超大直径盾构地下道路横断面设计

李非桃，刘明高，陈仁东

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

1 国内超大直径盾构地下道路发展现状

世界上公认的第一条超大直径盾构法隧道——东京湾海底隧道于1989年开工建设，采用φ14.14 m泥水平衡盾构机，1997年贯通。目前世界上最大的盾构隧道为2013年开始建设的香港屯门至赤鱲角海底隧道，采用φ17.6 m 泥水平衡盾构机。

国内超大直径盾构隧道的建设从2003年上海市上中路隧道开始，隧道管片外径14.5 m，采用φ14.87 m 泥水平衡盾构机。继上海上中路隧道成功建设之后，中国开启了超大直径盾构法隧道建设的浪潮，并且在盾构机的直径上不断出现新的突破[1]。2005年开始建设的上海长江隧道是国内第一座管片外径达到15 m 的盾构隧道，采用φ15.43 m 泥水平衡盾构机。2012年，国内盾构隧道管片最大外径达到15.2 m，2019年管片最大外径达到15.4 m，2020年管片最大外径达到15.5 m。据公开资料统计，截至2020年，国内已开工或建成超大直径盾构地下道路超过30 座（见图1）。

图1 国内（大陆地区）部分超大直径盾构地下道路统计（截至2020年底在建或已建）

从分布区域看，上海作为国内超大直径盾构隧道的始发地，逐步带动长三角经济发达地区陆续建设盾构隧道。之后珠三角地区、中部地区、华北地区相继开始建设，呈现出由一线城市向二线城市发展的态势（见图2）。

图2 国内（大陆地区）部分超大直径盾构地下道路分布（截至2020年底在建或已建）

2 既有超大直径盾构地下道路横断面尺寸统计分析

根据公开资料统计的部分国内超大直径盾构地下道路工程见表1。

根据表1 统计的数据分析，双向6 车道隧道23座，双向4 车道隧道7 座。道路等级以城市快速路、高速公路等高等级道路为主，隧道管片外径为14～15.5 m 不等，其中14.5 m 和15 m 直径的隧道占比达到70%（见图3）。

表1 国内部分超大直径盾构地下道路工程统计一览

图3 管片外径14 m 以上盾构隧道数量分布

对双向6 车道和双向4 车道盾构隧道分别统计可以发现（见图4、图5），双向6 车道隧道管片外径尺寸由14.5～15.5 m 不等，双向4 车道隧道管片外径也出现了14 m、14.5 m、15.2 m 三个尺寸。

图4 双向6 车道盾构隧道数量分布

图5 双向4 车道盾构隧道数量分布

即使在主要技术标准相同的条件下，不同工程选择的断面尺寸不尽相同。对设计车速80 km/h 的双向6 车道隧道的统计见图6，管片外径尺寸跨度达1 m。这其中有具体技术标准不同的原因，如不同道路性质的车道宽度、净空等标准不一致；有侧向设备空间尺寸选取不一的原因；也有早期隧道受装备制造和施工技术水平制约尺寸受限等原因。

图6 设计车速80 km/h、双向6 车道盾构隧道数量分布

3 盾构横断面设计的主要影响因素

影响盾构横断面设计的因素可分为建筑限界内和建筑限界外两类。建筑限界内主要包括车道宽度、净高、侧向余宽等。建筑限界外主要包括防撞墙位置、疏散梯道位置、设备箱室和管线布置空间等。

3.1 建筑限界内

城市道路和公路相关设计规范对隧道建筑限界各项尺寸要求有所区别，导致同一标准下不同性质道路建筑限界有所不同。

（1）车道宽度

《城市道路工程设计规范》和《公路路线设计规范》对于车速60 km/h 以上机动车道最小宽度的规定基本一致，原则上均采用3.75 m，小客车专用道采用3.5 m；60km/h 及以下车道宽度规定有所区别，特别是在40 km/h 和60 km/h 下小客车专用道的宽度，《城市道路工程设计规范》规定为3.25 m，《公路路线设计规范》要求3.5 m，具体见图7、图8。

图7 《城市道路工程设计规范》5.3.2 条

图8 《公路路线设计规范》6.2.1 条

从实际工程看，设计车速同为40～60 km/h，深圳春风路、武汉黄鹤楼隧道、上海诸光路隧道等城市地下道路均采用了3.25 m 车道宽度，上海北横通道和军工路隧道更是采用了3 m 的车道宽度，而道路等级为一级公路的汕头苏埃通道采用了3.5 m 车道宽度。

（2）净高

《公路路线设计规范》第6.6.2 条规定：高速公路、一级公路、二级公路的净高应为5.00 m。《城市地下道路工程设计规范》第3.5.2 条要求机动车最小净高为4.5 m，小客车为3.5/3.2 m（见图9）。实际工程中，城市地下道路最小净高为3.2 m，公路地下道路最小净高为5 m。

图9 《城市地下道路工程设计规范》表3.5.2

（3）路缘带宽度（侧向宽度）

对比图10 和图11 可知，设计车速达60 km/h 及以上时，《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》要求的侧向宽度（城市道路称“路缘带”）比《城市地下道路工程设计规范》要求的更大。

图10 《城市地下道路工程设计规范》3.5.1 条

图11 《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》表4.4.1

从实际工程看，公路地下道路中除上海长江隧道修建较早，右侧向宽度取值为0.5 m 而非0.75 m 外，其余均取值为左侧向宽度0.5 m，右侧向宽度0.75 m；而城市地下道路左右侧路缘带宽度均取值0.5 m。

根据对既有工程的统计分析，对目前常用技术标准下地下道路建筑限界进行归纳，结果见表2。

表2 常见技术标准地下道路建筑限界

3.2 建筑限界外

（1）防撞墙

《城市地下道路工程设计规范》和《公路隧道设计规范第一册土建工程》关于建筑限界与防撞墙关系的图示有所区别。城市道路限界为折线，防撞墙正面轮廓与建筑限界重合；公路限界为直折角，仅留出了余宽和检修道高度。防撞墙应完全位于建筑限界以外，因此公路隧道防撞墙所要求的横向空间要略大于城市地下道路（见图12、图13）。

图12 城市地下道路建筑限界（单位：cm）

图13 公路隧道建筑限界（单位：cm）

（2）疏散梯道

大部分大直径盾构隧道未设置人行横通道，以疏散梯道作为主要的疏散救援通道。《城市地下道路工程设计规范》第8.3.5 条规定：疏散楼梯净宽度不应小于0.8 m，坡度不应大于60°。为避免极端情况下，车辆压住盖板导致盖板无法开启，从而影响人员疏散的情况出现，建议疏散梯道整体布置在车行道以外。实际工程中，部分隧道梯道盖板侵入车行道，见图14。疏散楼梯一般布置于车行道最内侧或者最外侧，对于公路隧道而言，由于外侧侧向宽度更宽，布置在外侧更节省空间（见图15）。

图14 既有隧道内疏散通道盖板侵入车行道

图15 疏散梯道整体布置在车行道以外

（3）设备箱室和管线布置空间

隧道内轮廓断面与建筑限界之间的空间应满足隧道设备箱室和管线布置的要求，也应满足测量及施工误差的要求。相关规范要求如下：

《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》第4.4.3条规定：隧道内轮廓净空断面应满足隧道建筑限界所需空间，并预留不小于50 mm 的富余量。

《公路隧道设计细则》第5.2.4 条规定：隧道内轮廓断面与建筑限界行车限界线最小间距宜大于10 cm。

《公路隧道通风设计细则》第11.2.2 条规定：射流风机的边沿与隧道建筑限界的净距不宜小于15 cm。

《盾构法隧道施工及验收规范》第5.1.4 条和第16.0.3 条规定见图16。

图16 《盾构法隧道施工及验收规范》第5.1.4 条和第16.0.3 条

总结以上规范要求，隧道内轮廓断面与建筑限界之间应预留不小于5 cm 的富余，但考虑到横向贯通测量限差在10～20 cm，因此最小净距宜不小于20 cm，极限值应不小于10 cm。

4 案例分析

北京东六环改造工程位于北京市城市副中心，道路等级为高速公路，双向6 车道，设计车速80 km/h。线路全长约16 km，其中隧道段约9.2 km。隧道段采用明挖与盾构结合工法，盾构段长约7.4 km。该项目为北京市第一条超大直径盾构地下道路。

项目前期对盾构隧道的横断面设计方案进行了充分论证，盾构隧道横断面尺寸的选取主要从4 个因素考虑：

（1）建筑限界净宽是否符合技术标准。

（2）防撞墙位置是否占用余宽范围。

（3）疏散梯道出入口盖板是否侵入车行道范围。

（4）所有设备箱室、管线的布置空间是否满足使用要求。

基于以上考虑，对不同尺寸的盾构隧道管片外径进行比选，比选尺寸分别为15.5 m、15.4 m、15.3 m 和15.0 m（见表3）。

对表3 中的各方案逐一进行分析，当隧道管片外径采用15.0 m 时，防撞墙位置不能满足公路规范相关要求，内轮廓与建筑限界的间隙采用极限值，疏散梯道盖板侵入车行道范围内。同时结合东六环项目交通组成特点，不适用设置宽度3.5 m 车道的条件，因此未选用方案四。方案一、方案二、方案三均满足各项规范要求，但考虑测量误差等因素，并结合经济性，内轮廓与建筑限界的间隙不应小于15 cm。本项目组织的横断面设计专家会论证意见为：“盾构隧道内轮廓与建筑限界的间隙不应小于15 cm，盾构隧道断面管片内径不宜小于14.1 m。”从最大限度节约投资角度考虑，最终选用方案二，即15.4 m。

表3 东六环改造工程盾构隧道横断面比选

5 结论与建议

随着中国城市化进程的不断加快，越来越多的城市选择采用地下道路的形式解决城市交通问题，盾构隧道因具有以下优点而被越来越广泛采纳。

（1）全机械化作业，有足够的施工安全性。

（2）地下施工不影响地面交通和环境，产生的环境危害小。

（3）施工操作不受气候条件的影响等。

随着装备制造水平的不断进步，特别是盾构机国产化的发展，超大直径盾构法隧道施工技术已经非常成熟，盾构隧道断面的布置已从功能和空间兼顾向充分保障功能转变。

当然，盾构法隧道的直径并不会无休止地增大。因为即使解决了设备研发上的制约问题，考虑到经济性、城市交通的现有规划布局及对车道数量的实际需求[1]，过大直径的盾构法隧道并不一定是最优选择。过大的直径也会造成空间利用率的降低。因此，盾构隧道横断面设计标准的确定，对超大直径盾构在地下道路领域的进一步普及和发展十分重要。

根据前述分析，超大直径盾构地下道路横断面设计建议主要考虑以下原则：（1）建筑限界满足现行规范要求；（2）隧道内轮廓断面与建筑限界之间最小净距不宜小于20 cm，极限值不应小于10 cm。综合既有案例，对目前常见技术标准下地下道路横断面设计参考值见表4。

表4 常见技术标准地下道路横断面设计参考值

结合上表核查既有工程案例，接近75% 的案例实际取值与参考值一致，另有8 项案例出现建筑限界净宽和隧道管片外径较参考值偏小的情况。由于这些工程普遍建设时间较早，受当年设备制造水平、施工技术和实际工程条件影响，出现与现行规范的偏差也属正常。但是，这些工程的建设为我国后续盾构隧道技术的发展作出了卓越贡献。

我国超大直径盾构隧道的发展已进入快车道，建议结合工程项目，对盾构隧道内设备排布、上下层空间利用等内容进行更深入的研究，进一步推动超大盾构地下道路横断面设计标准化。