盾构隧道富余空间综合利用分析及应用.pdf

第1期（总第232期）2024 年 2 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.1 (S e r i a l N o.2 3 2)F e d.2 0 2 4131盾构隧道富余空间综合利用分析及应用朱 洁 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125摘要：盾构隧道下部富余空间用作市政管线的通道，提高了盾构空间资源的综合利用率，同时也解决了市政管线建设需求，低碳环保，经济效益好。珠海大道隧道内设置有 DN1 200 给水管，预留有高压电力管、通信管通道，结合珠海大道隧道项目，研究市政管线随隧道建设的合规性。重点分析市政管线的工艺布置、进出隧道路由、吊装运输路径、建设时序，提出 DN1 200 给水管随盾构主体同步施工，电力电缆后期建设的施工步骤。同时对市政管线随隧道建设的安全性进行分析，给水管采用设置检修阀、排气阀、泄水阀等措施，利用隧道废水排水系统排除管道泄水。最后研究高压电力电缆舱的消防安全保障措施，确保隧道与市政管线的运营安全。关键词：盾构隧道；富余空间；综合利用；工艺布置；吊装施工；管道泄水中图分类号：U453 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2024）01-0131-05收稿日期：2023-10-05作者简介：朱洁（1976），女，高级工程师，本科，主要从事市政给排水、海绵城市工程设计。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2024.01.029盾构隧道一般应用于穿越城市内主干河道和交通繁忙的城市主干道，这 2 个区域也是市政公用管线需要敷设的位置。若能把市政公用管线与隧道结合建设，对于提高盾构隧道断面的利用率有很大的意义，同时也解决市政公用管线直埋敷设带来的建设费用高和检修困难等问题。单层盾构隧道车行道下方有较大的空间，可考虑作为市政公用管线建设通道。结合珠海大道隧道项目，首先分析市政公用管线与盾构隧道结合建设的合规性，结合市政公用管线需求，探讨随隧道建设管线的种类、规格；其次分析进入隧道管线安装空间、检修空间的需求，使管线和隧道能有机融合；最后研究管线和隧道两者之间的安全性问题，以及确保运营安全的保障措施。经过分析，珠海大道隧道内建设有 DN1 200 给水管、通信管，预留有 110 kV、220 kV 电缆通道。此项目的建设实施，可供后续类似项目参考借鉴。1 市政公用管线进入隧道合规性分析城市建设市政管线主要有给水管、通信管、燃气管、电力管、雨水管、污水管，其中污水管和雨水管为重力流管线，与城市盾构隧道的竖向高程不匹配，不作为随隧道建设管线分析。GB 500162014建筑设计防火规范（2018年版）（以下简称建规）规定，隧道内严禁设置可燃气体管道，电缆线槽应与其他管道分开敷设。当设置 10 kV 及以上的高压电缆时，应采用耐火极限不低于 2 h 的防火分隔体与其他区域分隔。CJJ112011城市桥梁设计规范（2019年版）（以下简称桥梁规范）规定，严禁在地下通道内敷设电压高于 10 kV 配电电缆、燃气管及其他可燃、有毒或腐蚀性液、气体管。该条条文解释如下：对于超过本条规定的管线，如因特殊需要在桥上或地下通道内通过，应作可行性、安全性专题论证，并报请主管部门批准。结合以上 2 条强制性规范的解读，燃气管由于对隧道安全存在重大隐患，不能随隧道敷设，给水管、通信管、电力管随隧道敷设在规范上是允许的。2 项目概况珠海大道隧道建于珠海大桥的南侧，接入两侧的珠海大道主线，为双向 6 车道双管单层盾构，直径为 14.5 m。盾构始发井位于磨刀门水道西岸珠海大桥南侧，盾构接收井位于磨刀门水道1322024 年第 1 期朱洁：盾构隧道富余空间综合利用分析及应用东岸珠海大桥南侧，盾构段长度 2.93 km。工程总体平面设计见图 1。工程总体纵断面设计见图 2。隧道西工作井东工作井珠海大道鹤港高速广佛江珠高速图 1 工程总体平面设计图隧道西工作井水面河底山体隧道隧道东工作井图 2 工程总体纵断面设计图3 隧道空间利用分析及应用3.1 隧道富余空间分析珠海大道隧道采用外直径为 14.5 m 的隧道断面，衬砌厚度为 0.6 m，内径为 13.3 m。车道顶部设置有通风、电气、自控、照明等机电设施，车道两侧侧墙下部设置有各类设备箱体，车道下方共有 3 个舱室，中间口字件处设置检修通道，并作为消防疏散通道，一侧舱室内设置安全通道，每间距120 m 设置逃生楼梯，其他位置可设置隧道地埋变、最低点废水泵房等设施，另一侧舱室可作为市政管线舱。可供市政管线利用的舱室位于隧道底部外侧，市政管线舱最高净高为 3.8 m，最宽为 3.8 m，呈约四分之一圆的空间。隧道横断面见图 3。北侧南侧烟道机电设施烟道箱体箱体给水舱电力舱逃生楼梯检修、消防通道检修、消防通道埋地变废水泵房埋地变废水泵房机电设施图 3 隧道横断面示意图3.2 给水舱设计1）给水舱工艺设计。给水舱内设置的给水管直径为 DN1 200，舱内留有约 1.25 m2.65 m 的检修安装空间，管道上部设置有 0.80 m 的阀件安装空间，每隔约 400 m 开 1 个防火门通向消防通道。给水舱下部设有通信电缆沟空间，宽度 1.10 m，高度 0.80 m，沟内可设置 5 个 0.35 m 长缆线桥架。给水舱布置见图 4。通讯管舱DN1 200给水管检修、消防通道防火门2 1001 2502 6501 200 800图 4 给水舱示意图在盾构隧道给水舱内，给水管道有明装和埋管2 种安装方式，见图 5。检修、消防通道检修、消防通道管道明装管道暗装支架包封图 5 给水管道安装方式比选图明装施工时，支墩支座可采用弹性材料缓冲，适应不均匀沉降的能力较强，管道保养也方便。但对隧道的设计、施工和运营维护的要求较高，需要合理设置管道支架系统，进行实时的运营监测，管道的维修养护工作量较大。埋管施工时，给水舱临走道侧设置 300 mm 厚配筋混凝土墙体，里侧灌注素混凝土或轻质泡沫混凝土，仅在阀门、阀件及检修口处明装，不需要设置管道支架系统，管道得到较严密的保护，出现爆管事故的概率更低。但埋管施工对于管道而言，适应不均匀沉降的能力较弱，并且给水舱内大量填筑素混凝土或轻质泡沫混凝土会增加造价。给水管安装方式比选见表 1。1332024 年第 1 期朱洁：盾构隧道富余空间综合利用分析及应用表 1 给水管道安装方式比选表比选内容明装埋管管道防腐保护较好好适应差异沉降能力较强较弱后期维护保养全线可进行维护保养 除明装位置，其余无法进行维护监测运营要求较高，成本较高要求较低，成本较低工程造价较低 较高，增加造价约 520 万综合推荐推荐经综合比选，隧道盾构给水舱内 DN1 200 给水管道采用明装施工。给水管道采用 16 mm 厚焊接钢管，耐压等级不低于 1.6 MPa。为便于管舱内给水管道的检修维护、防止水锤破坏及事故时关阀断水，除在隧道入口处设置水力爆管控制阀外，在隧道两端盾构工作井外及隧道管舱内每隔不超过 1 km 设置 1 处手电两用蝶阀，公称压力 PN16。阀门内设置阀位变送器和压力变送器，卧式安装（隧道管舱内上部空间不足，且便于手动操作），蝶阀的关闭时间取 60120 s。为便于蝶阀的安装检修，在每个蝶阀一侧设置 1 个双法兰伸缩限位器。为防止阀门突然关闭导致 DN1 200给水管道超压造成管道事故，在每个蝶阀靠近泵房一侧安装泄压阀。为平衡管道内气压，减弱水锤效应，每隔约 1 000 m 设置排气阀。每隔 200 m 设置1 个三通，盲堵封堵，作为检修口。主要阀门安装位置见图 6。蝶阀蝶阀蝶阀蝶阀蝶阀电磁流量计电磁流量计泄水装置爆管控制阀盾构段西东图 6 主要阀门安装位置示意图2）给水管进出隧道设计。DN1 200 给水管道自侧壁预留孔洞进入东工作井，在专用给水舱内垂直向下至地下 4 层，由 2 个 90弯头折弯后进入车道层下方的给水舱内。DN1 200 给水管道在盾构隧道给水舱内向西，进入西工作井地下 4 层，经 2 个 90弯头折弯后由专用给水舱垂直向上，经西工作井侧壁预留孔洞出隧道，盾构隧道段 DN1 200 给水管道的纵坡同隧道整体设计。DN1 200 给水管道走向见图 7、图 8。暗埋段给水管道暗埋段给水管道东工作井给水舱西工作井给水舱盾构隧道给水舱DN1 200图 7 给水管道走向示意图西侧工作井东侧工作井电力舱给水舱消防通道消防通道消防通道消防通道消防通道消防通道DN1 200图 8 给水管道进出盾构隧道示意图3）给水管施工方案设计。在盾构管舱内，管道安装施工的空间非常有限，为确保隧道工程整体施工进度并考虑 DN1 200 给水管道安装施工的便利性，需合理安排施工工序。提出以下 4 种可能的施工方案进行比选，见表 2。（1）方案一：盾构段口字件侧向每隔 400 m 开设 1 处投料口，设备材料从明挖段中间舱设置的消防坡道入口运送至工作井地下 4 层及盾构段，再通过口字件侧向开口运送进给水舱，盾构施工结束后安装管道。投料口（约 7 处）纵向长度约 5 m，预制口字件长度为 2 m，无法预制 5 m 长的投料口，而口字件是盾构推进过程中物料运输的唯一通道。为保障盾构推进安全，投料口只能临时采用预制口字件代替，待盾构推进完成后吊走预制件（每处投料口吊走 3 块口字件），再现浇施工带侧向投料口的口字件，大大增加隧道工期及工程造价。（2）方案二：设备材料从明挖段中间舱设置的消防坡道入口运送至盾构工作井地下 4 层，再通过工作井内预留的给水舱侧向开口运送进给水舱，盾构施工结束后安装管道。（3）方案三：盾构推进时暂不同步实施给水舱上部车道板，待盾构推进完成且隧道沉降稳定后安装管道。将已实施的盾构段车道层空间作为运输设1342024 年第 1 期备材料通道，待给水管安装完成后，再实施给水舱上部车道板。采用该方案时，给水舱侧上部的烟道板牛腿施工及预制烟道板安装要等待给水舱上部车道板完成后才能实施，继而导致影响装饰装修等工序，增加隧道施工工期。（4）方案四：给水舱上部车道板每隔 400 m 预留投料口，待盾构隧道沉降稳定后，将已实施的盾构段车道层空间作为运输设备材料通道。设备材料从车道板开口处运送进给水舱，在盾构段路面实施前完成设备材料的投料作业。表 2 施工方案比选表项目方案一方案二方案三方案四安装便利性将消防车道作为运输通道，侧向运送管道进入给水舱，运输较方便，但管道及配件仍需通过给水舱内纵向运输到位；安装空间狭小，焊接难度较高采用轨道电机车或管道运输板车等方案运输管道及配件，效率较低。安装空间狭小，焊接难度较高；工作井内焊接，采用井口推管机使管道就位，焊接环境较好将盾构段车道层作为运输通道，吊装方便；给水舱上部车道板未实施，管道安装空间大，焊接作业环境较好将盾构段车道层作为运输通道，吊装方便，但管道及配件仍需通过给水舱内纵向运输到位；安装空间狭小，焊接难度较高管道施工周期较慢慢快较慢对隧道工期影响盾构推进完成后吊走预制口字件，再现浇带侧向投料口的口字件，大大增加隧道工期给水管施工与隧道施工相互独立，两者基本无影响给水舱上部车道板、烟道板牛腿、烟道板、机电装饰等工序要等待给水舱实施完毕才能施工，会影响隧道整体施工工期盾构内部结构与给水管施工相互干扰的程度较小；投料作业完成后须尽快封闭投料口，否则将影响隧道整体施工工期在施工方案的比选中应以保证主线隧道的顺利实施为首要要务，同时保障 DN1 200 给水管道安装工程的顺利推进。珠海隧道项目给水管与隧道同步建设，推荐采用方案四，尽可能减少盾构施工与水管施工之间的相互干扰，同时也能保障给水管的施工进度。4）给水管道泄水设计。（1）给水管道泄水工艺设计。在盾构最低点设置 DN1 200 给水管道泄水装置，利用盾构低点废水泵提升后排至地面市政排水管道。泄水装置由 DN200DN400 的焊接钢管、6 台增压泵（4 用 2 备）及不同型号的钢制管件所组成，见图 9、图 10。隧道最低点废水泵房设计流量 Q为 129 L/s，增压泵单泵流量 Q 为 32.3 L/s，扬程 H为 5 m，功率 P 为 2.2 kW，增压泵布置于最低点废水泵房西侧平台上。盾构管片DN1 200 给水管泄水增压泵泄水阀消防通道给水舱DN400DN200废水泵房图 9 泄水装置平面示意图DN200废水泵房泄水阀泄水增压泵DN1 200给水管检修、消防通道图 10 泄水装置横断面示意图当给水管道需要排空时，关闭相应给水管段的手电两用蝶阀，给水管道内的自来水经泄水阀后流入 DN400 钢管中，后经 6 根 DN200 钢管自消防通道下部横穿至废水泵房侧，经增压泵提升后排入隧道最低点废水泵房，最终经废水泵提升并排出隧道。（2）给水管道泄水工况分析。本工程给水管道上共布置 5 个手电两用蝶阀，其中 1 号和 5 号位于工作井外，2 号 4 号位于盾构段中，见图 11。蝶阀蝶阀蝶阀蝶阀蝶阀泄水装置盾构段西东12345图 11 给水管道阀门布置示意图当给水管道需要检修时，不同检修管段对应的泄水时间见表 3。表 3 泄水工况表检修管段关闭阀门泄水距离/m泄水体积/m3单泵流量/（m3s-1）泵数量/个泄水时间/h121 号、3 号1 0601 198.220.0342.58232 号、3 号5056.520.0340.12342 号、4 号1 0541 191.440.0342.56452 号、5 号1 9862 244.970.0344.83朱洁：盾构隧道富余空间综合利用分析及应用1352024 年第 1 期3.3 电力舱设计1）电力舱工艺布置及施工方案。电力舱内有效高度最大处约 3 m，宽度最宽处约 3.4 m，电力支架沿盾构管片布设，电力舱内每 200 m 设置有 1 m宽检修通道，并设置防火门（预留）。与盾构中间消防逃生通道之间每隔 200 m 设置 1 道耐火极限不低于 3 h 的防火门，高度为 2.1 m，宽度为 1.2 m，同时作为电力舱内缆线吊装口及消防逃生口。电力舱布置见图 12。防火门高压电缆检修通道防火门检修、消防通道1 0002 1002 970图 12 电力舱布置示意图电力舱内的电缆不随盾构同步施工，后期根据需求逐步建设。珠海隧道预留吊装安装通道，有以下 2 个通道可选。（1）通道一：设备材料从明挖段中间舱设置的消防坡道入口运送至盾构工作井地下 4 层，再通过工作井内预留的电力舱开口运送进电力舱。（2）通道二：盾构段口字件侧向每隔 200 m 设置有防火门，设备材料从明挖段中间舱设置的消防坡道入口运送至工作井地下 4 层及盾构段，再通过口字件侧向开口运送进电力舱。2）电力舱安全设计。珠海大道隧道电力舱内敷设的电力电缆为输送电缆，其等级为 110 kV 或220 kV。根据桥梁规范中规定，大于 10 kV 电缆线进入地下通道，需进行安全论证，而建规是允许 10 kV 以上电缆进入隧道内，结合两本规范要求，并参考 GB 508382015城市综合管廊设计规范（以下简称管廊规范）、DL/T 54842013电力电缆隧道设计规程（以下简称电缆规程），分析论证 110 kV、220 kV 电缆进入隧道的安全性问题。高压电缆安全性分析见表 4。表 4 高压电缆安全性分析规范标准110 kV、220 kV 电缆进入隧道规定分析论证建规10 kV 及以上的高压电缆进入隧道，应采用耐火极限不低于 2 h 的防火分隔体与其他区域分隔允许 10 kV 及以上的高压电缆进入隧道桥梁规范严禁在地下通道内敷设电压高于10 kV 配电电缆。条文解释：对于超过本条规定的管线，如因特殊需要在桥上或地下通道内通过，应作可行性、安全性专题论证，并报请主管部门批准不允许 10 kV 以上的高压电缆进入隧道，但可经过专题论证后可进入隧道管廊规范容纳电力电缆的舱室应每隔 200 m 采用耐火极限不低于 3 h 的不燃性墙体进行防火分隔允许 110 kV 及以上的高压电缆进入管廊电缆规程电缆进入电缆隧道技术要求电缆进入电缆隧道技术要求高压电力电缆随隧道建设技术较成熟，南京市纬七路跨越长江江底隧道工程1和天津市滨海新区中央大道海河隧道工程2敷设有 220 kV 高压电缆。同时 110 kV 和 220 kV 电力电缆随隧道敷设在规范上是允许的，但需做好消防、排水、通风、疏散等保障设施。后期电力电缆建设前，应进行专题的安全论证，并报请隧道主管部门批准。4 结语结合珠海大道隧道项目，对单层盾构隧道富余空间作为市政管线通道的合规性进行分析，着重介绍作为给水管和电力电缆舱使用时的工艺布置、吊装通道、与隧道盾构施工之间的关系、给水管的泄水方案、电力电缆的安全性等，结论如下。1）利用盾构隧道内富余空间作为市政管线通道，提高了隧道资源的综合利用率，低碳环保，经济效益好。需进一步加强设计、施工的同步及协调。2）由于盾构内部安装空间受限，在设计阶段需重点关注市政管线的吊装运输路径，珠海大道隧道采用 DN1 200 给水管与盾构主体同步施工，解决管道运输安装问题。3）给水管道随隧道建设需考虑检修阀门、排气阀、泄压阀、泄水阀等阀门的设置，管道低点泄水可利用隧道废水排水系统。4）高压电力电缆与隧道合建需要论证其安全性及保障措施，并需经隧道主管部门批准。参考文献：1 丁永辉.利用市政公用隧道敷设 220 kV 及以上等级高压电缆的可行性研究 J.江苏电机工程,2009,28(6):49-53.2 迟福建,张建海.交通隧道敷设 220 kV 电缆的可行性研究 J.天津建设科技,2008,18(6):25-28.朱洁：盾构隧道富余空间综合利用分析及应用161ABSTRACTSResearch Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China;2.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 211189,China)Abstract:In response to the regional traffic problems during peak hours in the morning and evening of Shanghais airport,optimization models for single roads such as North Guangshun Road,Xiehe Road,Fuquan Road,and Jinzhong Road were constructed,as well as variable lane cluster control and signal timing optimization models for the airport area road network based on multi-objective programming and hybrid genetic algorithm.Quantitatively compare from two dimensions:traffic efficiency and environmental emission benefits.The results showed that the proportion of improvement in morning peak hours after variable lane cluster control and signal timing optimization was greater than that in evening peak hours,and the optimization of road network traffic efficiency and environmental emission benefits reached 17.46%and 20.53%,respectively.The optimization effect of variable lane clusters is more significant and stable than that of single lanes,which is more conducive to the overall improvement of road network traffic efficiency.The research conclusion can provide theoretical support and reference for the intelligent control of urban variable lane clusters.Key words:variable lane cluster control;signal timing optimization;multi-objective planning;hybrid genetic algorithm;traffic efficiency;environmental emission benefitsAnalysis&Application of Comprehensive Utilization of Surplus Space in Shield TunnelsZHU Jie(Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:The surplus space below the shield tunnel is used as a passage for municipal pipelines,which improves the comprehensive utilization rate of shield space resources and also solves the needs of municipal pipeline construction.It is low-carbon,environmentally friendly,and has good economic benefits.There is a DN1 200 water supply pipe installed in the Zhuhai Avenue Tunnel,with reserved channels for high-voltage power pipes and communication pipes.In conjunction with the Zhuhai Avenue Tunnel project,the compliance of municipal pipelines with tunnel construction will be studied.Focus on analyzing the process layout,entry and exit tunnel routing,lifting and transportation routes,and construction timing of municipal pipelines,and propose the construction steps for the DN1 200 water supply pipe to be synchronized with the shield tunneling main body and the later construction of power cables.At the same time,an analysis is conducted on the safety of municipal pipelines during tunnel construction.Measures such as setting maintenance valves,exhaust valves,and drain valves are adopted for the water supply pipes,and the tunnel wastewater drainage system is used to discharge water from the pipelines.Finally,research the fire safety measures for high-voltage power cable cabins to ensure the safe operation of tunnels and municipal pipelines.Key words:shield tunnel;excess space;comprehensive utilization;process layout;lifting construction;pipeline drainageResearch on Drilling Sealing&Sealing Construction Technology for Freezing Holes in New Freezing Method Connection ChannelsCHEN Pei-xin(Shield Engineering Branch,Shanghai Tunnel