干货 | 武汉长江公铁隧道工程
完成单位：
武汉地铁集团有限公司
中铁第四勘察设计院集团有限公司
上海隧道工程有限公司
西南交通大学
济南城市建设集团有限公司
上海市市政工程管理咨询有限公司
主要完成人：
姚春桥、肖明清、孙文昊、吴惠明、彭长胜、何应道、胡威东、封 坤、王志华、曾铁梅、李春林、王 锋、袁 鹏、龙浩然、陈玉远
1 工程概况
1.1 工程规模
武汉长江公铁隧道采用双管双层的公铁合建盾构隧道穿越长江，上层道路为双向6车道城市主干路，下层为轨道交通7号线区间。
隧道建筑长度总4660.0m（以东线计），根据结构形式不同，分为江中盾构段、两岸工作井和两岸明挖三个部分，其中江中盾构段2590m，隧道外径15.2m；隧道采用三级疏解，两岸共设置8条匝道隧道，匝道总长2689m；隧道在汉口和武昌岸各设置一座高210m的风塔，风塔与超高层建筑合建；在武昌岸设隧道管理中心一座，建筑面积6100m2。
1.2 工程特性
武汉长江公铁隧道采用双管双层的公铁合建盾构隧道穿越长江，为世界上第一座公铁合建的盾构隧道，也是目前国内建成的直径最大的盾构法隧道。
1.3 主要技术指标与技术特征
1.3.1 主要技术指标
道路隧道为城市主干路，主线隧道设计速度为60公里每小时，双向六车道，最大纵坡5%，匝道设计速度为40公里每小时，最大纵坡5.98%；地铁区间隧道设计速度为100公里每小时，近期6A编组并预留8A条件，正线最大纵坡3%。
1.3.2 主要技术特征
（1）首创公铁合建断面集约化布置
通过地铁区间纵向分段式排烟道、公铁共用疏散通道、新型体内废水泵房结构、非封闭式内衬等技术综合应用，首创公铁合建盾构法隧道横断面集约化布置，使圆形隧道断面利用率达95%，较传统的直径14.5m三车道盾构法城市道路隧道比，直径仅增加4.8%。
（2）公铁合建盾构隧道通风防灾与疏散救援
盾构段利用有限的空间，巧妙地利用顶部富余的拱形空间作为排烟风道实现重点排烟，同时在地铁区间隧道侧面纵向分段设置地铁排烟道实现纵向排烟，将道路疏散通道与地铁疏散通道合二为一，实现竖向-横向-纵向高效疏散。
（3）超大直径盾构隧道全立体化同步施工
针对隧道内部结构复杂、施工工期紧张的特点，设计采取了上层公路烟道板预制、中间层车道板现浇、下层地铁烟道板现浇、后续机电安装及装修跟进的施工模式，实现了超大直径盾构隧道全立体化平行作业施工技术。
1.4 社会与经济作用
（1）该工程采用合建方案，较分建方案减少拆迁面积16.2万平米，总投资减少约8亿元，经济效益和社会效益显著。
（2）采用公铁共用疏散通道设计方法，与传统疏散通道相比减小隧道直径20cm，每延米节省直接投资2600元以上，节省投资约1346.8万元。
（3）武汉长江公铁隧道的成功修建，分流武汉长江二桥交通量，缓解了过江交通的拥堵，提升了滨江商务片区品质，社会效益显著。
2 获奖情况
（1）湖北省勘察设计成果评价市政桥隧一等奖，2020年度，获奖单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司，授奖单位：湖北省勘察设计协会。
（2）国际隧协年度重大工程提名奖，2019年度，获奖单位包括武汉地铁集团有限公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、广州地铁设计研究院有限公司、中铁大桥勘测设计院集团有限公司、上海隧道股份集团有限公司、上海市市政工程管理咨询有限公司等在内的所有参建单位，授奖单位：国际隧道协会。
3 主要科技创新内容
3.1 公铁合建盾构法隧道总体设计方法
（1）超大直径盾构隧道浅覆土小净距布置技术
三阳路汉口工作井～沿江大道段约400m长度范围内规划红线宽度40m，道路两侧高楼林立。为加强对两侧建筑物的桩基及地下室的保护，隧道在该路段采用小净距布置，左右线净距5.8m（约0.38D，D为管片外径）。同时，为减小汉口工作井及穿越1号线轻轨高架桥桩的基坑深度，该段采用浅覆土布置，拱顶覆土厚度8.4m～15m。设计采用Φ600@800mm钻孔桩进行隔离防护，以减缓两管隧道之间的相互影响。配合同步注浆的早期强度控制、压注克泥效、对先行隧道二次注浆等施工手段，经实测，覆土厚度约11m，净距5.8m处断面地表沉降约20mm。
（2）地铁区间与上部明挖道路隧道长距离竖向小净距叠层布置技术
受两岸地铁站点的布置，武昌工作井～徐家棚站地铁区间、汉口工作井～三阳路站地铁区间与上部明挖道路隧道长距离竖向叠层布置，净距1.0～12m，叠层布置长度约335m。在数值仿真分析的基础上进行了多方案综合比选，对竖向叠层小净距小于3m段采取桩基+局部地层加固防护以保证下部地铁区间掘进时开挖面的稳定和上部结构的承载安全，竖向叠层小净距在3m～6m段采取加长桩基防护，桩底嵌入拱底下1m。计算表明上部明挖结构底板中部上浮约3.2mm，两侧沉降较小，约1.0mm。后期施工监测显示时，上部明挖隧道底板变形及计算基本吻合，最大沉降约1.76mm，地铁区间隧道上浮量小，管片拼装质量良好。
（3）隧道横断面集约化布置技术
单管三车道80km/h的城市快速路车道布置为3.75m+3.5m×2时，盾构法隧道管片外径为14.5m；单管三车道80km/h的高速公路车道布置为3.75m×2+3.5m时，盾构法隧道管片外径为15.0m。
地铁区间侧面设置纵向分段的排烟道并采用新型的废水泵房结构，上部城市道路与下部地铁共用疏散通道。通过集约化布置，满足上部三车道60km/h城市主干路（车道布置为3.5m×3），下部100km/h地铁A型车接触网悬挂［限界尺寸4.6m×4.5m（宽×高）］的技术标准要求，断面利用率达95%，断面紧凑、功能完备、布局合理。
集约化布置后，较之管片外径14.5m的市政隧道，断面直径仅增加4.8%；较之管片外径15.0m的公路隧道，断面直径仅增加1.3%。在断面直径略有增大的条件下实现了道路与地铁两种交通方式的合建，经济效益显著。
3.2 公铁合建盾构法隧道结构设计技术
（1）复合地层盾构法隧道荷载计算模式
复合地层中盾构隧道荷载计算及其分布与作用方式的特殊性已被试验和实测证实，但如何计算尚存争议，尚未形成系统的计算方法。
通过分析经典修正惯用法在复合地层围岩压力计算中存在的问题，分别针对上软下硬复合土层及上土下岩复合岩土层，提出了盾构隧道的荷载计算模式，并基于极限状态下的滑移线理论推导了复合土层下部主动土压力的计算公式。最后，结合2种典型复合地层中开展的现场实测，将提出方法与实测结果进行了对比分析，得到的围岩压力与实测值更为吻合，隧道变形计算结果更合理性，所得内力分布更符合实际、量值与实测值偏差较小，验证了所提计算方法的正确性及可靠性，可为复合地层盾构隧道的设计和研究提供参考。
（2）汽车与地铁联合振动研究
采用交通结构-饱和土-单相土2.5维数值计算程序对典型不利断面处隧道-地层结构在汽车和地铁振动作用下的动力响应进行了分析，研究了地铁振动荷载（行车荷载）和汽车振动荷载（跳车荷载）各自单独作用以及其联合作用对隧道结构及隧道下卧粉细砂层稳定性的影响。
研究发现汽车跳车荷载对隧道-地层结构的振动影响略大于地铁列车荷载，明确了无论是地铁振动荷载、汽车振动荷载、还是地铁振动荷载与汽车振动荷载联合作用，衬砌结构的位移振动响应量值及应力均较小，不会对衬砌结构自身产生不利影响。计算得到隧道下卧饱和粉细砂地层由正常的地铁行车荷载及汽车跳车荷载激发的超静孔隙水压力不会超过2kPa，判明了下卧饱和粉细砂地层不会发生液化失稳。
（3）“预制管片+非封闭式内衬”新型衬砌结构
利用建筑限界以外的富裕空间，针对水下隧道普遍面临的高水压、强渗透、冲淤具有周期性且变幅大、防水要求高等特点，自主创新地提出了“预制管片+非封闭式内衬”新型衬砌结构。通过管片上预留钢筋接驳器，并在手孔螺栓末端焊接U型锚筋的方式将内衬与管片形成叠合受力构造。该结构针对性地解决了水下隧道在承载、运营期防水方面更高的使用要求，加强了公铁合建隧道在火灾、爆炸等极端工况下的承载冗余，确保隧道结构极端工况下的承载安全。
3.3 公铁合建盾构法隧道防灾与救援技术
（1）研发了长大地铁区间隧道分段式烟道纵向排烟技术
对于超过1800m的长大地铁区间，普遍采用设置中间风井或在长大区间顶部设置贯通式的排烟道和排烟口将区间分为多个排烟区段，以实现每个排烟区段内同一时间、同向只有一列车运行的目的。中间风井距离≤1800m、风井面积≥12m2，贯通式顶部烟道面积大于等于14m2。
自主研发了长大地铁区间隧道分段式烟道纵向排烟技术，在地铁区间侧部分段设置纵向排烟道，烟道面积5.7m2，将过江区间分为3段。相邻两个通风区段内只有一列车同向运行，利用中部无排烟道区域设置公路和地铁区间体内废水泵房，解决了水下长大区间无法设置中间风井的难题，消除了设置体外泵房的施工风险。
（2）研发了竖向/横向-纵向结合的疏散技术体系
盾构法道路隧道的主要疏散方式为：横向疏散、竖向-纵向疏散；地铁隧道主要采用横向疏散方式。
自主研发了竖向/横向-纵向结合的疏散技术。利用道路隧道下部与地铁隧道行车区域右侧空间作为公铁共用的纵向疏散通道。道路隧道间隔75m设置竖向楼梯间，地铁隧道间隔150m设置防火门。司乘人员通过疏散通道纵向疏散至两岸的工作井，直到室外。道路隧道在堵塞工况下需用疏散时间863s，可用疏散时间1200s，满足疏散安全需求。地铁隧道疏散时间1780s，可用疏散时间3600s，满足疏散安全需求。
本项目与常规地铁项目相比，疏散路径由2条（疏散平台+道床）增加至3条（疏散平台+道床+公用疏散通道），疏散口间距由600m减小至150m，救援路径可通过上部道路隧道或者公用疏散通道快速到达事故地点，救援更为快捷。在疏散路径数量、疏散口间距上较常规技术均有大幅度提高，显著提升了人员疏散安全性。
（3）提出了公铁合建隧道应急联动控制技术，形成了公铁合建隧道防灾救援保障系统。
针对城市道路与地铁使用功能、防灾救援的不同特点，提出了公铁防灾救援系统独立设置的技术原则和标准，并通过公铁中央监控系统的互联互通，可实现城市道路隧道、地铁区间隧道灾害信息实时共享，根据灾害等级的自动判断，提出公铁防灾救援系统的应急联动预案，确保公铁合建隧道运营和人员疏散安全。
3.4 泥岩-砂土地层公铁合建盾构法隧道装备提升和施工安全控制技术
（1）渣土导流型刀具组合布置技术
复合地层超大直径盾构法隧道多采用常压刀盘设计，但其特殊的结构形式（刀盘中央5米直径范围内开口率为零）对于富含粘土矿物的泥岩复合地层，极易在刀盘中央区域淤积泥饼，产生滞排，渣土对刀具产生二次磨损。主创新地提出了以先行刀为主、中心刀群突出、辐条周边刮刀增高的渣土导流型布置方式，实现了盾构切削与排渣的融合处置和高效切削岩体。提出的刀具布置技术使掘进速度由60m/月提高到120m/月，最高实现296m/月。换刀频次降低30%。
（2）一种常压换刀方法和防刀具弹出安全装置
泥岩-砂土复合地层盾构掘进中，不可避免地需要进行换刀作业。自主创新地提出了全断面可常压环境下更换刀具（涵盖滚刀、先行刀及切削刀）的刀盘设计，编制了常压换刀作业操作规程，周边滚刀换刀效率提高5倍。盾构掘进时刀桶受力复杂，容易发生刀具弹出现象，引起常压刀盘内进水，危及施工安全。通过工程试验和实践，自主创新地发明了防刀具弹出安全装置，刀筒端部增设挡板，消除了刀具弹出风险，保障了常压刀具更换环境可靠且操作迅捷、方便。
（3）超大直径盾构隧道盾尾密封刷更换技术
高水压砂土及泥岩复合地层条件下，超大直径盾构盾尾钢丝刷极易发生损坏。自主创新地研发了特殊环管片环箍注浆、盾构壳体克泥效注浆及盾尾油脂腔压注高粘油脂的组合密封技术，阻断盾尾内外之间的渗漏水通道，提出了一种高水压条件下的超大直径盾构盾尾钢丝刷快速更换施工方法，成功实现了在0.4MPa高水压下的盾尾刷更换。
4 新技术应用与效果
世界首座公铁合建盾构隧道——武汉长江公铁隧道的顺利建成，作为集约化利用过江通道资源和城市地下空间的典范，在城市交通领域起到了积极的引领和示范作用。
目前在建的济南市济泺路穿黄隧道、济泺路穿黄隧道北延工程、杭州富阳秦望隧道等均采用了相同的技术方案。公铁合建盾构法隧道总体设计方法、隧道综合疏散救援技术、横断面集约化设计方法等成果在上述的三座公铁合建隧道中得到了全面的推广应用。
泥岩-砂土复合地层超大直径盾构高效掘进的装备性能提升和施工安全控制技术在深圳妈湾隧道、南京和燕路过江隧道等工程中得到了推广应用。
来源：微信公众号-城市轨道交通网CCRM
