張志剛，肖西衛(wèi)，林巍，劉洪洲

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

現(xiàn)代城市快節(jié)奏交通運(yùn)輸中跨越江河通道的可選方式主要有水上橋梁與水下隧道兩類[1]。就橋梁工程來講，我國(guó)新建的大跨度鋼橋中約有三分之一為公鐵兩用橋，包括有武漢長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江大橋、杭州錢塘江大橋及廣州珠江大橋等[2]。公鐵兩用橋?qū)ξ覈?guó)公路與鐵路交通運(yùn)輸起到了重要作用，尤其對(duì)它所瀕臨城市的受益更是巨大的，它不僅起到溝通城市兩岸交通的作用，而且促進(jìn)了城市發(fā)展，經(jīng)濟(jì)繁榮，公鐵兩用橋在我國(guó)橋梁建設(shè)中處于不可忽視的重要地位。與水上橋梁工程類似，同一走廊帶內(nèi)的水下公路與鐵路通道在條件允許的情況下也應(yīng)積極嘗試采用公鐵共建的隧道方案。

廣義上講，公鐵共建隧道可分為公鐵共結(jié)構(gòu)與公鐵共線位兩種方式，公鐵共結(jié)構(gòu)是公路與鐵路隧道合用一個(gè)結(jié)構(gòu)斷面，即指?jìng)鹘y(tǒng)意義上的公鐵兩用隧道，應(yīng)同時(shí)規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工，可分不同的時(shí)序開始運(yùn)營(yíng)，二者的平縱線形指標(biāo)基本一致；公鐵共線位是公路與鐵路隧道共用一個(gè)走廊帶，應(yīng)同時(shí)規(guī)劃，可分不同時(shí)序設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)，二者的平縱線形指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，但又不必完全相同。相比較而言，公鐵共結(jié)構(gòu)方式更是一種資源節(jié)約型的共建選擇。以美國(guó)紐約市為例，從曼哈頓到其他城區(qū)，建有多條水下隧道，水下隧道中有地鐵與公路隧道兩種，其中曼哈頓和長(zhǎng)島昆斯區(qū)之間，跨越海灣的兩條水下隧道均采用公鐵兩用隧道方式，可同時(shí)供汽車與地鐵列車通行[3]。

可用于跨越江河的通道有4種，堰筑隧道需長(zhǎng)時(shí)間占用水道，基坑開挖止水后進(jìn)行隧道作業(yè)，受其適用條件所限，在大型跨江河的通道工程中應(yīng)用極少。鉆爆隧道埋置較深，隧道襯砌結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)場(chǎng)通過支模澆筑實(shí)現(xiàn)，在公鐵共建設(shè)置中適用于共線位的方式。沉管隧道與盾構(gòu)隧道可滿足公鐵共結(jié)構(gòu)的布置需求，且均有工程應(yīng)用實(shí)例。因此，本文著重以盾構(gòu)隧道與沉管隧道為對(duì)象，就共建方式中的公路與鐵路共用結(jié)構(gòu)的布置進(jìn)行探討分析。

1 公鐵共建盾構(gòu)隧道

目前，世界范圍內(nèi)已建成的公鐵兩用盾構(gòu)隧道只有我國(guó)2009年的上海長(zhǎng)江隧道（2009年），該隧道為圓形斷面，分為上、中、下三層，上層為排煙道，中間層為單向三車道公路交通層，下層分為預(yù)留軌道交通9號(hào)線的延長(zhǎng)線、電纜及疏散通道3個(gè)功能區(qū)，隧道內(nèi)徑13.7 m，外徑15.0 m。除此之外，武漢正在規(guī)劃建設(shè)三陽路過長(zhǎng)江公鐵共管隧道，分上、下兩層，上層為機(jī)動(dòng)車道，下層是軌道交通7號(hào)線、電纜、排煙及疏散通道4個(gè)功能區(qū)，隧道內(nèi)徑13.9 m，外徑15.2 m。圖1所示為單向三車道公路與單線鐵路共建盾構(gòu)隧道橫斷面布置圖。

由于公路與鐵路在技術(shù)指標(biāo)、運(yùn)營(yíng)管理及防災(zāi)救援等方面功能的需求有所不同，水下隧道工程采用公鐵共結(jié)構(gòu)的兩用盾構(gòu)方案時(shí)需分析并解決好大直徑盾構(gòu)施工控制技術(shù)及非盾構(gòu)段出入口的交通疏解方面的主要問題。

圖1 公鐵共建盾構(gòu)隧道橫斷面布置Fig.1 Crosssection of shield tunnel of construction highway and railway together

圖2 公鐵共建沉管隧道橫斷面布置Fig.2 Crosssection of immersed tunnel of construction highway and railway together

2 公鐵共建沉管隧道

1969年，在比利時(shí)的斯特爾特河修筑完成了世界上第一條公鐵共建沉管隧道（Scheldt Tunnel），三孔一管廊布置的矩形斷面，其中一孔為雙線鐵路，兩孔為雙向六車道公路，隧道總長(zhǎng)510 m，管節(jié)寬47.85 m，高10.1 m[4]。目前正在廣東佛山汾江路下穿東平水道修建我國(guó)的第二座公鐵共建沉管隧道，管節(jié)寬39.9 m，高9 m；另外，擬建的連接德國(guó)與丹麥的費(fèi)馬恩海灣隧道（Fehmarn Belt Tunnel）也將采用公鐵共建方案，隧道全長(zhǎng)超過18 km，建成后將成為世界上最長(zhǎng)的海底沉管隧道，管節(jié)寬約42 m，高約9 m。圖2所示為雙向六車道公路與雙線鐵路共建沉管隧道橫斷面典型布置方案示意圖。

與盾構(gòu)隧道相比，沉管隧道具有以下5個(gè)方面的主要優(yōu)點(diǎn)：1）斷面形狀設(shè)計(jì)靈活，利用率高；2）埋置深度淺，隧道長(zhǎng)度短；3）對(duì)基底地層物理力學(xué)性能要求低；4）可多工點(diǎn)平行作業(yè)，工期短；5）增大斷面所需的經(jīng)濟(jì)代價(jià)小。沉管隧道的應(yīng)用較為廣泛，從已建成的工程實(shí)例來看，公路、鐵路或地鐵、人行通道及供水管道等一應(yīng)俱全[5]。

3 公鐵共建的隧道選擇

對(duì)公鐵共建的水下通道工程，無論采用沉管隧道還是盾構(gòu)隧道，其在斷面尺寸或建設(shè)難度等方面均較單一功能的公路或鐵路隧道有著不同程度的改變。表1所列為公鐵共建盾構(gòu)隧道或沉管隧道在斷面尺寸、設(shè)備要求、施工難度、建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)等方面的綜合對(duì)比。

表1 兩種不同公鐵共建隧道工法對(duì)比Table1 Comparison between shield tunnel and immersed tunnel method for constructing together highway and railway

通過表1的對(duì)比分析可以看出，對(duì)水下交通隧道進(jìn)行建設(shè)工法選擇時(shí)，沉管法在公鐵共管建設(shè)中占有一定的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在平面線位布置相同的情況下，沉管隧道要比盾構(gòu)隧道埋置淺、長(zhǎng)度短，除可節(jié)省工程造價(jià)外，沉管隧道更易于實(shí)現(xiàn)公路與鐵路共結(jié)構(gòu)時(shí)兩者縱坡的統(tǒng)一，因此，在航運(yùn)與水域等建設(shè)條件滿足的情況下可作為首選的隧道工法，當(dāng)沉管法明顯不具備條件時(shí)，應(yīng)再對(duì)盾構(gòu)法進(jìn)行適應(yīng)性與可行性的研究論證，以便判斷水下通道是否可實(shí)施公鐵共建的方式。

4 實(shí)例

擬建蓮花山通道位于珠江口，按規(guī)劃在水域狹窄、航運(yùn)繁忙的珠江口要同時(shí)建造多條超大型跨江通道。該線位前期已進(jìn)行了預(yù)留，預(yù)留線位上將先期建設(shè)佛莞城際鐵路，其采用盾構(gòu)隧道，隧道全長(zhǎng)約5.8 km，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值200 km/h，平面布置如圖3所示?；诜疠赋请H鐵路與蓮花山過江公路通道基本處在同一研究區(qū)域內(nèi)，有必要對(duì)跨越珠江口公鐵共走廊工程進(jìn)行深入的研究論證。以下著重對(duì)采用穿越預(yù)留新沙港區(qū)走廊的公鐵共管隧道方案的可行性進(jìn)行研究。

4.1 工法比選

受兩岸接線及航道限制，本處不適宜采用深埋于巖層中的鉆爆法與封閉航道的圍堰明挖法修筑水下隧道。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域的自然、地質(zhì)、水文、氣象及通航等建設(shè)條件，結(jié)合隧道規(guī)模、環(huán)境及碼頭影響，施工難度及風(fēng)險(xiǎn)等因素，對(duì)盾構(gòu)法與沉管法的可行性進(jìn)行重點(diǎn)研究，綜合比較見表2所示。

圖3 擬建蓮花山公鐵共建方案平面位置Fig.3 Plan position of the construction highway and railway together in Lianhuashan

表2 盾構(gòu)隧道與沉管隧道的綜合比較Table 2 Comparison between shield tunnel and immersed tunnel

結(jié)合表2比較，蓮花山通道工程若采用公鐵共建的隧道方案，本線位需穿越新沙港碼頭及港區(qū)，由于新沙港的重要性，不能因建設(shè)通道工程而停止正常的碼頭貨運(yùn)作業(yè)等，另外該水域狹窄，航道繁忙，錨地瀕臨，這些敏感的建設(shè)條件基本已否定了沉管隧道在該走廊內(nèi)的布置可能。綜合各因素，蓮花山公鐵共建方案唯一可選擇的是盾構(gòu)隧道。

4.2 方案論證

在蓮花山過江通道的走廊中，城際鐵路已無再調(diào)整的可能，因此，公路隧道只能在既有鐵路隧道線位的基礎(chǔ)上進(jìn)行布置。受預(yù)留線位東莞?jìng)?cè)新沙港碼頭、倉庫區(qū)及糧庫等邊界條件所限，針對(duì)雙向六車道公路與雙線城際鐵路各自的過江交通需求，蓮花山通道公鐵共建方案包括有二管盾構(gòu)（二管單向3車道+單線城鐵）與三管盾構(gòu)（三管2車道+單線城鐵）兩個(gè)較可行的布置方案。

1）盾構(gòu)機(jī)直徑及橫斷面布置

本工程中采用盾構(gòu)法實(shí)現(xiàn)公路與城際鐵路的共管合建，較為簡(jiǎn)捷的形式是采用二管盾構(gòu)方案，單管盾構(gòu)中上層為三車道公路，下層為單線城際鐵路。按本項(xiàng)目中高速公路與城際鐵路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定隧道結(jié)構(gòu)橫斷面如圖4所示，盾構(gòu)隧道的外徑達(dá)17.9 m?？紤]盾尾和管片之間存在的間隙后，盾構(gòu)機(jī)直徑約18.4 m，大于目前世界上已建成隧道的最大盾構(gòu)機(jī)直徑（15.43 m）。

圖4 二管盾構(gòu)方案橫斷面布置（單位：cm）Fig.4 Cross section of the second shield tunnel（cm）

為有效控制盾構(gòu)隧道直徑，增大公鐵共管盾構(gòu)隧道在本項(xiàng)目的可實(shí)施性，在理論上還可選擇的方案是采用三管盾構(gòu)，其中的二管盾構(gòu)用于公鐵共管（上層二車道公路、下層單線城際鐵路），另一單管盾構(gòu)用于雙向二車道公路。該方案中公鐵共線的單管盾構(gòu)隧道直徑16.8 m，較目前世界上已建成的最大盾構(gòu)隧道直徑大1.8 m，實(shí)施難度及風(fēng)險(xiǎn)雖較三車道公鐵共管方案降低，但總體上仍然較大。

除此之外，對(duì)小直徑的單管雙車道公路盾構(gòu)隧道，雖然在技術(shù)上不存在實(shí)施難度，但為實(shí)現(xiàn)整個(gè)通道雙向六車道的通行能力，需要在單管盾構(gòu)隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向交通，并且在洞外應(yīng)有較好的交通疏散與聯(lián)絡(luò)，這給運(yùn)營(yíng)管理提出了較高的要求。同時(shí)，由于三管盾構(gòu)隧道中均有公路交通，按照相關(guān)行業(yè)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)在兩個(gè)相鄰盾構(gòu)間設(shè)置橫向聯(lián)絡(luò)通道，由此將會(huì)導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)等相應(yīng)增加。

2）地層適應(yīng)性

隧道區(qū)的地層具有明顯的獅子洋復(fù)合地層特性，自上而下分別為第四系海陸交互相黏土或粉質(zhì)黏土、砂土（粉砂、中砂等），以及白堊紀(jì)泥巖、砂巖，盾構(gòu)機(jī)施工需穿越這種上軟下硬的復(fù)合地層。由于水底地質(zhì)的勘察難度大，準(zhǔn)確度有限，采用超大直徑盾構(gòu)機(jī)施工，國(guó)內(nèi)機(jī)械及技術(shù)力量相對(duì)薄弱，需要從國(guó)外引進(jìn)主體設(shè)備和相關(guān)技術(shù)，施工經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重不足，極易出現(xiàn)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，在深水地段如出現(xiàn)涌水現(xiàn)象等，其處理和整治極為困難，缺少靈活機(jī)動(dòng)性。無論如何，在蓮花山既有通道的地質(zhì)條件下實(shí)施如此大體量的盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)機(jī)對(duì)地層的適應(yīng)性較差，技術(shù)難度及建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)極大。基于地層問題致使盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中出現(xiàn)各種嚴(yán)重問題的工程案例在國(guó)內(nèi)外有很多，值得引以為鑒。

3）對(duì)樁基群的影響

隧道線位東莞?jìng)?cè)的新沙港港區(qū)內(nèi)建筑及廠房均為框架結(jié)構(gòu)，采用打入式預(yù)制管樁，不同區(qū)域的樁長(zhǎng)介于25～38 m之間，兼有摩擦與端承樁的雙重特性，大直徑盾構(gòu)隧道線位布設(shè)需下穿樁基群。

隧道結(jié)構(gòu)頂面距樁基群約10 m，盾構(gòu)隧道穿越既有構(gòu)筑物的樁基礎(chǔ)時(shí)會(huì)引起樁基礎(chǔ)周圍軟土地層土體損失，從而導(dǎo)致土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生重分布，鄰近樁基周邊法向應(yīng)力將有不同程度的釋放，使得樁基的承載能力不同程度折減，對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生不可忽視的影響。本工程中樁基數(shù)以百計(jì)，基礎(chǔ)形式各異，建設(shè)條件有明顯不同，同時(shí)公鐵共管盾構(gòu)隧道的斷面較大，即使可采用基礎(chǔ)托換或加固處理，也會(huì)由于眾多樁基處理的工程量巨大，從而導(dǎo)致不可估量的建設(shè)工期與造價(jià)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，隧道施工引起隧道周圍地層移動(dòng)，其產(chǎn)生的自由土體位移場(chǎng)使得工作狀態(tài)的樁基產(chǎn)生附加的彎矩和變形，對(duì)樁基礎(chǔ)的安全使用產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

4）運(yùn)營(yíng)管理

公鐵共管盾構(gòu)隧道內(nèi)需上下層布設(shè)公鐵交通，占用了通常在下層中管廊內(nèi)設(shè)置的救援通道，導(dǎo)致隧道內(nèi)部公路與鐵路的緊急救援疏散以及進(jìn)出隧道口處地面的交通疏解等比較困難，雖然這些不足均可通過科學(xué)合理的運(yùn)管措施在一定程度上得到緩減，但公鐵共管行車定會(huì)增加隧道運(yùn)營(yíng)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，從我國(guó)唯一已建成的上海長(zhǎng)江公鐵合建盾構(gòu)隧道來看，先行通車運(yùn)營(yíng)的是上層的公路，下層的鐵路空間作為預(yù)留，而且工程前期的主要投資也主要服務(wù)于公路，并未因鐵路空間的預(yù)設(shè)而增加過多的成本。本項(xiàng)目則有所不同，如按公鐵共管思路實(shí)施，先前制定的公路與鐵路建設(shè)時(shí)序規(guī)劃需要被適當(dāng)調(diào)整，方可使得整個(gè)通道工程在建設(shè)及管理等各個(gè)方面更加協(xié)調(diào)、合理。

5）風(fēng)險(xiǎn)分析

蓮花山過獅子洋擬建公鐵共管隧道工程具有“大直徑”與“下穿樁基”兩個(gè)突出特性，還伴有復(fù)雜的水文和地質(zhì)條件，以及需要保障碼頭與重要建構(gòu)筑物安全的要求，設(shè)計(jì)難度大，施工工藝復(fù)雜，其建設(shè)過程中存在眾多的風(fēng)險(xiǎn)因素，風(fēng)險(xiǎn)水平較高，方案確定論證中進(jìn)行了工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的基本定義（R=P×C），制定相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和接受準(zhǔn)則。根據(jù)國(guó)際隧道及地下工程領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)管理研究中已提出的定性風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，本次分析采用定性的過江隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則。

經(jīng)分析，本項(xiàng)目屬于不可接受風(fēng)險(xiǎn)，從風(fēng)險(xiǎn)管理與控制角度考慮，如工程已實(shí)施應(yīng)進(jìn)行決策并制定應(yīng)急預(yù)案措施，如工程仍在規(guī)劃論證階段，為避免出現(xiàn)災(zāi)難性的后果，應(yīng)采取規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的策略。

綜上，鑒于建設(shè)及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，本通道內(nèi)公路與鐵路不宜采用共建隧道方案（雙向六車道公路+城際鐵路組合），擬建的蓮花山公路工程可在既定城際鐵路（預(yù)留）線位的上下游另擇有利線位，或者考慮其它可組合的布置方式，但均應(yīng)考慮到區(qū)域的綜合交通運(yùn)輸需求，從而實(shí)現(xiàn)通道資源的最大化。

5 結(jié)論與體會(huì)

通過對(duì)跨江河通道工程采用公鐵共建方式的必要性與可行性等進(jìn)行分析與論證，并以擬建蓮花山過江通道工程公鐵共建方案為例進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論及體會(huì)：

1）對(duì)跨越江河的通道工程，在項(xiàng)目初期除進(jìn)行橋梁與隧道方案的同深度比較外，如涉及到采用水下通道連接兩端區(qū)域的綜合交通功能時(shí)，也應(yīng)對(duì)公路與鐵路共建的隧道方案進(jìn)行深入研究。

2）從斷面布置、實(shí)施難度、工程經(jīng)驗(yàn)、風(fēng)險(xiǎn)控制及救援疏散等方面考慮，公鐵共建方案選擇隧道工法時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用沉管法，只有當(dāng)受航運(yùn)、碼頭或錨地等條件嚴(yán)格限制時(shí)，再考慮采用盾構(gòu)或其它隧道工法。

3）公鐵共建方案的實(shí)施可合理統(tǒng)籌利用有限的土地、水域及交通資源，在很大程度上可減少資源浪費(fèi)，避免重復(fù)建設(shè)，在國(guó)內(nèi)大型通道工程的規(guī)劃建設(shè)前期應(yīng)花大力氣進(jìn)行研究論證，在可能的條件下，應(yīng)以較為經(jīng)濟(jì)和先進(jìn)的共建方式實(shí)現(xiàn)工程設(shè)施最為完善和可靠的必需功能，相關(guān)的管理部門應(yīng)給予大力鼓勵(lì)與支持。

4）大型項(xiàng)目的前期決策非常重要，應(yīng)深入調(diào)研、科學(xué)論證，不能為了項(xiàng)目上馬而尋找或拼湊證據(jù)。筆者在文中引用的蓮花山過江通道工程實(shí)例雖最終不建議預(yù)留穿越新沙港區(qū)的線位采用公鐵共管（雙向六車道公路+城際鐵路組合）的隧道方案，但顯示了相關(guān)各方科學(xué)的工作態(tài)度，希望能拋磚引玉給后續(xù)類似工程的前期研究提供參考。

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