对水下隧道工程公铁共建方式的探讨

张志刚，肖西卫，林巍，刘洪洲

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

现代城市快节奏交通运输中跨越江河通道的可选方式主要有水上桥梁与水下隧道两类[1]。就桥梁工程来讲，我国新建的大跨度钢桥中约有三分之一为公铁两用桥，包括有武汉长江大桥、南京长江大桥、杭州钱塘江大桥及广州珠江大桥等[2]。公铁两用桥对我国公路与铁路交通运输起到了重要作用，尤其对它所濒临城市的受益更是巨大的，它不仅起到沟通城市两岸交通的作用，而且促进了城市发展，经济繁荣，公铁两用桥在我国桥梁建设中处于不可忽视的重要地位。与水上桥梁工程类似，同一走廊带内的水下公路与铁路通道在条件允许的情况下也应积极尝试采用公铁共建的隧道方案。

广义上讲，公铁共建隧道可分为公铁共结构与公铁共线位两种方式，公铁共结构是公路与铁路隧道合用一个结构断面，即指传统意义上的公铁两用隧道，应同时规划、设计及施工，可分不同的时序开始运营，二者的平纵线形指标基本一致；公铁共线位是公路与铁路隧道共用一个走廊带，应同时规划，可分不同时序设计、施工及运营，二者的平纵线形指标相互关联，但又不必完全相同。相比较而言，公铁共结构方式更是一种资源节约型的共建选择。以美国纽约市为例，从曼哈顿到其他城区，建有多条水下隧道，水下隧道中有地铁与公路隧道两种，其中曼哈顿和长岛昆斯区之间，跨越海湾的两条水下隧道均采用公铁两用隧道方式，可同时供汽车与地铁列车通行[3]。

可用于跨越江河的通道有4种，堰筑隧道需长时间占用水道，基坑开挖止水后进行隧道作业，受其适用条件所限，在大型跨江河的通道工程中应用极少。钻爆隧道埋置较深，隧道衬砌结构是在现场通过支模浇筑实现，在公铁共建设置中适用于共线位的方式。沉管隧道与盾构隧道可满足公铁共结构的布置需求，且均有工程应用实例。因此，本文着重以盾构隧道与沉管隧道为对象，就共建方式中的公路与铁路共用结构的布置进行探讨分析。

1 公铁共建盾构隧道

目前，世界范围内已建成的公铁两用盾构隧道只有我国2009年的上海长江隧道（2009年），该隧道为圆形断面，分为上、中、下三层，上层为排烟道，中间层为单向三车道公路交通层，下层分为预留轨道交通9号线的延长线、电缆及疏散通道3个功能区，隧道内径13.7 m，外径15.0 m。除此之外，武汉正在规划建设三阳路过长江公铁共管隧道，分上、下两层，上层为机动车道，下层是轨道交通7号线、电缆、排烟及疏散通道4个功能区，隧道内径13.9 m，外径15.2 m。图1所示为单向三车道公路与单线铁路共建盾构隧道横断面布置图。

由于公路与铁路在技术指标、运营管理及防灾救援等方面功能的需求有所不同，水下隧道工程采用公铁共结构的两用盾构方案时需分析并解决好大直径盾构施工控制技术及非盾构段出入口的交通疏解方面的主要问题。

图1 公铁共建盾构隧道横断面布置Fig.1 Crosssection of shield tunnel of construction highway and railway together

图2 公铁共建沉管隧道横断面布置Fig.2 Crosssection of immersed tunnel of construction highway and railway together

2 公铁共建沉管隧道

1969年，在比利时的斯特尔特河修筑完成了世界上第一条公铁共建沉管隧道（Scheldt Tunnel），三孔一管廊布置的矩形断面，其中一孔为双线铁路，两孔为双向六车道公路，隧道总长510 m，管节宽47.85 m，高10.1 m[4]。目前正在广东佛山汾江路下穿东平水道修建我国的第二座公铁共建沉管隧道，管节宽39.9 m，高9 m；另外，拟建的连接德国与丹麦的费马恩海湾隧道（Fehmarn Belt Tunnel）也将采用公铁共建方案，隧道全长超过18 km，建成后将成为世界上最长的海底沉管隧道，管节宽约42 m，高约9 m。图2所示为双向六车道公路与双线铁路共建沉管隧道横断面典型布置方案示意图。

与盾构隧道相比，沉管隧道具有以下5个方面的主要优点：1）断面形状设计灵活，利用率高；2）埋置深度浅，隧道长度短；3）对基底地层物理力学性能要求低；4）可多工点平行作业，工期短；5）增大断面所需的经济代价小。沉管隧道的应用较为广泛，从已建成的工程实例来看，公路、铁路或地铁、人行通道及供水管道等一应俱全[5]。

3 公铁共建的隧道选择

对公铁共建的水下通道工程，无论采用沉管隧道还是盾构隧道，其在断面尺寸或建设难度等方面均较单一功能的公路或铁路隧道有着不同程度的改变。表1所列为公铁共建盾构隧道或沉管隧道在断面尺寸、设备要求、施工难度、建设风险等方面的综合对比。

表1 两种不同公铁共建隧道工法对比Table1 Comparison between shield tunnel and immersed tunnel method for constructing together highway and railway

通过表1的对比分析可以看出，对水下交通隧道进行建设工法选择时，沉管法在公铁共管建设中占有一定的优势。同时，在平面线位布置相同的情况下，沉管隧道要比盾构隧道埋置浅、长度短，除可节省工程造价外，沉管隧道更易于实现公路与铁路共结构时两者纵坡的统一，因此，在航运与水域等建设条件满足的情况下可作为首选的隧道工法，当沉管法明显不具备条件时，应再对盾构法进行适应性与可行性的研究论证，以便判断水下通道是否可实施公铁共建的方式。

4 实例

拟建莲花山通道位于珠江口，按规划在水域狭窄、航运繁忙的珠江口要同时建造多条超大型跨江通道。该线位前期已进行了预留，预留线位上将先期建设佛莞城际铁路，其采用盾构隧道，隧道全长约5.8 km，设计速度目标值200 km/h，平面布置如图3所示。基于佛莞城际铁路与莲花山过江公路通道基本处在同一研究区域内，有必要对跨越珠江口公铁共走廊工程进行深入的研究论证。以下着重对采用穿越预留新沙港区走廊的公铁共管隧道方案的可行性进行研究。

4.1 工法比选

受两岸接线及航道限制，本处不适宜采用深埋于岩层中的钻爆法与封闭航道的围堰明挖法修筑水下隧道。根据项目区域的自然、地质、水文、气象及通航等建设条件，结合隧道规模、环境及码头影响，施工难度及风险等因素，对盾构法与沉管法的可行性进行重点研究，综合比较见表2所示。

图3 拟建莲花山公铁共建方案平面位置Fig.3 Plan position of the construction highway and railway together in Lianhuashan

表2 盾构隧道与沉管隧道的综合比较Table 2 Comparison between shield tunnel and immersed tunnel

结合表2比较，莲花山通道工程若采用公铁共建的隧道方案，本线位需穿越新沙港码头及港区，由于新沙港的重要性，不能因建设通道工程而停止正常的码头货运作业等，另外该水域狭窄，航道繁忙，锚地濒临，这些敏感的建设条件基本已否定了沉管隧道在该走廊内的布置可能。综合各因素，莲花山公铁共建方案唯一可选择的是盾构隧道。

4.2 方案论证

在莲花山过江通道的走廊中，城际铁路已无再调整的可能，因此，公路隧道只能在既有铁路隧道线位的基础上进行布置。受预留线位东莞侧新沙港码头、仓库区及粮库等边界条件所限，针对双向六车道公路与双线城际铁路各自的过江交通需求，莲花山通道公铁共建方案包括有二管盾构（二管单向3车道+单线城铁）与三管盾构（三管2车道+单线城铁）两个较可行的布置方案。

1）盾构机直径及横断面布置

本工程中采用盾构法实现公路与城际铁路的共管合建，较为简捷的形式是采用二管盾构方案，单管盾构中上层为三车道公路，下层为单线城际铁路。按本项目中高速公路与城际铁路的设计标准，确定隧道结构横断面如图4所示，盾构隧道的外径达17.9 m。考虑盾尾和管片之间存在的间隙后，盾构机直径约18.4 m，大于目前世界上已建成隧道的最大盾构机直径（15.43 m）。

图4 二管盾构方案横断面布置（单位：cm）Fig.4 Cross section of the second shield tunnel（cm）

为有效控制盾构隧道直径，增大公铁共管盾构隧道在本项目的可实施性，在理论上还可选择的方案是采用三管盾构，其中的二管盾构用于公铁共管（上层二车道公路、下层单线城际铁路），另一单管盾构用于双向二车道公路。该方案中公铁共线的单管盾构隧道直径16.8 m，较目前世界上已建成的最大盾构隧道直径大1.8 m，实施难度及风险虽较三车道公铁共管方案降低，但总体上仍然较大。

除此之外，对小直径的单管双车道公路盾构隧道，虽然在技术上不存在实施难度，但为实现整个通道双向六车道的通行能力，需要在单管盾构隧道内实现双向交通，并且在洞外应有较好的交通疏散与联络，这给运营管理提出了较高的要求。同时，由于三管盾构隧道中均有公路交通，按照相关行业规范及工程经验，应在两个相邻盾构间设置横向联络通道，由此将会导致施工风险等相应增加。

2）地层适应性

隧道区的地层具有明显的狮子洋复合地层特性，自上而下分别为第四系海陆交互相黏土或粉质黏土、砂土（粉砂、中砂等），以及白垩纪泥岩、砂岩，盾构机施工需穿越这种上软下硬的复合地层。由于水底地质的勘察难度大，准确度有限，采用超大直径盾构机施工，国内机械及技术力量相对薄弱，需要从国外引进主体设备和相关技术，施工经验严重不足，极易出现地质风险，在深水地段如出现涌水现象等，其处理和整治极为困难，缺少灵活机动性。无论如何，在莲花山既有通道的地质条件下实施如此大体量的盾构隧道，盾构机对地层的适应性较差，技术难度及建设风险极大。基于地层问题致使盾构机在推进过程中出现各种严重问题的工程案例在国内外有很多，值得引以为鉴。

3）对桩基群的影响

隧道线位东莞侧的新沙港港区内建筑及厂房均为框架结构，采用打入式预制管桩，不同区域的桩长介于25～38 m之间，兼有摩擦与端承桩的双重特性，大直径盾构隧道线位布设需下穿桩基群。

隧道结构顶面距桩基群约10 m，盾构隧道穿越既有构筑物的桩基础时会引起桩基础周围软土地层土体损失，从而导致土体应力场发生重分布，邻近桩基周边法向应力将有不同程度的释放，使得桩基的承载能力不同程度折减，对邻近桩基产生不可忽视的影响。本工程中桩基数以百计，基础形式各异，建设条件有明显不同，同时公铁共管盾构隧道的断面较大，即使可采用基础托换或加固处理，也会由于众多桩基处理的工程量巨大，从而导致不可估量的建设工期与造价风险。同时，隧道施工引起隧道周围地层移动，其产生的自由土体位移场使得工作状态的桩基产生附加的弯矩和变形，对桩基础的安全使用产生风险。

4）运营管理

公铁共管盾构隧道内需上下层布设公铁交通，占用了通常在下层中管廊内设置的救援通道，导致隧道内部公路与铁路的紧急救援疏散以及进出隧道口处地面的交通疏解等比较困难，虽然这些不足均可通过科学合理的运管措施在一定程度上得到缓减，但公铁共管行车定会增加隧道运营过程中的风险。

另外，从我国唯一已建成的上海长江公铁合建盾构隧道来看，先行通车运营的是上层的公路，下层的铁路空间作为预留，而且工程前期的主要投资也主要服务于公路，并未因铁路空间的预设而增加过多的成本。本项目则有所不同，如按公铁共管思路实施，先前制定的公路与铁路建设时序规划需要被适当调整，方可使得整个通道工程在建设及管理等各个方面更加协调、合理。

5）风险分析

莲花山过狮子洋拟建公铁共管隧道工程具有“大直径”与“下穿桩基”两个突出特性，还伴有复杂的水文和地质条件，以及需要保障码头与重要建构筑物安全的要求，设计难度大，施工工艺复杂，其建设过程中存在众多的风险因素，风险水平较高，方案确定论证中进行了工程风险评估分析。

根据风险的基本定义（R=P×C），制定相应风险的等级标准和接受准则。根据国际隧道及地下工程领域风险管理研究中已提出的定性风险接受准则，本次分析采用定性的过江隧道工程施工风险接受准则。

经分析，本项目属于不可接受风险，从风险管理与控制角度考虑，如工程已实施应进行决策并制定应急预案措施，如工程仍在规划论证阶段，为避免出现灾难性的后果，应采取规避风险的策略。

综上，鉴于建设及运营风险，本通道内公路与铁路不宜采用共建隧道方案（双向六车道公路+城际铁路组合），拟建的莲花山公路工程可在既定城际铁路（预留）线位的上下游另择有利线位，或者考虑其它可组合的布置方式，但均应考虑到区域的综合交通运输需求，从而实现通道资源的最大化。

5 结论与体会

通过对跨江河通道工程采用公铁共建方式的必要性与可行性等进行分析与论证，并以拟建莲花山过江通道工程公铁共建方案为例进行研究，得出以下主要结论及体会：

1）对跨越江河的通道工程，在项目初期除进行桥梁与隧道方案的同深度比较外，如涉及到采用水下通道连接两端区域的综合交通功能时，也应对公路与铁路共建的隧道方案进行深入研究。

2）从断面布置、实施难度、工程经验、风险控制及救援疏散等方面考虑，公铁共建方案选择隧道工法时应优先采用沉管法，只有当受航运、码头或锚地等条件严格限制时，再考虑采用盾构或其它隧道工法。

3）公铁共建方案的实施可合理统筹利用有限的土地、水域及交通资源，在很大程度上可减少资源浪费，避免重复建设，在国内大型通道工程的规划建设前期应花大力气进行研究论证，在可能的条件下，应以较为经济和先进的共建方式实现工程设施最为完善和可靠的必需功能，相关的管理部门应给予大力鼓励与支持。

4）大型项目的前期决策非常重要，应深入调研、科学论证，不能为了项目上马而寻找或拼凑证据。笔者在文中引用的莲花山过江通道工程实例虽最终不建议预留穿越新沙港区的线位采用公铁共管（双向六车道公路+城际铁路组合）的隧道方案，但显示了相关各方科学的工作态度，希望能抛砖引玉给后续类似工程的前期研究提供参考。

[1] 王梦恕.水下交通隧道的设计与施工[J].中国工程科学，2009（7）：4-10.WANGMeng-shu.Design and construction technology of underwater tunnel[J].China Engineering Science,2009（7）:4-10.

[2]叶启洪.我国公铁两用桥的现状及其合理性问题浅析[C]//中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第九届年会论文集.1990：121-124.YEQi-hong.Analysis of current situation and rationality problems of combined highway and railway bridge in China[C]//proceedings of the9th annual meetingof bridgeand structural engineeringsociety of Chinacivil engineeringsociety.1990：121-124.

[3]康宁.对美国几个城市地铁和水下隧道的观感[J].现代隧道技术，2001，38（4）：9-13.KANGNing.Metro and underwater tunnel in the United States[J].Modern Tunneling Technology,2001,38（4）:9-13.

[4] International Tunnelling Association Working Group.'Immersed and Floating Tunnels'state-of-the-art report[J].Tunnelling and Undergroup Space Technology,1997,12（2）:5-11.

[5] 张志刚，刘洪洲.公路沉管隧道的发展及其关键技术[J].隧道建设，2013，33（5）：343-347.ZHANG Zhi-gang，LIU Hong-zhou.Development and key technologies of immersed highway tunnels[J].Tunnel Construction,2013,33（5）:343-347.