周文芳

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(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題。工程主隧段長約17.6 km，內(nèi)徑3.4 m，支隧段長約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- 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化白云巖或碎石土等各類圍巖。且不同區(qū)間存在各種風(fēng)險源，嚴(yán)重制約了工程設(shè)計及施工。因此，合理選擇各段的施工工法對于工程順利實施具有重大意義。

1 國內(nèi)外隧洞施工案例總結(jié)

目前，國內(nèi)外大型長距離轉(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]，由于明挖法對城市交通、既有管線等影響較大，且對于埋深較大的基坑支護(hù)經(jīng)濟性較差，一般不予采用。國內(nèi)外主要排水隧洞工程案例見表1。

表1 國內(nèi)外主要排水隧道工程案例表

通過對國內(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

2.1 明挖法

明挖施工可以適用于各種不同的地質(zhì)情況，減少線路埋深，施工工藝簡單，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，明挖法施工對地面交通的干擾較大，對城市居民生活有較大影響，且地下管線改遷工作量較大，基坑深度大時基坑支護(hù)費用較高。

2.2 礦山法

礦山法是主要用鉆眼爆破的方法開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是地表沉降較大且不易控制，對周邊的建筑物的安全影響較大，防水效果相對較差。

2.3 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是采用盾構(gòu)掘進(jìn)機進(jìn)行開挖，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)法主要的特點一是盾構(gòu)管徑不受限制；二是盾構(gòu)曲線半徑R≥250 m 為安全轉(zhuǎn)彎半徑；三是在施工過程中掘進(jìn)一段距離后，需組裝和內(nèi)襯相應(yīng)的管片；四是工作井滿足盾構(gòu)施工需求即可；五是單次頂進(jìn)長度不受限制，可按需求制定單次掘進(jìn)長度。

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采用的一種暗挖式施工方法。頂管法的主要特點一是頂管管徑一般適用于頂進(jìn)DN ≤4 000；二是頂管曲線半徑R ≥600 m 為安全轉(zhuǎn)彎半徑；三是為保證長距離頂管過程中的安全及頂力，采用中繼間；四是提供一定強度的工作井（后背墻），保證頂進(jìn)的安全；五是需根據(jù)實際的土層地質(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)險高，措施費高，且需管線改遷及交通疏解量大，因此不推薦采用明挖法施工。

本工程線路長，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)險源，且地層復(fù)雜多變，圍巖等級從II～V 級均有分布，若采用礦山法施工輔助工法較多，且施工機械化程度低，施工速度慢，施工風(fēng)險大[5]，因此不推薦采用礦山法施工。

根據(jù)目前國內(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，但頂管法施工對隧道的曲線半徑要求較高，深隧曲線段較多，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，因此無法全線采用頂管法施工，可結(jié)合深隧線路及現(xiàn)場地形在曲線半徑大于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)法對周圍建筑及地面變形控制較好、施工速度快，施工環(huán)境好，施工工作井少，對地面交通影響小，且造價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 針對盾構(gòu)法和頂管法具體特點進(jìn)行比較。

表2 盾構(gòu)法與頂管法具體特點對比表

根據(jù)對比，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，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)險源或地面交通不允許設(shè)置工作井時采用盾構(gòu)法施工。

4 全線隧道工法分段分析

東湖污水深隧工程將原有沙湖、二郎廟、落步嘴、武東污水處理廠收集的污水集中轉(zhuǎn)輸至新建北湖污水處理廠，二郎廟污水處理站至北湖污水處理廠約17.6 km 污水主隧工程，落步咀預(yù)處理站至三環(huán)線1.7 km 支隧工程。東湖污水管道深隧工程平面設(shè)計圖見圖1。

圖1 東湖污水管道深隧工程平面設(shè)計圖

（1）沙湖港段

本段段隧道長約3.63 km，主要風(fēng)險控制點為下穿地鐵4 號線鐵羅區(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 號線位置關(guān)系見圖2。

圖2 隧道與地鐵4 號線相互關(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）歡樂大道段

本段隧道與歡樂大道高架并行，直至三環(huán)線主隧與支隧匯流處側(cè)穿歡樂大道高架。本段長3.2 km，主要風(fēng)險控制點為歡樂大道高架橋橋樁，隧道與橋梁樁基最小水平凈距約3.5 m。隧道與歡樂大道高架橋關(guān)系見圖3。

圖3 隧道與歡樂大道高架橋相互關(guān)系圖（單位：m）

本段隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層，強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層。由于長距離側(cè)穿歡樂大道高架橋橋樁，且水平距離較近，并下穿京廣高鐵客運專線高架橋等重要建構(gòu)筑物，隧道施工存在較高的風(fēng)險，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4.2 km，主要風(fēng)險控制點一是下穿三環(huán)線高架，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、武鋼專線鐵路。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，且由于三環(huán)線、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2.43 km，主要風(fēng)險控制點為下穿嚴(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)狀場地條件、沿線建構(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，本段隧道長4 km，主要風(fēng)險控制點為下穿北湖，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，本段隧道沿線控制性建構(gòu)筑物較少，且沿線設(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之后下穿地鐵4 號線青山車輛段出入段線區(qū)間，一直向南直至主隧與支隧匯流點，本段隧道長約1.7 km，主要風(fēng)險控制點為下穿地鐵4 號線出入段線區(qū)間，隧道距離地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)最小豎向凈距約6 m。本段隧道主要穿過強風(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)險控制點為下穿地鐵4 號線青山車輛段出入段線區(qū)間，綜合考慮本區(qū)間長度及隧道斷面尺寸，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 號線青山車輛段出入段線區(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 支隧與出入段線區(qū)間相互關(guān)系圖（單位：m）

根據(jù)有限元（有限元模型見圖5）計算結(jié)果可知，由于支隧下穿引起的出入段線結(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（見圖6），從計算結(jié)果中可以看出，支隧道施工對地鐵區(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 號線出入段線區(qū)間有限元計算模型

圖6 出入段線結(jié)構(gòu)最大豎向位移圖（單位：m）

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

表3 分段推薦工法表

5 結(jié) 語

本工程已竣工，通過文中分析及現(xiàn)場反饋可見，施工工法選擇對擬建深隧施工極為重要。風(fēng)險控制點對施工工法影響較大。文中在參照國內(nèi)外既有類似工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過對武漢深隧工程主隧洞工程地質(zhì)情況、各段主要風(fēng)險源及控制因素，對全線施工工法比選進(jìn)行了研究，綜合提出了適合本工程的分段施工工法，對類似工程有一定的參考意義。