧道下穿地鐵等重要建構筑物，且長距離下穿沙湖港，設置施工豎井條件較為苛刻，綜合考慮，本段推薦采用盾構法施工。

（2）歡樂大道段

本段隧道與歡樂大道高架并行，直至三環線主隧與支隧匯流處側穿歡樂大道高架。本段長3.2 km，主要風險控制點為歡樂大道高架橋橋樁，隧道與橋梁樁基最小水平凈距約3.5 m。隧道與歡樂大道高架橋關系見圖3。

圖3 隧道與歡樂大道高架橋相互關系圖（單位：m）

本段隧道主要穿越粉質黏土層，強風化泥質砂巖層，中風化泥質砂巖層。由于長距離側穿歡樂大道高架橋橋樁，且水平距離較近，并下穿京廣高鐵客運專線高架橋等重要建構筑物，隧道施工存在較高的風險，由于交通疏解等因素，本段施工豎井設置存在較大困難，綜合考慮，本段推薦采用盾構法施工。

（3）武鄂高速段

本段隧道長4.2 km，主要風險控制點一是下穿三環線高架，隧道與橋梁樁基最小水平凈距約4.2 m。二是下穿武九鐵路、武鋼專線鐵路。三是側穿武鄂高速高架，隧道與橋梁樁基最小水平凈距約9 m。本段主要穿越風化泥質粉砂巖層。隧道施工存在較高的風險，且由于三環線、武鄂高速高架橋結構的影響以及道路交通等因素的限制，本段施工豎井設置條件較為苛刻，綜合考慮，本段推薦采用盾構法施工。

（4）嚴西湖段

本段隧道長2.43 km，主要風險控制點為下穿嚴西湖，隧道距離湖底最小豎向凈距約28 m 。本段隧道主要穿越中風化泥質粉砂巖層、中風化灰巖層、碎石土層。本段隧道沿線控制性建構筑物較少，但是由于豎井設置區段受到現狀場地條件、沿線建構筑物影響等多方面綜合因素的制約，豎井設置環境條件較為苛刻，綜合考慮，本段推薦采用盾構法施工。

（5）北湖段

本段隧道下穿嚴西湖之后沿東北向拐行，一直北直至北湖污水處理廠，本段隧道長4 km，主要風險控制點為下穿北湖，隧道距離湖底最小豎向凈距約30 m 。本段隧道主要穿越中風化白云巖層、中風化泥質粉砂巖層，本段隧道沿線控制性建構筑物較少，且沿線設置施工豎井的條件較為寬松，綜合考慮，本段推薦采用頂管法施工。

（6）支隧段

支隧出落步咀污水處理廠之后下穿地鐵4 號線青山車輛段出入段線區間，一直向南直至主隧與支隧匯流點，本段隧道長約1.7 km，主要風險控制點為下穿地鐵4 號線出入段線區間，隧道距離地鐵區間結構最小豎向凈距約6 m。本段隧道主要穿過強風化泥質細粉砂巖層、中風化泥質粉砂巖層，主要風險控制點為下穿地鐵4 號線青山車輛段出入段線區間，綜合考慮本區間長度及隧道斷面尺寸，本段推薦采用頂管法施工。

深隧工程支隧段采用頂管法施工。管道外徑為1.86 m，管道內徑為1.5 m，壁厚為0.18 m，每一環寬度為2.5 m。

支隧段下穿地鐵4 號線青山車輛段出入段線區間，該區間采用明挖法施工，下穿段區間結構底板埋深約14.25 m，結構全高6.01 m，兩者相互關系示意圖如圖4 所示。

圖4 支隧與出入段線區間相互關系圖（單位：m）

根據有限元（有限元模型見圖5）計算結果可知，由于支隧下穿引起的出入段線結構最大豎向位移發生在底部（在隧道穿越的正上方位置），最大值為0.105 mm，小于5 mm 的控制值（見圖6），從計算結果中可以看出，支隧道施工對地鐵區間的影響較小，地鐵區間與深隧之間的距離是安全的。

圖5 支隧下穿地鐵4 號線出入段線區間有限元計算模型

圖6 出入段線結構最大豎向位移圖（單位：m）

綜合地質條件，風險源及施工環境等因素后各段隧道推薦工法見下表3。

表3 分段推薦工法表

5 結 語

本工程已竣工，通過文中分析及現場反饋可見，施工工法選擇對擬建深隧施工極為重要。風險控制點對施工工法影響較大。文中在參照國內外既有類似工程經驗的基礎上，通過對武漢深隧工程主隧洞工程地質情況、各段主要風險源及控制因素，對全線施工工法比選進行了研究，綜合提出了適合本工程的分段施工工法，對類似工程有一定的參考意義。