武汉长江隧道公铁合建与分建的经济性对比分析

熊朝辉， 彭慧琼， 孙雪兵

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

0 引言

为解决两江三岸的城市格局对现代交通的影响，武汉市除了在长江上修建多座桥梁之外，还先后修建了长江公路隧道(外径11.0 m)、地铁2号线长江隧道、地铁4号线长江隧道(外径6.2 m)、地铁8号线长江隧道(外径12.1 m)和地铁7号线三阳路公铁合建长江隧道(简称武汉长江公铁隧道，外径15.2 m)5条长江隧道，地理位置见图1。武汉长江隧道经历了从公路长江隧道、地铁小直径长江隧道、地铁大直径长江隧道到公路地铁合建的超大直径隧道的发展阶段，不同洞径修建技术丰富了武汉长江盾构隧道建造成套技术体系。

图1 武汉已建成长江隧道地理位置图

对于公铁合建盾构隧道，国外尚未有相关案例，国内公铁合建盾构隧道有上海长江隧道[1]、济南黄河隧道[2-3]、武汉长江公铁隧道。前2个隧道预留的地铁线路尚未运营，武汉长江公铁隧道地铁和公路均已运营。武汉过江隧道现有模式有公路过江隧道、地铁过江隧道和公铁合建过江隧道3种。目前，关于武汉过江隧道的研究多从工程角度出发，主要集中在技术方案探讨与比选[4-6]、设计与施工关键技术[7-9]、结构力学性能[10-11]、隧道通风[12]、防灾救援[13]及排水设计[14]等方面，尚未有从经济角度研究武汉过江隧道的文献，且国内外也未有从经济角度对公铁合建盾构隧道与分建盾构隧道进行对比分析的文献。

基于此，本文以武汉建成的长江公路隧道(单建双管4车道，2008年通车)、武汉地铁8号线长江隧道(单建单管，2017年通车)、武汉长江公铁隧道(与7号线合建，双管6车道，2018年通车)和尚无建成的单建公路长江隧道(双管6车道)为典型案例，从经济角度出发，对武汉过江隧道公铁合建与分建模式下的土建费用进行对比分析，以期为后续水下盾构隧道公铁合建与分建方案经济比选提供依据。

1 工程实施方案

1.1 公路单建双管4车道方案(武汉长江公路隧道)

1.1.1 隧道工程概况

武汉长江公路隧道位于武汉长江一桥、二桥之间，又称青岛路长江隧道，是“万里长江第一隧”，是一条解决内环线主城区过江交通的城市主干道。隧道由主隧道和6条匝道组成，全长3 660 m。其中，盾构段长2 540 m，其余采用明挖法施工。其总平面示意见图2。双管隧道合计为双向4车道，设计车速为50 km/h,盾构隧道内径10.0 m，外径11.0 m，管片厚度为0.5 m。根据通风防灾要求，两岸各设1座中间风井及风机房(简称风井)。武昌风井尺寸为22.10 m×35.09 m×19.55 m(长×宽×深)，汉口风井尺寸为28.60 m×41.90 m×20.14 m(长×宽×深)。该工程采用2台φ11.37 m泥水平衡盾构先后从武昌风井始发，在汉口风井接收。

图2 武汉长江公路隧道总平面示意图

1.1.2 隧道工程地质

隧道纵断面如图3所示。盾构通过的地层主要有黏土、粉土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、卵石、泥质粉砂岩夹砂页岩等。其中，盾构开挖粉细砂、中粗砂、卵石地层的比例占全隧道的80%左右，砂土地层中石英质量分数高达65%，使得盾构刀具磨耗严重。

1.1.3 隧道横断面方案

隧道横断面分3层布置： 上层为排烟道，中间为2车道公路，下部为疏散通道(最低点处设废水泵房)，如图4所示。

1.2 公路单建双管6车道方案

武汉尚无建成的公路长江隧道双管6车道，为对比研究公路单建双管6车道方案与公铁合建双管6车道方案的经济性，将公路单建双管6车道方案中隧道平面路径、风井平面位置、洞口位置和隧道长度等与公铁合建双管6车道方案保持一致。

图3 武汉长江公路隧道纵断面示意图

图4 武汉长江公路隧道横断面图(单建双管4车道)(单位: mm)

该隧道外径13.5 m，内径12.4 m，管片厚度为0.55 m。隧道横断面分3层布置： 上层为排烟道，中间为3车道公路，下部为疏散通道(最低点处设废水泵房)，如图5所示。

图5 公路单建双管6车道方案横断面图(单位: mm)

1.3 地铁单建单管双线方案(武汉地铁8号线长江隧道)

1.3.1 隧道工程概况

武汉地铁8号线长江隧道黄浦路站—徐家棚站越江区间在长江二桥上游约450 m处下穿长江，全长3 190 m。汉口侧设置为地下2层黄浦路站(侧式站)，武昌侧设置地下3层徐家棚站(侧式站)，2站1区间共长4 191 m，平面位置示意如图6所示。黄浦路车站为地下2层站(不含架空夹层)，车站长约388 m，建筑面积30 000 m2； 徐家棚站为地下3层站，车站长约610 m，建筑面积45 000 m2。

图6 武汉地铁8号线长江隧道平面位置示意图

根据《武汉市防洪管理规定》，长江大堤100 m范围内，地下不得施工任何永久构筑物，故隧址处2座风井的距离应大于1 950 m，不满足双管单线过江隧道通风防灾要求，因此采用了单管双线隧道方案。这是国内直径最大的单管双线地铁盾构隧道，也是国内第1条设置双层衬砌的地铁盾构隧道。本工程采用1台φ12.51 m泥水平衡盾构从徐家棚站始发，在汉口黄浦路站接收。

1.3.2 隧道工程地质

隧道所穿越的地层主要为粉质黏土、粉细砂层、圆砾土、强风化砾岩、弱胶结砾岩、中等胶结砾岩等，如图7所示。圆砾土及砾岩层含有粒径较大的硬质岩卵石，最大粒径达20 cm左右，抗压强度大于180 MPa，该段盾构掘进刀盘磨损大，结泥饼严重，施工进度慢。

1.3.3 隧道横断面方案

该隧道采用双层衬砌，隧道外径12.1 m，外层管片厚度为0.5 m，内层现浇钢筋混凝土结构厚度为0.3 m。隧道横断面分3层布置： 上层为排烟道，中间为行车层，下层为服务层，隧道最低点处可设置废水泵房，如图8所示。

图7 武汉地铁8号线长江隧道纵断面示意图

(a) (b)

1.4 公铁合建双管方案(武汉长江公铁隧道)

1.4.1 隧道工程概况

武汉长江公铁隧道位于长江二桥上游约1.3 km处，连接汉口三阳路和武昌秦园路，为城市道路和地铁7号线区间合建的隧道，道路主线长4 650 m，合建段大盾构区间长2 590 m。公路隧道为3级疏解，两岸共设置8个匝道，汉口侧设置有地下2层三阳路站(侧式站台)、汉口风井，武昌侧设置有地下4层徐家棚站(岛式站台)、武昌风井，地铁工程2站1区间长度为3 795 m。其平面位置见图6，平面组成示意见图9。

本工程采用2台φ15.76 m泥水平衡盾构从武昌风井始发，在汉口风井接收。

图9 武汉长江公铁隧道平面组成示意图

1.4.2 隧道工程地质

在满足江中段施工安全和运营阶段抗浮的前提下设计纵断面，同管合建段最大纵坡坡度为2.97%，过了两岸风井后，道路隧道以较大坡度快速爬升，实现地铁隧道与公路隧道竖向上的分离，并为地铁7号线车站的设置提供条件。

隧道穿越的地层主要为中密—密实粉细砂层，局部下切强风化粉砂质泥岩、弱风化粉砂质泥岩以及弱胶结砾岩，如图10所示。纵断面组成示意见图11。切入基岩段总长度约1 100 m，切入基岩最大深度为12.6 m，超大直径盾构刀盘磨损大，结泥饼严重，施工进度较地铁8号线长江隧道慢，掘进较为困难。

图10 武汉长江公铁隧道地质纵断面示意图

图11 武汉长江公铁隧道纵断面组成示意图

1.4.3 合建盾构段横断面方案

公路隧道采用双向6车道的城市主干路，设计速度为60 km/h。公铁合建段为双管圆形大盾构隧道，隧道管片外径15.2 m，内径13.9 m，壁厚0.65 m。采用3层布置： 上层为公路隧道排烟道，中间为3车道公路，下层为轨道交通7号线区间及疏散通道、排烟道及管线廊道。其横断面见图12。武汉长江公铁隧道是我国内陆地区直径最大的公铁合建盾构隧道。

图12 武汉长江公铁隧道横断面图(单位： mm)

1.4.4 风井至车站段方案

根据通风防灾要求，两岸各设1座中间风井及风机房(简称风井)，武昌风井尺寸为60 m×48 m×43.9 m(长×宽×深)，汉口风井尺寸为60 m×48 m×27 m(长×宽×深)。

两岸车站与风井之间上部为公路隧道，下部为地铁小盾构隧道(外径6.2 m)，长度分别为289 m和217 m，分合建转换示意见图13。

为了合理分摊地铁与公路隧道的土建投资，分摊原则为按项目使用的内轮廓横断面面积比例分摊。盾构管片内径为13.9 m，盾构内总横断面面积为151.7 m2。其中，地铁隧道部分和一半电缆通道横断面面积为45 m2，约占总面积的30%； 公路隧道和另一半电缆通道横断面面积约为106.7 m2，约占70%。合建方案需设2座中间风井，分摊到地铁部分约0.6座。故本文按盾构段内3∶7原则分摊地铁和公路土建投资。

图13 公铁合建方案分合建转换示意图

1.4.5 车站合建段方案

三阳路站为地下2层侧式站，与上部地下1层公路隧道合建，车站长约362 m，建筑面积35 619 m2，其剖面见图14。徐家棚站受武昌侧长江深槽限制，标高较低，为地下4层岛式站，与上部地下1层公路隧道合建，车站长约217 m，建筑面积38 000 m2[15]，其剖面见图15。

1.5 各方案盾构段断面比较

各越江隧道方案由盾构段+风井+车站+明挖段组成，盾构段断面面积见表1。本文分别从地铁和公路2个部分对土建投资进行对比分析。

图14 三阳路站合建段剖面图(汉口)

图15 徐家棚站合建段剖面图(武昌)

1)对于各方案盾构隧道横断面面积，公铁合建方案分摊的地铁面积(约108.9 m2)较地铁单建方案(115.0 m2)略小； 分摊的公路断面面积(约254.1 m2)较公路单建方案(286.2 m2)少约32.1 m2。公铁合建断面面积(363 m2)较地铁单建+公路单建总断面面积(401.2 m2)少38.2 m2。

2)对于公路隧道每车道分摊面积，单建双管4车道分摊为47.52 m2，单建双管6车道分摊为47.7 m2，公铁合建方案分摊为42.35 m2。可以看出公铁合建方案断面面积利用率高，单建4车道与6车道每车道面积利用率基本相当。

3)仅从提供隧道功能的净空断面面积来看，公铁合建隧道分摊的地铁部分单线净空断面面积与地铁单建单管方案基本一致； 公铁合建隧道分摊的公路部分每车道净空断面面积与单建双管4车道方案的每车道净空断面面积基本相当，比单建双管6车道方案的每车道净空断面面积大。

表1 各方案隧道盾构段断面面积(外轮廓)

2 经济分析

2.1 地铁部分投资对比

土建投资主要包括盾构区间、风井及两岸车站3部分的土建费用。

2.1.1 盾构区间土建费用对比

盾构区间包括掘进及出渣、管片预制及运输、内部结构、端头加固、泥浆处理系统、盾构摊销及其他(疏散平台、监测、降水)，具体经济指标见表2。从工程数量对比来看，公铁合建按3∶7比例分摊，合建方案分摊的地铁盾构隧道大部分延米数量比单建地铁盾构隧道数量少。

合建与分建2种方案中，管片均采用C50预制混凝土，单位体积含钢量约为180 kg/m3； 内部结构混凝土均为C40商品混凝土及预制混凝土，单位体积含钢量约为160 kg； 端头加固方式以旋喷桩及冻结法为主。从单价对比来看，管片预制及运输、内部结构、端头加固、泥浆处理系统等指标基本相同。经济指标差异主要集中在盾构区间的掘进及出渣、盾构摊销方面。受盾构掘进断面、注浆量、防水量、出渣量等影响，合建掘进及出渣单价比单建高3.31万元/延米。

直径15 m级盾构设备购置及运输费约4亿元/台，直径12 m级盾构设备购置及运输费约3.1亿元/台，两者均以10 km掘进距离摊销时，盾构每延米的摊销费用相差0.9万元。但由于武汉长江公铁隧道为首次采用外径15.2 m的盾构，因此需单独为此项目制造盾构，且后续同类项目较少，为了更符合实际市场情况，按设备购置费的40%摊销较为合适，2台盾构分摊到地铁部分的投资需额外增加1.31万元/延米。

从表2可见，对于纯盾构区间土建费用，合建分摊的地铁经济指标约为21.65万元/延米，单建地铁经济指标约为22.30万元/延米，合建比单建节省投资0.65万元/延米。

表2 单建、合建地铁部分盾构隧道经济指标对比

2.1.2 风井工程土建费用对比

合建段(盾构段+风井段)总长度约为2 710延米，合建方案设置2座中间风井，折算成建筑面积分别为16 899 m2和11 654 m2。2座中间风井尺寸大，地质条件差，覆土深，采用连续墙围护结构，其土建费用约为46 469万元，分摊到地铁的费用约为13 940万元。

秘色瓷文化具有自身的文化优势，这是不可否认。但是文化的进步过程中，文化之间的交流是必不可少的。加强文化之间的沟通交流可以让秘色瓷文化获得更好的发展。例如新时代背景下，人们对于健康的品质生活追求越来越高，饮茶的人也越来越多。而秘色瓷文化和茶文化有着密切的关系。在古代，唐代茶圣陆羽就在自己所撰写的《茶经》中对于茶具的选择有着较高的要求。茶具的配置也被看作是饮茶人品位追求、文化内涵的体现。而秘色瓷作为一种具有高档瓷器被大众所追捧。中国人对于茶文化的热爱，在一定程度上也带动了秘色瓷文化的发展。新时代背景下，我们在打造秘色瓷品牌文化的过程中，也可以积极将其与茶文化结合在一起。

增加中间风井后，合建方案分摊的地铁经济指标变为25.83万元/延米，比单建地铁经济指标22.30万元/延米增加3.53万元/延米。合建段分摊的地铁部分费用如表3所示。

表3 合建段分摊的地铁部分费用

2.1.3 地铁车站工程土建费用对比

合建方案的2座车站受公路隧道影响，三阳路站一般段基坑深度为18～21 m，徐家棚站一般段基坑深度约为34 m； 单建方案黄浦路站一般段基坑深度约为19 m，徐家棚站一般段基坑深度约为24 m。合建方案的车站基坑深度较大，造成土建费用指标比单建高。地铁两岸车站(含小盾构段)土建费用对比如表4所示。

表4 地铁两岸车站(含小盾构段)土建费用对比

2.1.4 地铁投资对比

综合盾构区间、中间风井、两岸车站3部分投资，按长度4 191 m进行对比分析，合建方案分摊的地铁费用较单建地铁方案增加1.74亿元，合建方案分摊的地铁经济指标约47.25万元/延米，单建地铁方案经济指标约43.10万元/延米，2种方案经济指标相差4.15万元/延米，具体见表5。

表5 地铁盾构区间、中间风井、两岸车站土建费用对比

2.2 公路部分投资对比

2.2.1 单建双向4车道方案与公铁合建方案对比

武汉长江公路隧道建成于2008年，比武汉长江公铁隧道2018年通车早10年。长江公路隧道建设费用与武汉长江公铁隧道经济指标存在较大差异，人工价格增幅87%，混凝土及水泥价格等增幅26%，钢材价格增幅10%，电价格增幅32%。整体价格增幅较大，折算为平均整体增幅约52%，因此仅从宏观上进行简单比较分析。

2.2.1.1 盾构段土建费用对比

武汉长江公路隧道和武汉长江公铁隧道盾构段土建费用对比见表6。由表可知，武汉长江公铁隧道土建经济指标约为武汉长江公路隧道的2倍，主要差异在于两者盾构外径引起的掘进、管片、盾构摊销、中间风井等数量及费用相差较大。武汉长江公路隧道外径11.0 m，双管断面面积为190.06 m2。武汉长江公铁隧道外径15.2 m，双管断面面积为363.0 m2，按3∶7折算公路隧道断面面积为254.1 m2，则其断面面积约为武汉长江公路隧道断面面积的1.34倍。

表6 武汉长江公路隧道和武汉长江公铁隧道盾构段土建费用对比

2.2.1.2 总投资对比

武汉长江公路隧道和武汉长江公铁隧道总投资对比见表7。由表6和表7可知，武汉长江公铁隧道总投资经济指标约为长江公路隧道的3倍，土建费用是武汉长江公铁隧道的2倍。武汉长江公铁隧道的房屋拆迁多，拆迁费高，此部分费用导致总投资经济指标比武汉长江隧道又多1倍。

表7 武汉长江公路隧道和武汉长江公铁隧道总投资对比

2.2.2 单建双管6车道方案与公铁合建方案土建费用对比

见表8。

表8 单建双管6车道方案与公铁合建方案土建费用对比

从表8可知，2方案在公路隧道方面有以下特点：

1)盾构段，因武汉长江公铁隧道分摊的公路盾构段断面小，其盾构段费用较单建双管6车道公路隧道盾构段低约4.07亿元。

2)合建段明挖结构(风井、徐家棚站和三阳路站)，合建处费用分摊按公路隧道建筑面积与地铁结构建筑面积比例划分，合建方案明挖结构(风井、车站和明挖段)合计费用约为13.02亿元，单建方案明挖结构合计费用约为12.11亿元，合建方案比单建方案费用高约0.91亿元。

综上，公铁合建双管方案分摊的6车道费用比单建双管6车道方案(盾构段+风井明挖段)低约3.16亿元。

2.3 经济性差异分析

对于武汉长江公铁隧道，按地铁、公路所占面积分摊，可以总结出如下结论：

1)纯盾构段，合建方案分摊的地铁盾构土建经济指标为21.65万元/延米(已考虑超大直径盾构摊销费用增加)，单建地铁经济指标22.30万元/延米，合建较单建盾构每延米少0.65万元。

2)考虑盾构段、长江隧道两端车站和区间风井的情况下，合建方案分摊的地铁土建经济指标为47.25万元/延米，单建地铁(含车站)经济指标为43.10万元/延米，合建公铁隧道分摊后的地铁土建经济指标较单建地铁经济指标高4.15万元/延米。合建方案地铁线路埋深大，导致合建段处风井和车站费用增加，致使合建方案分摊的地铁费用较单建地铁费用高。当合建方案车站与公路隧道不合建时，且车站埋深未因公路隧道加大时，那么仅有合建段处风井工程增加的费用。

3)考虑盾构段、区间风井和明挖段情况下，合建方案分摊后的公路隧道(双管双向6车道)土建经济指标为55.51万元/延米，较单建的长江公路隧道(双管双向6车道)经济指标(62.31万元/延米)少6.8万元/延米。因单建双管方案(隧道外径13.5 m)断面利用率低，单建方案盾构段费用较合建方案分摊的公路费用高约4.07亿元；合建方案引起风井和车站处基坑深度大，导致分摊的公路费用增加约0.91亿元。单建方案较合建方案费用合计高3.16亿元。

4)根据2)和3)经济指标分析，合建方案每延米造价约102.76万元，单建地铁+单建公路(6车道)每延米造价约105.41万元，合建方案与单建地铁+单建公路(6车道)方案的投资相差不大。

5)考虑盾构与风井段的情况下，公铁合建隧道分摊后的公路隧道(双向6车道)土建经济指标为59.21万元/延米，是单建长江公路隧道(双向4车道)经济指标(28.36/延米)的1.37倍(已扣除物价上涨的1.52倍)，与车道面积比(分摊6车道面积/分摊4车道面积=1.34)基本相当。

6)除了土建工程费用，总投资还包含大量的工程拆迁费用，各方案总投资不具有可比性。

3 结论与讨论

本文将武汉公铁合建隧道土建投资按照地铁与公路面积分摊，并与相应的单建地铁过江隧道、单建公路过江隧道土建投资进行对比分析，得到以下结论：

1)在地铁比较方面，合建方案因地铁隧道分摊面积小，分摊的地铁隧道费用较分建单管双线隧道(外径12.1 m)低； 合建方案中风井和车站基坑深度大，导致合建分摊的地铁明挖结构(风井和车站)费用较单建明挖结构高。本次比较中合建方案车站规模小、分建车站规模较大，若2种方案车站规模一致，则合建分摊的地铁费用更高。

2)在公路比较方面，单建公路采用双管隧道(外径13.5 m)，断面利用率低，较合建分摊的公路隧道费用高；无论是合建还是分建，因公路隧道位于上层，公路隧道路面标高可维持不变，导致合建段明挖结构(风井和车站)分摊的公路隧道费用有一定增加。综合考虑盾构段+明挖段，合建方案较单建方案费用低。

3)综合地铁+公路土建费用，合建方案土建总费用约45.61亿元，单建方案土建总费用约47.04亿元，若车站长度等规模一致的情况下，两者差距会减小。

4)本文未研究单建公路隧道方案采用单管外径15.5～16.0 m超大直径盾构的情况。若过江隧道风险可控，则单建公路单管+单建地铁单管方案费用较合建双管方案低，该种单建方案将是最优的经济方案。

5)从城市核心区的发展方面考虑，市区内过江通道资源有限，3车道公路隧道的服务水平远优于2车道公路隧道。研究发现，合建方案中地铁部分增加投资费用不多，单建方案公路隧道增加投资费用不多。过江隧道在前期是否采用公铁合建方案，不仅要从经济上进行对比分析，还需考虑过江隧道的资源、技术方案、超大盾构和超深基坑施工风险、征地拆迁、工期等因素。