盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置

地下工程与隧道2013年第3期2013No．3UNDEＲGＲOUNDENGINEEＲINGANDTUNNELS盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置曹文宏，申伟强(上海市隧道工程轨道交通设计研究院)摘要:用盾构暗挖法建设地下道路的工程越来越多，但其出入口匝道、尤以分合流车道拓宽段的设置却成了难题。介绍了国外已有的全暗挖施工方法，如在主线和匝道隧道间以横向弧形管幕+冻结法和沿隧道纵向的管幕法，构筑新的横向椭圆形结构来建造两者间分合流拓宽段。作者还结合工程，对局部明挖法的方案设计作了尝试———结合沿线工作井，在井内以明挖法完成不同隧道主线、匝道间的分合流拓宽段建设。通过不同工法的比较，希望能以此有助于拓宽设计思路，为盾构法道路隧道工程建设提供参考与借鉴。关键词:盾构法道路隧道出入口匝道分合流车道拓宽段纵观相关工程，从施工方法上来看，盾构法隧道出入口设置有全暗挖和工作井段局部明挖+暗挖两种。从布置方式上看有两类，A类———地下道路出入口设置在道路两侧;B类———出入口设置在道路中央或中央分隔带。一般B类适用于地面道路狭窄、二侧建筑物非常密集、街坊出入通道较多、地下道路出入口坡道与地面道路连接的敞开段会严重阻碍沿线车辆的通行的情况，在日本，已有不少采用暗挖成功的工程实例。另外，根据主线盾构隧道的构成，又可分为双管单层隧道出入口设置和单管双层隧道出入口设置。对此，结合国内现有的交通模式也作了一些相关的研究与探讨。1引言随着城市经济的快速发展和人口的增加，地面道路交通越来越拥堵，建设地下道路工程已成为解决城市交通问题的必由之路。但是，在繁华、拥挤的城市中，采用全明挖法施工长距离或较长距离地下道路的困难非常大。道路红线狭窄、两侧建构筑物林立、拆迁维稳艰难;地下管线纵横交错，搬迁改线不易;沿线已投入运营的、待建的地下轨交的保护和预留要求高;地面河道避让、穿越的制约等等。故往往推荐采用以暗挖的盾构法来修建地下道路。既然是道路工程，为充分发挥其缓解地面交通压力、方便交通集散的功能，就必须按需设置符合区域交通需求和路网交通流向的出入口匝道，以沟通地面、地下交通，形成一个有机、高效的立体道路交通模式。出入口匝道的设置，对全线进行明挖施工的工程而言是简单易行的，但在盾构法道路隧道建设中却成了一个难题。满足交通需求的盾构法隧道一般都按设计要求，采用一定直径的盾构来进行掘进施工，如何满足出入口匝道加、减速车道渐变加宽的要求?如何来实施出入口匝道?这一问题得不到妥善解决，将从根本上制约盾构法在地下道路工程中的应用，难以发挥暗挖隧道在减少对周边环境综合影响方面的优势。2盾构法隧道匝道设置的研究与实践2．12．1．1用暗挖法建出入口匝道的方法用管幕+冻结法建主隧道与匝道盾构隧道间分合流拓宽段(AW－1工法)1)施工方法。在盾构法隧道主线完成后，再以小直径的盾构施工匝道隧道至分合流点，然后施工主隧道和匝道隧道间的分合流段。日本某工程根据现有技术和施工条件，对分合流段车道拓宽段(以下简称“拓宽段”)进行了如下3种施工方法(见表1)的比较。其中，以弧形管幕+冻结防水方法为最优(AW－1方案)。—1—设计与研究 曹文宏，等:盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置第3期表1分合流车道拓宽段施工方法2)匝道分合流段横断面设计。沿道路方向分合流段横断面设计尺寸在不断变化(见图1)。图1分合流段横断面图—2— 曹文宏，等:盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置第3期框架横断面宽度第一段最大，加减速段(第二段)和逐渐变窄段(第三段)内部空间逐步减少，第三段已不再有匝道隧道，只需施工弧形管幕来保证框架内所需的空间即可。2．1．2构筑椭圆形衬砌环满足盾构法隧道、匝道间分合流段的建设(AW－2工法)图2地下扩大段简图日本横滨环线道路北段为二管平行的盾构法隧道(Φ12．49)，其间共设置了4个分合流区段，地下拓宽段(见图2)为建造耐久、防水的扩大段结构，在分合流段沿隧道纵向以管幕法建椭圆形断面的衬砌环(见图3)。施工步骤见图4。2．1．3利用竖井构筑二主线隧道间管幕再暗挖出入口车道间拓宽段(AW－3工法)日本新宿线对明挖施工会严重影响地面交通或地下构筑物的不易处理区段，采用了利用竖井、图3工程分合流段结构图4施工步骤图(AW－2工法)—3— 曹文宏，等:盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置第3期通过管幕支撑上部土体，然后开挖2条隧道间的土体，最后完成出入口的非明挖施工方法。该工法施工过程中，结构受力体系会发生重大变化，可能出现管幕、地面沉降、隧道变形、隧道上浮等问题(见图5)，应对不同工况下临时挡土墙、竖井、隧道管片、隧道内部支撑、管幕梁进行三维整体分析后进行设计，并辅以必要的施工监测来确保安全。图5非明挖法施工及可能产生的问题示意图(AW－3工法)2．2通过工作井内明挖施工完成主线隧道与匝道隧道间的拓宽段根据工程沿线环境条件、用地情况、交通特征在日本东京中央环线新宿线地下工程中，为不减少地面道路的车道数，保证地面道路的正常交通，全线长11km中的70%均以盾构法施工。沿线表层为亚黏土层，盾构掘进范围主要有东京碎石层和N值超过50的Kazusa层。施工中，在两条平行隧道建成后，对出入口匝道上方土层采用明挖施工，再按需切割已成环的盾构隧道的钢管片，然后施工钢筋混凝土框架构筑匝道。为了缩短工期，在新宿线工程中，当盾构刚推过匝道处，即开始切割隧道，该工法施工出入口的示意图见图6。与需求，再结合施工工艺、流程，对有条件设工作井的情况，则可较方便地在工作井内完成主线隧道与出入口匝道间分合流拓宽段的施工，并可为匝道的暗挖施工———矩形顶管或矩形盾构提供实施条件。根据需要与可能，主线隧道有双管单层和单管双层之分。双管隧道出入口匝道设置又有成对对称设置和前后错开单侧设置两种。日本新宿首次采用特殊的明挖技术，切割已成环钢管片建出入口匝道(MW－1工法)2．2．1图6出入口/交通枢纽开挖—4— 曹文宏，等:盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置第3期因开挖深度和钢管片切割范围随主线、匝道线路纵断面变化而变化，故钢筋混凝土框架的位置、形状也在逐步变化。施工步骤见图7。施工中主要关键技术有:1)有效解决挡土墙底与隧道衬砌间渗漏水问题。2)采用合理的临时支撑，防止在开挖和框架底部施工过程中的土体坍塌，将隧道变形限制在允许范围内。3)隧道开挖段采用适当的复合结构，控制结构变形、应变。匝道段钢管片在匝道施工中和施工后都会产生附加应力与变形，设计中应以施工阶段不同工况应力分析为基础，采用特殊的加强钢管片(含结构型式和材质的加强)与有效、合理的支撑。图7施工步骤图(MW－1工法)2．2．2在明挖工作井内按需完成主线、匝道隧道间分合流拓宽段的设计1)主线双管单层隧道方案。现以一主线设计速度为60km/h的双向4车道小客车专用地下道路隧道设计为例，取单向主线车道宽度为3．25m×2+2．5m(应急车道)。匝道设计速度为40km/h，车道宽度为3．25m+2．0m(停车带)。车行道净高3．5m。综合考虑道路建筑限界、隧道设备限界、安全疏散要求、施工误差等因素，主线圆隧道内径取11．0m，外径12．0m，根据道路规范规定，拓宽段由45m渐变段和120m加速车道段(减速车道段长仅70m，现均按加速车道计)构成，不同情况下工作井的规模大小如下:(1)匝道对称设置(MW－2、3、4工法)。①对称设置入口匝道与出口匝道情况下，明挖施工的工作井范围见图8，按较紧凑的安排工作井长度165．00m、出入口端工作井宽度61．90m。②当设一对入口匝道时(见图9)，工作井长度165．00m、宽度51．45m(两端扩大部分垂直线路方向错位约8．7m)。③设一对出口匝道时(见图10)，工作井长度115．00m，工作井最大宽度为51．45m(二端扩大部分垂直线路方向错位约8．7m)。—5— 曹文宏，等:盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置第3期图8对称设置出入口匝道(MW－1工法)图9设一对入口匝道(MW－3工法)图10设一对出口匝道(MW－4工法)(2)匝道单侧设置(MW－5、6、7)。①单侧设入口匝道情况时，单线工作井长165．00m，宽33．45m(见图11)。图12单侧设出口匝道(MW－6工法)主线单管双层隧道方案。2)当采用单管双层隧道时，主线隧道直径必然要加大，相应工作井深度加深、平面尺寸缩小。下层车道的匝道长度会增加，相比上层匝道约需增长180m左右。图11单侧设入口匝道(MW－5工法)②单侧设出口匝道时，工作井长度短，长约115．00m，宽33．45m(见图12)。③主线中设双车道及集散车道(3．25m×2+3．25m)，集散车道服务于出入口匝道段渐变、分合流之需(见图13)。这样盾构法隧道外径扩至13．40m，但工作井长度缩减至91．00m、最大宽度为65．20m。—6—(1)当上、下层车道内均布置双向4车道+应急车道时，隧道外径为14．5m。不同情况(MW－8、9工法)下工作井的设计规模如下:①匝道对称设置，应急车道设在车行方向右侧的情况。对称分别设立上层出口匝道、下层入口匝 曹文宏，等:盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置第3期道时，按较紧凑的安排，隧道工作井长165m、最大宽度49．4m(见图14)。口匝道时，工作井的外包尺寸长约165m、最宽约37．45m(见图16、图17)。图15对称设上层入口、下层出口匝道(MW－8’工法)图13主线设集散车道的出入口匝道(MW－7工法)图16单侧上、下层分设出口、入口匝道(MW－9工法)图14对称设上层出口、下层入口匝道(MW－8工法)(2)主线全线上、下层均设双车道+集散车道若需设上层入口匝道、下层出口匝道，虽布置有别，但工作井尺寸大小相当(见图15)。②单侧设置出入口匝道，上层和下层应急车道设在盾构断面同一侧的情况。当需设立上层出口匝道、下层入口匝道或需上层入口匝道、下层出(3．25m×2+3．25m)，集散车道主要服务于出入口匝道段渐变、部分分合流段之需，这样盾构法隧道外径扩大至15．5m(MW－10工法)，工作井长度87．00m、宽度38．45m，两端井位扩大段垂直线路方向错位约8．7m(见图18)。图17单侧上、下层分设入口、出口匝道(MW－9’工法)图18主线中设双车道及集散车道的匝道布置(MW－10工法)比较，其内容主要为:主线交通安全、出入口交通组织;环境影响、占地范围;施工技术难度、风险;工程投资等(见表2)。3拓宽段实施方案比选根据上述介绍，对盾构隧道出入口匝道拓宽段设置的暗挖法、明挖法两大类中的不同方案进行了—7— 曹文宏，等:盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置第3期—8— 曹文宏，等:盾构法道路隧道工程中出入口匝道的设置第3期的限制，选用了技术难度和风险较高的暗挖法，有实施的可能性，在工程技术上有很好的借鉴、引领作用。但在可能的情况下，工作井部分局部明挖法应更为成熟和可行。当地面道路狭窄时，对双线隧道尚可取匝道单侧纵向错开布置或单管双层隧道方案(下层匝道较长);而全线设集散车道，可减少工作井明挖段的长度。因此，在工程设计中，需根据工程建设条件，就交通功能、施工风险、工程投资等各种因素进行综合比较，以谋求科学、合理、可行的解决盾构法隧道中出入口匝道的设置方案。(收稿日期:2013－07－16)4结语随着用盾构暗挖法建设地下道路工程需求的增多，盾构法能否广泛应用于地下道路工程中，除匝道可采用顶管、小盾构暗挖施工外，更关键的技术难点是———如何因地制宜、经济、合理、安全、可行的解决出入口匝道拓宽段设计。当然，它的前提条件是根据地下道路匝道设置的具体要求;沿线地面道路、交通状况;地上、地下建(构)筑物分布;施工工艺;施工进度、投资大小、风险控制等。按需要与可能，趋利避害、扬长避短地选择合适的方法。日本的一些工程中，受到土地使用条件和环境影响櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯本刊告示1欢迎投稿，请勿一稿多投，来稿文责自负;来稿内容需经专业审核，本刊对录用稿件有权作文字性修改和删节，如不同意，请来稿时声明。2本刊由中国学术期刊综合评价数据库全文收录，来稿一经刊用，即视为作者已将相关权利授于本刊，本刊所发稿费已含上述费用。如有异意，请在来稿时声明。3未经本刊授权，任何媒体不得以任何方式转载本刊版式设计。櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯欢迎订阅《地下工程与隧道》杂志国内邮发代号4－811—9—櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯 地下工程与隧道2013年第3期2013No．3UNDEＲGＲOUNDENGINEEＲINGANDTUNNELSUNDEＲGＲOUNDENGINEEＲINGANDTUNNELS(Quarterly)No．3Sep．2013AbstractofMainContents(1)SetupofAccessandExitＲampsforUrbanShieldＲoadTunnels……………………………………………………………………………………………………CaoWenhong，ShenWeiqiangAlongwiththedevelopmentofurbanundergroundroadsbyshieldmethod，thesetupofrelevantaccessandexitramps，especially，wideneddiversionorconfluencesectionsbetweenthetunnelandtheramp，facesgreatchallenges．Thepaperintroducesoverseasfullundergroundexcavationmethodsincludingtransversearcpipecurtain+freezingmethodaswellaslongitudinalpipecurtainmethodtobuildthetransverseovalstructureforthewidenedsection．Baseduponengineeringpractices，italsosuggeststheattempttoconstructthesectioninsidethetunnellaunchingorreceivingshaftbypartialcutandcovermethod．Bycomparativestudy，ithopestoprovidereferencesandexecutecountermeasuresforurbanshieldroadtunnels．(10)DiscussiononSecurityImprovementofＲailTransitVideoSurveillanceSystem………………………………………………………………………………………………………………………ZhangLidongInordertoimprovethesecurityandensurethestabilityofrailtransitvideosurveillancesystem，itpresentsandanalyzesthecurrentsituationofthesystemandidentifiesthecoreissueswhichinfluencethesafeoperationofthesystemfromtheaspectsofapplicationenvironmentandthecharacteristics．Aroundtheactualsecuritydemandofmonitoringbusiness，combinedwiththesystemcharacteristics，securitydesignconceptoftrustedcomputingtechnologybasedvideosurveillancesystemisproposedtoprotectsafeoperationofvideosurveillancesystemforrailtransit．(16)3DNumericalSimulationofShieldTunnellingunderProtectedBuilding…………………………………………………………………………………………………………………………XieDongwuTheexistingbuildingsnotonlychangetheformofgroundsurfacesubsidencetrough，butalsogreatlyreducethehorizontaldisplacementoftherelevantmeasuringpoint．Analysiswasmadetosoildisturbanceresultingfromtunnelconstructionbystresspathmethod．Althoughtunnellinginducedsoilstressreleaseandsoildeformation，thestressstateofsoilelementsaroundthetunnelinp－qstressspacewasdevelopedmainlytowardtheregionawayfromsoilmassfailurelineaftertheconstruction．Monitoringwasconductedthroughouttheconstructionprocess，andthemonitoringresultsmatchwellwiththecalculationresults．(21)ExplorationonNingboUrbanＲailTransitLoopLine………………………………………………………………………………………………………………………ChenWangguiThepaperexploresthenecessityofurbanrailtransitlooplinebasedonitsfunctionanalysis．Meanwhile，itaddressedthecorrespondingissues，whichshallbeconsideredforsettingaloopline，suchasrailtransitnetworkcharacteristics，urbanspatialstructure，andtheconstructionscaleofloopline．ＲegardingtotheactualconditionofNingbo，necessityandfeasibilityanalysesaremadetotherailtransitlooplineinNingborailtransitnetworkplanningandapreliminarylooplineschemeisproposed．(25)DiscussiononDesignValueofPassingCapacityofPedestrianFacilitiesinＲailTransitStation…………………………………………………………………………………………………………………………LiDongmeiThispaperintroducesandanalyzescurrentconditionandsignificanceofthestudyonpassingcapacityofpedestrianfacilitiesinrailtransitstation．AccordingtothestatisticdatainShanghairailtransitstationswithnearlytenmillionpassengers，thepassingcapacityofpedestrianfacilitieswasobtainedandcomparedwiththerelevantstudyresultsofdomesticandforeignresearchesaswellasthedesignvaluesrecommendedinDesignStandard．(29)SoilImprovementTechniqueforTunnellingthroughNanjingSandstoneLayer…………………………………………………………………………………………………………………………YuanZhenInordertoensuretheEPBshieldsuccessfullytunnellingthroughsandstonelayer，soilimprovementshouldbeconductedtomakethesandstonelayerwithgoodplasticfluidity，lowpermeabilityandlowinternalfrictionangle．Thisimprovementiscommonlyrealizedbyaddingvarioussoilconditionerinexcavationfaceandsoilchamber．ThepaperintroducesthesoilimprovementmethodbyaddingfoaminanintervaltunnelofLukouAirportSectionofNanjingＲailTransit—64—