中心城地下快速路設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新
——以上海北橫通道為例

俞明健 羅建暉 游克思　上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司

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中心城地下快速路設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新
——以上海北橫通道為例

俞明健 羅建暉 游克思上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司

圖1　.北橫通道總體方案

概述

隨著城市化的發(fā)展，交通擁堵成為當(dāng)今城市發(fā)展所面臨的普遍問(wèn)題，構(gòu)建城市立體交通，倡導(dǎo)公共交通，對(duì)緩解交通擁堵、改善環(huán)境等具有重要作用。在交通建設(shè)方面除興建軌道交通外，各地也越來(lái)越重視城市地下道路的建設(shè)。

從英國(guó)早期穿越泰晤士運(yùn)河的地下道路到當(dāng)今體現(xiàn)城市地下交通最新技術(shù)發(fā)展水平的波士頓中央大道、法國(guó)A86以及東京中央環(huán)狀線以及澳大利亞地下快速路網(wǎng)等，城市地下道路建設(shè)已有百余年的建設(shè)發(fā)展歷程。相比國(guó)外，我國(guó)城市地下道路建設(shè)發(fā)展歷史較短。1970年上海市建了國(guó)內(nèi)第一條水底隧道——打浦路隧道，全長(zhǎng)2 761m，連通黃浦江兩岸。近些年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化和機(jī)動(dòng)化水平突飛猛進(jìn)，許多大城市私人小汽車爆發(fā)式的增長(zhǎng)給城市交通帶來(lái)了更大挑戰(zhàn)。為改善城市交通、打破江河、山嶺等自然阻隔，拓展城市空間、帶動(dòng)江河兩岸發(fā)展，我國(guó)上海、北京、廣州、深圳及南京等許多大城市開(kāi)展了地下道路的規(guī)劃建設(shè)。

新世紀(jì)初，上海市外灘隧道、北京市中關(guān)村地下環(huán)路等一批新類型的系統(tǒng)性地下道路的建設(shè)運(yùn)營(yíng)。尤其是上海外灘隧道，在建設(shè)形式方面與以往地下道路存在顯著差異，創(chuàng)造了多個(gè)國(guó)內(nèi)首次。

正在建設(shè)中的上海北橫通道，穿越上海中心城區(qū)，全線19km，其中地下段約10.2km，建設(shè)規(guī)模大、技術(shù)難度極高。北橫通道工程的建設(shè)代表著我國(guó)城市地下道路建設(shè)的最高技術(shù)水準(zhǔn)，正與國(guó)際化水準(zhǔn)相接軌，引領(lǐng)我國(guó)城市地下道路建設(shè)向著系統(tǒng)性方向發(fā)展，也體現(xiàn)了我國(guó)城市地下道路的建設(shè)順應(yīng)了世界城市地下道路的發(fā)展潮流。

北橫通道建設(shè)背景與工程概況

近年來(lái)，上海市城市建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，城市總體空間布局由原來(lái)的“單中心”向“多心、多核、一軸兩鏈”轉(zhuǎn)變，隨著城市空間布局的調(diào)整，交通需求結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生新的變化。根據(jù)最新規(guī)劃，未來(lái)北橫通道沿線地區(qū)將有較大規(guī)模的開(kāi)發(fā)建設(shè)，開(kāi)發(fā)建筑總量將達(dá)到1.7億平方米，增幅達(dá)40%。然而目前北岸地區(qū)的地面道路系統(tǒng)擴(kuò)容潛力有限。因此，需要通過(guò)立體化改造措施，提升北橫通道容量，以適應(yīng)北部地區(qū)的發(fā)展。在這種背景下，上海提出了建設(shè)北橫通道。

圖2　.橫斷面布置

北橫通道位于上海中心城北部區(qū)域，貫穿中心城北部六區(qū)。北橫通道建設(shè)目標(biāo)是：適應(yīng)城市功能結(jié)構(gòu)調(diào)整，加強(qiáng)東西向發(fā)展軸的交通聯(lián)系，緩解延安路高架和內(nèi)環(huán)北段的交通壓力，進(jìn)一步推動(dòng)沿線重點(diǎn)地區(qū)發(fā)展；同時(shí)每天將8-10萬(wàn)車次車輛轉(zhuǎn)移至地下，釋放大量地面道路空間資源。

北橫通道全長(zhǎng)約19.1km，其中隧道長(zhǎng)度約10.2公里，包括7.75km盾構(gòu)段（雙層式雙向6車道），2.45km明挖段以及四座下立交，總體方案如圖1所示。

全線遵循服務(wù)重點(diǎn)區(qū)域，銜接骨干路網(wǎng)的原則，立體擴(kuò)容段共布置北虹路、瀘定路、江蘇路、恒豐路、河南路5對(duì)出入口匝道，匝道平均間距2.6km，并與中環(huán)北虹路、南北高架形成兩處全互通立交。

在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上，地下道路段設(shè)計(jì)速度60km/h，為小客車專用快速路，凈空高度 3.2m（限高3.0m）；車道寬度為3.0m/車道。在橫斷面布置時(shí)，盾構(gòu)段采用單管雙層形式，雙向6車道（圖2）。

應(yīng)對(duì)工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的若干技術(shù)創(chuàng)新

由于位于高密度開(kāi)發(fā)的中心城區(qū)，建設(shè)條件極其復(fù)雜，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)：交通組織復(fù)雜，多點(diǎn)進(jìn)出超長(zhǎng)地下道路；安全保障難度高、通風(fēng)排煙及安全疏散救援方式全新挑戰(zhàn)；線位多次穿越蘇州河防汛墻，建筑物樁基及軌道交通等；大斷面、小半徑盾構(gòu)施工難度大。

針對(duì)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中面臨的挑戰(zhàn)，開(kāi)展了一系列新技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)與應(yīng)用。

創(chuàng)新的選線設(shè)計(jì)理念由于原道路規(guī)劃線位局部路段上已建和在建4座地鐵車站，若仍按原線位將導(dǎo)致工程無(wú)法實(shí)施。因此設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)形式，利用深層地下空間改線蘇州河和中山公園予以避讓，平均深度40m以下，打破了上海地下空間建設(shè)的深度記錄。同時(shí)通過(guò)工作井設(shè)置道路出入口，與周邊地面道路進(jìn)行銜接。

小客車專用地下道路線形技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究與應(yīng)用 城市地下道路建設(shè)條件復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本高、橫斷面尺寸上任何微小的增加都會(huì)引起額外巨額的工程造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn)等。北橫通道主要服務(wù)中長(zhǎng)距離到發(fā)交通，服務(wù)對(duì)象以小型車為主，因此對(duì)橫斷面布置進(jìn)行綜合比選（圖3），研究小客車專用地下道路的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3　.橫斷面方案比選

通過(guò)理論計(jì)算、實(shí)測(cè)、駕駛仿真模擬等多種措施，對(duì)新建路隧道、人民路隧道進(jìn)行實(shí)車自然駕駛試驗(yàn)，通過(guò)激光測(cè)距儀、視頻數(shù)據(jù)分析采集側(cè)向間距數(shù)據(jù)，最終論證，實(shí)際觀測(cè)證實(shí)行駛車速為60km/h時(shí)，觀測(cè)車道寬度小于3.0m，即3.0m能夠保證行車安全。在工程中，對(duì)兩種橫斷面方案進(jìn)行了綜合比選，采用方案一形式。因此，在原有地面道路標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)了突破，采用了車道寬度最小3.0m，通行凈空3.2m的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)車道標(biāo)準(zhǔn)的研究也為中國(guó)首部針對(duì)地下道路領(lǐng)域的規(guī)范《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的編制提供了支撐，成果納入最新規(guī)范的相關(guān)條文中。

圖4　.穿越軌道交通示意

超大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越城市深層地下空間技術(shù)采用大直徑盾構(gòu)單管雙層布置，長(zhǎng)距離從深層穿越飽和軟土地基的上海市中心城區(qū)，避讓已建建筑軌道交通車站和線路。連續(xù)穿越多幢已建構(gòu)筑物、多次下穿蘇州河防汛墻及大量市政管線。在盾構(gòu)襯砌、盾構(gòu)機(jī)選型，實(shí)施期間對(duì)周邊環(huán)境的影響和保護(hù)要求等，都是上海乃至全國(guó)在隧道設(shè)計(jì)、施工管理、應(yīng)急救援等方面的重大突破。在大直徑盾構(gòu)深層穿越、轉(zhuǎn)彎半徑、穿越軌道線路等方面均有創(chuàng)新和突破。

北橫通道在市中心建筑密集區(qū)穿越，沿線共穿越建筑90多處（140多幢），建筑類型包括多層、高層及地下室，穿越類型包括下穿和側(cè)穿，水平與建筑基礎(chǔ)最小距離為1m（圖4）。

北橫通道主線明挖段穿越蘇州河，主線結(jié)構(gòu)與規(guī)劃蘇州河底最小凈距為0.6m。北橫通道主線在天目路蘇州河?xùn)|側(cè)明挖上跨已建軌道交通13號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間，暗埋段基坑最大開(kāi)挖深度12.77m，距離13號(hào)線隧道頂部6.122m，影響范圍165m左右。

在盾構(gòu)段小半徑轉(zhuǎn)彎路段，平面最小曲線半徑為500m，全線平面曲線半徑小于600m段占盾構(gòu)段總長(zhǎng)52%。北橫通道盾構(gòu)直徑與平面曲線半徑比R/ D為目前已建大直徑隧道中最小，小半徑的轉(zhuǎn)彎盾構(gòu)實(shí)施使得主線盡可能減少了對(duì)周邊建筑的影響。

多點(diǎn)進(jìn)出、超長(zhǎng)地下道路安全保障與防災(zāi)救援技術(shù)根據(jù)北橫通道地下道路設(shè)計(jì)資料構(gòu)建初始三維模型，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行三維模型修飾，以建立較為逼真的模擬場(chǎng)景。設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)方案，通過(guò)仿真模擬，對(duì)設(shè)計(jì)成果實(shí)施評(píng)價(jià)，診斷潛在問(wèn)題。模擬器采用同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院的8自由度駕駛模擬器。通過(guò)定性和定量?jī)煞N分析方法進(jìn)行評(píng)估。定性分析以駕駛?cè)酥庇^的行車感受評(píng)價(jià)為主。定量化分析是通過(guò)模擬器輸出的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)或其他計(jì)算來(lái)直接或間接評(píng)價(jià)道路行車安全性。通過(guò)駕駛仿真模擬，對(duì)駕駛?cè)酥庇^行車感受進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果表明主線總體線形指標(biāo)較好，運(yùn)行速度連續(xù)性較好，視線誘導(dǎo)連續(xù)，安全隱患不大。

作為國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的盾構(gòu)法雙層隧道，多點(diǎn)進(jìn)出的形式使之與傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)隧道呈現(xiàn)出不同的形態(tài)特征，在通風(fēng)排煙及安全疏散救援方式的全新挑戰(zhàn)。由于設(shè)置多對(duì)匝道，地下道路多點(diǎn)進(jìn)出，節(jié)點(diǎn)多、分支多、氣流組織復(fù)雜，對(duì)地下道路通風(fēng)環(huán)境影響較大，基于活塞效應(yīng)的縱向通風(fēng)、非阻塞工況排煙系統(tǒng)是否仍然有效或受到了多大影響，特別是火災(zāi)工況下，匝道口外部大氣環(huán)境是否會(huì)對(duì)煙氣組織產(chǎn)生不利影響。雙層隧道斷面空間極為有限，風(fēng)道設(shè)置受到了制約，如何設(shè)置煙道，保證煙道排煙的效率，并保障在其環(huán)境控制下安全疏散，也是設(shè)計(jì)中面臨的挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新的提出了分段式防災(zāi)技術(shù)總體構(gòu)思，將超長(zhǎng)地下道路分為若干段，化整為零，降低超長(zhǎng)隧道作為單個(gè)系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，任何一段因火災(zāi)、事故、維護(hù)檢修而需要關(guān)閉時(shí)，其他段仍可以正常運(yùn)營(yíng)?！胺侄巍笔枭⒕仍M織方式及設(shè)施布置。

研究其形態(tài)對(duì)通風(fēng)排煙的影響，并首次提出復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計(jì)算、排煙控制方法；以模擬及實(shí)驗(yàn)研究的方式，研究雙層隧道的上、下層煙道的特殊形式及其排煙效率，創(chuàng)新提出適合空間限制較大的橫斷面條件下排煙道布置及控制方式。

通過(guò)研究，支撐設(shè)計(jì)，使得地下道路能夠具備8MW火災(zāi)條件下的排煙能力；安全疏散控制在15min內(nèi)。

我國(guó)城市地下道路建設(shè)越來(lái)越多，北橫通道作為中國(guó)規(guī)模最大、技術(shù)水平最高的城市地下道路，受建設(shè)條件制約，規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)面臨著巨大挑戰(zhàn)。本文重點(diǎn)簡(jiǎn)要介紹了其中幾項(xiàng)創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，為未來(lái)類似地下道路建設(shè)提供參考。

［責(zé)任編輯：遙 醒］