武漢深隧全線(xiàn)施工工法比選研究

周文芳

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(wèn)題。工程主隧段長(zhǎng)約17.6 km，內(nèi)徑3.4 m，支隧段長(zhǎng)約1.7 km，內(nèi)徑1.5 m，埋深約23～40 m，隧洞分別穿越粉細(xì)砂、強(qiáng)- 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化白云巖或碎石土等各類(lèi)圍巖。且不同區(qū)間存在各種風(fēng)險(xiǎn)源，嚴(yán)重制約了工程設(shè)計(jì)及施工。因此，合理選擇各段的施工工法對(duì)于工程順利實(shí)施具有重大意義。

1 國(guó)內(nèi)外隧洞施工案例總結(jié)

目前，國(guó)內(nèi)外大型長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)輸管道工程技術(shù)主要有明挖法、盾構(gòu)法、頂管法和礦山法[1-4]，由于明挖法對(duì)城市交通、既有管線(xiàn)等影響較大，且對(duì)于埋深較大的基坑支護(hù)經(jīng)濟(jì)性較差，一般不予采用。國(guó)內(nèi)外主要排水隧洞工程案例見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外主要排水隧道工程案例表

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)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(gòu)法、頂管法均有成功案例；直徑大于4 m，采用盾構(gòu)法居多，總體而言頂管法、盾構(gòu)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(jìn)行施工，明挖法較少采用。

2 給排水隧道常用施工方法特點(diǎn)

2.1 明挖法

明挖施工可以適用于各種不同的地質(zhì)情況，減少線(xiàn)路埋深，施工工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟。但當(dāng)施工區(qū)域位于城市道路上或居民密集區(qū)時(shí)，明挖法施工對(duì)地面交通的干擾較大，對(duì)城市居民生活有較大影響，且地下管線(xiàn)改遷工作量較大，基坑深度大時(shí)基坑支護(hù)費(fèi)用較高。

2.2 礦山法

礦山法是主要用鉆眼爆破的方法開(kāi)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(jù)隧道所穿越的不同地層及埋設(shè)深度，分別采用不同的支護(hù)型式。礦山法施工主要的缺點(diǎn)是地表沉降較大且不易控制，對(duì)周邊的建筑物的安全影響較大，防水效果相對(duì)較差。

2.3 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是采用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖，以鋼筋混凝土管片作為襯砌支護(hù)的隧道暗挖施工法。盾構(gòu)法主要的特點(diǎn)一是盾構(gòu)管徑不受限制；二是盾構(gòu)曲線(xiàn)半徑R≥250 m 為安全轉(zhuǎn)彎半徑；三是在施工過(guò)程中掘進(jìn)一段距離后，需組裝和內(nèi)襯相應(yīng)的管片；四是工作井滿(mǎn)足盾構(gòu)施工需求即可；五是單次頂進(jìn)長(zhǎng)度不受限制，可按需求制定單次掘進(jìn)長(zhǎng)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(shí)采用的一種暗挖式施工方法。頂管法的主要特點(diǎn)一是頂管管徑一般適用于頂進(jìn)DN ≤4 000；二是頂管曲線(xiàn)半徑R ≥600 m 為安全轉(zhuǎn)彎半徑；三是為保證長(zhǎng)距離頂管過(guò)程中的安全及頂力，采用中繼間；四是提供一定強(qiáng)度的工作井（后背墻），保證頂進(jìn)的安全；五是需根據(jù)實(shí)際的土層地質(zhì)資料，在保證施工的安全的前提下制定單次頂進(jìn)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(xiàn)狀及規(guī)劃道路下，埋深較大，明挖施工風(fēng)險(xiǎn)高，措施費(fèi)高，且需管線(xiàn)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(xiàn)路長(zhǎng)，主要位于現(xiàn)狀及規(guī)劃道路下方，多處穿越市政橋梁、鐵路、軌道交通等重要風(fēng)險(xiǎn)源，且地層復(fù)雜多變，圍巖等級(jí)從II～V 級(jí)均有分布，若采用礦山法施工輔助工法較多，且施工機(jī)械化程度低，施工速度慢，施工風(fēng)險(xiǎn)大[5]，因此不推薦采用礦山法施工。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外頂管施工的技術(shù)水平，內(nèi)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(duì)隧道的曲線(xiàn)半徑要求較高，深隧曲線(xiàn)段較多，最小轉(zhuǎn)彎半徑R 為300 m，且多處轉(zhuǎn)彎半徑R 為300～500 m，而且需避讓地下構(gòu)筑物，因此無(wú)法全線(xiàn)采用頂管法施工，可結(jié)合深隧線(xiàn)路及現(xiàn)場(chǎng)地形在曲線(xiàn)半徑大于600 m，便于設(shè)置頂管工作井的地段采用頂管法施工。

根據(jù)前述分析可知，本工程深隧均可采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法對(duì)周?chē)ㄖ暗孛孀冃慰刂戚^好、施工速度快，施工環(huán)境好，施工工作井少，對(duì)地面交通影響小，且造價(jià)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(guò)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(gòu)法、頂管法具有可行性，表2 針對(duì)盾構(gòu)法和頂管法具體特點(diǎn)進(jìn)行比較。

表2 盾構(gòu)法與頂管法具體特點(diǎn)對(duì)比表

根據(jù)對(duì)比，頂管法在工期、節(jié)約工程總投資方面相比盾構(gòu)法具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，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(huán)境等條件下允許下盡量采用頂管法施工，在深隧穿越區(qū)段有敏感建筑及高危風(fēng)險(xiǎn)源或地面交通不允許設(shè)置工作井時(shí)采用盾構(gòu)法施工。

4 全線(xiàn)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(chǎng)收集的污水集中轉(zhuǎn)輸至新建北湖污水處理廠(chǎng)，二郎廟污水處理站至北湖污水處理廠(chǎng)約17.6 km 污水主隧工程，落步咀預(yù)處理站至三環(huán)線(xiàn)1.7 km 支隧工程。東湖污水管道深隧工程平面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

圖1 東湖污水管道深隧工程平面設(shè)計(jì)圖

（1）沙湖港段

本段段隧道長(zhǎng)約3.63 km，主要風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)為下穿地鐵4 號(hào)線(xiàn)鐵羅區(qū)間，隧道與地鐵區(qū)間隧道最小豎向凈距約6 m。隧道與地鐵4 號(hào)線(xiàn)位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 隧道與地鐵4 號(hào)線(xiàn)相互關(guān)系圖（單位：m）

本段隧道主要穿越礫卵石層、粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層。由于隧道下穿地鐵等重要建構(gòu)筑物，且長(zhǎng)距離下穿沙湖港，設(shè)置施工豎井條件較為苛刻，綜合考慮，本段推薦采用盾構(gòu)法施工。

（2）歡樂(lè)大道段

本段隧道與歡樂(lè)大道高架并行，直至三環(huán)線(xiàn)主隧與支隧匯流處側(cè)穿歡樂(lè)大道高架。本段長(zhǎng)3.2 km，主要風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)為歡樂(lè)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(lè)大道高架橋關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 隧道與歡樂(lè)大道高架橋相互關(guān)系圖（單位：m）

本段隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層。由于長(zhǎng)距離側(cè)穿歡樂(lè)大道高架橋橋樁，且水平距離較近，并下穿京廣高鐵客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)高架橋等重要建構(gòu)筑物，隧道施工存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，由于交通疏解等因素，本段施工豎井設(shè)置存在較大困難，綜合考慮，本段推薦采用盾構(gòu)法施工。

（3）武鄂高速段

本段隧道長(zhǎng)4.2 km，主要風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)一是下穿三環(huán)線(xiàn)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(zhuān)線(xiàn)鐵路。三是側(cè)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(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。隧道施工存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，且由于三環(huán)線(xiàn)、武鄂高速高架橋結(jié)構(gòu)的影響以及道路交通等因素的限制，本段施工豎井設(shè)置條件較為苛刻，綜合考慮，本段推薦采用盾構(gòu)法施工。

（4）嚴(yán)西湖段

本段隧道長(zhǎng)2.43 km，主要風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)為下穿嚴(yán)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(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層、中風(fēng)化灰?guī)r層、碎石土層。本段隧道沿線(xiàn)控制性建構(gòu)筑物較少，但是由于豎井設(shè)置區(qū)段受到現(xiàn)狀場(chǎng)地條件、沿線(xiàn)建構(gòu)筑物影響等多方面綜合因素的制約，豎井設(shè)置環(huán)境條件較為苛刻，綜合考慮，本段推薦采用盾構(gòu)法施工。

（5）北湖段

本段隧道下穿嚴(yán)西湖之后沿東北向拐行，一直北直至北湖污水處理廠(chǎng)，本段隧道長(zhǎng)4 km，主要風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)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(fēng)化白云巖層、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，本段隧道沿線(xiàn)控制性建構(gòu)筑物較少，且沿線(xiàn)設(shè)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(chǎng)之后下穿地鐵4 號(hào)線(xiàn)青山車(chē)輛段出入段線(xiàn)區(qū)間，一直向南直至主隧與支隧匯流點(diǎn)，本段隧道長(zhǎng)約1.7 km，主要風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)為下穿地鐵4 號(hào)線(xiàn)出入段線(xiàn)區(qū)間，隧道距離地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)最小豎向凈距約6 m。本段隧道主要穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂巖層、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，主要風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)為下穿地鐵4 號(hào)線(xiàn)青山車(chē)輛段出入段線(xiàn)區(qū)間，綜合考慮本區(qū)間長(zhǎng)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(nèi)徑為1.5 m，壁厚為0.18 m，每一環(huán)寬度為2.5 m。

支隧段下穿地鐵4 號(hào)線(xiàn)青山車(chē)輛段出入段線(xiàn)區(qū)間，該區(qū)間采用明挖法施工，下穿段區(qū)間結(jié)構(gòu)底板埋深約14.25 m，結(jié)構(gòu)全高6.01 m，兩者相互關(guān)系示意圖如圖4 所示。

圖4 支隧與出入段線(xiàn)區(qū)間相互關(guān)系圖（單位：m）

根據(jù)有限元（有限元模型見(jiàn)圖5）計(jì)算結(jié)果可知，由于支隧下穿引起的出入段線(xiàn)結(jié)構(gòu)最大豎向位移發(fā)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(jiàn)圖6），從計(jì)算結(jié)果中可以看出，支隧道施工對(duì)地鐵區(qū)間的影響較小，地鐵區(qū)間與深隧之間的距離是安全的。

圖5 支隧下穿地鐵4 號(hào)線(xiàn)出入段線(xiàn)區(qū)間有限元計(jì)算模型

圖6 出入段線(xiàn)結(jié)構(gòu)最大豎向位移圖（單位：m）

綜合地質(zhì)條件，風(fēng)險(xiǎn)源及施工環(huán)境等因素后各段隧道推薦工法見(jiàn)下表3。

表3 分段推薦工法表

5 結(jié) 語(yǔ)

本工程已竣工，通過(guò)文中分析及現(xiàn)場(chǎng)反饋可見(jiàn)，施工工法選擇對(duì)擬建深隧施工極為重要。風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)對(duì)施工工法影響較大。文中在參照國(guó)內(nèi)外既有類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)武漢深隧工程主隧洞工程地質(zhì)情況、各段主要風(fēng)險(xiǎn)源及控制因素，對(duì)全線(xiàn)施工工法比選進(jìn)行了研究，綜合提出了適合本工程的分段施工工法，對(duì)類(lèi)似工程有一定的參考意義。