陽澄西湖三通道工法選擇及圍堰明挖法、盾構法經濟性分析

楊 旭 （中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 引言

隨著我國經濟的發展和水下施工技術的進步，許多水下隧道相繼建成并成功運營，人們也改變了觀念，使“遇水架橋”不再是唯一的選擇[1]。水下隧道必須根據工程建設條件、環境要求，選用安全可靠、經濟合理的施工工法予以建設，以謀求最大的技術、經濟、環境和社會效益。目前水下隧道的修建方法主要有圍堰明挖法、盾構法、沉管法與鉆爆法（礦山法）[2～3]。

本文結合陽澄西湖三通道工程情況，在基于湖域的前提下，對各施工方法適用性進行分析比較，為陽澄西湖三通道項目及今后湖域隧道工程在選擇工法時提供經濟分析參考。

2 工程概況

2.1 隧道概況

蘇州市陽澄西湖第三通道工程位于蘇州市相城區與工業園區，北接濟學路、南接星港街北延，以隧道形式由北向南下穿陽澄西湖，主線隧道為雙向六車道，設計時速50km/h的城市主干路，隧道長度約1765m；支線匝道隧道為雙向四車道，設計時速40km/h的城市主干路，隧道長約1470m（以南側匝道計）。

2.2 地質概況

本次主要研究陸域范圍的情況，根據地勘報告，陽澄西湖第三通道自上而下主要的地層情況為雜填土、素填土、黏土、粉質黏土、粉砂夾粉土等。陽澄西湖平均水深約2m。

3 工法初選

鉆爆法施工水下隧道適用于中風化以下的較完整的巖石地層[4]，如青島膠州灣海底隧道[5]、長沙市營盤路湘江隧道[6]，而湖域內主要為土層，因此，鉆爆法不適用于本項目。

沉管法隧道需有合適的干塢場地，滿足管節浮運的水深條件等[7]，典型工程有港珠澳海底隧道[8]、南昌紅谷隧道[9]。結合該工程場區范圍的水文地質條件與周邊情況，陽澄西湖水深約2 m～6m，管節浮運困難，沒有進行管段預制的干塢場地。同時，受控于湖域周邊的環境與場地，沉管法不適用于本項目。

國內在湖域施工隧道的主要有圍堰明挖法、盾構法，據不完全統計，主要案例見表1所示[10]。

如表1所示，在湖域施工的隧道，采用圍堰明挖法明顯多于盾構法，主要原因在于需要在湖域施工隧道的工程（除地鐵外）多以市政道路，受使用功能、接線條件限制，覆土一般較小[11]，而明挖法隧道比盾構法隧道在這方面優勢更明顯。但是，圍堰明挖法施工期對湖域生態、環境、景觀影響較大。

國內湖域隧道建設概況 表1

鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰的適用條件 表2

結合陽澄西湖的實際情況，采用盾構法與圍堰明挖法均可行，下文對圍堰明挖法、盾構法進行經濟分析比較，為今后湖域隧道工程在選擇工法時提供經濟分析參考。

4 工法詳選——圍堰明挖法、盾構法經濟性分析

圍堰明挖法隧道的主要工程包含圍堰工程、基坑工程（圍護結構）、主體結構工程以及裝修、機電等配套工程。圍堰工程與水深、湖域寬度關系較大，基坑工程與地質條件、基坑深度關系較大，主體結構工程與隧道埋深、水深關系較大。因此，在湖域（不考慮通航）隧道的前提下，隧道覆土一般可由設計確定，一般為1 m～3m，取平均值2m進行分析。同時，湖底地質條件多為軟土層，地質條件一般較差。初步分析，對湖域圍堰明挖法隧道延米造價影響較大的主要為水深與隧道長度。

盾構法隧道在地質條件一定的情況下，延米造價主要與隧道長度關系較大，因為盾構長度較短，則盾構的攤銷以及盾構工作井、端頭加固等費用的攤銷較大，而盾構隧道延米造價與水深關系較小。

圖1 鋼板樁圍堰標準斷面圖

不同水深圍堰方案選擇 表3

不同水深的結構厚度與圍護方案 表4

綜上分析，對一般湖域隧道而言，影響盾構法與圍堰明挖法工程經濟性的主要前提條件為湖域水深與隧道長度。

4.1 不同水深的圍堰方案選擇

鋼圍堰是在涉水工程建設中，為建造永久性構筑物而修建的擋土或擋水的臨時性圍護鋼結構，湖域隧道明挖法施工圍堰可以選擇鋼板樁圍堰或鋼管樁圍堰。

通過對鋼板樁圍堰和鋼管樁圍堰的適用情況比較，水深2m、4m、6m、8m選擇鋼板樁圍堰，水深10m、12m選擇鋼管樁圍堰，具體參數選擇見表3所示。

4.2 不同水深的圍護與主體結構方案

如前所述，在隧道覆土2m情況下，基坑深度約10m，圍護結構按SMW工法樁考慮。

圖2 SMW工法樁圍護典型斷面圖

圖3 陽澄西湖三通道典型隧道橫斷面圖

圖4 時速50km/h雙向六車道盾構隧道典型橫斷面圖

不同水深的圍堰明挖隧道延米造價估算表 表5

湖域盾構隧道延米造價估算表 表6

基于陽澄西湖三通道主線隧道的設計標準，即設計時速50km/h的雙向六車道。圍堰明挖隧道的主體結構凈高6.65m，行車孔凈寬12.1m，結構厚度通過工程類比與受力分析，如表4所示。

若主線設計時速50km/h的雙向六車道采用盾構法施工，則采用2條外徑13.95m，內徑12.75m，管片厚度0.6m的盾構。

4.3 圍堰明挖、盾構法延米造價估算

4.3.1 圍堰明挖法隧道延米造價估算

圍堰明挖隧道主要計入圍堰結構、圍護結構、主體結構的造價如表5所示，未計入隧道裝修與機電設備等與水深關系較小的項目。

根據表5，一座長度為L的圍堰明挖隧道，總造價S=延米造價×L（萬元）。

4.3.2 盾構隧道延米造價估算

盾構隧道造價分為盾構掘進、管片、注漿、洞內裝配結構等，其總造價隨隧道長度變化，而盾構井及端頭加固等造價不隨長度變化。如前所述，在研究水深范圍內（12m及以下），盾構延米造價受水深影響小，盾構延米造價如表6，分兩部分計列，不含隧道裝修與機電設備等。

一座盾構段長度為L的盾構隧道，盾構段總造價為S=6600+75.6L（萬元）。

4.4 圍堰明挖、盾構法延米造價水深的關系研究結果

根據前述方案，本隧道盾構段長度約1400m，盾構平均延米指標為75.6+6600/1400=80.3萬元/m。采用內插法進行計算，在水深低于11m時，采用圍堰明挖法更經濟，水深高于11m時，盾構法更經濟。

4.5 圍堰明挖、盾構法延米造價與長度的關系研究結果

根據前述造價估算表，盾構法隧道由掘進指標75.6萬/m與盾構井、端頭加固等費用共同組成，因此當圍堰明挖法隧道延米造價指標低于盾構掘進指標75.6萬/m時，顯然圍堰明挖法更便宜，即水深10m及以下時，圍堰明挖法更便宜。

當圍堰明挖法隧道延米造價指標高于盾構掘進指標75.6萬/m時，即水深12m時，需按總造價相等進行計算，

由 86.4×L=6600+75.6×L，解得 L≈611m，即在水深12m時，盾構段長度在611m時，圍堰明挖法隧道與盾構法隧道造價基本相當；盾構段長度＜611m，圍堰明挖法更便宜；盾構段長度＞611m時，盾構法更便宜。

5 結論

在城市湖域建設隧道工程，本文結合陽澄西湖三通道工程，通過對水下隧道常用施工方法：鉆爆法、沉管法、圍堰明挖法、盾構法從地質、外部條件、延米造價等多方面進行分析，得出如下結論：

①由于湖底地層主要為土層、軟土層，鉆爆法不適用；

②沉管法需要合適的干塢場地，滿足管節浮運的水深條件等，一般湖域無法滿足，不適用；

③盾構法、圍堰明挖法從技術上均可滿足工程建設條件，結合陽澄西湖三通道的實際平均水深（約2m），以及隧道長度約1765m，建議采用圍堰明挖法施工；

④在湖域隧道前提下，水深小于11m，圍堰明挖法相較于盾構法更經濟，水深10m及以下時，圍堰明挖法延米造價均低于盾構法，水深12m時，盾構段長度小于611m，圍堰明挖法更經濟，否則盾構法更經濟。