倉乃瑞

（上海市市政工程建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200025）

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，為滿足交通量劇增的需求，完善區(qū)域路網(wǎng)是十分必要的。由于早期規(guī)劃無法滿足城市化發(fā)展需要，許多早期建設(shè)的快速路阻隔了區(qū)域交通問題。為了解決區(qū)域交通問題，同時(shí)不影響現(xiàn)狀道路的通行，采用地下通道穿越既有道路越來越多。目前，地下通道的施工工法很多，如盾構(gòu)法、頂管法、管幕箱涵法及淺埋暗挖法等，也有很多學(xué)者分別對相關(guān)工法進(jìn)行研究。何川等[1]通過綜述我國盾構(gòu)修建技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢，對盾構(gòu)法施工隧道存在的問題進(jìn)行了討論，并對未來發(fā)展進(jìn)行展望；朱合華等[2]運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析方法，對飽和軟土地層中管幕箱涵法施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析；賈連輝[3]從矩形斷面開挖形式研究與選型、矩形薄殼體強(qiáng)度及剛度等方面研究超大斷面矩形頂管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)；袁大均等[4]以南京長江超大直徑泥水盾構(gòu)工程為背景研究盾構(gòu)掘進(jìn)對土體的擾動；周文波[5]以上海外灘公路隧道超大型土壓平衡盾構(gòu)工程為背景對土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述；周松等[6]以虹橋綜合交通樞紐仙霞西路隧道工程為背景，介紹了泥水平衡盾構(gòu)穿越虹橋機(jī)場繞滑的控制標(biāo)準(zhǔn)；邴風(fēng)舉等[7]結(jié)合廣州某引水工程研究大直徑頂管在不同土質(zhì)中的適用性；陳立生等[8]以上海田林路下穿中環(huán)線地道工程為例，研究管幕箱涵法在軟土層中的應(yīng)用；彭立敏等[9]對矩形頂管工藝的技術(shù)基礎(chǔ)、適用環(huán)境條件和優(yōu)越性進(jìn)行了分析；魏新江等[10]通過對杭州地鐵1號線盾構(gòu)隧道的現(xiàn)場監(jiān)測，研究了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)對地層位移的影響。

本文以上海閔行某下穿S20外環(huán)高速的下穿地道工程為背景，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)場調(diào)研資料，對盾構(gòu)法、頂管法及管幕箱涵法等下穿工法進(jìn)行介紹，并分別從地層適用性、線位選擇、空間利用率、施工可行性、工期及造價(jià)等方面對三種下穿工法進(jìn)行了比較分析，選擇最優(yōu)化的工法方案，為類似工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概況

為打破地區(qū)阻隔，滿足外環(huán)東西兩側(cè)地塊溝通的需要；進(jìn)一步支撐兩側(cè)的開發(fā)建設(shè)，緩解現(xiàn)狀路網(wǎng)壓力，新建一條下穿S20外環(huán)線的地道。下穿地道等級為城市次干路，雙向四車道，采用南、北線雙線穿越外環(huán)線，S20外環(huán)線紅線寬度為100 m，具體線位見圖1所示。

1.1 周邊情況

S20外環(huán)線西側(cè)為現(xiàn)狀閔行體育公園，存在較多景觀水系及一座約20 m高的垃圾山，地質(zhì)條件較為復(fù)雜；S20外環(huán)線東側(cè)現(xiàn)為空地，但有一條平行于外環(huán)線河道藍(lán)線寬度為20 m的規(guī)劃河道，東側(cè)藍(lán)線至外環(huán)線紅線距離約32 m。緊鄰?fù)猸h(huán)線兩側(cè)分布較多重要市政管線如圖2所示及表1所列。

圖1 中心線線位圖

圖2 S20外環(huán)線兩側(cè)管線示意圖

表1 現(xiàn)狀外環(huán)重要管線情況一覽表

該工程地質(zhì)情況為上海常規(guī)土層，主要分布及土層參數(shù)詳見表2所列。

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)一覽表

1.2 相關(guān)要求

該地道的設(shè)計(jì)需滿足地道正常運(yùn)營、故障檢修、事故安全疏散等多種工況的功能要求，橫斷面設(shè)計(jì)主要考慮：地道建筑限界、設(shè)置設(shè)備空間等。地道按城市次干路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，地道設(shè)計(jì)車速為40 km/h，地道建設(shè)規(guī)模為雙向四車道。根據(jù)總體設(shè)計(jì)明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，單根車道寬度定為3.5 m，建筑限界高度為4.5 m。路緣帶寬度左側(cè)為0.25 m，右側(cè)為0.25 m。安全距離為0.25 m，建筑限界為8.0 m×4.5 m，詳見圖3所示。

圖3 地道建筑限界圖（單位：mm）

由于S20外環(huán)線兩側(cè)的燃?xì)夤?、給水管及污水管均為總管，保護(hù)要求均比較高，航油管及超高壓排管保護(hù)要求也非常高，因此在地道的設(shè)計(jì)和施工過程中，均不能影響其正常運(yùn)行，同時(shí)考慮到開發(fā)時(shí)序的需要，東側(cè)的規(guī)劃河道及市政道路可能同步施工，以及目前西側(cè)體育公園景觀體系均已成熟，故在地道設(shè)計(jì)時(shí)，需盡量減少對上述兩者的影響。

2 地道下穿工法對比分析

根據(jù)該工程的規(guī)模、地質(zhì)條件、相關(guān)文獻(xiàn)，以及目前上海在建項(xiàng)目現(xiàn)場調(diào)研資料，其下穿地道可采用盾構(gòu)法（土壓、泥水平衡式）、矩形頂管法及管幕箱涵法等工法。盾構(gòu)法是將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周土體防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖并運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片形成隧道結(jié)構(gòu)。頂管法是隧道或地下管道穿越鐵路、道路、河流或建筑物等各種障礙物時(shí)采用的一種暗挖式施工方法。在施工時(shí)，采用頂管掘進(jìn)機(jī)成孔，通過傳力頂鐵和導(dǎo)向軌道，用支承于基坑后座上的液壓千斤頂將預(yù)制成型的管節(jié)從工作井頂入，形成連續(xù)襯砌結(jié)構(gòu)。管幕箱涵法是基于管幕法及箱涵法兩種工法，將兩種工法有效地結(jié)合起來，先在箱涵頂進(jìn)位置外圍采用小直徑鋼管頂進(jìn)形成封閉鋼管幕，再在該封閉鋼管幕中進(jìn)行箱涵的頂進(jìn)。下面主要就此三種工法的地層的適用性、線位及空間利用率、施工可行性、工期及造價(jià)等方面進(jìn)行分析。

2.1 地層的適用性分析

軟土地層主要有含水量高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、滲透性低、靈敏性高、流變性明顯及壓縮性高等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)也導(dǎo)致了地下工程施工時(shí)，周圍土體自穩(wěn)能力較差，容易產(chǎn)生坍塌，并且土體一經(jīng)擾動，土體強(qiáng)度顯著較低，嚴(yán)重影響工程施工安全。

盾構(gòu)法在軟土地層中主要采用封閉式盾構(gòu)，根據(jù)保持密封土艙內(nèi)承壓介質(zhì)的不同，可分為泥水平衡式、土壓平衡式兩種。兩種封閉式盾構(gòu)對于軟土地層均有較強(qiáng)的適應(yīng)性，其中：泥水平衡盾構(gòu)對不穩(wěn)定的軟弱地層、含水砂層、黏土、沖積層及洪積層等流動性高的土質(zhì)，使用效果較好。但當(dāng)?shù)貙又叙ね梁坎蛔?0%，使用泥水平衡盾構(gòu)在開挖面上很難形成泥膜，開挖面容易坍塌，容易出現(xiàn)盾尾漏水現(xiàn)象，并且當(dāng)在覆土薄及滲透系數(shù)大的砂層中掘進(jìn)，容易出現(xiàn)地表冒泥，因此泥水平衡盾構(gòu)很難適應(yīng)于松散的砂及砂礫層。對于含水率低的固結(jié)黏土，由于吸水后粘附力增加，對于面板式刀盤容易產(chǎn)生刀盤、艙四周粘附壓實(shí)固結(jié)黏土的現(xiàn)象或引起泥水艙堵塞。

土壓平衡盾構(gòu)對于粘質(zhì)粉土和粉砂地層，根據(jù)土層的稠度，不需要加水或只需要加入少量的水，通過攪拌裝置在開挖室內(nèi)的攪拌，即使土層變成塑性較好的土體；對于砂質(zhì)土層，由于黏土含量較少，塑性和抗?jié)B透性較差，為避免排土不暢，需加入相關(guān)添加劑進(jìn)行渣土改進(jìn)。對于含水率低的固結(jié)黏土，可以采用中心軸支承方式，輪輻刀盤掘土效果好。而土壓平衡盾構(gòu)機(jī)容易產(chǎn)生刀盤、艙四周粘附壓實(shí)固結(jié)黏土的現(xiàn)象。

矩形頂管法適用于淤泥質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土及滲透系統(tǒng)較小的砂土層。淤泥土、松填土和沼澤地基強(qiáng)度低，不均勻性較大，頂管軸線很難控制，可能導(dǎo)致工作面坍塌和軸線失穩(wěn)；卵石層和滲透系數(shù)較大的砂土層，減阻泥漿不能形成泥膜，不利于頂管推進(jìn)。

管幕箱涵法與矩形頂管法相似，均利用前部刀盤削土，后部千斤頂頂進(jìn)的原理，其中前部刀盤與土壓平衡盾構(gòu)相似，兩種工法適用于粉土、滲透系數(shù)較小的砂土及黏土等各種土層，尤其對于軟弱土層有良好的適用性。

綜上所述，三種工法均適用于軟弱土層，其中泥水平衡盾構(gòu)對砂土及低含水量的固結(jié)黏土的適用性一般，土壓平衡盾構(gòu)、矩形頂管及管幕箱涵法適用于所有土層（除巖層）。根據(jù)管線埋深及相關(guān)保護(hù)要求，該工程下穿地道結(jié)構(gòu)上方覆土要求為14.5 m，從表2的勘察資料可知，地道位于④1淤泥質(zhì)粘土、④2粉砂及⑤1-1粘土層中，土層含水量均較高，故該工程地道三種工法均可以采用。

2.2 線位分析

地道線位的選擇應(yīng)滿足主要要求，有暗埋段長度、埋深、坡度及平面曲率等方面，該工程地道暗埋段長度需滿足不影響外環(huán)線及其兩側(cè)重要管線正常運(yùn)行，同時(shí)盡量減少對規(guī)劃河道、道路施工的影響及公園景觀的影響；地道埋深需滿足S20外環(huán)線兩側(cè)重要管線的安全凈距要求；而地道坡度及平面曲率能滿足市政道路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)即可。

盾構(gòu)對埋深有一定的要求，當(dāng)?shù)氐缆裆詈軠\時(shí)，將造成盾構(gòu)上浮、地面隆起及壁后注漿導(dǎo)致地面冒漿等問題，一般埋深不低于0.5D（D為盾構(gòu)直徑）；當(dāng)盾構(gòu)埋深很大時(shí)，軟土地層由于地下水位高，土性差，盾構(gòu)機(jī)械和襯砌管片間要有很好的止水性能。盾構(gòu)法施工受地道長度限制不太明顯，但考慮到經(jīng)濟(jì)性問題，盾構(gòu)法施工的地道長度不宜太短。為了地道施工時(shí)排水需要、出渣及運(yùn)料的作業(yè)效率，以及對周邊的擾動，地道坡度以0.2%～0.5%為宜，很難適用于大坡道、大變坡的地道施工。從平面線位上，由于盾構(gòu)的直徑較大、管片間防水需要，以及小曲率將導(dǎo)致周邊土體擾動加劇，地面沉降增大，故盾構(gòu)法不太適用小曲率的線位地道的施工。

矩形頂管法主要通過后部千斤頂推進(jìn)，側(cè)壁周邊的摩擦力較大，施工距離太長，所需的頂力將非常大，因此矩形頂管法不太適用于長距離地道。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料及現(xiàn)場調(diào)研，目前已建或在建的工程中，該工法最大施工長度約為170 m。同時(shí)，根據(jù)傳力路徑，該工法不適用于大坡度及曲率的線型，主要以直線型為主。

管幕箱涵法由于箱涵頂進(jìn)力及頂進(jìn)精度的限制，與矩形頂管類似，施工長度也受到了較大的影響，目前已建或在建的工程中，該工法施工的長度最大僅為126 m。由于管幕的存在，分擔(dān)上部部分土體重量，使得開挖面主動土壓力減小，同時(shí)箱涵頂進(jìn)施工時(shí)，管幕減少土體的隆起，從而減弱對周邊環(huán)境的影響，故管幕箱涵法也適用埋深較淺的地道；與矩形頂管法類似，當(dāng)線位豎向坡度及平面曲率較大，管幕和箱涵施工均較為困難，因此該工法較適用于直線的線型。

綜上所述，盾構(gòu)法適用于長距離、埋置深度深及大曲率線位的地道，而矩形頂管法和管幕箱涵法適用于短距離及直線型的地道。根據(jù)該工程的特點(diǎn)，為了減少對西側(cè)體育公園、外環(huán)線及其兩側(cè)管線的影響，采用盾構(gòu)法施工下穿地道比較有優(yōu)勢。

2.3 空間利用率分析

盾構(gòu)法的斷面形式較多，如圓形、雙圓深接形、矩形、半圓形及橢圓形等。上述斷面形式中圓形以受力合理，管片制造及安裝簡單，機(jī)械設(shè)備制造簡單，施工對周邊土體擾動小等有優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，故該工程考慮施工圓形斷面，外徑為11.36 m，詳見圖4所示。從圖4可以看出，圓形盾構(gòu)的上拱部無法有效利用，下部拱部僅可以作為管線及逃生通道，故整體空間利用率較低。

圖4 雙管圓盾構(gòu)橫斷面圖（外徑11.36m×2）

矩形頂管法的斷面形式有圓形和矩形，但圓形斷面一般適用于管道工程，地道工程常采用矩形斷面，詳見圖5所示。從圖5可以看出，上、下拱部曲度較大，無法利用的空間很少，故矩形頂管法的空間利用率相對較高。

圖5 雙管矩形頂管橫斷面圖（10.4m×7.5m×2）

管幕箱涵法一般采用矩形斷面，詳見圖6所示。從圖6可知，斷面的上、下部均為直線段，不存在局部拱部無法利用的情況，故管幕箱涵法的空間利用率最高。

圖6 管幕箱涵法橫斷面圖（19.5m×7.4m）

綜上所述，三種工法中，圓形盾構(gòu)法的空間利用率最低，管幕箱涵法的空間利用率最高，矩形頂管法與管幕箱涵法相比略低。

2.4 施工可行性分析

根據(jù)道路方案，該工程地道全長約為1.1 km，下穿外環(huán)處路面埋深23～25 m，道路最大縱坡按5%控制。

采用盾構(gòu)法方案，盾構(gòu)段總長625 m，明挖段479 m，外掛地下一層設(shè)備用房。盾構(gòu)段覆土厚度6.5～15.7 m，道路最大埋深22.8 m，詳見圖7所示。

圖7 盾構(gòu)法平面布置圖

采用矩形頂管法方案，地道段總長度為1 160 m，頂管段160 m（外環(huán)線西側(cè)燃?xì)夤苤镣猸h(huán)東側(cè)電力管中心間距為120 m,兩個(gè)工作井至管線的安全距離取20 m），明挖段968 m，設(shè)備用房利用車道上部空間。頂管段覆土厚度11～14.7 m，道路最大埋深25.4 m，詳見圖8所示。

圖8 矩形頂管法平面布置圖

采用管幕箱涵管法方案，管幕箱涵段160 m（外環(huán)線西側(cè)燃?xì)夤苤镣猸h(huán)東側(cè)電力管中心間距為120 m，兩個(gè)工作井至管線的安全距離取20 m），明挖段999 m。管幕段覆土厚度13.3～15.0 m；道路最大埋深22.5 m，詳見圖9所示。

圖9 管幕法平面布置圖

綜上所述，盾構(gòu)法施工對體育公園的影響較小，也不影響西側(cè)規(guī)劃河道及道路施工，而矩形盾構(gòu)法及管幕箱涵法需長距離的開挖，對西側(cè)公園影響非常大，也導(dǎo)致西側(cè)規(guī)劃河道及市政道路無法同步施工，故就該工程而言，采用盾構(gòu)法施工比較有優(yōu)勢。

2.5 工期及造價(jià)分析

地道埋置深度、長度、斷面形式及平面曲率對不同工法各有利弊，因此充分利用土層性質(zhì)結(jié)合線位特點(diǎn)選擇工法，不僅能夠縮短工期，還能有效地降低造價(jià)。

盾構(gòu)法施工時(shí)，設(shè)備費(fèi)用較高，當(dāng)長度較長或埋置較深時(shí)，盾構(gòu)設(shè)備和工作井的費(fèi)用占總費(fèi)用的比例下降，同時(shí)能夠減少對地面構(gòu)筑物的破壞和搬遷工作，減少搬遷費(fèi)用。工期方面，盾構(gòu)法施工機(jī)械化程度比較高，不受外界氣候影響，施工速度較快，可達(dá)到10～12 m/d，但環(huán)境要求嚴(yán)格時(shí)，推進(jìn)工期會相應(yīng)延長。

矩形頂管法由于頂管施工費(fèi)用較高，同時(shí)施工的長度受限制，故整體費(fèi)用較高。工期方面，由于矩形管片頂進(jìn)過程中，與周邊土體的摩擦力較大，施工的速度較慢，一般為3～5 m/d。管幕箱涵法由于管幕施工和箱涵頂進(jìn)的費(fèi)用均較高，尤其小斷面箱涵施工。由于管幕箱涵法需要先施工管幕后進(jìn)行箱涵頂進(jìn)，故施工工期較長，一般為2～3m/d。

3 結(jié)語

根據(jù)上述對三種工法的地層適用性、線位選擇、空間利用率、施工可行性、工期及造價(jià)等方面進(jìn)行了分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）三種工法基本適用各種軟弱土層，其中泥水平衡盾構(gòu)對砂土及含水量低固結(jié)黏土的適用性受到一定限制，但就該工程地質(zhì)情況而言，三種工法均適用。

（2）線位方面，盾構(gòu)法適用于長距離、埋置深及大曲率的工程，而矩形頂管法及管幕箱涵法適用短距離及直線型的工程。

（3）空間利用率方面，盾構(gòu)法空間利用率較低，而矩形頂管法及管幕箱涵法空間利用率均較高。

（4）施工可行性方面，從該工程現(xiàn)場條件進(jìn)行分析，盾構(gòu)法對周邊環(huán)境影響較小，臨近項(xiàng)目同步的施工影響也比較小，而矩形頂管法及管幕箱涵法對周邊環(huán)境的影響均較大。

（5）工期及造價(jià)方面，盾構(gòu)法的工期及造價(jià)均較小；矩形頂管法造價(jià)較高，工期較長；管幕箱涵法造價(jià)最高，工期也最長。