城市隧道總體設計的交通分析及影響因素

李翔

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平越來越高，城市的交通設施建設變得更為重要。與經(jīng)濟水平的提高相對應，在城市道路工程建設中采用隧道的方式穿越山體、水體或相交道路的情況越來越多。

隧道基本建設條件有地形、地貌、氣象、水文、地質(zhì)、航道、周邊環(huán)境、現(xiàn)狀交通、建筑材料及運輸條件等。在隧道總體設計過程中，在以上建設條件的基礎上，首先應著重對交通需求、路網(wǎng)交通組織、前后交通節(jié)點相互影響等方面進行分析，然后根據(jù)工程所遇到的各種影響因素進行隧道工程的總體設計。

1 隧道建設的交通分析

隧道的服務對象以機動車為主，部分過江隧道可以兼顧過境市政管線（如電力、通信、給水等）及軌道交通，少量短隧道可設置行人道、非機動車道。隧道的功能以交通功能為主，兼顧城市的其他功能，主要有：

（1）穿越山體、水體等障礙，保證交通不中斷，實現(xiàn)路網(wǎng)規(guī)劃意圖。

（2）提高設置隧道方向的交通通行能力，減少道路交叉節(jié)點各方向交通的相互干擾，從而提高節(jié)點以及路網(wǎng)的通行能力。

（3）從景觀和環(huán)境方面考慮，隧道比橋梁有優(yōu)勢。

（4）節(jié)約土地資源，利用地下空間，增加城市空間使用效率。

城市路網(wǎng)是城市的骨架及城市運行的動脈。城市隧道設計的路網(wǎng)分析主要指根據(jù)項目周邊的路網(wǎng)規(guī)劃來確定隧道所在道路的等級、功能定位、與周邊路網(wǎng)的銜接、交通節(jié)點功能等。

隧道功能定位主要由所在道路在路網(wǎng)（現(xiàn)狀路網(wǎng)和規(guī)劃路網(wǎng)）、沿線環(huán)境（現(xiàn)狀環(huán)境及規(guī)劃環(huán)境）中的功能定位及其服務范圍所決定。

應根據(jù)工程所在區(qū)域的相關規(guī)劃，進行隧道以及兩端銜接路網(wǎng)的交通量預測，獲得其近期以及遠期的交通流量、流向和交通組成數(shù)據(jù)，作為隧道設計規(guī)模的依據(jù)之一。

路網(wǎng)的交通分析會影響隧道起終點的選擇；交通的流量大小影響到隧道的車道數(shù)選擇；交通的流向影響到隧道銜接的節(jié)點設計，包括交叉口的型式、立交匝道布設等；交通組成則表示各種車型在交通流中所占的比例，大小和質(zhì)量不同的車輛具有不同的行駛特性，影響隧道幾何尺寸的設計（車道寬度、凈高）以及道路的通行能力。

1.1 下穿水體、山體的隧道

這類隧道的交通為單點出入，隧道規(guī)模必須滿足交通的通行能力需求。此外，應關注隧道與兩端路網(wǎng)的銜接，考慮以下因素：

（1）根據(jù)下一個交叉口的交通量預測，判定該交叉口是否需設置立交。

（2）不需要設置立交時，隧道洞口與交叉口的距離是否滿足交通轉(zhuǎn)向變換車道的要求。

（3）設置立交時，隧道洞口與立交的距離是否滿足匝道設置的平縱線形要求，并且滿足出口交通指引預告標志設置的要求。如果立交的轉(zhuǎn)向交通功能重要，而隧道方案不能滿足交通需求，則越江通道需考慮橋梁方案并進行比選，穿山隧道應考慮線位以及路網(wǎng)銜接點的調(diào)整。

除此之外，前方主線出、入口與隧道之間的凈距（見圖1）問題也不容忽視。

圖1 主線出、入口與隧道之間的凈距示意圖[1]

1.2 下穿相交道路的隧道

這類隧道的交通為單點出入，應結(jié)合路網(wǎng)與立交的設置，滿足交通系統(tǒng)要求。隧道規(guī)模必須滿足交通的通行能力需求，并且考慮以下因素：

（1）根據(jù)交通預測的結(jié)果，確定隧道只需下穿一條相交道路或是需連續(xù)下穿多條相交道路。

（2）隧道出口接地后與交叉口距離需滿足隧道交通根據(jù)目的地選擇左轉(zhuǎn)、直行或右轉(zhuǎn)車道的變換距離；如果有地面道路（輔道）與隧道出口匯流后進入下一個交叉口，應考慮隧道交通與地面交通間由于選擇左轉(zhuǎn)、直行或右轉(zhuǎn)車道產(chǎn)生的交織，距離交叉口的長度應大于交織長度。

1.3 系統(tǒng)性的多點進出隧道

系統(tǒng)性的多點進出隧道[2]可以減少其對景觀和環(huán)境的影響，但是如果存在大量出入口需要與地面道路相聯(lián)系，其多點進、多點出的特征將造成交通組織復雜，特別是在隧道視野受到局限的情況下，這個問題更加突出。應考慮以下因素：

（1）交通需求按一個連續(xù)交通系統(tǒng)進行分析。

（2）交通組成分析。由于這種類型的隧道一般較長，隧道的斷面對工程造價影響很大。隧道內(nèi)的行駛車型是僅限于小客車還是混行車輛，直接影響到隧道的斷面尺寸。

（3）根據(jù)交通量預測結(jié)果，確定匝道出入口設置的必要性，以及匝道出入口位置的選擇。隧道匝道出入口應與地面的規(guī)劃路網(wǎng)相適應，并考慮地面銜接道路的交通容量和集散能力。

（4）隧道匝道出入口間距應使分合流交通對主線交通的干擾控制在較小程度，保證主線車流穩(wěn)定。

在建的廣州金融城地下隧道是網(wǎng)狀的地下道路，交通組織為右進右出（見圖2）。廣州金融城地下隧道在翠島設置單向逆時針循環(huán)的地下主環(huán)路，單向2車道，設有4組出入口；在方城設置單向逆時針循環(huán)的地下主環(huán)路，單向3車道，通過公共循環(huán)通道與周邊地塊地下車庫連接。

圖2 廣州金融城地下道路交通組織圖

1.4 建設規(guī)模對將來的適應性

在隧道建設過程中，隧道規(guī)模的設計應充分考慮對將來的環(huán)境適應性：

（1）隧道規(guī)模對交通需求發(fā)展的適應性；

（2）技術標準對服務車型的適應性。

國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化進程加快，城市規(guī)劃（用地規(guī)劃、交通規(guī)劃等）往往會隨之不斷進行調(diào)整、修正。當重要的外部環(huán)境邊界條件發(fā)生變化時，將導致交通量的預測結(jié)果準確率下降，甚至嚴重失真。

隧道建成后改擴建非常困難，建議隧道規(guī)模應適當寬裕，以應對不確定的交通環(huán)境變化，避免將來出現(xiàn)交通瓶頸，成為交通擁堵黑點。

1.5 與通風、消防設計相關的交通分析

同一車型，汽油車、柴油車的有害氣體排放量不同。柴油車產(chǎn)生的煙塵會對隧道洞內(nèi)通風造成很大影響，而汽油車排放的煙塵相對較少，且排放成分也與柴油車不同。發(fā)動機類型相同的汽車，重型車、大型車和小型車的有害氣體排放量也不一樣。車型組成和發(fā)動機類型會影響隧道的通風設計[3]。

當隧道主線或匝道出口與地面交叉口距離較短時，排隊車輛在隧道中的阻塞或停滯狀態(tài)，對隧道通風設計影響較大，因此在交通量預測時應提供排隊長度。例如，某隧道匝道出口建成后處于擁堵常態(tài)，在設計階段如果通過交通預測、分析獲知這種可能性，在通風設計中考慮這種工況，就能改善隧道出口的空氣條件。

另外，各種車型的最大火災釋放功率不同，車型比例將影響隧道的防災設計。隧道內(nèi)是否通行危險化學品車輛，也影響著隧道的防火設計分類。

2 隧道總體設計的影響因素

2.1 車行凈高及通航條件

2.1.1 城市道路的車行凈高

在城市道路的工程設計中，混行車隧道的凈高可取4.5～5.0m，小客車專用隧道的最小凈高可取 3.2～3.5m[4]。

上海市外灘通道服務對象為小型客車，設計速度為40km/h,采用3.0m寬的車道，凈高3.2m（見圖 3）。

圖3 上海市外灘通道盾構段橫斷面(單位：mm)

廣州市如意坊放射線隧道連接內(nèi)環(huán)路和外環(huán)高速公路、廣珠西線高速公路，是區(qū)域的骨架道路，采用3.5m寬的車道，凈高5.0m（見圖4）。

2.1.2 越江隧道的通航條件

航道尺寸及通航水深影響著越江隧道與兩端道路的銜接。根據(jù)《內(nèi)河通航標準》，不同的航道等級航道尺寸的最小水深為0.7～4.0m。與越江隧道銜接的兩端臨江路網(wǎng)可分為兩種情況：高架橋系統(tǒng)和地面道路系統(tǒng)。沉管隧道和盾構隧道的選擇需考慮與兩端銜接路網(wǎng)的高差。沉管隧道由于埋設較淺，比盾構隧道更容易與臨江路網(wǎng)銜接。

圖4 廣州市如意坊放射線珠江隧道沉管段橫斷面(單位：m)

設計時應考慮越江隧道與兩端銜接路網(wǎng)的距離能否滿足縱斷面銜接高差的需求。如果高差過大而越江隧道與路網(wǎng)間的距離不足，就需要采用環(huán)形方式來克服高差，從而造成立交設計困難，或立交功能存在缺失，如廣州市的洲頭咀隧道、如意坊隧道[5]。

2.2 隧道施工工法的影響

修建隧道有礦山法、明挖法、沉管法、盾構法等，各種施工方法都有一定的適用性。施工工法應根據(jù)工程的地形、地質(zhì)或河道環(huán)境進行選擇，避免因施工工法不適用帶來較大的造價提高或工程風險。如果沒有合適的施工工法來建設隧道，應慎重考慮是否采用隧道方案，或調(diào)整隧道線路。

明挖隧道：工程地質(zhì)主要對隧道基坑開挖、防護、止水等有影響，適用于下穿相交道路的隧道、系統(tǒng)性多點進出的隧道。此外，盾構、沉管隧道往往屬于隧道工程的中心段，兩端常需采用明挖隧道與地面道路銜接。在寬度較窄、水深較淺、通航許可的情況下，水下隧道也可采用圍堰明挖的方式，如廣州流花湖隧道、澳門大學海底專用隧道等。

礦山法：不良地質(zhì)對礦山法的影響較大，如軟弱破碎巖體、淺埋軟巖、嚴重偏壓、巖溶流泥地段、砂場、砂卵（礫）石層、斷層破碎帶以及大面積淋水和涌水地段等，需通過對地層進行預加固、超前支護或止水等輔助施工措施解決。礦山法適用于穿山隧道。

沉管法：對地質(zhì)水文條件適應性強，對地基允許承載力的要求也較低，可用于中軟弱土地基，受地質(zhì)條件的限制較少，適用于越江隧道。沉管隧道的埋深較淺，相對于盾構隧道，更容易與江邊的路網(wǎng)銜接。

盾構法：適用于軟巖，遇復合地層適應性相對較差，遇到花崗巖孤石時，施工比較困難，并且損壞刀具、刀盤。盾構法適用于越江隧道以及長距離系統(tǒng)性的多點進出隧道。由于盾構法的埋深要求較大，兩岸所需的引道較長，如果兩岸的路網(wǎng)距離江邊較近，則不利于隧道與路網(wǎng)的銜接。

2.3 景觀要求

隧道對城市道路的景觀影響較小，可以較好地滿足城市空間以及周邊環(huán)境的要求。隧道的景觀設計應考慮以下因素：隧道洞口、隧道敞開段以及隧道內(nèi)部的照明和側(cè)壁面板裝飾。

2.4 相交或臨近河道

距離較近的平行河道水流對隧道施工期間的基坑止水措施、支護措施的選擇具有直接影響，可能導致工程造價增加。由于隧道屬于隱蔽工程，如果施工質(zhì)量控制不好，將來易發(fā)生滲水、漏水現(xiàn)象。

現(xiàn)狀河道與隧道相交時，為保證防洪排澇所要求的過水斷面以及河道底標高，將使相交處的隧道埋深增加，隧道長度增加，導致工程造價增大?？紤]隧道防水要求，在過河道段的隧道設置伸縮縫時應慎重，若必須設置伸縮縫則應做好防水措施。

條件允許時可采用以下措施：

（1）將河道改道，沿隧道兩側(cè)繞行至出了隧道范圍，再橫過道路。

（2）河道局部改道，繞行至隧道埋深較淺處設置倒虹涵洞通過。

（3）如果河道無法改道，將隧道上方一定范圍的河道進行鋪砌加固。

2.5 與地下空間的連接

隧道穿越規(guī)劃地下空間時，設計時應注意根據(jù)規(guī)劃的要求確認是否與地下空間發(fā)生交通銜接，以滿足地下空間機動車交通進出的需求。隧道所屬的道路等級較高時，受建設條件限制不適宜與兩側(cè)的地下空間直接發(fā)生交通聯(lián)系，此時隧道與地下空間相對獨立，只需在工程設計時考慮相互施工時的影響。

如果隧道與地下空間發(fā)生交通銜接，根據(jù)建設工期的不同，有以下兩種情況：

（1）隧道與地下空間同時建設。隧道設計應與地下空間的設計密切聯(lián)系，對接好邊界條件，建議隧道的結(jié)構與地下空間的結(jié)構進行合理優(yōu)化，并且合理組織隧道與地下空間的施工流程，以減少工程造價。

（2）隧道與地下空間不同時建設。應從規(guī)劃上做好控制，限定隧道與地下空間的層次以及相對高程關系，確保將來的建設能滿足施工要求和使用要求。如果隧道建設在前，地下空間開發(fā)在后，則隧道設計時應預留地下空間設計和施工的銜接條件。

昆明市巫家壩中心地下擬建設環(huán)形隧道，為此，分別設兩對進出口與地面道路相連，并在地下與兩側(cè)地塊停車場發(fā)生聯(lián)系（見圖5）。

圖5 昆明市巫家壩中心地下環(huán)形隧道及兩側(cè)地下空間聯(lián)系(單位：m)

2.6 鄰近的現(xiàn)狀構筑物

隧道的建設受既有構筑物的影響，如鄰近房屋建筑、橋梁樁基、城市軌道交通等。

明挖隧道基坑的開挖影響到附近的建筑，如果對基坑的保護工作不到位，會引起地面沉降、周邊建筑開裂等。

隧道設計時基坑支護與現(xiàn)狀橋梁樁基或建筑樁基必須根據(jù)樁基的類型（摩擦樁或嵌巖樁）以及地質(zhì)條件，滿足必須的安全距離，施工時應對其進行充分保護。

在城市軌道交通地下結(jié)構控制保護區(qū)內(nèi)修建平行或下穿隧道時，應按相關規(guī)范進行距離判定。當判定為非常接近或接近時，應采用安全可靠的隧道施工方案，細化施工控制參數(shù)，制定安全保護控制措施。對位于城市軌道交通地下結(jié)構正上方的基坑工程，應控制地下結(jié)構上方的覆土厚度，覆土厚度應通過安全評估確定。

2.7 交通疏解

隧道建設位于現(xiàn)狀道路時，必須考慮施工期間的交通疏解。現(xiàn)狀交通繁忙的道路，交通疏解的組織方案會影響建設工程方案的選擇。

采用明挖對交通疏解的影響較大，一般需隧道全斷面封閉施工。如果交通疏解的條件很困難，可采用蓋挖法來改善交通疏解的條件，但這會增加部分造價，對隧道的工期也有一定影響。

對現(xiàn)狀交通影響較大的工程還需進行影響評估，包括對交通的影響評估，以及社會穩(wěn)定風險評估等內(nèi)容。

3 結(jié)語

為了在工程建設的設計階段就充分預計到將來可能遇到的各種問題，應進行詳細的方案設計和比選、風險評估、專項研究，得出正確的結(jié)論，避免或者減少在工程建設的后期發(fā)生方案反復修改、施工變更，甚至工程中止建設的情況，充分了解影響城市隧道建設的各種因素，并進行全面分析，對于城市隧道的總體設計十分必要。

參考文獻：

[1]JTG/TD21—2014，公路立體交叉設計細則[S].

[2]俞明健.城市地下道路設計理論與實踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]JTG/TD70/2-02—2014，公路隧道通風設計細則[S].

[4]CJJ221—2015，城市地下道路工程設計規(guī)范[S].

[5]李翔.劉力英.傅棟梁，等.如意坊放射線系統(tǒng)工程（一期工程）項目建議書[Z].廣州：廣州市市政工程設計研究總院，2016.