陽澄西湖三通道工法選擇及圍堰明挖法、盾構(gòu)法經(jīng)濟性分析

楊 旭 （中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和水下施工技術(shù)的進步，許多水下隧道相繼建成并成功運營，人們也改變了觀念，使“遇水架橋”不再是唯一的選擇[1]。水下隧道必須根據(jù)工程建設(shè)條件、環(huán)境要求，選用安全可靠、經(jīng)濟合理的施工工法予以建設(shè)，以謀求最大的技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。目前水下隧道的修建方法主要有圍堰明挖法、盾構(gòu)法、沉管法與鉆爆法（礦山法）[2～3]。

本文結(jié)合陽澄西湖三通道工程情況，在基于湖域的前提下，對各施工方法適用性進行分析比較，為陽澄西湖三通道項目及今后湖域隧道工程在選擇工法時提供經(jīng)濟分析參考。

2 工程概況

2.1 隧道概況

蘇州市陽澄西湖第三通道工程位于蘇州市相城區(qū)與工業(yè)園區(qū)，北接濟學(xué)路、南接星港街北延，以隧道形式由北向南下穿陽澄西湖，主線隧道為雙向六車道，設(shè)計時速50km/h的城市主干路，隧道長度約1765m；支線匝道隧道為雙向四車道，設(shè)計時速40km/h的城市主干路，隧道長約1470m（以南側(cè)匝道計）。

2.2 地質(zhì)概況

本次主要研究陸域范圍的情況，根據(jù)地勘報告，陽澄西湖第三通道自上而下主要的地層情況為雜填土、素填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂夾粉土等。陽澄西湖平均水深約2m。

3 工法初選

鉆爆法施工水下隧道適用于中風(fēng)化以下的較完整的巖石地層[4]，如青島膠州灣海底隧道[5]、長沙市營盤路湘江隧道[6]，而湖域內(nèi)主要為土層，因此，鉆爆法不適用于本項目。

沉管法隧道需有合適的干塢場地，滿足管節(jié)浮運的水深條件等[7]，典型工程有港珠澳海底隧道[8]、南昌紅谷隧道[9]。結(jié)合該工程場區(qū)范圍的水文地質(zhì)條件與周邊情況，陽澄西湖水深約2 m～6m，管節(jié)浮運困難，沒有進行管段預(yù)制的干塢場地。同時，受控于湖域周邊的環(huán)境與場地，沉管法不適用于本項目。

國內(nèi)在湖域施工隧道的主要有圍堰明挖法、盾構(gòu)法，據(jù)不完全統(tǒng)計，主要案例見表1所示[10]。

如表1所示，在湖域施工的隧道，采用圍堰明挖法明顯多于盾構(gòu)法，主要原因在于需要在湖域施工隧道的工程（除地鐵外）多以市政道路，受使用功能、接線條件限制，覆土一般較小[11]，而明挖法隧道比盾構(gòu)法隧道在這方面優(yōu)勢更明顯。但是，圍堰明挖法施工期對湖域生態(tài)、環(huán)境、景觀影響較大。

國內(nèi)湖域隧道建設(shè)概況 表1

鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰的適用條件 表2

結(jié)合陽澄西湖的實際情況，采用盾構(gòu)法與圍堰明挖法均可行，下文對圍堰明挖法、盾構(gòu)法進行經(jīng)濟分析比較，為今后湖域隧道工程在選擇工法時提供經(jīng)濟分析參考。

4 工法詳選——圍堰明挖法、盾構(gòu)法經(jīng)濟性分析

圍堰明挖法隧道的主要工程包含圍堰工程、基坑工程（圍護結(jié)構(gòu)）、主體結(jié)構(gòu)工程以及裝修、機電等配套工程。圍堰工程與水深、湖域?qū)挾汝P(guān)系較大，基坑工程與地質(zhì)條件、基坑深度關(guān)系較大，主體結(jié)構(gòu)工程與隧道埋深、水深關(guān)系較大。因此，在湖域（不考慮通航）隧道的前提下，隧道覆土一般可由設(shè)計確定，一般為1 m～3m，取平均值2m進行分析。同時，湖底地質(zhì)條件多為軟土層，地質(zhì)條件一般較差。初步分析，對湖域圍堰明挖法隧道延米造價影響較大的主要為水深與隧道長度。

盾構(gòu)法隧道在地質(zhì)條件一定的情況下，延米造價主要與隧道長度關(guān)系較大，因為盾構(gòu)長度較短，則盾構(gòu)的攤銷以及盾構(gòu)工作井、端頭加固等費用的攤銷較大，而盾構(gòu)隧道延米造價與水深關(guān)系較小。

圖1 鋼板樁圍堰標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

不同水深圍堰方案選擇 表3

不同水深的結(jié)構(gòu)厚度與圍護方案 表4

綜上分析，對一般湖域隧道而言，影響盾構(gòu)法與圍堰明挖法工程經(jīng)濟性的主要前提條件為湖域水深與隧道長度。

4.1 不同水深的圍堰方案選擇

鋼圍堰是在涉水工程建設(shè)中，為建造永久性構(gòu)筑物而修建的擋土或擋水的臨時性圍護鋼結(jié)構(gòu)，湖域隧道明挖法施工圍堰可以選擇鋼板樁圍堰或鋼管樁圍堰。

通過對鋼板樁圍堰和鋼管樁圍堰的適用情況比較，水深2m、4m、6m、8m選擇鋼板樁圍堰，水深10m、12m選擇鋼管樁圍堰，具體參數(shù)選擇見表3所示。

4.2 不同水深的圍護與主體結(jié)構(gòu)方案

如前所述，在隧道覆土2m情況下，基坑深度約10m，圍護結(jié)構(gòu)按SMW工法樁考慮。

圖2 SMW工法樁圍護典型斷面圖

圖3 陽澄西湖三通道典型隧道橫斷面圖

圖4 時速50km/h雙向六車道盾構(gòu)隧道典型橫斷面圖

不同水深的圍堰明挖隧道延米造價估算表 表5

湖域盾構(gòu)隧道延米造價估算表 表6

基于陽澄西湖三通道主線隧道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，即設(shè)計時速50km/h的雙向六車道。圍堰明挖隧道的主體結(jié)構(gòu)凈高6.65m，行車孔凈寬12.1m，結(jié)構(gòu)厚度通過工程類比與受力分析，如表4所示。

若主線設(shè)計時速50km/h的雙向六車道采用盾構(gòu)法施工，則采用2條外徑13.95m，內(nèi)徑12.75m，管片厚度0.6m的盾構(gòu)。

4.3 圍堰明挖、盾構(gòu)法延米造價估算

4.3.1 圍堰明挖法隧道延米造價估算

圍堰明挖隧道主要計入圍堰結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)的造價如表5所示，未計入隧道裝修與機電設(shè)備等與水深關(guān)系較小的項目。

根據(jù)表5，一座長度為L的圍堰明挖隧道，總造價S=延米造價×L（萬元）。

4.3.2 盾構(gòu)隧道延米造價估算

盾構(gòu)隧道造價分為盾構(gòu)掘進、管片、注漿、洞內(nèi)裝配結(jié)構(gòu)等，其總造價隨隧道長度變化，而盾構(gòu)井及端頭加固等造價不隨長度變化。如前所述，在研究水深范圍內(nèi)（12m及以下），盾構(gòu)延米造價受水深影響小，盾構(gòu)延米造價如表6，分兩部分計列，不含隧道裝修與機電設(shè)備等。

一座盾構(gòu)段長度為L的盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)段總造價為S=6600+75.6L（萬元）。

4.4 圍堰明挖、盾構(gòu)法延米造價水深的關(guān)系研究結(jié)果

根據(jù)前述方案，本隧道盾構(gòu)段長度約1400m，盾構(gòu)平均延米指標(biāo)為75.6+6600/1400=80.3萬元/m。采用內(nèi)插法進行計算，在水深低于11m時，采用圍堰明挖法更經(jīng)濟，水深高于11m時，盾構(gòu)法更經(jīng)濟。

4.5 圍堰明挖、盾構(gòu)法延米造價與長度的關(guān)系研究結(jié)果

根據(jù)前述造價估算表，盾構(gòu)法隧道由掘進指標(biāo)75.6萬/m與盾構(gòu)井、端頭加固等費用共同組成，因此當(dāng)圍堰明挖法隧道延米造價指標(biāo)低于盾構(gòu)掘進指標(biāo)75.6萬/m時，顯然圍堰明挖法更便宜，即水深10m及以下時，圍堰明挖法更便宜。

當(dāng)圍堰明挖法隧道延米造價指標(biāo)高于盾構(gòu)掘進指標(biāo)75.6萬/m時，即水深12m時，需按總造價相等進行計算，

由 86.4×L=6600+75.6×L，解得 L≈611m，即在水深12m時，盾構(gòu)段長度在611m時，圍堰明挖法隧道與盾構(gòu)法隧道造價基本相當(dāng)；盾構(gòu)段長度＜611m，圍堰明挖法更便宜；盾構(gòu)段長度＞611m時，盾構(gòu)法更便宜。

5 結(jié)論

在城市湖域建設(shè)隧道工程，本文結(jié)合陽澄西湖三通道工程，通過對水下隧道常用施工方法：鉆爆法、沉管法、圍堰明挖法、盾構(gòu)法從地質(zhì)、外部條件、延米造價等多方面進行分析，得出如下結(jié)論：

①由于湖底地層主要為土層、軟土層，鉆爆法不適用；

②沉管法需要合適的干塢場地，滿足管節(jié)浮運的水深條件等，一般湖域無法滿足，不適用；

③盾構(gòu)法、圍堰明挖法從技術(shù)上均可滿足工程建設(shè)條件，結(jié)合陽澄西湖三通道的實際平均水深（約2m），以及隧道長度約1765m，建議采用圍堰明挖法施工；

④在湖域隧道前提下，水深小于11m，圍堰明挖法相較于盾構(gòu)法更經(jīng)濟，水深10m及以下時，圍堰明挖法延米造價均低于盾構(gòu)法，水深12m時，盾構(gòu)段長度小于611m，圍堰明挖法更經(jīng)濟，否則盾構(gòu)法更經(jīng)濟。