市政交通-隧道工程

市政交通-隧道工程
随着经济建设和城市化发展，交通已经成为当今城市最为严重的问题之一。

城市居民生活水平的提高，对环境也提出了越来越高的要求。

构建立体交通、倡导公共交通，对缓解城市交通拥堵、改善道路交通环境具有重要意义。

构建立体交通之一就是发展城市地下道路。

当前我国一些主要城市都在发展城市地下道路隧道。

如北京奥运公园地下道路隧道；上海延安东路越江隧道、上海军工路隧道、打浦路隧道、外环隧道；南京玄武湖隧道、武汉长江隧道、杭州西湖隧道；扬州瘦西湖隧道；青岛胶州湾海底隧道；厦门翔安海底隧道等。

本章隧道工程是指城市地下道路隧道。

1建设条件
城市地下道路与地面道路有比较大的差异，表现在道路环境、驾驶行为、设施配置、运营与防灾、道路特征与交通组织以及建设特征等方面。

城市地下空间的发展，逐步出现了一些新型的地下车行服务设施。

传统意义上的单点进出隧道向着多点进出、系统性的长距离地下车行设施发展。

这些新型的地下车行设施与传统的单点进出隧道相比，在交通定位、使用功能、通风、防灾、应急救援等方面都存在显著差异。

地下道路与地面道路的差异对比见表5.1-1。

城市地下道路典型断面见图5.1-1。

图5.1-1 城市地下道路典型断面
城市地下道路隧道与公路隧道也不同。

除了地理位置差异，在建设条件、交通特点、技术标准等方面也有较大差异。

城市地下道路隧道位于城市区域，人口稠密，建筑物多，难度大，风险高；交通特点也不一样；城市地下道路以小客车为主；一般设有多点进出。

另外隧道附属设施的要求也相对较高。

具体比较见表5.1-2。

图5.1-2 城市地下道路隧道
图5.1-3 公路隧道
城市地下道路从功能上讲，主要有以下几种类型：
①穿越江河、山体等障碍物的城市地下道路。

如上海市区穿越黄浦江的越江隧道；南京、武汉市区穿越长江的隧道；北京市区穿越西山风景区的西山隧道等。

②穿越一个或多个交叉口的城市地下道路。

这种类型的地下道路通常也称为城市下立交，其功能是为了改善节点的交通矛盾、或改善区域景观环境而设置。

比如北京市奥运公园地下大屯路隧道、慧忠路隧道；上海市穿越世纪大道的东方路隧道等。

③系统多点进出的城市地下道路。

这种类型的地下道路通常较长、规模较大，并设多个进出口，与路网连续较为紧密，以服务中长距离交通为主。

在交通网络中承担了较强的系统性交通功能。

④改善城市区域到发交通、沟通联系地下车库、整合车库资源的城市地下道路。

比如北京的中关村、金融街等在地下形成连接多个地下车库的地下道路系统。

城市地下道路按照长度又分为特长距离、长距离、中距离和短距离地下道路隧道，见表5.1-3。

混行车地下道路和小客车专用地下道路。

城市地下道路根据主线封闭段长度及交通情况，按防火灾设计要求分为四类，见表5.1-4。

表5.1-4 城市地下道路防火设计分类
2总体设计
地下道路的总体设计应符合现行行业标准《城市道路工程设计规范》（CJJ37）的规定，同时应符合下列要求：
①与城市路网合理衔接，与区域路网规划、区域地下空间规划相结合。

②符合城市地下空间规划确定的深度分层、限界。

③处理好与地面交通、城市历史风貌、城市空间环境的关系。

④处理好与市政管线、轨道交通设施、综合管廊及地下文物等其它地下基础设施关系，合理安排节约化利用地下空间。

城市地下道路总体设计包括地下道路与城市路网、地下空间开发的相互关系。

从功能、使用、安全等方面，处理好地下道路线形设计中的平面、纵断面和横断面，满足视距要求，确保行车安全与舒适。

规划布置出入口位置、间距和形式的综合设计及出入口交通组织，协调与地面交通的衔接，保证地下道路主线通畅，进出交通有序，与周边路网衔接顺畅。

城市地下道路交通设施设计应加强安全行车引导，交通设施应简洁、可视性好、易识别。

同时城市地下道路设计应根据规划预留必要的实施条件。

城市地下道路结构主体设计，应满足耐久性设计要求。

主体结构的设计年限为100年。

主体结构应分别对施工阶段和使用阶段按承载能力极限状态及正常使用极限状态进行设计。

道路路面结构应满足耐久性和稳定性的要求，沥青路面结构设计使用年限不应小于15 年，水泥混凝土路面结构设计使用年限不应小于30 年。

当采用沥青混凝土路面时应具有阻燃性好、噪音低的性能。

城市地下道路设计还应根据通风、供电、照明、监控、防灾等要求，进行综合设计。

城市地下道路设计应符合国家环保政策、法规，注重环境保护和资源节约，在满足安全、经济、可靠的原则下，体现节能环保。

对通风、照明等能耗较大的设备，选用高效、低能耗的产品进行节能设计。

城市地下道路设计应开展景观设计，洞口、洞内装饰以及风亭等美化设计应与周围城市环境相协调。

城市地下道路设计应根据工程地质与周边环境，从技术、经济、工期、环境影响等方面综合比较，选择合理的结构型式和施工工法。

3隧道线形设计
城市地下道路的平、纵线形要素的设计原理和方法与地面道路基本一致。

但在总体布置、设计原则、考虑因素、相关技术标准等方面存在一定的差异，以适合地下道路的建设要求。

隧道线形设计包括5个部分的内容。

3.1平面线形
城市地下道路的平面线形布置除受城市道路网布局、地区控制性详细规划、道路规划红线宽度等影响外，还受到地下管线设施、建筑物基础的影响。

另外在地下封闭空间，司乘人员的行车视线受两侧侧墙和顶板等影响强烈，地下道路的平面线形布置应注意对行车视距的保障，保证线形流畅，自然诱导驾驶人视线。

对于上、下分离的独立双洞的地下道路，在平面线形布置时，应保证双洞之间的最小净距。

净距离过小会对相互结构产生不利影响，甚至会影响到地面沉降。

但距离多大，对道路在两端地面展线不利。

在现行的《公路隧道设计规范》（JTG D70）
中，隧道间净距根据地层围岩等级的不同，有一个比较明确的规定。

在一些城市的地方标准中，也有类似的规定。

比如在一些地方标准中，对平行盾构隧道的净距要求不宜小于D（盾构直径）。

地下道路平面线形设计尽可能采用较大的圆曲线半径，圆曲线半径过小会存在视距难以保证，需要加宽或设置超高。

半径过小也不利于通风。

道路圆曲线最小半径是根据曲线路段车辆能够安全、顺适地行驶所需的条件而确定的，与设计速度、横向力系数和路面超高有关，从理论计算上，地下道路与地面道路没有差异，可取用与地面相同的标准。

但在实际使用中，地下道路最小圆曲线半径的设置受最大超高和行车视距的限制。

当采用不同超高时，应根据城市道路相关设计规范进行计算。

当采用城市道路设计规范规定的极限最小半径或一般最小半径时，必须进行视距验算，并采取一定的措施满足停车视距的要求。

3.2纵断面线形
地下道路的纵断面布置应根据地质条件、地下管线（建筑物）、结构安全、施工工艺等因素综合确定。

对于明挖施工的地下道路隧道，考虑到道路路面结构及地下管线的设置要求，一般埋深不宜小于2m。

对于盾构隧道，考虑到结构设计要求以及对地面沉降控制的要求，一般埋深不宜小于0.65D。

竖向曲线的布置应结合各地要求，综合选择确定。

道路纵坡的选取应分别满足最大纵坡和最小纵坡的要求。

最大纵坡是纵断面设计的一项重要指标，直接影响路线长度、行驶舒适性、安全及工程技术经济性。

道路最大纵坡主要依据车辆的动力特性、道路等级、自然条件、运营经济性等。

城市地下道路设计速度大于或等于50km/h的极限纵坡限制值应不超过5%。

城市地下道路的纵坡取值如下：
范要求城市地下道路的最小纵坡为0.3%。

城市地下道路标高通常比两端的地面低，为防止周边雨水等汇入，通常在地下道路引导两端接地口处设置倒坡，形成排水驼峰。

3.3平纵组合设计
地下道路在进行平纵曲线组合时，应注意前、后线形的协调，线形指标应逐渐过渡，防止突变。

降低对行驶安全的不利影响。

在平纵组合设计时，应尽量做得“平包竖，平纵相互对应”。

但条件受限不能做到时，应避免平面、纵断面极限值组合设计，避免长纵坡、大纵坡底接小曲线半径等。

3.4进出洞口线形设计
地下道路在进洞、出洞时，由于光线急剧变化、行驶条件发生差异，易发交通事故。

因此洞口段的线形是地下道路设计重点之一。

洞内外线形应在一定距离里保持一致性，自然诱导驾驶人视线，避免出现突变。

城市地下道路的建设环境复杂，洞口线形设计应最大限度地顺应地形、与周围复杂的环境条件相协调，使总体方案最合理，在有条件的情况下应保持3s行程范围的一致性。

3.5停车视距
城市地下道路的平纵线形设计中，还应考虑停车视距的要求。

停车视距是指驾驶人自察觉前方道路存在障碍物时起，能够及时采取制动措施，直至车辆安全停稳的最短距离。

停车视距是地下道路设计的重要技术指标，设计中需要严格验算。

城市地下道路设计的停车视距可以采用与地面道路相同的技术标准。

但是在地下道路的进出口处，由于洞口亮度的急剧变化会造成驾驶人不适，应采用较高的停车视距标准。

综合现有的研究成果，洞口段的停车视距可取正常路段的1.5倍，详见表5.3-2。

1.5倍停车视距165 105 90 60 45 30
车辆在平曲线上行驶时，地下道路中的侧墙可能妨碍驾驶员的视线，成为障碍物。

应进行行车视距验算。

如图5.3-1所示，S为停车视距，AB为车辆从A点至障碍物B的视线、Z0为行车线至障碍物曲线内侧障碍物的距离，Z为行车线至视线的距离即为横净距。

车辆在曲线上行驶，保证其视距的视线随之移动，行程若干视距线，与之相切形成的曲线（即包络线PQ 曲线），如图5.3-2。

当平曲线半径大时，Z0>Z则满足视距，可不做处理。

当验算停车视距不足时，可增加曲线半径或增大侧向净宽等方面改善视距，如条件受限无法通过线形改善视距时，可采取限速措施，保证停车视距和行车安全。

图5.3-1 平曲线内侧障碍物的清除
图5.3-2 平曲线上视距清除曲线
此外规范还要求，城市地下道路设置凹型竖曲线路段，也必须进行停车视距验算。

因地下道路的顶部可能会遮挡行车视线，验算图示见图5.3-3。

图5.3-3 凹曲线停车视距图
4隧道主体设计
隧道主体设计包括隧道建筑限界、隧道断面布置、主体结构设计、防排水设计、隧道施工方案、以及隧道装饰与景观。

主体设计包含以下6部分内容。

4.1隧道建筑限界
隧道建筑限界主要依据地下道路设计速度确定。

城市地下道路的设计速度宜与两端接线的地面道路相同，具体设计速度的选择应根据道路功能、通行能力、工程造价、运营成本、施工风险、控制条件以及工程建设性质等因素综合论证确定。

短距离的城市地下道路应与两端接线的地面道路采用相同的设计速度。

除短距离的地下道路外，其它地下道路的设计速度一般不应大于80km/h。

隧道的建筑限界分为⑴不含人行道或检修道⑵包含人行道或检修道⑶含有非机动车道和人行道等3种情况。

见图5.4-1～5.4-3。

图 5.4-1 不含人行道或检修道
图 5.4-2 包含人行道或检修道
图 5.4-3 含有非机动车道和人行道
建筑限界组成最小取值应满足表5.4-2的规定。

建筑限界顶角宽度（E）不应大于机动车道或非机动车道的侧向净宽度。

非机动车道路面宽度Wpb或人行道宽度Wp应符合现行行业标准《城市道路工程设计规范》（CJJ37）的规定。

城市地下道路当两侧设置人行道或检修道时，可不设安全带宽度。

小净高应采用一般值；但条件受限时可采用最小值，即最小净高为3.2m。

4.2隧道横断面布
城市地下道路机动车道的宽度应符合《城市道路工程设计规范》（CJJ37）的规定。

当采用小客车专用道时，车行道宽度可适当压缩，但应符合表5.4-4的规定。

定横断面形式和各组成尺寸。

城市地下道路除了满足上述要求外，还需要为通风、照明、消防、监控等运营所需设施、设备及在应急情况下的逃生疏散、救援等提供必要的空间；同时还要考虑施工实际水平、预留结构变形、施工误差、路面调坡等余量。

城市地下道路横断面空间大致可分为⑴交通通行空间⑵设施设备空间⑶安全空间等。

道路横断面设计，实际上就是在有效的空间中，既要满足交通安全畅通，又要满足设施设备的安装以及人员安全疏散的要求。

交通通行空间是建筑限界规定的范围内，包含机动车道、路缘带等，部分城市地下道路包括人行道与非机动车道。

特殊断面还包括紧急停车带以及检修道等。

各组成断面的宽度应根据地下道路功能等级、设计速度、经济成本及施工难度等综合确定。

设施设备空间主要是利用建筑限界之外的上部、下部以及两侧与结构之间的空间，为通风、排水、消防、供电照明、监控、内装饰等附属设施提供安装空间。

设备空间与交通通行空间应保留一定距离。

图5.4-4 通行空间与设施设备空间关系图
安全空间是为了应急情况下的人员安全疏散以及救援提供的空间。

安全空间可以根据地下道路横断面形式选择上下层疏散楼梯、避难室、横通道等不同方式。

不论采用何种安全疏散方式，安全空间的设置应综合考虑交通通行空间、设施设备空间，协调处理好三者关系。

常见的单层和双层横断面布置图见图5.4-5图和5.4-6 。

图5.4-5 单层横断面布置图
图5.4-6 双层横断面布置图
城市地下道路不宜采用在同一通行孔布置双向交通。

当断面布置困难时，对设计速度大于或等于50km/h 的短距离城市地下道路，可在同一通行孔布置双向交通，但必须采用中央防撞设施进行隔离；对设计速度小于50km/h 的城市地下道路，当在同一通行孔布置双向交通时，应采用中央安全隔离措施；同时应保证运营管理安全可靠。

4.3隧道主体结构
地下道路结构根据施工工艺分为明挖法、暗挖（矿山）法、盾构法和沉管法。

各种工法及适用条件、特点比较见表5.4-5。

城市地下道路结构设计应根据工程地质条件、周边环境，从技术、经济、工期、环境影响等方面综合比较，选择合理的结构形式和施工工法。

明挖基坑深度限制影响较大断面变化受限
城市地下道路隧道出入口、地下道路分合流段等通常采用明挖法施工，在建设场地开阔、建筑物较少及环境条件许可的情况下也尽可能采用明挖结构。

明挖结构通常采用矩形断面、一般为现浇施工。

优点是断面能适应各种变化，与城市地下道路隧道的建筑限界也比较接近，结构受力合理，顶板上也便于敷设各种地下管线与设施。

采用明挖法施工的隧道横断面布置见图5.4-5单层横断面布置图。

暗挖法施工的城市地下道路隧道一般采用复合衬砌结构。

复合衬砌结构通常由内、外两层衬砌和中间防水层组成。

外层衬砌又称初期支护，其作用是加固围岩，控制围岩变形，防止围岩松动失稳。

初期支护要求开挖后立即施作，喷射混凝土与围岩密贴，在尽短的时间内加固开挖面。

初期支护包括打设锚杆、架设钢支撑（钢拱架）、喷射混凝土等。

内层衬砌称为二期支护，一般是在初期支护变形稳定后施作。

二期支护结构是主要的承载单元，根据围岩等级不同，二衬混凝土承载的荷载比例也不相同。

通常情况下二衬施工采用模筑混凝土。

防水层铺设在初期支护与二期支护之间。

采用暗挖法施工的隧道横断面布置见图5.4-7。

图5.4-7 暗挖法结构断面
盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在土层中推进，通过盾构外壳和管片支承四周土层，防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

盾构法具有以下优点：
1）安全开挖和衬砌，掘进速度快；
2）盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。

3）不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；
4）穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；
5）在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。

盾构法也
有以下缺点：
1）价格昂贵且针对性很强，对每一条用盾构施工的隧道，都需要根据工程地质、水文地质条件以及结构断面尺寸专门进行设计制造，一般不能简单地在其它隧道中重复使用；
2）隧道曲率半径过小或隧道顶覆土太浅时施工难度较大；
3）在富水松软土层中，地表沉降难以控制，对衬砌整体防水技术要求很高；
4）对水底隧道，覆土太浅时施工不够安全；
图5.4-8 复合式泥水平衡盾构机
图5.4-9 盾构隧道断面
沉管隧道是一种水下隧道的建设方法。

采用预制的方式建造隧道，然后将预制段分别浮运到隧址，通过沉放对接，在开挖的水下基槽内将各预制段一节一节连接起来，形成一个贯通的隧道。

沉管隧道的结构断面一般有圆形和矩形。

一般圆形断面多采用钢壳混凝土，矩形断面多采用钢筋混凝土结构。

矩形钢筋混凝土结构由于其断面利用率高，结构形式灵活。

伴随着大体积混凝土防渗抗裂技术的提高，沉管隧道的发展已经由钢壳结构向矩形混凝土结构发展。

钢筋混凝土矩形管段的优点是，隧道横断面利用率高，建造多车道（4～8车道）隧道时，优势明显。

矩形管段利用自身防水的性能，能做到隧道内无渗漏水。

缺点是修建临时干坞，征地搬迁及施工费用较高；制作管段时对混凝土施工要求严格。

图5.4-10 沉管法结构断面
4.4防水设计
城市地下道路隧道是穿越土（岩）层或水体的通道，会长期受到地下水的影响。

如果隧道排水设施不完善，地下水侵入隧道，发生隧道渗漏水病害，影响隧道内部结构及附属设施，降低其使用寿命；严重时会影响到隧道的安全运营和正常使用，甚至危害到地面建筑物的安全。

因此城市隧道的防水要求应贯彻在勘察、设计、施工和运营的每个环节，并根据工程地质与水文地质、施工方法、结构形式、施工技术水平、防水原则、防水等级等综合确定，以合理的方法和工艺，进行防水设计。

按照现行国家标准《地下工程防水技术规范》（GB50108），地下工程的设计和施工应遵循“防、排、截、堵相结合，刚柔相济，因地制宜，综合治理”，同时强调必须符合环境保护的要求，并采取相应措施；应用经过试验、检验和检定的质量可靠的新材料，行之有效的新技术、新工艺。

“防”是要求隧道衬砌结构具有一定的自防水能力，能防止地下水渗入，如采用防水混凝土以及附加防水材料。

“排”是指隧道应充分利用排水设施，以减小渗水压力和渗水量。

“截”是指隧道周边如有地下水、渗漏水等，应设置截、排水沟和采取清除积水的措施。

“堵”是指隧道在施工过程中，有渗漏水时，可采用注浆、截水等方法堵水，运营后渗漏水地段也可采用注浆等方法堵水。

地下工程的防水等级以及使用范围见表 5.4-6和表 5.4-7。

明挖结构防水技术：采用明挖法施工的隧道结构防水，一般有主体结构自防水和附加防水层所组成。

主体结构自防水要求主体结构混凝土自身有防水功能，防水混凝土的抗渗等级分为P6、P8、P10和P12。

抗渗等级根据结构的埋置深度确定。

附加防水层是指在结构周边（外侧）设置的防水层，通常采用高分子卷材、改性沥青卷材、涂料、膨润土防水材料、防水砂浆等。

隧道结构顶板、侧墙部分的防水层，在施工完成以后，为了防止填土对防水层的破坏，均需要设置防水保护层。

保护层一般采用细石混凝土、防水砂浆、预制砖等。

图5.4-11 明挖结构防水设计图
暗挖结构防水技术：暗挖施工的隧道防水包括①在初支和二衬混凝土之间设防水层以及纵、横向排水系统②二衬混凝土自防水③二衬混凝土背后注浆④施工缝、变形缝处设置多道防水措施。

通常暗挖施工的隧道采用半包防水，拱脚以上结构采用防水，拱脚以下为排水。

二衬混凝土外为排水，通过构建一个纵、横立体排水系统，将岩（土）层的裂隙水排水，卸载了水压力对结构造成的不利影响。

图5.4-12暗挖结构防水设计图
盾构结构防水技术：盾构法施工的隧道防水包括①管片衬砌自防水与外防水②衬砌接缝防水③衬砌与盾尾注浆防水④盾构法隧道与竖井接头防水等内容。

管片衬砌自防水与外防水是指盾构隧道管片结构自身混凝土要求满足抗渗指标和强度要求，管片外侧为满足耐侵蚀要求，外侧设置一层涂层，该涂层的粘接力、抗渗性、抗冲击、耐腐蚀性、耐磨性均需满足一定要求。

衬砌接缝防水是盾构隧道的防水核心，接缝防水措施包括密封垫防水、螺栓孔防水、嵌缝防水。

盾构管片防水见图5.4-13。

图5.4-13 盾构管片防水图
沉管结构防水技术：沉管结构的隧道防水包括①管段自防水②管段外防水③管段接头防水。

管段自防水就是采用防水抗渗混凝土，提高混凝土的密实性和耐久性，达到防水抗渗的目的。

管段外防水就是用防水材料在防水结构表面形成薄膜，能适应微小变形以及抵抗酸碱介质的侵蚀而达到防水防腐的要求。

管段的接头防水是沉管隧道防水的关键部位，沉管隧道接头的设计不仅要满足接头部位在施工及运营阶段各种工况的防水要求，还有满足沉管管段沉放对接施工中接头的水力压接功能以及管段间接头的柔性功能。

柔性接头一般采用GINA型橡胶止水带和OMEGA型橡胶止水带所组成的柔性接头形式。

沉管管段接头防水见图5.4-14。