李非桃，劉明高，陳仁東

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

1 國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)地下道路發(fā)展現(xiàn)狀

世界上公認的第一條超大直徑盾構(gòu)法隧道——東京灣海底隧道于1989年開工建設，采用φ14.14 m泥水平衡盾構(gòu)機，1997年貫通。目前世界上最大的盾構(gòu)隧道為2013年開始建設的香港屯門至赤鱲角海底隧道，采用φ17.6 m 泥水平衡盾構(gòu)機。

國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)隧道的建設從2003年上海市上中路隧道開始，隧道管片外徑14.5 m，采用φ14.87 m 泥水平衡盾構(gòu)機。繼上海上中路隧道成功建設之后，中國開啟了超大直徑盾構(gòu)法隧道建設的浪潮，并且在盾構(gòu)機的直徑上不斷出現(xiàn)新的突破[1]。2005年開始建設的上海長江隧道是國內(nèi)第一座管片外徑達到15 m 的盾構(gòu)隧道，采用φ15.43 m 泥水平衡盾構(gòu)機。2012年，國內(nèi)盾構(gòu)隧道管片最大外徑達到15.2 m，2019年管片最大外徑達到15.4 m，2020年管片最大外徑達到15.5 m。據(jù)公開資料統(tǒng)計，截至2020年，國內(nèi)已開工或建成超大直徑盾構(gòu)地下道路超過30 座（見圖1）。

圖1 國內(nèi)（大陸地區(qū)）部分超大直徑盾構(gòu)地下道路統(tǒng)計（截至2020年底在建或已建）

從分布區(qū)域看，上海作為國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)隧道的始發(fā)地，逐步帶動長三角經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)陸續(xù)建設盾構(gòu)隧道。之后珠三角地區(qū)、中部地區(qū)、華北地區(qū)相繼開始建設，呈現(xiàn)出由一線城市向二線城市發(fā)展的態(tài)勢（見圖2）。

圖2 國內(nèi)（大陸地區(qū)）部分超大直徑盾構(gòu)地下道路分布（截至2020年底在建或已建）

2 既有超大直徑盾構(gòu)地下道路橫斷面尺寸統(tǒng)計分析

根據(jù)公開資料統(tǒng)計的部分國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)地下道路工程見表1。

根據(jù)表1 統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分析，雙向6 車道隧道23座，雙向4 車道隧道7 座。道路等級以城市快速路、高速公路等高等級道路為主，隧道管片外徑為14～15.5 m 不等，其中14.5 m 和15 m 直徑的隧道占比達到70%（見圖3）。

表1 國內(nèi)部分超大直徑盾構(gòu)地下道路工程統(tǒng)計一覽

圖3 管片外徑14 m 以上盾構(gòu)隧道數(shù)量分布

對雙向6 車道和雙向4 車道盾構(gòu)隧道分別統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)（見圖4、圖5），雙向6 車道隧道管片外徑尺寸由14.5～15.5 m 不等，雙向4 車道隧道管片外徑也出現(xiàn)了14 m、14.5 m、15.2 m 三個尺寸。

圖4 雙向6 車道盾構(gòu)隧道數(shù)量分布

圖5 雙向4 車道盾構(gòu)隧道數(shù)量分布

即使在主要技術(shù)標準相同的條件下，不同工程選擇的斷面尺寸不盡相同。對設計車速80 km/h 的雙向6 車道隧道的統(tǒng)計見圖6，管片外徑尺寸跨度達1 m。這其中有具體技術(shù)標準不同的原因，如不同道路性質(zhì)的車道寬度、凈空等標準不一致；有側(cè)向設備空間尺寸選取不一的原因；也有早期隧道受裝備制造和施工技術(shù)水平制約尺寸受限等原因。

圖6 設計車速80 km/h、雙向6 車道盾構(gòu)隧道數(shù)量分布

3 盾構(gòu)橫斷面設計的主要影響因素

影響盾構(gòu)橫斷面設計的因素可分為建筑限界內(nèi)和建筑限界外兩類。建筑限界內(nèi)主要包括車道寬度、凈高、側(cè)向余寬等。建筑限界外主要包括防撞墻位置、疏散梯道位置、設備箱室和管線布置空間等。

3.1 建筑限界內(nèi)

城市道路和公路相關(guān)設計規(guī)范對隧道建筑限界各項尺寸要求有所區(qū)別，導致同一標準下不同性質(zhì)道路建筑限界有所不同。

（1）車道寬度

《城市道路工程設計規(guī)范》和《公路路線設計規(guī)范》對于車速60 km/h 以上機動車道最小寬度的規(guī)定基本一致，原則上均采用3.75 m，小客車專用道采用3.5 m；60km/h 及以下車道寬度規(guī)定有所區(qū)別，特別是在40 km/h 和60 km/h 下小客車專用道的寬度，《城市道路工程設計規(guī)范》規(guī)定為3.25 m，《公路路線設計規(guī)范》要求3.5 m，具體見圖7、圖8。

圖7 《城市道路工程設計規(guī)范》5.3.2 條

圖8 《公路路線設計規(guī)范》6.2.1 條

從實際工程看，設計車速同為40～60 km/h，深圳春風路、武漢黃鶴樓隧道、上海諸光路隧道等城市地下道路均采用了3.25 m 車道寬度，上海北橫通道和軍工路隧道更是采用了3 m 的車道寬度，而道路等級為一級公路的汕頭蘇埃通道采用了3.5 m 車道寬度。

（2）凈高

《公路路線設計規(guī)范》第6.6.2 條規(guī)定：高速公路、一級公路、二級公路的凈高應為5.00 m?！冻鞘械叵碌缆饭こ淘O計規(guī)范》第3.5.2 條要求機動車最小凈高為4.5 m，小客車為3.5/3.2 m（見圖9）。實際工程中，城市地下道路最小凈高為3.2 m，公路地下道路最小凈高為5 m。

圖9 《城市地下道路工程設計規(guī)范》表3.5.2

（3）路緣帶寬度（側(cè)向?qū)挾龋?/p>

對比圖10 和圖11 可知，設計車速達60 km/h 及以上時，《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》要求的側(cè)向?qū)挾龋ǔ鞘械缆贩Q“路緣帶”）比《城市地下道路工程設計規(guī)范》要求的更大。

圖10 《城市地下道路工程設計規(guī)范》3.5.1 條

圖11 《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》表4.4.1

從實際工程看，公路地下道路中除上海長江隧道修建較早，右側(cè)向?qū)挾热≈禐?.5 m 而非0.75 m 外，其余均取值為左側(cè)向?qū)挾?.5 m，右側(cè)向?qū)挾?.75 m；而城市地下道路左右側(cè)路緣帶寬度均取值0.5 m。

根據(jù)對既有工程的統(tǒng)計分析，對目前常用技術(shù)標準下地下道路建筑限界進行歸納，結(jié)果見表2。

表2 常見技術(shù)標準地下道路建筑限界

3.2 建筑限界外

（1）防撞墻

《城市地下道路工程設計規(guī)范》和《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》關(guān)于建筑限界與防撞墻關(guān)系的圖示有所區(qū)別。城市道路限界為折線，防撞墻正面輪廓與建筑限界重合；公路限界為直折角，僅留出了余寬和檢修道高度。防撞墻應完全位于建筑限界以外，因此公路隧道防撞墻所要求的橫向空間要略大于城市地下道路（見圖12、圖13）。

圖12 城市地下道路建筑限界（單位：cm）

圖13 公路隧道建筑限界（單位：cm）

（2）疏散梯道

大部分大直徑盾構(gòu)隧道未設置人行橫通道，以疏散梯道作為主要的疏散救援通道?！冻鞘械叵碌缆饭こ淘O計規(guī)范》第8.3.5 條規(guī)定：疏散樓梯凈寬度不應小于0.8 m，坡度不應大于60°。為避免極端情況下，車輛壓住蓋板導致蓋板無法開啟，從而影響人員疏散的情況出現(xiàn)，建議疏散梯道整體布置在車行道以外。實際工程中，部分隧道梯道蓋板侵入車行道，見圖14。疏散樓梯一般布置于車行道最內(nèi)側(cè)或者最外側(cè)，對于公路隧道而言，由于外側(cè)側(cè)向?qū)挾雀鼘挘贾迷谕鈧?cè)更節(jié)省空間（見圖15）。

圖14 既有隧道內(nèi)疏散通道蓋板侵入車行道

圖15 疏散梯道整體布置在車行道以外

（3）設備箱室和管線布置空間

隧道內(nèi)輪廓斷面與建筑限界之間的空間應滿足隧道設備箱室和管線布置的要求，也應滿足測量及施工誤差的要求。相關(guān)規(guī)范要求如下：

《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》第4.4.3條規(guī)定：隧道內(nèi)輪廓凈空斷面應滿足隧道建筑限界所需空間，并預留不小于50 mm 的富余量。

《公路隧道設計細則》第5.2.4 條規(guī)定：隧道內(nèi)輪廓斷面與建筑限界行車限界線最小間距宜大于10 cm。

《公路隧道通風設計細則》第11.2.2 條規(guī)定：射流風機的邊沿與隧道建筑限界的凈距不宜小于15 cm。

《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》第5.1.4 條和第16.0.3 條規(guī)定見圖16。

圖16 《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》第5.1.4 條和第16.0.3 條

總結(jié)以上規(guī)范要求，隧道內(nèi)輪廓斷面與建筑限界之間應預留不小于5 cm 的富余，但考慮到橫向貫通測量限差在10～20 cm，因此最小凈距宜不小于20 cm，極限值應不小于10 cm。

4 案例分析

北京東六環(huán)改造工程位于北京市城市副中心，道路等級為高速公路，雙向6 車道，設計車速80 km/h。線路全長約16 km，其中隧道段約9.2 km。隧道段采用明挖與盾構(gòu)結(jié)合工法，盾構(gòu)段長約7.4 km。該項目為北京市第一條超大直徑盾構(gòu)地下道路。

項目前期對盾構(gòu)隧道的橫斷面設計方案進行了充分論證，盾構(gòu)隧道橫斷面尺寸的選取主要從4 個因素考慮：

（1）建筑限界凈寬是否符合技術(shù)標準。

（2）防撞墻位置是否占用余寬范圍。

（3）疏散梯道出入口蓋板是否侵入車行道范圍。

（4）所有設備箱室、管線的布置空間是否滿足使用要求。

基于以上考慮，對不同尺寸的盾構(gòu)隧道管片外徑進行比選，比選尺寸分別為15.5 m、15.4 m、15.3 m 和15.0 m（見表3）。

對表3 中的各方案逐一進行分析，當隧道管片外徑采用15.0 m 時，防撞墻位置不能滿足公路規(guī)范相關(guān)要求，內(nèi)輪廓與建筑限界的間隙采用極限值，疏散梯道蓋板侵入車行道范圍內(nèi)。同時結(jié)合東六環(huán)項目交通組成特點，不適用設置寬度3.5 m 車道的條件，因此未選用方案四。方案一、方案二、方案三均滿足各項規(guī)范要求，但考慮測量誤差等因素，并結(jié)合經(jīng)濟性，內(nèi)輪廓與建筑限界的間隙不應小于15 cm。本項目組織的橫斷面設計專家會論證意見為：“盾構(gòu)隧道內(nèi)輪廓與建筑限界的間隙不應小于15 cm，盾構(gòu)隧道斷面管片內(nèi)徑不宜小于14.1 m?！睆淖畲笙薅裙?jié)約投資角度考慮，最終選用方案二，即15.4 m。

表3 東六環(huán)改造工程盾構(gòu)隧道橫斷面比選

5 結(jié)論與建議

隨著中國城市化進程的不斷加快，越來越多的城市選擇采用地下道路的形式解決城市交通問題，盾構(gòu)隧道因具有以下優(yōu)點而被越來越廣泛采納。

（1）全機械化作業(yè)，有足夠的施工安全性。

（2）地下施工不影響地面交通和環(huán)境，產(chǎn)生的環(huán)境危害小。

（3）施工操作不受氣候條件的影響等。

隨著裝備制造水平的不斷進步，特別是盾構(gòu)機國產(chǎn)化的發(fā)展，超大直徑盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)已經(jīng)非常成熟，盾構(gòu)隧道斷面的布置已從功能和空間兼顧向充分保障功能轉(zhuǎn)變。

當然，盾構(gòu)法隧道的直徑并不會無休止地增大。因為即使解決了設備研發(fā)上的制約問題，考慮到經(jīng)濟性、城市交通的現(xiàn)有規(guī)劃布局及對車道數(shù)量的實際需求[1]，過大直徑的盾構(gòu)法隧道并不一定是最優(yōu)選擇。過大的直徑也會造成空間利用率的降低。因此，盾構(gòu)隧道橫斷面設計標準的確定，對超大直徑盾構(gòu)在地下道路領域的進一步普及和發(fā)展十分重要。

根據(jù)前述分析，超大直徑盾構(gòu)地下道路橫斷面設計建議主要考慮以下原則：（1）建筑限界滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；（2）隧道內(nèi)輪廓斷面與建筑限界之間最小凈距不宜小于20 cm，極限值不應小于10 cm。綜合既有案例，對目前常見技術(shù)標準下地下道路橫斷面設計參考值見表4。

表4 常見技術(shù)標準地下道路橫斷面設計參考值

結(jié)合上表核查既有工程案例，接近75% 的案例實際取值與參考值一致，另有8 項案例出現(xiàn)建筑限界凈寬和隧道管片外徑較參考值偏小的情況。由于這些工程普遍建設時間較早，受當年設備制造水平、施工技術(shù)和實際工程條件影響，出現(xiàn)與現(xiàn)行規(guī)范的偏差也屬正常。但是，這些工程的建設為我國后續(xù)盾構(gòu)隧道技術(shù)的發(fā)展作出了卓越貢獻。

我國超大直徑盾構(gòu)隧道的發(fā)展已進入快車道，建議結(jié)合工程項目，對盾構(gòu)隧道內(nèi)設備排布、上下層空間利用等內(nèi)容進行更深入的研究，進一步推動超大盾構(gòu)地下道路橫斷面設計標準化。