盾构法在哈尔滨化工路综合管廊中的应用研究

朱邦范， 陈立飞， 杜晓庆， 盛棋楸

(1. 上海大学土木工程系， 上海 200444； 2. 上海浦东建筑设计研究院有限公司， 上海 201204)

0 引言

综合管廊是一种同时容纳电力、通信、给排水、热力、燃气等市政管线的地下基础设施[1]。综合管廊由干线综合管廊、支线综合管廊和缆线综合管廊组成。干线综合管廊主要容纳城市主干管线。支线综合管廊是干线综合管廊的分支，负责将干线管廊内的供给分配给各个用户。缆线综合管廊主要容纳城市架空的电力、通讯等电缆[2]。上海浦东建成了国内第1条初具规模的综合管廊。广州大学城建成长约17.4 km的综合管廊，是国内已建成并投入运营规模最大的综合管廊[3]。2013年开始，我国加大了对综合管廊建设发展的力度，国务院先后印发了关于加强综合管廊建设指导意见的文件，并在2015年公布了哈尔滨、厦门等10个城市为综合管廊建设试点城市[4]。

综合管廊的建设兴起于欧洲，而我国综合管廊的建设与研究起步较晚。薛伟辰等[5]较为系统地介绍了预制拼装综合管廊的构造特点和实际应用范围； 谭忠盛等[6]对国内外综合管廊建设管理模式及关键技术进行了总结与分析； 蒲贵兵等[7]以重庆市通江大道综合管廊为例，提出了当前城市综合管廊建设存在的问题； 范翔[8]结合实例对综合管廊节点设计方法进行了总结； 庞瑞等[9]研究了不同装配方式对矩形断面双舱综合管廊受力性能的影响； 张帅军[10]结合一些实际案例，分析了盾构法施工在城市地下共同管沟的应用前景。综上，目前我国大规模采用盾构法建设综合管廊的实际工程案例较少，针对采用盾构法建设综合管廊的一些关键技术还很薄弱。当前我国城市综合管廊建设主要采用明挖法施工，但在老城区、商务核心区采用传统明挖法施工存在诸多弊端。随着施工的信息化、绿色环保化、机械化，采用盾构法建设综合管廊将是今后的发展趋势。本文以哈尔滨化工路段综合管廊为例，对综合管廊施工工法的选择进行了分析，详细介绍了化工路盾构段综合管廊的设计要点，以期为今后我国在城市老城区建设综合管廊提供参考。

1 工程概况

老城区化工路综合管廊属于哈尔滨市综合管廊2期建设项目的一部分。如今哈尔滨市一期综合管廊试点工程已建成25.1 km。根据《哈尔滨市地下综合管廊规划》，哈尔滨市政府确定启动2016—2020年综合管廊2期工程建设，部分规划如图1所示。哈尔滨市2期综合管廊规划建设101.51 km，工程总投资约160亿元。

图1 哈尔滨综合管廊2期部分规划图Fig. 1 Part of plan of Harbin utility tunnel Phase 2

化工路属于哈尔滨三环范围，是东部地区对外联系的重要道路。化工路沿线地块的发展历史和规划决定了化工路为目前哈尔滨客货交通最繁忙的交通主干道。为避免今后铺设管线反复开挖路面影响道路交通、浪费宝贵的地下空间资源、污染环境，拟实施化工路综合管廊建设的路段为哈东路—闽江路。其中，哈东路—先锋路段采用明挖法预制装配式综合管廊施工建设，先锋路—闽江路段采用盾构法施工建设。

先锋路—闽江路段是第1条在高寒地区采用盾构法施工的综合管廊，在设计和施工中都要充分考虑冬季施工过程中可能遇到的各种问题，以保证工程施工质量和施工安全。化工路综合管廊规划穿越中国石油哈尔滨石化公司化五专用铁路线，在设计中应谨慎处理施工期和运行期内综合管廊和铁路专用线的结构安全问题。此外，沿线分布有热力、电力等若干管线，也需要在设计中提出相应的保护措施。

2 化工路综合管廊工法选择研究

2.1 综合管廊工法选型分析

综合管廊建设主要以明挖法和盾构法为主。表1对采用明挖法与盾构法建设综合管廊的优缺点进行了对比分析。

表1明挖法与盾构法建设综合管廊工法对比分析

Table 1 Comparison between open-cut method and shield method for construction of utility tunnel

施工工法优点缺点明挖法 1)施工技术简单,工程造价较低; 2)采用分段施工的方式可缩短管廊建设周期,适用于新建城区管网建设 1)施工前需要规划好施工过程中路面交通引流方案,避免管廊的施工对道路交通运输产生过大影响; 2)需要搬迁原有路面下的各类管线,另外,明挖法需进行基坑围护、排水等施工措施,不适合在老城区交通主干道采用明挖法建设综合管廊盾构法 1)不受地面交通、河流、季节和地质条件等外部环境因素的影响,能够经济安全地保证综合管廊施工; 2)采用盾构法施工推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化,其劳动强度远低于明挖法; 3)地面上部原有自然景观和建筑风貌可以得到良好的保护,不会受到盾构施工的破坏,在老城区、交通密集区、城市商务核心区建设综合管廊尤其能突显盾构法施工的优越性; 4)对于埋深较深、直径大、距离长的综合管廊,盾构法施工具有技术、经济、安全等方面的优势 1)盾构法一般运用城市地下轨道交通建设,目前市面上还没有开发出适用于地下综合管廊特点的盾构设备,综合管廊的断面尺寸选择受制于当地的盾构机型及设备; 2)采用盾构法施工建设成本较高,综合管廊盾构法施工与管廊附属设施,如管线引出口、通风口、逃生口等特殊节点设计相关规范和标准还不完善,廊道内各类管线的支架设计等问题尚待解决

2.2 化工路管线敷设现状概述

化工路地下现有公用各类管线密布，特别是先锋路—闽江路段有多条重要主干管线。位于现状道路东侧有1根DN1 000中石油输水专用管线、1根DN1 000哈热电厂输水专用管线； 道路西侧有1根DN700第七水厂供水管线为沿线区域服务；机动车道下方有2根DN1 000供热管线一供一回；道路两侧人行道下有2根DN800、1根DN500雨水管线； 有1根DN700高压燃气，海河路以南位于机动车道下方，以北位于西侧绿化带。化工路现状管线横断面布置见图2。

图2 化工路现状管线横断面布置

2.3 化工路采用盾构法施工的原由

化工路综合管廊场地属于岗阜状平原地貌单元，地基土分布比较均匀，性质变化不大，从上到下颗粒由细到粗分布。表层由杂填土组成，地基土主要由黏性土和砂类土组成。盾构综合管廊位于粉质黏土层、中砂层及粗砂层。

化工路由于其特殊的地理位置，目前是哈尔滨客货交通最繁忙的城市交通主干道。道路两侧原大型企业较多，例如哈投供热、中石化哈尔滨分公司、第七水厂等，造成化工路下大口径公用管线较多。这些现状条件造成在化工路(先锋路—闽江路段)采用明挖法施工综合管廊难度较大，管线临迁费用昂贵，施工期间易出现交通瘫痪等问题。在化工路(先锋路—闽江路段)采用盾构法建造地下综合管廊最大限度地减少了综合管廊建设期间对城市交通、地下管线和周边环境的影响，充分体现了绿色、创新的城市发展理念。

3 盾构段综合管廊设计要点分析

3.1 盾构综合管廊横断面设计

盾构区间拟设置在现状机动车道，为避开东侧2根DN1 000给水管，拟将盾构始发井及综合井节点布置在靠近机动车道西侧。根据化工路(先锋路—闽江路)段规划设计入廊管线的种类、规格、支架尺寸、预留管廊检修和施工通道、二次衬砌设计等因素，设计盾构段综合管廊内径为5.9 m、管片厚度为0.35 m，盾构埋设深度6.6 m，双向盾构施工。管廊断面见图3—5。

图3化工路(先锋路—闽江路)西线标准断面图

Fig. 3 Standard cross-section of West Line of Huagong Road (Xianfeng Road to Minjiang Road)

图4 化工路(先锋路—长江路)东线标准断面图

Fig. 4 Standard cross-section of East Line of Huagong Road (Xianfeng Road to Changjiang Road)

图5 化工路(长江路—闽江路)东线标准断面图

Fig. 5 Standard cross-section of East Line of Huagong Road (Changjiang Road to Minjiang Road)

3.2 盾构综合管廊衬砌结构设计

1)衬砌结构安全等级和耐火等级均为一级，防水等级为二级，设计使用年限为100年。

2)结构按7度抗震设防，并按8度采取相应构造措施。

3)衬砌结构变形要求： 计算直径变形≤2D‰(D为外径)，裂缝宽度≤0.2 mm。

4)结构施工阶段抗浮安全系数≥1.1，运营阶段抗浮安全系数≥1.2。

5)普通钢筋混凝土管片采用高强混凝土C55，混凝土抗渗等级为P8。

6)钢筋混凝土衬砌需在高精度钢模内制作成型，每环由封顶块、邻接块、标准块、拱底块构成。主筋保护层厚度为50 mm，构造钢筋保护层厚度为25 mm。

3.3 内部结构设计

化工路综合管廊内部管线支架体系采用钢框架支撑结构。若内部管线支架体系采用混凝土结构，绑扎钢筋、混凝土浇筑和养护施工周期长，混凝土分舱结构在舱内二次喷浆工艺较为复杂，而且工程造价高。因此，化工路综合管廊内部管线支架体系采用钢框架支撑结构更为经济合理，钢框架采用预埋件与管道基础连接。对电缆舱采用压型钢板楼面分隔，水平分隔板采用钢格栅板。

3.4 盾构综合管廊综合井设计

考虑到综合管廊出线、通风、吊装、逃生等功能的实现及体现盾构法施工的优势，化工路盾构段沿线东西两侧拟设置3处综合井节点，盾构段综合井设置见图6。城市综合管廊工程技术规范要求逃生口间距在敷设电力电缆和天然气管道的舱室不宜大于200 m，敷设热力管道和其他管道的舱室不大于400 m。综合管廊吊装口间距不宜超过400 m[11]。化工路是城市交通主干道，考虑到每200 m设置1个综合井时，施工期间对路面道路交通影响较大而且工程造价高，化工路入廊管线中对于火灾出现可能性较大的天然气管线不入廊，对敷设的电力电缆管线采用电子监控系统实时对电力管线温度、电压等进行检测预警。对于热力和给水管线综合井间距，基本满足规范要求。考虑到支线路口间距、方便出线、与相邻道路管线接口等因素，采用500 m左右间距设置综合井，从安全性和经济性上考虑是可行的。

图6 盾构段综合井设置(单位： m)

综合管廊综合井设计一般采用2种方法。一种方法是按不同功能对进风口、排风口、投料口、逃生口、吊装口等分别设置单个节点。另一种方法是集约化地将多个节点组合布置于1个综合井内。采用组合节点井能减小地面口部的数量，便于管理，美化景观效果，减少管廊非标段的长度，便于标准段预制拼装工艺的推广和使用[12]。

化工路综合管廊节点井采用综合节点井设计，考虑综合管廊出线、通风、吊装、逃生、变配电间等功能在一个综合井内的实现，减少盾构区间综合井的设置，避免过多节点井在施工期间对交通的影响，充分发挥盾构法施工的性价比。综合管廊综合井如图7所示。

(a) 综合井平面图

(b) A1—A1剖面图

4 施工工艺

4.1 高寒地区施工

化工路综合管廊是目前我国第1条在高寒地区采用盾构法施工的综合管廊。哈尔滨地处高寒地区，全年可施工工期短，采用土压平衡式盾构法可在冬季进行施工。冬季施工盾构需采取合适的加热保温措施，以保证盾构在高寒地区顺利运转[13]。在开始盾构施工前，需优化施工组织方案，充分考虑冬季施工过程中可能遇到的各种问题，保证工程施工质量和施工安全。

4.2 下穿化五专用铁路线

化工路综合管廊规划穿越中国石油哈尔滨石化公司化五专用线走行线，铁路线位于化工路长江路路口以北约400 m，既有ZK0+103.46有1处平交道口，宽度32 m，橡塑铺面，沿线分布有热力、电力等若干管线。为降低盾构穿越工程风险，采取以下措施： 1)在道路两侧预埋注浆管，以控制施工期间和盾构穿越后的铁路沉降量； 2)施工期间降低列车载重与频次，并且在施工期间列车限速为45 km/h； 3)施工期间加强沉降监测工作。

5 结论与讨论

1)对比分析了综合管廊明挖法和盾构法的优缺点。化工路综合管廊采用盾构法施工能有效避免交通导改困难、管线搬迁工作量大等问题。盾构法施工采用预制管片安装，减少了现场施工工作量，对环境影响小，属于绿色、现代化施工工艺。

2)在道路两侧采取预埋注浆和列车限载限速等措施下，盾构法施工下穿化五专用铁路线是安全可行的。

3)盾构截面形式采用圆形断面空间有效利用率较低，随着今后施工技术的发展，盾构管廊截面可采用矩形或椭圆形等其他形式。

4)管线引出口、通风口、逃生口等特殊节点设计相关规范和标准还不完善，廊道内各类管线的支架设计等问题尚待解决。