软土地层中地道下穿工法适用性分析

仓乃瑞

（上海市市政工程建设发展有限公司，上海市 200025）

0 引言

伴随着我国经济的高速发展，城市化进程不断加快，为满足交通量剧增的需求，完善区域路网是十分必要的。由于早期规划无法满足城市化发展需要，许多早期建设的快速路阻隔了区域交通问题。为了解决区域交通问题，同时不影响现状道路的通行，采用地下通道穿越既有道路越来越多。目前，地下通道的施工工法很多，如盾构法、顶管法、管幕箱涵法及浅埋暗挖法等，也有很多学者分别对相关工法进行研究。何川等[1]通过综述我国盾构修建技术的发展历程及趋势，对盾构法施工隧道存在的问题进行了讨论，并对未来发展进行展望；朱合华等[2]运用风险分析方法，对饱和软土地层中管幕箱涵法施工风险进行了分析；贾连辉[3]从矩形断面开挖形式研究与选型、矩形薄壳体强度及刚度等方面研究超大断面矩形顶管设计的关键技术；袁大均等[4]以南京长江超大直径泥水盾构工程为背景研究盾构掘进对土体的扰动；周文波[5]以上海外滩公路隧道超大型土压平衡盾构工程为背景对土压平衡盾构施工技术进行了详细论述；周松等[6]以虹桥综合交通枢纽仙霞西路隧道工程为背景，介绍了泥水平衡盾构穿越虹桥机场绕滑的控制标准；邴风举等[7]结合广州某引水工程研究大直径顶管在不同土质中的适用性；陈立生等[8]以上海田林路下穿中环线地道工程为例，研究管幕箱涵法在软土层中的应用；彭立敏等[9]对矩形顶管工艺的技术基础、适用环境条件和优越性进行了分析；魏新江等[10]通过对杭州地铁1号线盾构隧道的现场监测，研究了土压平衡盾构机对地层位移的影响。

本文以上海闵行某下穿S20外环高速的下穿地道工程为背景，根据相关文献及现场调研资料，对盾构法、顶管法及管幕箱涵法等下穿工法进行介绍，并分别从地层适用性、线位选择、空间利用率、施工可行性、工期及造价等方面对三种下穿工法进行了比较分析，选择最优化的工法方案，为类似工程设计提供一定的参考。

1 工程概况

为打破地区阻隔，满足外环东西两侧地块沟通的需要；进一步支撑两侧的开发建设，缓解现状路网压力，新建一条下穿S20外环线的地道。下穿地道等级为城市次干路，双向四车道，采用南、北线双线穿越外环线，S20外环线红线宽度为100 m，具体线位见图1所示。

1.1 周边情况

S20外环线西侧为现状闵行体育公园，存在较多景观水系及一座约20 m高的垃圾山，地质条件较为复杂；S20外环线东侧现为空地，但有一条平行于外环线河道蓝线宽度为20 m的规划河道，东侧蓝线至外环线红线距离约32 m。紧邻外环线两侧分布较多重要市政管线如图2所示及表1所列。

图1 中心线线位图

图2 S20外环线两侧管线示意图

表1 现状外环重要管线情况一览表

该工程地质情况为上海常规土层，主要分布及土层参数详见表2所列。

表2 土层物理力学指标一览表

1.2 相关要求

该地道的设计需满足地道正常运营、故障检修、事故安全疏散等多种工况的功能要求，横断面设计主要考虑：地道建筑限界、设置设备空间等。地道按城市次干路标准设计，地道设计车速为40 km/h，地道建设规模为双向四车道。根据总体设计明确的技术标准，单根车道宽度定为3.5 m，建筑限界高度为4.5 m。路缘带宽度左侧为0.25 m，右侧为0.25 m。安全距离为0.25 m，建筑限界为8.0 m×4.5 m，详见图3所示。

图3 地道建筑限界图（单位：mm）

由于S20外环线两侧的燃气管、给水管及污水管均为总管，保护要求均比较高，航油管及超高压排管保护要求也非常高，因此在地道的设计和施工过程中，均不能影响其正常运行，同时考虑到开发时序的需要，东侧的规划河道及市政道路可能同步施工，以及目前西侧体育公园景观体系均已成熟，故在地道设计时，需尽量减少对上述两者的影响。

2 地道下穿工法对比分析

根据该工程的规模、地质条件、相关文献，以及目前上海在建项目现场调研资料，其下穿地道可采用盾构法（土压、泥水平衡式）、矩形顶管法及管幕箱涵法等工法。盾构法是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周土体防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖并运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片形成隧道结构。顶管法是隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法。在施工时，采用顶管掘进机成孔，通过传力顶铁和导向轨道，用支承于基坑后座上的液压千斤顶将预制成型的管节从工作井顶入，形成连续衬砌结构。管幕箱涵法是基于管幕法及箱涵法两种工法，将两种工法有效地结合起来，先在箱涵顶进位置外围采用小直径钢管顶进形成封闭钢管幕，再在该封闭钢管幕中进行箱涵的顶进。下面主要就此三种工法的地层的适用性、线位及空间利用率、施工可行性、工期及造价等方面进行分析。

2.1 地层的适用性分析

软土地层主要有含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、渗透性低、灵敏性高、流变性明显及压缩性高等特点。这些特点也导致了地下工程施工时，周围土体自稳能力较差，容易产生坍塌，并且土体一经扰动，土体强度显著较低，严重影响工程施工安全。

盾构法在软土地层中主要采用封闭式盾构，根据保持密封土舱内承压介质的不同，可分为泥水平衡式、土压平衡式两种。两种封闭式盾构对于软土地层均有较强的适应性，其中：泥水平衡盾构对不稳定的软弱地层、含水砂层、黏土、冲积层及洪积层等流动性高的土质，使用效果较好。但当地层中黏土含量不足10%，使用泥水平衡盾构在开挖面上很难形成泥膜，开挖面容易坍塌，容易出现盾尾漏水现象，并且当在覆土薄及渗透系数大的砂层中掘进，容易出现地表冒泥，因此泥水平衡盾构很难适应于松散的砂及砂砾层。对于含水率低的固结黏土，由于吸水后粘附力增加，对于面板式刀盘容易产生刀盘、舱四周粘附压实固结黏土的现象或引起泥水舱堵塞。

土压平衡盾构对于粘质粉土和粉砂地层，根据土层的稠度，不需要加水或只需要加入少量的水，通过搅拌装置在开挖室内的搅拌，即使土层变成塑性较好的土体；对于砂质土层，由于黏土含量较少，塑性和抗渗透性较差，为避免排土不畅，需加入相关添加剂进行渣土改进。对于含水率低的固结黏土，可以采用中心轴支承方式，轮辐刀盘掘土效果好。而土压平衡盾构机容易产生刀盘、舱四周粘附压实固结黏土的现象。

矩形顶管法适用于淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土及渗透系统较小的砂土层。淤泥土、松填土和沼泽地基强度低，不均匀性较大，顶管轴线很难控制，可能导致工作面坍塌和轴线失稳；卵石层和渗透系数较大的砂土层，减阻泥浆不能形成泥膜，不利于顶管推进。

管幕箱涵法与矩形顶管法相似，均利用前部刀盘削土，后部千斤顶顶进的原理，其中前部刀盘与土压平衡盾构相似，两种工法适用于粉土、渗透系数较小的砂土及黏土等各种土层，尤其对于软弱土层有良好的适用性。

综上所述，三种工法均适用于软弱土层，其中泥水平衡盾构对砂土及低含水量的固结黏土的适用性一般，土压平衡盾构、矩形顶管及管幕箱涵法适用于所有土层（除岩层）。根据管线埋深及相关保护要求，该工程下穿地道结构上方覆土要求为14.5 m，从表2的勘察资料可知，地道位于④1淤泥质粘土、④2粉砂及⑤1-1粘土层中，土层含水量均较高，故该工程地道三种工法均可以采用。

2.2 线位分析

地道线位的选择应满足主要要求，有暗埋段长度、埋深、坡度及平面曲率等方面，该工程地道暗埋段长度需满足不影响外环线及其两侧重要管线正常运行，同时尽量减少对规划河道、道路施工的影响及公园景观的影响；地道埋深需满足S20外环线两侧重要管线的安全净距要求；而地道坡度及平面曲率能满足市政道路相关标准即可。

盾构对埋深有一定的要求，当地道埋深很浅时，将造成盾构上浮、地面隆起及壁后注浆导致地面冒浆等问题，一般埋深不低于0.5D（D为盾构直径）；当盾构埋深很大时，软土地层由于地下水位高，土性差，盾构机械和衬砌管片间要有很好的止水性能。盾构法施工受地道长度限制不太明显，但考虑到经济性问题，盾构法施工的地道长度不宜太短。为了地道施工时排水需要、出渣及运料的作业效率，以及对周边的扰动，地道坡度以0.2%～0.5%为宜，很难适用于大坡道、大变坡的地道施工。从平面线位上，由于盾构的直径较大、管片间防水需要，以及小曲率将导致周边土体扰动加剧，地面沉降增大，故盾构法不太适用小曲率的线位地道的施工。

矩形顶管法主要通过后部千斤顶推进，侧壁周边的摩擦力较大，施工距离太长，所需的顶力将非常大，因此矩形顶管法不太适用于长距离地道。根据相关文献资料及现场调研，目前已建或在建的工程中，该工法最大施工长度约为170 m。同时，根据传力路径，该工法不适用于大坡度及曲率的线型，主要以直线型为主。

管幕箱涵法由于箱涵顶进力及顶进精度的限制，与矩形顶管类似，施工长度也受到了较大的影响，目前已建或在建的工程中，该工法施工的长度最大仅为126 m。由于管幕的存在，分担上部部分土体重量，使得开挖面主动土压力减小，同时箱涵顶进施工时，管幕减少土体的隆起，从而减弱对周边环境的影响，故管幕箱涵法也适用埋深较浅的地道；与矩形顶管法类似，当线位竖向坡度及平面曲率较大，管幕和箱涵施工均较为困难，因此该工法较适用于直线的线型。

综上所述，盾构法适用于长距离、埋置深度深及大曲率线位的地道，而矩形顶管法和管幕箱涵法适用于短距离及直线型的地道。根据该工程的特点，为了减少对西侧体育公园、外环线及其两侧管线的影响，采用盾构法施工下穿地道比较有优势。

2.3 空间利用率分析

盾构法的断面形式较多，如圆形、双圆深接形、矩形、半圆形及椭圆形等。上述断面形式中圆形以受力合理，管片制造及安装简单，机械设备制造简单，施工对周边土体扰动小等有优点得到广泛的应用，故该工程考虑施工圆形断面，外径为11.36 m，详见图4所示。从图4可以看出，圆形盾构的上拱部无法有效利用，下部拱部仅可以作为管线及逃生通道，故整体空间利用率较低。

图4 双管圆盾构横断面图（外径11.36m×2）

矩形顶管法的断面形式有圆形和矩形，但圆形断面一般适用于管道工程，地道工程常采用矩形断面，详见图5所示。从图5可以看出，上、下拱部曲度较大，无法利用的空间很少，故矩形顶管法的空间利用率相对较高。

图5 双管矩形顶管横断面图（10.4m×7.5m×2）

管幕箱涵法一般采用矩形断面，详见图6所示。从图6可知，断面的上、下部均为直线段，不存在局部拱部无法利用的情况，故管幕箱涵法的空间利用率最高。

图6 管幕箱涵法横断面图（19.5m×7.4m）

综上所述，三种工法中，圆形盾构法的空间利用率最低，管幕箱涵法的空间利用率最高，矩形顶管法与管幕箱涵法相比略低。

2.4 施工可行性分析

根据道路方案，该工程地道全长约为1.1 km，下穿外环处路面埋深23～25 m，道路最大纵坡按5%控制。

采用盾构法方案，盾构段总长625 m，明挖段479 m，外挂地下一层设备用房。盾构段覆土厚度6.5～15.7 m，道路最大埋深22.8 m，详见图7所示。

图7 盾构法平面布置图

采用矩形顶管法方案，地道段总长度为1 160 m，顶管段160 m（外环线西侧燃气管至外环东侧电力管中心间距为120 m,两个工作井至管线的安全距离取20 m），明挖段968 m，设备用房利用车道上部空间。顶管段覆土厚度11～14.7 m，道路最大埋深25.4 m，详见图8所示。

图8 矩形顶管法平面布置图

采用管幕箱涵管法方案，管幕箱涵段160 m（外环线西侧燃气管至外环东侧电力管中心间距为120 m，两个工作井至管线的安全距离取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，详见图9所示。

图9 管幕法平面布置图

综上所述，盾构法施工对体育公园的影响较小，也不影响西侧规划河道及道路施工，而矩形盾构法及管幕箱涵法需长距离的开挖，对西侧公园影响非常大，也导致西侧规划河道及市政道路无法同步施工，故就该工程而言，采用盾构法施工比较有优势。

2.5 工期及造价分析

地道埋置深度、长度、断面形式及平面曲率对不同工法各有利弊，因此充分利用土层性质结合线位特点选择工法，不仅能够缩短工期，还能有效地降低造价。

盾构法施工时，设备费用较高，当长度较长或埋置较深时，盾构设备和工作井的费用占总费用的比例下降，同时能够减少对地面构筑物的破坏和搬迁工作，减少搬迁费用。工期方面，盾构法施工机械化程度比较高，不受外界气候影响，施工速度较快，可达到10～12 m/d，但环境要求严格时，推进工期会相应延长。

矩形顶管法由于顶管施工费用较高，同时施工的长度受限制，故整体费用较高。工期方面，由于矩形管片顶进过程中，与周边土体的摩擦力较大，施工的速度较慢，一般为3～5 m/d。管幕箱涵法由于管幕施工和箱涵顶进的费用均较高，尤其小断面箱涵施工。由于管幕箱涵法需要先施工管幕后进行箱涵顶进，故施工工期较长，一般为2～3m/d。

3 结语

根据上述对三种工法的地层适用性、线位选择、空间利用率、施工可行性、工期及造价等方面进行了分析，可以得出如下结论：

（1）三种工法基本适用各种软弱土层，其中泥水平衡盾构对砂土及含水量低固结黏土的适用性受到一定限制，但就该工程地质情况而言，三种工法均适用。

（2）线位方面，盾构法适用于长距离、埋置深及大曲率的工程，而矩形顶管法及管幕箱涵法适用短距离及直线型的工程。

（3）空间利用率方面，盾构法空间利用率较低，而矩形顶管法及管幕箱涵法空间利用率均较高。

（4）施工可行性方面，从该工程现场条件进行分析，盾构法对周边环境影响较小，临近项目同步的施工影响也比较小，而矩形顶管法及管幕箱涵法对周边环境的影响均较大。

（5）工期及造价方面，盾构法的工期及造价均较小；矩形顶管法造价较高，工期较长；管幕箱涵法造价最高，工期也最长。