暗挖综合管廊的发展和研究方向

强 健

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

0 引言

我国城镇化进程的快速推进，对城市配套市政基础设施的建设与维护有了更高的要求，综合管廊建设事业也在不断发展[1-2]，在老旧城区通过建设综合管廊来集约化敷设城市工程管线的需求也愈加迫切。近年来，出现了较多的老旧城区综合管廊工程规划建设案例。分析这些案例可以发现，在老旧城区采用传统明挖工法建设综合管廊多因交通影响、管线迁改等问题而举步维艰。显然，参考城市地铁的建设，在老旧城区采用暗挖工法建设综合管廊是行之有效的方法。在综合管廊工程中，常见的暗挖工法有顶推法、盾构法、矿山法等。

雷升祥[3]对综合管廊传统施工工艺进行了总结，重点介绍了综合管廊管道盾构施工工艺，包括管道盾构的选型、设计、制造及管片衬砌力学特性；柳宪东[4]对盾构综合管廊的主要组成及各组成部分的功能，盾构综合管廊与地铁的结合形式，防火分区长度划分原则和出地面口部间距要求，大型供水管线入廊的安装、运营维护和防爆管措施,隧道内部结构体系的型式，盾构综合管廊管线灵活出线的解决方式等关键技术问题予以了分析和阐述；肖燃等[5]结合沈阳某地下综合管廊工程设计实例，阐述了老旧城区复杂环境下地下综合管廊施工方法的选择、断面形式以及节点设计，提出了盾构法管廊的几点设计建议；潘学斌等[6]结合包头新都市区项目综合管廊经十二路、经三路顶管工程，介绍了预制顶推施工技术的控制要点；韩建东[7]结合苏州市城北路综合管廊工程顶管施工段，对矩形顶管河道穿越施工技术进行了研究与分析；宋晓可等[8]基于北京永兴河北路综合管廊下穿国道的暗挖五舱综合管廊段，研究并实施了从斜坡进入暗挖多舱管廊隧道的洞口加固措施；孙佳伟[9]介绍了某新区四舱综合管廊工程近距离暗挖下穿热力方沟的施工技术。

在已有的研究和案例中，研究者多将综合管廊的土建结构与管廊系统区分开来，将管廊土建结构视作隧道结构，研究暗挖综合管廊结构本身的工法技术，却忽视了综合管廊自身功能系统在暗挖工况下的实现问题。在长距离暗挖综合管廊工程中，这种问题尤其明显，实践中也不能直接参照暗挖隧道技术。鉴于这种情况，本文通过系统梳理我国暗挖综合管廊的发展，重点分析综合管廊技术与暗挖技术相结合时存在的问题，探讨相应的研究方向，以期为暗挖综合管廊工程技术的发展提供借鉴。

1 暗挖综合管廊的发展概述

暗挖综合管廊是随着综合管廊建设的发展而发展起来的。以20世纪90年代上海张杨路综合管廊为起点，我国的现代化综合管廊建设经历了最初的缓慢发展阶段和如今的有序推进阶段。伴随着这个过程，暗挖综合管廊的发展历程分为需求驱动阶段和主动探索阶段。

1.1 需求驱动阶段

早期暗挖综合管廊的实践案例很少，已有的几个案例多属于需求驱动型，多建设在有着重要的管线需求却又无法采用传统方式敷设的位置，一般建设在重要新区、重要道路或重要管线通道上。总体来说，这个时期的暗挖综合管廊可分为重要管线通道、穿越障碍、高压架空入地等情况。

2003年，位于珠江口大铲岛上的前湾电厂所需淡水和天然气须由对岸陆域采用管道输送，管道需要穿越海底。经过对盾构管廊、顶管管廊和定向钻穿越等3种海底管廊方案进行技术经济比选后，采用了盾构海底管廊方式[10]。该管廊工程分为长1 088 m的盾构法施工段和长370 m的盾构矿山法成洞推进施工段，衬砌均采用6块钢筋混凝土预制管片拼装而成，隧道成型后内径为2 440 mm、外径为2 940 mm[11]。该工程于2005年9月贯通。

2010年，河北曹妃甸工业区1号路的跨海纳潮河综合管廊开工建设，敷设曹妃甸工业区所需的供水、供热、电力、通讯等市政工程管线。该管廊工程包含2条盾构隧道，内径为5 500 mm，外径为6 200 mm，2条盾构管廊总长2 088 m[12]。该工程于2011年贯通，现已成为曹妃甸工业区重要的市政管线敷设通道。图1示出了曹妃甸纳潮河综合管廊标准断面图。

(a)西侧

2013年，沈阳在浑南新城开展了较大规模的综合管廊建设。该综合管廊工程的施工条件较好，主要采用明挖法施工，但为避免对现状环境的影响，在穿越航天路和学四路雨水渠道时，采用了矩形顶管工法。其中：航天路顶管段为单线单舱顶管，长108 m；学四路顶管段为双线单舱顶管，长102 m。顶管尺寸均为3.3 m×3.4 m，壁厚350 mm。图2示出了沈阳浑南新城综合管廊矩形顶管管节模板图。

(a)横断面图

2013年，江苏苏州为了开发城市土地资源，释放高压架空线占地，实施了狮山区220 kV乐园变出线入地的综合管廊工程。该工程分为2期，全长约3 km，除首尾衔接段外，全部采用顶管工法实施。1期和2期工程共设置7个顶管井，顶管井间距按不大于600 m控制。图3示出了苏州乐园变综合管廊建成后的内景。

图3 苏州乐园变综合管廊建成后的内景Fig.3 Interior scene of utility tunnel in Suzhou Leyuan substation

1.2 主动探索阶段

2015年以来，在国家政策的有力引导下，我国多数大中型城市都开始尝试建设综合管廊，综合管廊建设进入了爆发式的增长阶段。近3年来，全国各地共开工建设了约6 000 km的综合管廊[2]。伴随着综合管廊工程的大规模建设，出现了大量穿越障碍物的短距离暗挖综合管廊。同时，随着老旧城区建设综合管廊需求的增加，也出现了一些长距离暗挖综合管廊工程。表1示出了根据已公开资料统计的近年来我国暗挖综合管廊工程案例。

2 暗挖综合管廊的发展特点

通过调研前述大量暗挖综合管廊工程案例，认为当前暗挖综合管廊工程的发展主要有以下特点。

2.1 已有的暗挖综合管廊案例多为穿越障碍型

在各城市的管廊建设工程中，遇到的不可避免的问题包括：1)综合管廊在穿越河道水系较为密集的地区往往需要建设大量的明挖倒虹以避让河道，经济效益差，且往往需要断航甚至断流；2)综合管廊与铁路、高速公路、城市主干道、地下空间等有重大地下工程交叉时，无法采用明挖施工方案。实践中，在遇到上述问题时，多采用顶管、盾构等暗挖工法进行综合管廊建设，这种局部采用暗挖工法穿越障碍或节点的工程在国内普遍存在。据前述的不完全统计，这种短距离的穿越障碍型的暗挖综合管廊，占暗挖综合管廊工程已统计数量的70%左右。图4示出了采用顶管法穿越某水系的上海松江新城玉阳大道暗挖综合管廊标准断面图。

表1 近年来我国暗挖综合管廊工程案例Table 1 Utility tunnels using mining method in recent years

图4 采用顶管法穿越某水系的上海松江新城玉阳大道暗挖综合管廊标准断面图(单位：mm)Fig.4 Standard cross-section of utility tunnel using pipe jacking to cross a river in Yuyang Avenue,Songjiang New Town,Shanghai (unit:mm)

2.2 长距离暗挖综合管廊在老旧城区管廊建设中有一定的发展

在老旧城区，城市道路交通流量大，建成的地下管线密集，周边环境保护要求高，因而在老旧城区建设综合管廊无法进行长时间、大范围的明挖施工。最近几年，已出现过多起在城市建成区的综合管廊建设因交通影响、管线迁改等问题而被迫中止的案例，如河北沧州永济路综合管廊工程、吉林长白中心城区地下综合管廊建设项目；也有部分正在实施的城市建成区的综合管廊工程由于明挖工法实施条件制约，建设过程举步维艰。显然，在城市建成区采用长距离暗挖工法建设综合管廊是行之有效的方法。随着近年来综合管廊的大规模建设，已经出现了数个在老旧城区建设长距离暗挖综合管廊工程的案例，典型的案例有“东甬西蓉南穗北沈”，即宁波市通途路综合管廊工程(东甬)[13]、成都成洛大道综合管廊工程(西蓉)、广州市中心城区地下综合管廊(沿轨道交通11号线)工程(南穗)、沈阳市地下综合管廊南运河段(北沈)等。图5示出了采用盾构法的宁波通途路综合管廊断面布置图。

图5 采用盾构法的宁波通途路综合管廊断面布置图(单位：mm)Fig.5 Standard cross-section of utility tunnel using shield tunneling method in Tongtu Road,Ningbo (unit:mm)

2.3 工法选择与暗挖距离密切相关

通过对前述案例有关数据的研究可以发现，暗挖工法的选择与暗挖距离有一定的关联性。一般来说，短距离暗挖综合管廊工程多采用顶管工法，长距离暗挖综合管廊工程多采用盾构工法。采用顶管工法或管幕辅助的箱涵顶推工法实施暗挖综合管廊，占已统计短距离暗挖综合管廊工程数量的70%左右。这种现象与顶管、盾构的经济技术特点有关。相比顶管技术，当暗挖工程采用盾构法时，盾构、机械进出场、管片预制、施工机具与场地、始发井等均有相对较高的工程费用，当暗挖长度较长时，这些费用的单位摊销才会降低。因而，盾构法常见于大规模、长距离的暗挖管廊建设中。

2.4 矿山法在暗挖综合管廊工程中的应用较少

矿山法多应用于岩石地层或性能较好的土层中，常见于穿山越岭的公路隧道和铁路隧道，在中国北方地区地下水位低的地下工程中也有较多应用，但在暗挖综合管廊工程中应用较少。经分析，产生这种现象的主要原因有：1)城市综合管廊作为城市重要的市政基础设施之一，一般依托城区的城市道路建设，除山地城市外，一般城区较少有穿山的城市道路；2)矿山法多基于新奥法原理进行设计施工，强调基于一定变形量的围岩自稳，会引起隧洞周边岩土体位移场改变，进而影响邻近的其他地下、地面城市建(构)筑物的安全。图6示出了采用矿山法的湖北十堰林荫大道综合管廊断面布置图。

图6 采用矿山法的湖北十堰林荫大道综合管廊断面布置图(单位：mm)Fig.6 Standard cross-section of utility tunnel using mining method in Shiyan Linyin Avenue,Hubei (unit:mm)

2.5 短距离暗挖综合管廊工程长度一般在200 m以内

从表1中可以看出，在短距离的穿越障碍型的暗挖综合管廊工程中，暗挖长度一般小于200 m。这是因为，一般情况下这个长度范围已经足够满足穿越障碍物的工程需求。更重要的是，在目前的综合管廊技术标准体系下，200 m为一个基本的综合管廊区间长度[14]。当暗挖长度不超过200 m时，可方便布置防火区间、通风区间、逃生区间等功能区间，在区间两端复合布置功能节点，满足综合管廊的系统功能需求。对于暗挖范围本身，仅需实现综合管廊的标准段，设计与施工就相对简单。

3 暗挖综合管廊的研究方向

对于长度小于200 m的短距离暗挖综合管廊，一般不涉及综合管廊功能系统的问题，仅是将综合管廊的标准段改为暗挖工法。一般地，这种短距离暗挖综合管廊的设计与施工可参考地下隧道工程的暗挖技术。因而，暗挖综合管廊的研究方向是指在长距离暗挖综合管廊工程中，为实现综合管廊的使用功能和自身功能系统而遇到的一些亟待解决的难点和问题。

3.1 暗挖综合管廊的功能整合

综合管廊的功能可分为空间使用功能和自身的附属功能。空间使用功能是指综合管廊具备敷设、分支、接入与引出城市工程管线的作用。附属功能是指为了保障综合管廊内管线的安装、检修与运营，自身需要设置的功能系统。根据GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》[15]的有关要求，附属功能包括消防系统、通风系统、配电系统(供配电与照明)、监控与报警系统、逃生系统、吊装系统、排水系统、标识系统等。为实现上述功能需求，需要在综合管廊工程中设置管线分支口、防火隔断、通风口、设备间(强弱电)、逃生口、吊装口、集水坑等构筑物。为便于与综合管廊标准段相区分，这些构筑物一般被统称为综合管廊功能节点。

图7示出了采用传统明挖法常见的综合管廊总体布置纵向示意图。可以看出，在沿综合管廊纵向≤200 m的间隔范围内，就有管线分支口、防火隔断、通风口、设备间(强弱电)、逃生口、吊装口、集水坑等较多的功能节点。因而，在明挖工程中，一般考虑将综合管廊尽量布设在城市道路的绿化带、机非分隔带或人行道下方，以方便上述各类功能节点，尤其是通风口、逃生口和吊装口等各类口部的布置和建设。

图7 常见的综合管廊总体布置纵向示意图Fig.7 Conventional longitudinal schematic of overall layout in utility tunnel

当综合管廊采用暗挖法实施时，这些小间距布置的功能节点会给工程实施带来困难。结合顶管法、盾构法等暗挖工法的技术特点，暗挖综合管廊应像地铁工程的区间隧道一样具备长距离的、连续的标准段，功能节点应如地铁车站那样集中整合布置。简而言之，就是需要将代表综合管廊功能需求的各类功能节点整合在一起集中布置，而功能节点集中整合布置的内涵是综合管廊的功能整合。在既有的综合管廊技术标准体系下，需要研究如何在这种“长距离标准段、功能节点集中布置”的综合管廊中，实现使用功能和自身附属功能，这是暗挖综合管廊技术发展的一个重要研究方向。实践意义上，综合管廊的功能整合是长距离暗挖综合管廊工程发展的关键性技术之一。

3.2 暗挖施工井的综合利用

顶管、盾构等暗挖工法的实施过程中需要设置顶管工作井、盾构始发井、接收井等施工井。根据机具吊装、渣土外运、预制构件吊运等要求，这些施工井都有一定的平面尺寸要求。在已有的暗挖综合管廊工程中，施工井的平面面积一般为200 m2以上。

在地铁隧道工程中，施工井往往在使用阶段改造成为地铁车站的一部分。在大直径地下管线工程中，施工井在管道施工完成后大多被填埋。显然，在暗挖工程中充分利用施工井，并在使用阶段将其改造成为工程永久设施的一部分，有更好的经济效益。

与此不谋而合的是，如前所述，暗挖综合管廊需要有效合理地进行功能整合，需要综合管廊的“功能节点集中布置”。那么，将暗挖施工井改造为使用阶段综合管廊“功能节点集中布置”的综合节点，就是顺势而为的技术研究方向。为了便于交流，将该综合节点统称为综合井。通过研究综合管廊技术标准体系的有关规定以及综合管廊常见的使用需求，综合井应具备的功能或设施有(不限于)：1)施工阶段的暗挖工艺井；2)防火分区的隔断设施；3)入廊管线的引入与接出；4)通风机房、风井等通风设施；5)配电设施用房；6)自控设备用房；7)暗挖区间段及综合井的逃生出口；8)入廊管线、附属设备的吊运；9)暗挖区间段及综合井的集水坑、排水泵等排水设施。

图8示出了黄冈城区综合管廊新港北路顶管段综合井竖向剖面图。该综合井在顶管施工期作为工作井，顶管实施完成后建成了包含有防火隔断、管线引入与接出、通风机房、风井、吊装、逃生等功能的综合井。

图8 黄冈城区综合管廊新港北路顶管段综合井竖向剖面图Fig.8 Vertical profile of comprehensive shaft in utility tunnel in Huanggang

此外，还可将综合管廊监控中心、备品备件仓库等功能用房集中整合布置在综合井中。工程建设者应分析研究上述各种功能或设施的技术要求和空间关系，给出相应的技术标准和最优组合技术。

3.3 长距离暗挖区间的防火、通风与逃生

在暗挖工法下，尤其是长距离暗挖工法施工的综合管廊，除综合井外，其暗挖区间是单一的、连续的标准断面，难以根据附属功能系统的要求设置功能节点。

通过研究，发现在长距离暗挖综合管廊中，配电系统、监控与报警系统、标识系统可以通过设置在综合井的设备间结合自用支(桥)架、设备小型化等作为物理实现形式，吊装系统可以通过随综合井设置的吊装口和考虑运输通道的断面等实现，排水系统可以通过设置在综合井的集水坑抽排系统及区间的单向纵坡来实现，但防火系统、通风系统、逃生系统与设置在区间中的防火隔断、逃生路线及口部等有关，是长距离暗挖综合管廊实施的难点之一。

3.3.1 防火与通风

在明挖综合管廊工程中，防火区间与通风区间一般是重合设置的，即在综合管廊内部采用防火墙、防火门等防火分隔设施分隔成防火区间，同时在防火区间两端的防火分隔处分别设置排风口与进风口，形成通风区间。这种情况下设置的防火门通常是常闭的，对灾前的正常通风及灾后排烟都没有影响。而根据GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》[15]的有关要求，防火区间长度一般不应大于200 m。显然，对于长距离暗挖综合管廊工程，通风区间必然跨越防火区间，而构成防火区间的防火分隔设置必然出现在通风区间的中部。虽然通过防火门平时常开、灾时关闭的设置可以保证正常运营工况下的通风，但灾时关闭的防火门阻断了灾后通风的风道。如何协调长距离暗挖综合管廊工程中防火与灾后通风的关系，是亟待研究的课题。

3.3.2 逃生问题

GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》[15]给出了综合管廊逃生口的设置要求。由于电力管线入廊是综合管廊工程最普遍的现象[16]，逃生口一般需满足“设电力电缆的舱室，逃生口间距不宜大于200 m”的规定。显然，在长距离暗挖区间小间距设置逃生口是非常困难的事情。目前的权宜之计包括：1)在多舱管廊中，按规定间距设置联通相邻舱室的逃生口，将灾时逃到相邻舱室作为可接受的逃生方式；2)在大断面管廊中，单独设置逃生舱，将其他舱室与逃生舱相联通；3)在设置带防火门的防火隔断管廊中，由于防火门在灾时关闭，阻断了灾情的发展，将灾时逃到相邻防火区间作为可接受的逃生方式。无论采用哪种方式，从推广暗挖综合管廊建设技术的角度，都应有一种科学的、经济的、严谨的长距离暗挖区间的逃生解决方案。

3.4 垂直顶升技术

综合管廊的各类功能节点，如逃生、管线分支引出、通风、吊装等，一般需要频繁地与地面联通，这也是综合管廊不同于一般道路隧道、地铁隧道的重要特征之一。这些功能节点在传统的明挖法综合管廊工程中比较容易实施，而在长距离暗挖区间中，亟需有成熟、经济的竖直井筒施工方法，实现综合管廊暗挖区间与地面的联通。

竖直井筒施工方法可分为自上而下的竖井施工技术和自下而上的垂直顶升技术。竖井施工技术在矿业开采、山岭隧洞等工程领域有较成熟的应用，但这种技术一般是由上而下施工，大部分作业和出土都在地面进行，与本文所述暗挖综合管廊对地面环境影响小的特点不匹配。垂直顶升技术在给排水隧道工程的立管施工中有一定的应用[17]。然而，垂直顶升技术也存在一些问题：1)垂直顶升过程中顶升力和反力的计算方法与影响因素不够明确；2)立管和水平隧洞结构的设计技术有待进一步改进；3)垂直顶升技术的发展依赖于顶管、盾构等机械水平的进步。

4 结论与讨论

暗挖技术的应用可以有效地减少老旧城区综合管廊建设的不利影响。在实践中，由于综合管廊的功能保障需求和技术特点不同于城市隧道的技术要求，不能直接套用城市隧道的暗挖工法技术。

本文梳理了我国暗挖综合管廊的发展历程，通过工程案例的调研与分析，给出了当前我国暗挖综合管廊的发展特点：1)暗挖综合管廊工程多为穿越障碍型的短距离暗挖工程；2)长距离暗挖综合管廊在老旧城区管廊建设中有一定的发展；3)暗挖工法的选择与暗挖距离密切相关；4)矿山法在暗挖综合管廊工程中的应用较少；5)短距离暗挖综合管廊工程长度一般在200 m以内。

本文认为需要系统地解决长距离暗挖综合管廊工程施工遇到的技术问题，以进一步推动城市综合管廊的规划建设。暗挖综合管廊需要解决的问题及研究方向有：1)暗挖综合管廊的功能整合；2)暗挖施工井的综合利用；3)长距离暗挖区间的防火、通风与逃生设置；4)垂直顶升技术在暗挖综合管廊工程中的应用等。