完成單位：

武漢地鐵集團有限公司

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司

上海隧道工程有限公司

西南交通大學(xué)

濟南城市建設(shè)集團有限公司

上海市市政工程管理咨詢有限公司

主要完成人：

姚春橋、肖明清、孫文昊、吳惠明、彭長勝、何應(yīng)道、胡威東、封? ?坤、王志華、曾鐵梅、李春林、王? ? 鋒、袁? ? 鵬、龍浩然、陳玉遠

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

武漢長江公鐵隧道采用雙管雙層的公鐵合建盾構(gòu)隧道穿越長江，上層道路為雙向6車道城市主干路，下層為軌道交通7號線區(qū)間。

隧道建筑長度總4660.0m（以東線計），根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，分為江中盾構(gòu)段、兩岸工作井和兩岸明挖三個部分，其中江中盾構(gòu)段2590m，隧道外徑15.2m；隧道采用三級疏解，兩岸共設(shè)置8條匝道隧道，匝道總長2689m；隧道在漢口和武昌岸各設(shè)置一座高210m的風(fēng)塔，風(fēng)塔與超高層建筑合建；在武昌岸設(shè)隧道管理中心一座，建筑面積6100m2。

1.2 工程特性

武漢長江公鐵隧道采用雙管雙層的公鐵合建盾構(gòu)隧道穿越長江，為世界上第一座公鐵合建的盾構(gòu)隧道，也是目前國內(nèi)建成的直徑最大的盾構(gòu)法隧道。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)特征

1.3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

道路隧道為城市主干路，主線隧道設(shè)計速度為60公里每小時，雙向六車道，最大縱坡5%，匝道設(shè)計速度為40公里每小時，最大縱坡5.98%；地鐵區(qū)間隧道設(shè)計速度為100公里每小時，近期6A編組并預(yù)留8A條件，正線最大縱坡3%。

1.3.2? 主要技術(shù)特征

（1）首創(chuàng)公鐵合建斷面集約化布置

通過地鐵區(qū)間縱向分段式排煙道、公鐵共用疏散通道、新型體內(nèi)廢水泵房結(jié)構(gòu)、非封閉式內(nèi)襯等技術(shù)綜合應(yīng)用，首創(chuàng)公鐵合建盾構(gòu)法隧道橫斷面集約化布置，使圓形隧道斷面利用率達95%，較傳統(tǒng)的直徑14.5m三車道盾構(gòu)法城市道路隧道比，直徑僅增加4.8%。

（2）公鐵合建盾構(gòu)隧道通風(fēng)防災(zāi)與疏散救援

盾構(gòu)段利用有限的空間，巧妙地利用頂部富余的拱形空間作為排煙風(fēng)道實現(xiàn)重點排煙，同時在地鐵區(qū)間隧道側(cè)面縱向分段設(shè)置地鐵排煙道實現(xiàn)縱向排煙，將道路疏散通道與地鐵疏散通道合二為一，實現(xiàn)豎向-橫向-縱向高效疏散。

（3）超大直徑盾構(gòu)隧道全立體化同步施工

針對隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工工期緊張的特點，設(shè)計采取了上層公路煙道板預(yù)制、中間層車道板現(xiàn)澆、下層地鐵煙道板現(xiàn)澆、后續(xù)機電安裝及裝修跟進的施工模式，實現(xiàn)了超大直徑盾構(gòu)隧道全立體化平行作業(yè)施工技術(shù)。

1.4 社會與經(jīng)濟作用

（1）該工程采用合建方案，較分建方案減少拆遷面積16.2萬平米，總投資減少約8億元，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

（2）采用公鐵共用疏散通道設(shè)計方法，與傳統(tǒng)疏散通道相比減小隧道直徑20cm，每延米節(jié)省直接投資2600元以上，節(jié)省投資約1346.8萬元。

（3）武漢長江公鐵隧道的成功修建，分流武漢長江二橋交通量，緩解了過江交通的擁堵，提升了濱江商務(wù)片區(qū)品質(zhì)，社會效益顯著。

2 獲獎情況

（1）湖北省勘察設(shè)計成果評價市政橋隧一等獎，2020年度，獲獎單位：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，授獎單位：湖北省勘察設(shè)計協(xié)會。

（2）國際隧協(xié)年度重大工程提名獎，2019年度，獲獎單位包括武漢地鐵集團有限公司、中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司、廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司、中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司、上海隧道股份集團有限公司、上海市市政工程管理咨詢有限公司等在內(nèi)的所有參建單位，授獎單位：國際隧道協(xié)會。

3 主要科技創(chuàng)新內(nèi)容

3.1 公鐵合建盾構(gòu)法隧道總體設(shè)計方法

（1）超大直徑盾構(gòu)隧道淺覆土小凈距布置技術(shù)

三陽路漢口工作井～沿江大道段約400m長度范圍內(nèi)規(guī)劃紅線寬度40m，道路兩側(cè)高樓林立。為加強對兩側(cè)建筑物的樁基及地下室的保護，隧道在該路段采用小凈距布置，左右線凈距5.8m（約0.38D，D為管片外徑）。同時，為減小漢口工作井及穿越1號線輕軌高架橋樁的基坑深度，該段采用淺覆土布置，拱頂覆土厚度8.4m～15m。設(shè)計采用Φ600@800mm鉆孔樁進行隔離防護，以減緩兩管隧道之間的相互影響。配合同步注漿的早期強度控制、壓注克泥效、對先行隧道二次注漿等施工手段，經(jīng)實測，覆土厚度約11m，凈距5.8m處斷面地表沉降約20mm。

（2）地鐵區(qū)間與上部明挖道路隧道長距離豎向小凈距疊層布置技術(shù)

受兩岸地鐵站點的布置，武昌工作井～徐家棚站地鐵區(qū)間、漢口工作井～三陽路站地鐵區(qū)間與上部明挖道路隧道長距離豎向疊層布置，凈距1.0～12m，疊層布置長度約335m。在數(shù)值仿真分析的基礎(chǔ)上進行了多方案綜合比選，對豎向疊層小凈距小于3m段采取樁基+局部地層加固防護以保證下部地鐵區(qū)間掘進時開挖面的穩(wěn)定和上部結(jié)構(gòu)的承載安全，豎向疊層小凈距在3m～6m段采取加長樁基防護，樁底嵌入拱底下1m。計算表明上部明挖結(jié)構(gòu)底板中部上浮約3.2mm，兩側(cè)沉降較小，約1.0mm。后期施工監(jiān)測顯示時，上部明挖隧道底板變形及計算基本吻合，最大沉降約1.76mm，地鐵區(qū)間隧道上浮量小，管片拼裝質(zhì)量良好。

（3）隧道橫斷面集約化布置技術(shù)

單管三車道80km/h的城市快速路車道布置為3.75m+3.5m×2時，盾構(gòu)法隧道管片外徑為14.5m；單管三車道80km/h的高速公路車道布置為3.75m×2+3.5m時，盾構(gòu)法隧道管片外徑為15.0m。

地鐵區(qū)間側(cè)面設(shè)置縱向分段的排煙道并采用新型的廢水泵房結(jié)構(gòu)，上部城市道路與下部地鐵共用疏散通道。通過集約化布置，滿足上部三車道60km/h城市主干路（車道布置為3.5m×3），下部100km/h地鐵A型車接觸網(wǎng)懸掛［限界尺寸4.6m×4.5m（寬×高）］的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，斷面利用率達95%，斷面緊湊、功能完備、布局合理。

集約化布置后，較之管片外徑14.5m的市政隧道，斷面直徑僅增加4.8%；較之管片外徑15.0m的公路隧道，斷面直徑僅增加1.3%。在斷面直徑略有增大的條件下實現(xiàn)了道路與地鐵兩種交通方式的合建，經(jīng)濟效益顯著。

3.2 公鐵合建盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

（1）復(fù)合地層盾構(gòu)法隧道荷載計算模式

復(fù)合地層中盾構(gòu)隧道荷載計算及其分布與作用方式的特殊性已被試驗和實測證實，但如何計算尚存爭議，尚未形成系統(tǒng)的計算方法。

通過分析經(jīng)典修正慣用法在復(fù)合地層圍巖壓力計算中存在的問題，分別針對上軟下硬復(fù)合土層及上土下巖復(fù)合巖土層，提出了盾構(gòu)隧道的荷載計算模式，并基于極限狀態(tài)下的滑移線理論推導(dǎo)了復(fù)合土層下部主動土壓力的計算公式。最后，結(jié)合2種典型復(fù)合地層中開展的現(xiàn)場實測，將提出方法與實測結(jié)果進行了對比分析，得到的圍巖壓力與實測值更為吻合，隧道變形計算結(jié)果更合理性，所得內(nèi)力分布更符合實際、量值與實測值偏差較小，驗證了所提計算方法的正確性及可靠性，可為復(fù)合地層盾構(gòu)隧道的設(shè)計和研究提供參考。

（2）汽車與地鐵聯(lián)合振動研究

采用交通結(jié)構(gòu)-飽和土-單相土2.5維數(shù)值計算程序?qū)Φ湫筒焕麛嗝嫣幩淼?地層結(jié)構(gòu)在汽車和地鐵振動作用下的動力響應(yīng)進行了分析，研究了地鐵振動荷載（行車荷載）和汽車振動荷載（跳車荷載）各自單獨作用以及其聯(lián)合作用對隧道結(jié)構(gòu)及隧道下臥粉細砂層穩(wěn)定性的影響。

研究發(fā)現(xiàn)汽車跳車荷載對隧道-地層結(jié)構(gòu)的振動影響略大于地鐵列車荷載，明確了無論是地鐵振動荷載、汽車振動荷載、還是地鐵振動荷載與汽車振動荷載聯(lián)合作用，襯砌結(jié)構(gòu)的位移振動響應(yīng)量值及應(yīng)力均較小，不會對襯砌結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生不利影響。計算得到隧道下臥飽和粉細砂地層由正常的地鐵行車荷載及汽車跳車荷載激發(fā)的超靜孔隙水壓力不會超過2kPa，判明了下臥飽和粉細砂地層不會發(fā)生液化失穩(wěn)。

（3）“預(yù)制管片+非封閉式內(nèi)襯”新型襯砌結(jié)構(gòu)

利用建筑限界以外的富裕空間，針對水下隧道普遍面臨的高水壓、強滲透、沖淤具有周期性且變幅大、防水要求高等特點，自主創(chuàng)新地提出了“預(yù)制管片+非封閉式內(nèi)襯”新型襯砌結(jié)構(gòu)。通過管片上預(yù)留鋼筋接駁器，并在手孔螺栓末端焊接U型錨筋的方式將內(nèi)襯與管片形成疊合受力構(gòu)造。該結(jié)構(gòu)針對性地解決了水下隧道在承載、運營期防水方面更高的使用要求，加強了公鐵合建隧道在火災(zāi)、爆炸等極端工況下的承載冗余，確保隧道結(jié)構(gòu)極端工況下的承載安全。

3.3 公鐵合建盾構(gòu)法隧道防災(zāi)與救援技術(shù)

（1）研發(fā)了長大地鐵區(qū)間隧道分段式煙道縱向排煙技術(shù)

對于超過1800m的長大地鐵區(qū)間，普遍采用設(shè)置中間風(fēng)井或在長大區(qū)間頂部設(shè)置貫通式的排煙道和排煙口將區(qū)間分為多個排煙區(qū)段，以實現(xiàn)每個排煙區(qū)段內(nèi)同一時間、同向只有一列車運行的目的。中間風(fēng)井距離≤1800m、風(fēng)井面積≥12m2，貫通式頂部煙道面積大于等于14m2。

自主研發(fā)了長大地鐵區(qū)間隧道分段式煙道縱向排煙技術(shù)，在地鐵區(qū)間側(cè)部分段設(shè)置縱向排煙道，煙道面積5.7m2，將過江區(qū)間分為3段。相鄰兩個通風(fēng)區(qū)段內(nèi)只有一列車同向運行，利用中部無排煙道區(qū)域設(shè)置公路和地鐵區(qū)間體內(nèi)廢水泵房，解決了水下長大區(qū)間無法設(shè)置中間風(fēng)井的難題，消除了設(shè)置體外泵房的施工風(fēng)險。

（2）研發(fā)了豎向/橫向-縱向結(jié)合的疏散技術(shù)體系

盾構(gòu)法道路隧道的主要疏散方式為：橫向疏散、豎向-縱向疏散；地鐵隧道主要采用橫向疏散方式。

自主研發(fā)了豎向/橫向-縱向結(jié)合的疏散技術(shù)。利用道路隧道下部與地鐵隧道行車區(qū)域右側(cè)空間作為公鐵共用的縱向疏散通道。道路隧道間隔75m設(shè)置豎向樓梯間，地鐵隧道間隔150m設(shè)置防火門。司乘人員通過疏散通道縱向疏散至兩岸的工作井，直到室外。道路隧道在堵塞工況下需用疏散時間863s，可用疏散時間1200s，滿足疏散安全需求。地鐵隧道疏散時間1780s，可用疏散時間3600s，滿足疏散安全需求。

本項目與常規(guī)地鐵項目相比，疏散路徑由2條（疏散平臺+道床）增加至3條（疏散平臺+道床+公用疏散通道），疏散口間距由600m減小至150m，救援路徑可通過上部道路隧道或者公用疏散通道快速到達事故地點，救援更為快捷。在疏散路徑數(shù)量、疏散口間距上較常規(guī)技術(shù)均有大幅度提高，顯著提升了人員疏散安全性。

（3）提出了公鐵合建隧道應(yīng)急聯(lián)動控制技術(shù)，形成了公鐵合建隧道防災(zāi)救援保障系統(tǒng)。

針對城市道路與地鐵使用功能、防災(zāi)救援的不同特點，提出了公鐵防災(zāi)救援系統(tǒng)獨立設(shè)置的技術(shù)原則和標(biāo)準(zhǔn)，并通過公鐵中央監(jiān)控系統(tǒng)的互聯(lián)互通，可實現(xiàn)城市道路隧道、地鐵區(qū)間隧道災(zāi)害信息實時共享，根據(jù)災(zāi)害等級的自動判斷，提出公鐵防災(zāi)救援系統(tǒng)的應(yīng)急聯(lián)動預(yù)案，確保公鐵合建隧道運營和人員疏散安全。

3.4 泥巖-砂土地層公鐵合建盾構(gòu)法隧道裝備提升和施工安全控制技術(shù)

（1）渣土導(dǎo)流型刀具組合布置技術(shù)

復(fù)合地層超大直徑盾構(gòu)法隧道多采用常壓刀盤設(shè)計，但其特殊的結(jié)構(gòu)形式（刀盤中央5米直徑范圍內(nèi)開口率為零）對于富含粘土礦物的泥巖復(fù)合地層，極易在刀盤中央?yún)^(qū)域淤積泥餅，產(chǎn)生滯排，渣土對刀具產(chǎn)生二次磨損。主創(chuàng)新地提出了以先行刀為主、中心刀群突出、輻條周邊刮刀增高的渣土導(dǎo)流型布置方式，實現(xiàn)了盾構(gòu)切削與排渣的融合處置和高效切削巖體。提出的刀具布置技術(shù)使掘進速度由60m/月提高到120m/月，最高實現(xiàn)296m/月。換刀頻次降低30%。

（2）一種常壓換刀方法和防刀具彈出安全裝置

泥巖-砂土復(fù)合地層盾構(gòu)掘進中，不可避免地需要進行換刀作業(yè)。自主創(chuàng)新地提出了全斷面可常壓環(huán)境下更換刀具（涵蓋滾刀、先行刀及切削刀）的刀盤設(shè)計，編制了常壓換刀作業(yè)操作規(guī)程，周邊滾刀換刀效率提高5倍。盾構(gòu)掘進時刀桶受力復(fù)雜，容易發(fā)生刀具彈出現(xiàn)象，引起常壓刀盤內(nèi)進水，危及施工安全。通過工程試驗和實踐，自主創(chuàng)新地發(fā)明了防刀具彈出安全裝置，刀筒端部增設(shè)擋板，消除了刀具彈出風(fēng)險，保障了常壓刀具更換環(huán)境可靠且操作迅捷、方便。

（3）超大直徑盾構(gòu)隧道盾尾密封刷更換技術(shù)

高水壓砂土及泥巖復(fù)合地層條件下，超大直徑盾構(gòu)盾尾鋼絲刷極易發(fā)生損壞。自主創(chuàng)新地研發(fā)了特殊環(huán)管片環(huán)箍注漿、盾構(gòu)殼體克泥效注漿及盾尾油脂腔壓注高粘油脂的組合密封技術(shù)，阻斷盾尾內(nèi)外之間的滲漏水通道，提出了一種高水壓條件下的超大直徑盾構(gòu)盾尾鋼絲刷快速更換施工方法，成功實現(xiàn)了在0.4MPa高水壓下的盾尾刷更換。

4 新技術(shù)應(yīng)用與效果

世界首座公鐵合建盾構(gòu)隧道——武漢長江公鐵隧道的順利建成，作為集約化利用過江通道資源和城市地下空間的典范，在城市交通領(lǐng)域起到了積極的引領(lǐng)和示范作用。

目前在建的濟南市濟濼路穿黃隧道、濟濼路穿黃隧道北延工程、杭州富陽秦望隧道等均采用了相同的技術(shù)方案。公鐵合建盾構(gòu)法隧道總體設(shè)計方法、隧道綜合疏散救援技術(shù)、橫斷面集約化設(shè)計方法等成果在上述的三座公鐵合建隧道中得到了全面的推廣應(yīng)用。

泥巖-砂土復(fù)合地層超大直徑盾構(gòu)高效掘進的裝備性能提升和施工安全控制技術(shù)在深圳媽灣隧道、南京和燕路過江隧道等工程中得到了推廣應(yīng)用。

來源：微信公眾號-城市軌道交通網(wǎng)CCRM