城市隧道总体设计的交通分析及影响因素

李翔

（广州市市政工程设计研究总院，广东 广州 510060）

0 引言

随着我国经济的迅速发展，城镇化水平越来越高，城市的交通设施建设变得更为重要。与经济水平的提高相对应，在城市道路工程建设中采用隧道的方式穿越山体、水体或相交道路的情况越来越多。

隧道基本建设条件有地形、地貌、气象、水文、地质、航道、周边环境、现状交通、建筑材料及运输条件等。在隧道总体设计过程中，在以上建设条件的基础上，首先应着重对交通需求、路网交通组织、前后交通节点相互影响等方面进行分析，然后根据工程所遇到的各种影响因素进行隧道工程的总体设计。

1 隧道建设的交通分析

隧道的服务对象以机动车为主，部分过江隧道可以兼顾过境市政管线（如电力、通信、给水等）及轨道交通，少量短隧道可设置行人道、非机动车道。隧道的功能以交通功能为主，兼顾城市的其他功能，主要有：

（1）穿越山体、水体等障碍，保证交通不中断，实现路网规划意图。

（2）提高设置隧道方向的交通通行能力，减少道路交叉节点各方向交通的相互干扰，从而提高节点以及路网的通行能力。

（3）从景观和环境方面考虑，隧道比桥梁有优势。

（4）节约土地资源，利用地下空间，增加城市空间使用效率。

城市路网是城市的骨架及城市运行的动脉。城市隧道设计的路网分析主要指根据项目周边的路网规划来确定隧道所在道路的等级、功能定位、与周边路网的衔接、交通节点功能等。

隧道功能定位主要由所在道路在路网（现状路网和规划路网）、沿线环境（现状环境及规划环境）中的功能定位及其服务范围所决定。

应根据工程所在区域的相关规划，进行隧道以及两端衔接路网的交通量预测，获得其近期以及远期的交通流量、流向和交通组成数据，作为隧道设计规模的依据之一。

路网的交通分析会影响隧道起终点的选择；交通的流量大小影响到隧道的车道数选择；交通的流向影响到隧道衔接的节点设计，包括交叉口的型式、立交匝道布设等；交通组成则表示各种车型在交通流中所占的比例，大小和质量不同的车辆具有不同的行驶特性，影响隧道几何尺寸的设计（车道宽度、净高）以及道路的通行能力。

1.1 下穿水体、山体的隧道

这类隧道的交通为单点出入，隧道规模必须满足交通的通行能力需求。此外，应关注隧道与两端路网的衔接，考虑以下因素：

（1）根据下一个交叉口的交通量预测，判定该交叉口是否需设置立交。

（2）不需要设置立交时，隧道洞口与交叉口的距离是否满足交通转向变换车道的要求。

（3）设置立交时，隧道洞口与立交的距离是否满足匝道设置的平纵线形要求，并且满足出口交通指引预告标志设置的要求。如果立交的转向交通功能重要，而隧道方案不能满足交通需求，则越江通道需考虑桥梁方案并进行比选，穿山隧道应考虑线位以及路网衔接点的调整。

除此之外，前方主线出、入口与隧道之间的净距（见图1）问题也不容忽视。

图1 主线出、入口与隧道之间的净距示意图[1]

1.2 下穿相交道路的隧道

这类隧道的交通为单点出入，应结合路网与立交的设置，满足交通系统要求。隧道规模必须满足交通的通行能力需求，并且考虑以下因素：

（1）根据交通预测的结果，确定隧道只需下穿一条相交道路或是需连续下穿多条相交道路。

（2）隧道出口接地后与交叉口距离需满足隧道交通根据目的地选择左转、直行或右转车道的变换距离；如果有地面道路（辅道）与隧道出口汇流后进入下一个交叉口，应考虑隧道交通与地面交通间由于选择左转、直行或右转车道产生的交织，距离交叉口的长度应大于交织长度。

1.3 系统性的多点进出隧道

系统性的多点进出隧道[2]可以减少其对景观和环境的影响，但是如果存在大量出入口需要与地面道路相联系，其多点进、多点出的特征将造成交通组织复杂，特别是在隧道视野受到局限的情况下，这个问题更加突出。应考虑以下因素：

（1）交通需求按一个连续交通系统进行分析。

（2）交通组成分析。由于这种类型的隧道一般较长，隧道的断面对工程造价影响很大。隧道内的行驶车型是仅限于小客车还是混行车辆，直接影响到隧道的断面尺寸。

（3）根据交通量预测结果，确定匝道出入口设置的必要性，以及匝道出入口位置的选择。隧道匝道出入口应与地面的规划路网相适应，并考虑地面衔接道路的交通容量和集散能力。

（4）隧道匝道出入口间距应使分合流交通对主线交通的干扰控制在较小程度，保证主线车流稳定。

在建的广州金融城地下隧道是网状的地下道路，交通组织为右进右出（见图2）。广州金融城地下隧道在翠岛设置单向逆时针循环的地下主环路，单向2车道，设有4组出入口；在方城设置单向逆时针循环的地下主环路，单向3车道，通过公共循环通道与周边地块地下车库连接。

图2 广州金融城地下道路交通组织图

1.4 建设规模对将来的适应性

在隧道建设过程中，隧道规模的设计应充分考虑对将来的环境适应性：

（1）隧道规模对交通需求发展的适应性；

（2）技术标准对服务车型的适应性。

国内经济发展迅速，城镇化进程加快，城市规划（用地规划、交通规划等）往往会随之不断进行调整、修正。当重要的外部环境边界条件发生变化时，将导致交通量的预测结果准确率下降，甚至严重失真。

隧道建成后改扩建非常困难，建议隧道规模应适当宽裕，以应对不确定的交通环境变化，避免将来出现交通瓶颈，成为交通拥堵黑点。

1.5 与通风、消防设计相关的交通分析

同一车型，汽油车、柴油车的有害气体排放量不同。柴油车产生的烟尘会对隧道洞内通风造成很大影响，而汽油车排放的烟尘相对较少，且排放成分也与柴油车不同。发动机类型相同的汽车，重型车、大型车和小型车的有害气体排放量也不一样。车型组成和发动机类型会影响隧道的通风设计[3]。

当隧道主线或匝道出口与地面交叉口距离较短时，排队车辆在隧道中的阻塞或停滞状态，对隧道通风设计影响较大，因此在交通量预测时应提供排队长度。例如，某隧道匝道出口建成后处于拥堵常态，在设计阶段如果通过交通预测、分析获知这种可能性，在通风设计中考虑这种工况，就能改善隧道出口的空气条件。

另外，各种车型的最大火灾释放功率不同，车型比例将影响隧道的防灾设计。隧道内是否通行危险化学品车辆，也影响着隧道的防火设计分类。

2 隧道总体设计的影响因素

2.1 车行净高及通航条件

2.1.1 城市道路的车行净高

在城市道路的工程设计中，混行车隧道的净高可取4.5～5.0m，小客车专用隧道的最小净高可取 3.2～3.5m[4]。

上海市外滩通道服务对象为小型客车，设计速度为40km/h,采用3.0m宽的车道，净高3.2m（见图 3）。

图3 上海市外滩通道盾构段横断面(单位：mm)

广州市如意坊放射线隧道连接内环路和外环高速公路、广珠西线高速公路，是区域的骨架道路，采用3.5m宽的车道，净高5.0m（见图4）。

2.1.2 越江隧道的通航条件

航道尺寸及通航水深影响着越江隧道与两端道路的衔接。根据《内河通航标准》，不同的航道等级航道尺寸的最小水深为0.7～4.0m。与越江隧道衔接的两端临江路网可分为两种情况：高架桥系统和地面道路系统。沉管隧道和盾构隧道的选择需考虑与两端衔接路网的高差。沉管隧道由于埋设较浅，比盾构隧道更容易与临江路网衔接。

图4 广州市如意坊放射线珠江隧道沉管段横断面(单位：m)

设计时应考虑越江隧道与两端衔接路网的距离能否满足纵断面衔接高差的需求。如果高差过大而越江隧道与路网间的距离不足，就需要采用环形方式来克服高差，从而造成立交设计困难，或立交功能存在缺失，如广州市的洲头咀隧道、如意坊隧道[5]。

2.2 隧道施工工法的影响

修建隧道有矿山法、明挖法、沉管法、盾构法等，各种施工方法都有一定的适用性。施工工法应根据工程的地形、地质或河道环境进行选择，避免因施工工法不适用带来较大的造价提高或工程风险。如果没有合适的施工工法来建设隧道，应慎重考虑是否采用隧道方案，或调整隧道线路。

明挖隧道：工程地质主要对隧道基坑开挖、防护、止水等有影响，适用于下穿相交道路的隧道、系统性多点进出的隧道。此外，盾构、沉管隧道往往属于隧道工程的中心段，两端常需采用明挖隧道与地面道路衔接。在宽度较窄、水深较浅、通航许可的情况下，水下隧道也可采用围堰明挖的方式，如广州流花湖隧道、澳门大学海底专用隧道等。

矿山法：不良地质对矿山法的影响较大，如软弱破碎岩体、浅埋软岩、严重偏压、岩溶流泥地段、砂场、砂卵（砾）石层、断层破碎带以及大面积淋水和涌水地段等，需通过对地层进行预加固、超前支护或止水等辅助施工措施解决。矿山法适用于穿山隧道。

沉管法：对地质水文条件适应性强，对地基允许承载力的要求也较低，可用于中软弱土地基，受地质条件的限制较少，适用于越江隧道。沉管隧道的埋深较浅，相对于盾构隧道，更容易与江边的路网衔接。

盾构法：适用于软岩，遇复合地层适应性相对较差，遇到花岗岩孤石时，施工比较困难，并且损坏刀具、刀盘。盾构法适用于越江隧道以及长距离系统性的多点进出隧道。由于盾构法的埋深要求较大，两岸所需的引道较长，如果两岸的路网距离江边较近，则不利于隧道与路网的衔接。

2.3 景观要求

隧道对城市道路的景观影响较小，可以较好地满足城市空间以及周边环境的要求。隧道的景观设计应考虑以下因素：隧道洞口、隧道敞开段以及隧道内部的照明和侧壁面板装饰。

2.4 相交或临近河道

距离较近的平行河道水流对隧道施工期间的基坑止水措施、支护措施的选择具有直接影响，可能导致工程造价增加。由于隧道属于隐蔽工程，如果施工质量控制不好，将来易发生渗水、漏水现象。

现状河道与隧道相交时，为保证防洪排涝所要求的过水断面以及河道底标高，将使相交处的隧道埋深增加，隧道长度增加，导致工程造价增大。考虑隧道防水要求，在过河道段的隧道设置伸缩缝时应慎重，若必须设置伸缩缝则应做好防水措施。

条件允许时可采用以下措施：

（1）将河道改道，沿隧道两侧绕行至出了隧道范围，再横过道路。

（2）河道局部改道，绕行至隧道埋深较浅处设置倒虹涵洞通过。

（3）如果河道无法改道，将隧道上方一定范围的河道进行铺砌加固。

2.5 与地下空间的连接

隧道穿越规划地下空间时，设计时应注意根据规划的要求确认是否与地下空间发生交通衔接，以满足地下空间机动车交通进出的需求。隧道所属的道路等级较高时，受建设条件限制不适宜与两侧的地下空间直接发生交通联系，此时隧道与地下空间相对独立，只需在工程设计时考虑相互施工时的影响。

如果隧道与地下空间发生交通衔接，根据建设工期的不同，有以下两种情况：

（1）隧道与地下空间同时建设。隧道设计应与地下空间的设计密切联系，对接好边界条件，建议隧道的结构与地下空间的结构进行合理优化，并且合理组织隧道与地下空间的施工流程，以减少工程造价。

（2）隧道与地下空间不同时建设。应从规划上做好控制，限定隧道与地下空间的层次以及相对高程关系，确保将来的建设能满足施工要求和使用要求。如果隧道建设在前，地下空间开发在后，则隧道设计时应预留地下空间设计和施工的衔接条件。

昆明市巫家坝中心地下拟建设环形隧道，为此，分别设两对进出口与地面道路相连，并在地下与两侧地块停车场发生联系（见图5）。

图5 昆明市巫家坝中心地下环形隧道及两侧地下空间联系(单位：m)

2.6 邻近的现状构筑物

隧道的建设受既有构筑物的影响，如邻近房屋建筑、桥梁桩基、城市轨道交通等。

明挖隧道基坑的开挖影响到附近的建筑，如果对基坑的保护工作不到位，会引起地面沉降、周边建筑开裂等。

隧道设计时基坑支护与现状桥梁桩基或建筑桩基必须根据桩基的类型（摩擦桩或嵌岩桩）以及地质条件，满足必须的安全距离，施工时应对其进行充分保护。

在城市轨道交通地下结构控制保护区内修建平行或下穿隧道时，应按相关规范进行距离判定。当判定为非常接近或接近时，应采用安全可靠的隧道施工方案，细化施工控制参数，制定安全保护控制措施。对位于城市轨道交通地下结构正上方的基坑工程，应控制地下结构上方的覆土厚度，覆土厚度应通过安全评估确定。

2.7 交通疏解

隧道建设位于现状道路时，必须考虑施工期间的交通疏解。现状交通繁忙的道路，交通疏解的组织方案会影响建设工程方案的选择。

采用明挖对交通疏解的影响较大，一般需隧道全断面封闭施工。如果交通疏解的条件很困难，可采用盖挖法来改善交通疏解的条件，但这会增加部分造价，对隧道的工期也有一定影响。

对现状交通影响较大的工程还需进行影响评估，包括对交通的影响评估，以及社会稳定风险评估等内容。

3 结语

为了在工程建设的设计阶段就充分预计到将来可能遇到的各种问题，应进行详细的方案设计和比选、风险评估、专项研究，得出正确的结论，避免或者减少在工程建设的后期发生方案反复修改、施工变更，甚至工程中止建设的情况，充分了解影响城市隧道建设的各种因素，并进行全面分析，对于城市隧道的总体设计十分必要。

参考文献：

[1]JTG/TD21—2014，公路立体交叉设计细则[S].

[2]俞明健.城市地下道路设计理论与实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]JTG/TD70/2-02—2014，公路隧道通风设计细则[S].

[4]CJJ221—2015，城市地下道路工程设计规范[S].

[5]李翔.刘力英.傅栋梁，等.如意坊放射线系统工程（一期工程）项目建议书[Z].广州：广州市市政工程设计研究总院，2016.