城市密集區(qū)市政隧道的工法和方案研究

陳宏剛

杭州市城市土地發(fā)展有限公司 浙江 杭州 310021

隨著城市交通發(fā)展的需要，構(gòu)建立體交通、倡導(dǎo)公共交通，對(duì)緩解城市交通擁堵、改善道路交通環(huán)境具有重要意義。構(gòu)建立體交通的方式之一就是發(fā)展城市地下道路，然而許多城市老城區(qū)由于各種前期原因，導(dǎo)致市政地下隧道的實(shí)施難度大，例如道路周邊環(huán)境復(fù)雜、建（構(gòu)）筑物保護(hù)難度大、工程施工空間小等不利情況。針對(duì)某市老城區(qū)的市政隧道規(guī)模、周邊建（構(gòu)）筑物條件復(fù)雜性、工程地質(zhì)條件差等特點(diǎn)，需研究對(duì)比各類隧道施工工法，確定本市政隧道最為合理的工法。

1 工程概況

杭州某區(qū)擬建城市連通工程一期工程西起堯典橋路，東至機(jī)場(chǎng)路，沿池塘廟路和新風(fēng)路敷設(shè)，工程范圍內(nèi)路線全長(zhǎng)約1.36 km，其中連通工程采用隧道形式，雙向4車道規(guī)模，東端出入口分開(kāi)設(shè)置，入口設(shè)置于石橋路以西，出口設(shè)置于石橋路以東。西向東隧道長(zhǎng)約1.1 km，東向西隧道長(zhǎng)約0.7 km。本工程在堯典橋路與池塘廟路路口設(shè)置一期工程與二期工程連接口。

1.1 隧道的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1）道路等級(jí)為城市次干道，設(shè)計(jì)速度50 km/h，隧道主線采用雙向4車道，車道寬度3.5 m、車道凈高4.5 m；隧道左右側(cè)向凈寬（建筑限界）0.5 m（圖1）。

圖1 單向2車道隧道道路橫斷面示意

2）隧道最大縱坡：主線隧道封閉段不超過(guò)5.0%，敞開(kāi)度不超過(guò)6%。隧道豎曲線最小半徑：道路凸形豎曲線最小半徑為900 m，凹形豎曲線最小半徑為700 m。

3）隧道結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，隧道類別為城市一類。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

本工程所在地層上部主要為表層人工填土層，淺部沖海積的砂質(zhì)粉土、粉砂，中部為海積的淤泥質(zhì)土、沖湖積黏性土層，隧道底板進(jìn)入淤泥質(zhì)土層，隧道范圍主要為砂質(zhì)粉土、粉砂和淤泥質(zhì)土。

場(chǎng)地地下水主要是第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水及孔隙承壓水，孔隙潛水主要賦存于表層的填土、淺部的粉砂性土以及中部的淤泥質(zhì)土和黏性土，由大氣降水徑流補(bǔ)給以及地表水的側(cè)向補(bǔ)給，水量一般，地下水位隨季節(jié)變化，水位一般為0.70～2.50 m?？紫冻袎核饕植荚诘撞康纳啊A礫層中，埋深較深，對(duì)本工程影響小。

1.3 周邊建（構(gòu)）筑物

工程主要位于池塘廟路和新風(fēng)路下方，現(xiàn)狀池塘廟路為雙向2車道城市支路，道路寬度較小，道路兩邊現(xiàn)有的建筑物間距均較小，最小跨路凈距為24 m，建筑以1990年—2000年初建設(shè)的多層住宅為主，主要為磚混結(jié)構(gòu)，樓層主要為6～7層，基礎(chǔ)形式主要為預(yù)應(yīng)力管樁、夯擴(kuò)灌注樁和淺基礎(chǔ)，局部建筑為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鉆孔灌注樁樁基的高層建筑，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)形式及現(xiàn)狀調(diào)查分析，池塘廟路段周邊建筑物的現(xiàn)狀條件一般、局部較差。施工作業(yè)空間小和周邊建筑物保護(hù)是工程重難點(diǎn)。

池塘廟路下方的地鐵區(qū)間已在本工程實(shí)施前完成，地鐵區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，在池塘廟路與三里亭路路口由西南向東北進(jìn)入池塘廟路下方，沿池塘廟路向東敷設(shè)，下穿石橋路和麥廟港河后進(jìn)入新風(fēng)路，并進(jìn)入地鐵車站。盾構(gòu)隧道外徑6.9 m、管片厚度0.4 m，采用錯(cuò)縫拼接、螺栓連接。區(qū)間雙隧道的線間距為13.5～17.0 m，沿池塘廟路的區(qū)間埋深24.6～27.3 m。隧道施工期間對(duì)地鐵區(qū)間的保護(hù)是本工程的重難點(diǎn)之一。

2 工法和方案比選研究

2.1 矩形頂管法

頂管法作為一種非開(kāi)挖工法，具有對(duì)周邊環(huán)境影響小、施工速度快，特別是矩形頂管法因其在地下空間占用、隧道埋深和空間利用率上的突出優(yōu)勢(shì)，在地鐵車站出入口、綜合管廊、市政隧道和過(guò)街通道等的建設(shè)中應(yīng)用越來(lái)越多[1]。根據(jù)本工程隧道道路限界的需要，采取頂管的斷面尺寸為：隧道總寬度10.10 m，隧道總高度7.25 m。

頂管隧道方案可分為水平雙管隧道與豎向雙管隧道2種方案，頂管法在本工程中最主要的優(yōu)點(diǎn)就是非開(kāi)挖的施工形式，無(wú)需進(jìn)入小區(qū)圍墻內(nèi)施工，且對(duì)道路交通和管線影響小。

頂管隧道由于自身的頂進(jìn)施工特點(diǎn)及隧道抗浮要求，覆土厚度存在一定要求。由于矩形頂管機(jī)機(jī)頭、管節(jié)與土體接觸面積大、土體自穩(wěn)性較圓形斷面差，在管壁摩擦阻力的帶動(dòng)下，頂管機(jī)上方土體會(huì)跟隨向前移動(dòng)，易在頂部形成背土現(xiàn)象，因此如果隧道采用水平雙頂管方案，則隧道將進(jìn)入道路兩側(cè)的房屋下方（圖2），頂管施工階段的背土效應(yīng)可能造成房屋先隆起后沉降，對(duì)房屋保護(hù)較為不利；若采取豎向雙頂管方案，則下方的頂管距離既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間的凈距較小，最小處為3.1 m（圖3），對(duì)既有地鐵區(qū)間的保護(hù)不利。

圖2 水平雙頂管隧道方案示意

圖3 豎向雙頂管隧道方案示意

此外，頂管井位置的設(shè)置存在困難，池塘廟路東端石橋路路口具備頂管井設(shè)置條件，池塘廟路其他區(qū)段由于道路狹窄、兩邊建筑物距離較近，均無(wú)頂管井設(shè)置條件，長(zhǎng)距離的大斷面頂管掘進(jìn)難度極大，工程風(fēng)險(xiǎn)極大，且不利于周邊建筑物的保護(hù)。

2.2 大盾構(gòu)法

盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)在近年來(lái)向大深度、大斷面、長(zhǎng)距離的方向發(fā)展并建成一批超大直徑的海底隧道和城市道路隧道[2]。盾構(gòu)法隧道是采用盾構(gòu)施工的專業(yè)設(shè)備——盾構(gòu)機(jī)沿著隧道設(shè)計(jì)軸線，在刀盤(pán)和盾殼的保護(hù)下，承受四周水土壓力，發(fā)揮盾構(gòu)刀具的切削作用，對(duì)前方土壤進(jìn)行挖掘。同時(shí)向前推進(jìn)，同步完成挖掘、排土、襯砌等作業(yè)，最終完成隧道建設(shè)[3]。

盾構(gòu)法具有安全開(kāi)挖和襯砌、掘進(jìn)速度快，全過(guò)程較高的自動(dòng)化，不影響地面交通、地下管線、地面設(shè)施等，深埋長(zhǎng)隧道較好的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。

雙向4車道的大盾構(gòu)隧道已在國(guó)內(nèi)有較多的工程案例，可以采用2管11.3 m大直徑盾構(gòu)組成雙洞4車道，例如慶春隧道，也可以采用14.3 m的超大直徑盾構(gòu)隧道實(shí)現(xiàn)單洞4車道（雙層雙向4車道），例如瘦西湖隧道。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[4]及類似工程案例經(jīng)驗(yàn)，本工程盾構(gòu)隧道覆土厚度不宜小于10 m，而與本隧道疊交段的地鐵區(qū)間埋深為24.6～27.3 m，采取大盾構(gòu)上跨地鐵隧道的方案，在滿足大盾構(gòu)掘進(jìn)埋深要求的前提下，若采取11.3 m直徑大盾構(gòu)，則隧道之間的豎向凈距將為3～6 m（圖4），若采取14.3 m直徑大盾構(gòu)，則隧道之間的豎向凈距最小處為0 m（圖5）。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，上下疊落隧道或交叉隧道，當(dāng)先施工下方隧道時(shí)，隧道間的凈距不宜小于后施工隧道外徑的50%，因此本工程大盾構(gòu)實(shí)施階段對(duì)既有地鐵區(qū)間的保護(hù)難度較大；此外，根據(jù)杭州地區(qū)類似工程案例經(jīng)驗(yàn)[5]，大盾構(gòu)施工過(guò)程中引起的最大平均沉降較大，由于本工程盾構(gòu)掘進(jìn)條件復(fù)雜、施工難度較大，且道路兩側(cè)的房屋凈距較小，大盾構(gòu)將側(cè)穿周邊房屋（11.3 m直徑盾構(gòu)方案已進(jìn)入周邊房屋下方），因此周邊房屋的保護(hù)難度較大。

圖4 雙洞大盾構(gòu)隧道方案橫斷面示意

圖5 單洞大盾構(gòu)隧道方案橫斷面示意

若本工程采取大盾構(gòu)下穿既有地鐵區(qū)間方案，則根據(jù)相關(guān)規(guī)范，上下疊落隧道或交叉隧道，當(dāng)先施工上方隧道時(shí)，隧道間的凈距不宜小于后施工隧道外徑，因此兩隧道凈距不宜小于1倍隧道直徑（約11.3 m和14.3 m），本工程大盾構(gòu)的最大覆土埋深將大于40 m，隧道進(jìn)出口的位置將進(jìn)行較大調(diào)整，隧道東端出入口位置將調(diào)整，無(wú)法實(shí)現(xiàn)原規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2.3 明挖法

明挖法即為明挖隧道工法（簡(jiǎn)稱明挖工法），是隧道與其他地下結(jié)構(gòu)施工的首選方法，在地面交通和環(huán)境允許的地方通常采用明挖法施工。它具有施工作業(yè)面多、速度快、工期短、工程質(zhì)量易保證等特點(diǎn)，因此在地面交通和環(huán)境條件允許的地方，應(yīng)盡可能采用。但是明挖工法存在對(duì)城市交通及居民生活干擾大、對(duì)場(chǎng)地空間要求高等缺點(diǎn)。因此，明挖法常遇到征地拆遷、交通疏解、管線遷改等問(wèn)題。

根據(jù)隧道的雙向4車道設(shè)計(jì)，本工程可以考慮采取水平向雙洞方案和上下疊落雙洞方案，根據(jù)本工程隧道道路限界的需要，采取水平向雙洞方案的隧道斷面尺寸為：隧道總寬度19.9 m，隧道總高度7.35 m。隧道橫斷面如圖6所示。若采取上下疊落雙洞方案的隧道斷面尺寸為：隧道總寬度9.9 m，隧道總高度13.6 m。隧道橫斷面如圖7所示。

圖6 水平雙洞明挖隧道橫斷面示意

圖7 疊落雙洞明挖隧道橫斷面示意

考慮道路兩邊建筑物間距較小、道路較窄，需在基坑開(kāi)挖范圍設(shè)置臨時(shí)鋪蓋板作為施工場(chǎng)地使用，因此本工程明挖隧道采用蓋挖順作法施工，采用地下連續(xù)墻＋多道內(nèi)支撐的圍護(hù)方案，為減小基坑變形和對(duì)周邊環(huán)境的影響，采取坑內(nèi)土體加固和鋼支撐自動(dòng)軸力補(bǔ)償系統(tǒng)；為確保隧道下方的既有地鐵區(qū)間的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全，本隧道基坑坑底土體采取全斷面加固處理，并設(shè)置地中壁進(jìn)行分坑開(kāi)挖施工。根據(jù)理論計(jì)算分析和國(guó)內(nèi)類似工程案例，本工程采取上述的基坑圍護(hù)方案可以確保施工期間房屋和地鐵區(qū)間的安全。

當(dāng)然，明挖工法相較于頂管法、盾構(gòu)法存在明顯缺點(diǎn)，如對(duì)地面交通的影響、管線遷改、施工噪聲及廢棄物污染對(duì)周邊環(huán)境的影響等?；诒竟こ烫攸c(diǎn)，擬采取明挖工法施工封閉池塘廟路道路，道路范圍管線均需遷改；采取水平雙洞方案則需臨時(shí)拆除小區(qū)圍墻，影響小區(qū)正常使用，且地下連續(xù)墻和槽壁加固鄰近建筑物，這也給槽壁加固和地下連續(xù)墻的施工、管線遷改帶來(lái)較大難度；此外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和加固施工等鄰近既有地鐵區(qū)間，如施工期間出現(xiàn)較大的施工誤差等，將對(duì)盾構(gòu)區(qū)間產(chǎn)生較大的不利影響。根據(jù)既有的類似工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)提高現(xiàn)場(chǎng)的施工組織和管理水平、制定專項(xiàng)施工方案，能夠克服上述施工困難。

水平雙洞明挖與上下疊落雙洞明挖隧道方案各有特點(diǎn)。首先，水平雙洞明挖相較于上下疊落雙洞明挖隧道方案，基坑邊距建筑物凈距更小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)周邊房屋的影響較大，需臨時(shí)拆除小區(qū)圍墻并遷改圍墻內(nèi)管線，對(duì)小區(qū)居民影響較大，維穩(wěn)壓力更大；上下疊落雙洞明挖隧道方案相較水平雙洞方案的基坑總寬度更小、開(kāi)挖深度更大，根據(jù)相關(guān)研究[6]，基坑綜合剛度受圍護(hù)墻（樁）剛度、基坑深度、支撐剛度、支撐水平及豎向間距、地基加固等多個(gè)變量影響，疊交隧道的基坑開(kāi)挖深度雖然更大，但采取更厚的地下連續(xù)墻、更多的支撐道數(shù)、更大的支撐剛度，并加大了基坑與建筑的凈距，可以控制基坑開(kāi)挖深度加深產(chǎn)生的不利影響，確?；幼冃?、房屋和地鐵區(qū)間保護(hù)的可控?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算和基坑環(huán)境影響分析表明，疊落隧道方案較水平隧道方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移增加約10%，但建筑物沉降相較減小約14%。通過(guò)上述分析，疊落隧道方案較水平隧道方案對(duì)周邊建筑物的影響更加可控。

其次，上下疊落隧道相較水平隧道的結(jié)構(gòu)高度更大，為減少基坑深度需上抬隧道頂板，從而將影響埋深較大的雨污水管，需調(diào)整區(qū)域雨污水管系統(tǒng)；疊落隧道相較水平隧道的基坑底與地鐵區(qū)間的距離更近，隧道上方的土體卸載可能導(dǎo)致隧道上浮，卸荷比越大，則可能產(chǎn)生的隧道上浮概率越大。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]中對(duì)卸荷比的計(jì)算，水平雙洞隧道基坑開(kāi)挖的卸荷比約為0.42，而疊落雙洞隧道基坑開(kāi)挖的卸荷比約為0.3，因此疊落隧道基坑開(kāi)挖對(duì)下方既有地鐵區(qū)間的影響更小，采取分坑分層開(kāi)挖等針對(duì)性措施可以確保地鐵區(qū)間的安全。

2.4 各方案對(duì)比

1）方案1：水平雙洞明挖隧道方案。本方案采用明挖工法，施工工藝成熟。雖然地鐵區(qū)間上方開(kāi)挖可能會(huì)引起地鐵區(qū)間隆起，但可通過(guò)坑底加固、分坑分層開(kāi)挖等措施確保地鐵區(qū)間安全；本方案的基坑邊與建筑物間凈距較小，隧道將進(jìn)入小區(qū)圍墻內(nèi)，群體維穩(wěn)協(xié)調(diào)難度大；此外，本方案的管線遷改較為復(fù)雜。因此本方案存在一定的實(shí)施難度，總體評(píng)價(jià)較為具備可行性。

2）方案2：上下疊落雙洞明挖隧道方案。本方案的工法優(yōu)缺點(diǎn)與方案一相同。本方案通過(guò)坑底加固、分坑分層開(kāi)挖等措施可以確保地鐵區(qū)間的安全，且通過(guò)卸荷比分析，本方案相較方案1對(duì)地鐵區(qū)間的影響較小；此外，本方案相較方案1，與建筑物間凈距較大，施工期間無(wú)需進(jìn)入小區(qū)，對(duì)建筑物的影響也相對(duì)更加可控，施工空間更有利；但本方案需對(duì)區(qū)域雨污水管系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。因此本方案實(shí)施難度相對(duì)較小，總體評(píng)價(jià)具備可實(shí)施性。

3）方案3：頂管水平布置方案。本方案采用頂管工法，相較于明挖工法，工藝較為復(fù)雜，工程案例相對(duì)少，但頂管法相較于明挖法大開(kāi)挖的形式，在人為感官和心理上更具有安全感；頂管隧道位于地鐵區(qū)間上方，對(duì)地鐵區(qū)間的影響可控；但本方案的隧道水平布置導(dǎo)致頂管進(jìn)入道路兩側(cè)的建筑物下方，對(duì)建筑物基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患；此外，受地鐵區(qū)間和周邊建筑物的影響，頂管井設(shè)置困難。因此本方案實(shí)施難度較大，總體評(píng)價(jià)不推薦。

4）方案4：頂管上下疊落布置方案。頂管工法的優(yōu)缺點(diǎn)同方案3所述。頂管疊落布置后隧道與周邊建筑物間距較大，對(duì)建筑物的保護(hù)較為有利；但頂管隧道采取上下疊落布置時(shí)與地鐵區(qū)間的最小凈距為3 m，長(zhǎng)距離、較小凈距的平行頂管推進(jìn)對(duì)地鐵區(qū)間的保護(hù)較為不利；此外，本方案的頂管井埋深較大，在既有路由條件下設(shè)置難度非常大。因此本方案實(shí)施難度大，總體評(píng)價(jià)不推薦。

5）方案5：直徑11.3 m大盾構(gòu)方案。大直徑盾構(gòu)的施工工藝復(fù)雜，雖然近些年國(guó)內(nèi)該類直徑的盾構(gòu)隧道數(shù)量不斷增多，但相較明挖隧道的工程案例依然較少。大盾構(gòu)長(zhǎng)距離平行上跨地鐵區(qū)間，最小凈距為3.3 m，對(duì)地鐵區(qū)間隧道影響大；此外，本方案大盾構(gòu)隧道已進(jìn)入道路兩側(cè)建筑物下方，對(duì)房屋影響巨大；且大盾構(gòu)所需的盾構(gòu)始發(fā)井規(guī)模大，現(xiàn)狀路由條件設(shè)置盾構(gòu)井困難。因此本方案實(shí)施難度較大、工程風(fēng)險(xiǎn)大，總體評(píng)價(jià)不可行。

6）方案6：直徑14.5 m大盾構(gòu)方案。超大直徑盾構(gòu)的施工工藝復(fù)雜，國(guó)內(nèi)14.5 m左右直徑的大盾構(gòu)工程案例相對(duì)較少。大盾構(gòu)長(zhǎng)距離平行上跨地鐵區(qū)間，與地鐵區(qū)間的豎向最小凈距接近于0，無(wú)法實(shí)施；若采取下穿地鐵區(qū)間的方案，則隧道頂?shù)穆裆顚⒊^(guò)40 m，盾構(gòu)井的實(shí)施難度大，隧道的東側(cè)出入口位置將進(jìn)行較大的調(diào)整，無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案。因此本方案實(shí)施難度巨大，總體評(píng)價(jià)不可行。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合本工程的具體特點(diǎn)，分析對(duì)比頂管工法、盾構(gòu)工法與明挖工法，根據(jù)各工法的特點(diǎn)，在周邊建筑物間距小、建筑物現(xiàn)狀條件較差、下方存在既有地鐵區(qū)間、隧道出入口位置確定等條件下，明挖隧道工法更適用于本工程。通過(guò)對(duì)比基坑與周邊建筑物和下方既有地鐵區(qū)間的位置關(guān)系，并結(jié)合理論分析計(jì)算，認(rèn)為上下疊落雙洞隧道方案相較于水平雙洞隧道方案更具有優(yōu)勢(shì)，在滿足前期規(guī)劃要求的前提下，建議采用上下疊落雙洞明挖隧道方案。