与地铁结合的地下盾构综合管廊设计方法研究

柳宪东

(广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州 510010)

0 引言

随着城市建设规模和人口密集度越来越大，对配套市政设施，尤其是市政管线的需求越来越大，而随着大众安全意识的提升，对市政管线安全运行的保证率要求也越来越严格。

传统的直埋管线敷设方式虽然施工简单、投资小，但管线破损不易被发现，后期维修、扩容或改造需大面积开挖路面或人行道，对地面交通影响大； 管线本身由于缺乏防护措施而导致抗风险和抗灾能力低，常出现道路施工、地质钻探施工打穿管线或地基不均匀沉降导致管道开裂和泄露等问题。此外，错综复杂的地下管线权属部门众多，管理无法统一协调，占据了大量的城市地下空间，造成资源浪费等众多问题。因此，单纯的传统直埋敷设方式已不能满足城市发展的需求，集约化统筹建设综合管廊是现代化城市发展的必然趋势。

综合管廊作为一种理念先进的重要城市市政基础设施，主要是将2种或2种以上的市政管线集中布置在统一的地下空间内，并设置通风、排水、消防、照明和监控报警等附属设施的构筑物，以保障地下管线的安全运行。相对于传统直埋的敷设方式，综合管廊具有可以消除城市拉链路，保证城市“生命线”安全运营，有效利用地下空间，改善城市建设环境，市政管线集中管理和提升信息化管理水平等诸多优越性。

根据钱七虎[1]、于晨龙等[2]和谭忠盛等[3]的总结，国外早在19世纪就已经开始了地下综合管廊的建设，法国巴黎、德国汉堡和英国伦敦等欧洲国家率先建成了世界上第1批真正意义上的地下综合管廊。

我国近年来也高度重视推进城市地下综合管廊的建设。2013年以来，国务院先后印发了《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》和《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，并部署开展城市地下综合管廊建设试点工作等一系列政府举措，推动城市地下综合管廊的发展。2016年以来，全国每年以2 000 km的速度建设综合管廊，并向2020年内建设10 000 km的综合管廊的建设目标迈进。

地下综合管廊工程施工可以采用开挖式和非开挖式2类工作。其中： 开挖式主要指明挖工法，需要长距离、大规模占用地面场地； 非开挖式以盾构、矿山和沉管等暗挖工法为主，除工作井出地面占用少量场地外，施工期间不需要大规模占地和占道开挖。

明挖法修筑地下综合管廊在国内得到了长足的发展和大规模的应用，相关建造技术成熟可靠，研究充分，现行《城市综合管廊工程技术规范》也是针对此类工法管廊制定的，应用范围建设区域主要集中在新城区或规划发展区。卜令方等[4]和马鸿敏等[5]对目前国内综合管廊的建设情况进行了总结； 王轶飞[6]和范翔[7]对明挖管廊的主要实施方案进行了详细的总结。

对于中心城区(尤其是老城区)，密集的建筑物可能会引发大量的征地拆迁，地下现状管线密集可能会引起大量的管线迁改，地面交通繁忙可能会引起区域性的交通堵塞等问题，而使得明挖法施工无法推进。国内部分专家和学者针对这一问题也进行过相关的思考。王恒栋[8]提出应在交通流量大和地下管线密集的城市主要道路下方建设地下综合管廊； 白海龙[9]、王寿生[10]和朱旻[11]提出综合管廊应与地下空间和大型隧道相结合建设； 张涛等[12]提出在老城区应按先易后难的顺序解决综合管廊实施问题； 张韵等[13]、申立新[14]和杨家亮等[15]提出在老城区可以考虑采用盾构工法和顶管工法施工综合管廊。

综上所述，目前国内并无大规模的在老城区建设地下综合管廊的实践经验，也没有完整的设计方法和规范指导。基于此，本文通过对已开展建设的综合管廊工程实践经验进行总结、对配套完成的技术研究进行分析，提出一套可在老城区建设地下综合管廊的可行的建设方式与设计方法，即与地铁相结合，同步规划、同步设计和同步实施，采用盾构法修筑地下综合管廊的非开挖工法，并对关键技术问题予以分析和论述。

1 老城区地下综合管廊建设方式分析

针对新、老城区的建设环境，表1对开挖式和非开挖式2种不同类型实施工法在老城区的适应性进行综合的对比与分析。

表1 老城区开挖式与非开挖式工法综合比较

通过表1的对比可以发现，非开挖工法对于建设条件复杂的老城区有较强的适应性，而在几种主要的非开挖工法中，盾构工法以其经济适中、工艺成熟和风险可控等优点更具优势。

2 盾构综合管廊的探索和应用

广州在2016年编制完成的《广州市综合管廊专项规划》[6]中，创新性地提出在老城区与地铁结合、同步规划建设3条采用盾构法实施的地下综合管廊： 沿地铁十一号线地下综合管廊主线44.9 km； 沿地铁十三号线地下综合管廊33.8 km，其中近期实施建设19.1 km； 沿地铁十八号线地下综合管廊23.5 km； 累计达87.5 km。各管廊线路布置走向如图1所示。目前沿地铁十一号线的地下综合管廊主线已进入到实施阶段，沿地铁十三号线和十八号线的地下综合管廊也已完成立项审批，正在积极推进后续工作。

目前，地下综合管廊设计主要执行GB 50538—2015《城市综合管廊工程技术规范》，该规范的制定主要是基于我国近年来建设运营的若干明挖管廊实施工程，并在参考了日本的《共同沟设计指南》、台湾地区的《共同管道工程设计标准》和专业管线的设计规范等基础上总结出来的。应用盾构工法大规模建造综合管廊的施工和设计技术，在国内尚无完整和成熟的经验可供借鉴。

图1 广州盾构综合管廊规划

3 与地铁结合的盾构综合管廊设计方法

根据沿地铁十一号线地下综合管廊和沿地铁十三号线地下综合管廊项目的前期研究及相关设计工作，对与地铁结合的地下综合管廊设计方法关键问题进行专项研究，主要研究内容集中在如何与地铁进行最优的结合设计及适用于盾构管廊的设计原理。

3.1 盾构综合管廊的主要组成部分

盾构综合管廊廊体主要由工作井和盾构隧道等组成。

工作井主要满足人员检修进出(人员出入口)、管线及维修设备的吊装(下料)、灾害模式的人员逃生(逃生口)、管廊本体的通风(进风口和出风口)、入廊管线与外界的接驳联系(管线进出管廊)、与外界的互联互通(与城市应急系统、GIS系统和BIM信息等系统的接驳)，通常采用明挖法施工，地下3层结构，覆土3～4 m，具体布置见图2。

盾构隧道部分是入廊管线的主要敷设和走行空间，根据管线的种类和规模可确定不同的盾构内径和分舱形式(目前国内各城市地铁常用内径为5.4～5.5 m的盾构管片，根据入廊管线在断面空间上的合理布局，以上下分舱适当结合左右分舱的形式布置)，结构尺寸需满足入廊管线安装、检修维护和更换等功能，通过合理布局，提高断面利用率和整体经济性。图3示出了沿地铁十一号线管廊的典型布置断面。

图2 盾构综合管廊工作井布置剖面示意

Fig. 2 Profile of working shafts layout of underground shield utility tunnel

图3 盾构综合管廊舱室划分示意

控制中心既可以与工作井结合设置，通过扩大工作井规模，设置于工作井负1层，不占用地面空间； 也可以独立设置在地面，具体根据用户需求及用地协调情况进行调整。

3.2 与地铁结合型式研究

盾构综合管廊与地铁的结合型式可分为3种类型方案。

1)方案类型1为全结合，即隧道部分与地铁隧道合建，采用双线盾构或单线盾构。其中： 双线盾构主要是指地铁隧道左右线分开独立设置，其中1条或者2条与管廊盾构隧道合用1条隧道，可在常规地铁盾构隧道基础上，根据入廊管线规模和使用空间需求扩大断面； 单线盾构是指地铁隧道左右线与综合管廊隧道完全合建，图4示出了一种合建的建议方式。

目前国内常规地铁最大车型选用为A型车，根据推算，如地铁双线与管廊共建，双线盾构内径尺寸需要10～10.5 m，比常规盾构(内径5.4～6 m)的内径大4 m左右。该方案隧道腰部最宽的部分布置为对限界要求最多的地铁行车层，隧道上部布置电力舱，进出线更加灵活，下部布置供水管和通信光缆等其他种类管线，确保发生泄漏时灾害影响范围不会对地铁行车产生较大影响。该方案的优点是可以整合地铁和管廊隧道资源，减少对地下空间资源的占用； 缺点是盾构开挖截面比较大，线型选择和施工难度将大幅提升，另外，电力电缆产生的感应电压可能会对地铁的通信和信号等弱电线缆产生干扰。

图4 综合管廊与地铁隧道合建示意

2)方案类型2为工作井与地铁车站主体结构部分结合，即隧道部分与地铁隧道脱离，独立设置，地铁左右线2条隧道，管廊根据入廊管线规模选择，设置1条或2条隧道。工作井与地铁车站主体结构相结合，盾构始发接收施工场地直接利用地铁中板层，洞通后将使用空间还给地铁，管线在车站顶板夹层或侧面夹层走行。目前，该方案在台湾台北地区有应用[10]。该方案的优点是地铁和综合管廊2方面可以共同建设，能减少临时用地和管线迁改，疏解交通等，同时，盾构采用常规地铁盾构5.4～6 m的内径，布线更加灵活； 缺点是地铁施工周期比较长，2方面同步施工，且与地铁主体密切结合，同期实施，施工组织需要提前充分考虑时间筹划。

3)方案类型3为与地铁车站附属结构部分结合，即隧道部分与地铁脱离，独立设置隧道部分与方案类型2相同，但工作井与地铁车站附属结构相结合，盾构施工场地需要与车站附属施工场地相结合。布置位置可以与风亭和出入口结合，可以布置在附属口部内侧、外侧或者下方。该方案的优点是可以节约大量的前期准备工作，同时地铁的施工顺序往往是先主体、后附属，与地铁附属结构结合施工，可以在空间上与地铁车站主体脱离，在时间上与地铁主体同步，降低了施工时的互相干扰，能做到真正意义上的同步施工。

经过方案比选论证，沿地铁十一号线地下综合管廊主要采用了方案类型3，即与地铁车站附属结构相结合的方式。图5为应用的典型案例，该管廊线路与地铁车站结合井共设置了24座，结合率达75%。

(a) 平面图

(b) BIM模型图

(c) 地铁隧道与综合管廊隧道关系

Fig. 5 Combination of working shafts with subsidiary structures of metro station

3.3 防火分区的划分和口部设置间距要求

根据国家标准，电力舱要求每隔200 m设防火分区，逃生口间距不宜大于200 m，排水区间为200 m，吊装口最大间距不宜超过400 m，对于采用盾构综合管廊，埋深大，原理适用性差，将会增加大量的出地面工作井。同时，每个通风区段中间设置多道防火门，将对过风面积和管线安装造成不利影响，会大幅提高土建及机电规模，直接增大投资水平。

针对上述问题，建议加大防火分区分隔长度、拉开吊装口和排水分区的长度，以此来减少土建及设备规模，降低投资。解决思路的核心在于，解决好盾构综合管廊的消防、管线安装检修和日常运营维护等方面的需求。

其中，消防问题通过性能化模拟分析，推演加大防火分区间距(200、300、500、800 m)后，对火灾工况下火灾规模、可用人员疏散时间及防火门开启通风时间、高温对土建和设备的影响。分析步骤主要分为： 1)确定不同长度防火区间火灾发生后可供维修人员安全疏散的时间； 2)当确定人员安全疏散后，关闭防火门进行隔绝灭火，模拟不同间距防火区间电缆火灾熄灭所需要的时间； 3)确定火灾熄灭后，打开防火门进行通风排烟。

1)火灾规模。通过模拟计算，防火分区由200 m加大到800 m时，最大热释放速率由5.1 MW提高到6.1 MW，不同防火分区长度火灾热释放速率时程图见图6。可见，防火间距对火灾期间最大热释放速率影响不大。

2)可用人员逃生时间计算。根据盾构管廊纵向逃生的特点，模拟了最不利起火点进行疏散时间计算(鉴于综合管廊内平时只是偶尔有少量检修人员，建议相邻防火分区作为逃生的安全区域，以减少工程规模)，如图7所示。计算结果显示，200 m防火分区需要的逃生时间为350 s，800 m防火分区的逃生时间加长至850 s，虽然疏散时间有一定延长，但通过延长防火门关闭时间，也能够满足人员逃生需求。

3)高温对土建和设备的影响。200 m防火分区火源上方温度386 ℃，800 m防火分区火源上方温度401 ℃。混凝土抗压强度不会发生较大变化，对结构安全影响不大。

通过上述分析可以看出： 防火分区长度为200、300、500、800 m时，对应的可用人员疏散的时间分别约为350、450、600、850 s； 由发生火灾到防火门关闭的时间内，能够保证人员有充分的时间进入安全区域。因此，建议将防火分区长度调整加大，既可以减少土建规模，也可以避免后期管线安装维护穿越防火墙。

对于管线的安装检修及运营维护问题，由于管线入廊后，使用环境和寿命都大大提高，日常维护、更换的时间和周期都大幅度延长，因此，建议通过增设临时吊装口满足管线初期入廊安装的需求，使用后封闭。入廊后，通过设置小型永久吊装口，满足维修设备设施进出和局部管节更换使用，因此，吊装口间距建议在800～1 500 m。

3.4 大型管线入廊的安装和防爆管技术

大型供水管作为主要的入廊管线，对于大型自来水管，管道规格大，管道的投放和安装都比较困难。

(a) 200 m

(b) 300 m

(c) 500 m

(d) 800 m

Fig. 6 Time-history curves of fire heat release rate under different fire zone lengths

tb为预警时间；tc为响应时间；ts为疏散时间。

图7人员疏散示意图

Fig. 7 Evacuation sketch

管道投放方案采用工作井内预留足够规格的吊装口，吊装口采用永临结合的形式，临时吊装口根据管线入廊的规格及管道长度确定，钢管标准段长度为6 m，因此吊装口一般长6.5～7 m，宽度比钢管宽0.5～1 m，以满足管道顺利进入廊内的条件。管线安装就位后，封闭临时吊装口，同时设计永久吊装口，其尺寸主要是考虑维修机械、工具及材料的尺寸等因素，一般尺寸可取(2.5～3) m×(2.5～3) m，减小永久使用阶段的地面占地。同时，由于入廊管线的使用寿命相比常规直埋方式已大大延长，更换和维修频率也大幅降低，因此，下料口间距建议按0.8～1.5 km长度控制，以减小土建规模。

供水管安装可以使用轨道车运输，轨道车根据现场实际情况特制，运输到位后，利用隧道顶部预留吊钩进行就位和安装。

关于供水管道防爆裂技术及灾害应对措施，主要有：

1)计算机数据采集与监控(SCADA)系统。SCADA系统的任务是实时、准确、有效地完成对各控制对象的安全监控。主要功能有数据采集和处理，安全运行监视及事件报警，事故分析处理，系统与全球定位系统(GPS)时钟同步，语音报警，趋势分析及事故追忆，实时控制与调节，运行参数统计记录与生产管理，人机接口，数据通信，系统自诊断与冗余切换，软件开发与维护，运行及操作指导，事件、事故及故障打印，培训等。通过对供水管道系统各部件及管道内水压和温度的监控，完成监视和记录，如果发现实际监测的压力流量和预测数据差别较大，则认为有可能有异常发生。

2)管道压力监测报警系统。供水管道间隔一定距离即安装压力表，管道正常运行时，记录各管段压力数值并存贮于系统中。在运行前进行多项管道漏损和爆管模拟试验，记录试验压力数据，设定漏损和爆管压力数值，一旦管道压力达到所设压力阈值，即启动应急处理措施。

3)集水井水位监测报警系统。其原理为供水管道大量漏损或爆裂后，设置于管廊低点的集水井内水位迅速上升，达到报警水位后向监控系统发送报警信号，由控制中心采取相应措施，关闭管道漏损部位两端的阀门，停止供水，并进行抢修。在每个区间地坪标高较低处的集水坑旁安装爆管水位上升报警专用液位检测仪表，一旦发生爆管事故，管廊内水位上升触及报警水位，则启动应急措施进行防护检修。

通过上述方法，可以确保大型管线入廊的可行性。

3.5 内部结构体系设计

内部结构体系主要是指管线支撑支架体系和上下分舱时的检修通道结构体系。对于深埋盾构管廊而言，内衬结构(检修板、横梁和立柱等)浇筑、设备安装和材料运输受工作面狭小、工作面间距大和纵向施工等的制约，通常采用分段递推式现浇施工，而支架安装也是根据不同支架种类采取预埋套筒或后置锚栓等固定方式，设计和施工将消耗大量的人力和时间。

本文提出一种以预制拼装为主的内部结构体系设计及施工安装做法，即： 将管线支架的支撑体系与内衬结构的支撑体系统筹考虑。在盾构管片工厂预制生产时，于盾构管片内侧固定预埋槽道，与管片一体预制成型； 在项目实施过程中，主隧道管片拼装完成后，首先安装预制钢牛腿、钢梁、钢立柱及混凝土预制隔板，其中牛腿固定在槽道上，梁、柱、板再依次固定，各类管线支架通过统一连接方式，与槽道紧密固定连接，结构体系构件全部通过特制T型螺栓与盾构管片相连接。这样处理可以大幅提高施工精度和质量，且能保证灵活性和安装效率。盾构综合管廊内部结构布置如图8所示。

图8 盾构综合管廊内部结构布置

管片预埋槽道后，经过结构受力计算复核，隧道管片在荷载作用下，变形有一定程度的增加，但未超过整体的0.05%，开槽位置处混凝土应力状态不高，远低于混凝土轴心抗压强度，对管片结构的整体受力状态影响很小，能够保证使用安全。

3.6 管线灵活出线问题的解决

深埋管廊出于对经济性的考虑，工作井间距通常为500～1 500 m，但对于供给型管线，往往200 m甚至更小的距离就有出线要求，要与周边市政管线或入户管线进行衔接。

可以在盾构段每隔200 m左右，设置2环半钢半混凝土管片，在盾构区间洞通后，于隧道外侧开挖施工竖井或者人工挖孔桩，挖至基底后，施工水平横通道至半钢半混凝土管片位置，打开预留的钢结构洞门，接通后作为出线通道，以满足管线灵活出线的要求，如图9所示。

图9 盾构综合管廊隧道出线示意图

4 结论与建议

1)城市老城区受地面实施条件的限制，选择合适的建设方式和设计方法是推动地下综合管廊建设的关键。通过与地铁相结合，同步规划、同步设计和同步实施，采用盾构工法，借助地铁强有力的协调力度，可以同步解决与实施相关的各项问题，保证中心城区管廊项目的可实施性。同时，与地铁统一布局、统筹考虑和紧密结合，可以减少对地上和地下资源的占用，合理利用地下空间资源； 采用相同的施工工艺，可以提高施工设备的利用率和施工效率； 可以利用地铁的勘察、房屋基础资料、管线探测和地形测量等成果，提高效率，节约投资。

2)与地铁合建的盾构综合管廊的设计标准，目前国标规范并未完全覆盖。本文通过对与地铁相结合的盾构综合管廊设计涉及到的各项关键技术问题，如管廊的功能划分与构成、与地铁的结合形式、防火分区划分原则、出地面口部间距、大型管线入廊的安装运维及防爆管机制、内部结构体系型式、管廊隧道灵活出线等，结合项目应用及专项研究，给出了论述和解决思路，可为类似工程提供参考和借鉴。

3)对于盾构综合管廊的防灾问题，虽然给出了性能化计算等分析结果和指导性的设计指标，但目前国家或地方还没有颁布法定层面上的、适用于盾构综合管廊的设计标准。因此，在项目推进过程中，还需要与地方消防部门进行充分的沟通。