图1.北横通道总体方案
概 述
随着城市化的发展，交通拥堵成为当今城市发展所面临的普遍问题，构建城市立体交通，倡导公共交通，对缓解交通拥堵、改善环境等具有重要作用。在交通建设方面除兴建轨道交通外，各地也越来越重视城市地下道路的建设。
从英国早期穿越泰晤士运河的地下道路到当今体现城市地下交通最新技术发展水平的波士顿中央大道、法国A86以及东京中央环状线以及澳大利亚地下快速路网等，城市地下道路建设已有百余年的建设发展历程。相比国外，我国城市地下道路建设发展历史较短。1970年上海市建了国内第一条水底隧道――打浦路隧道，全长2 761m，连通黄浦江两岸。近些年来随着社会经济快速发展，城市化和机动化水平突飞猛进，许多大城市私人小汽车爆发式的增长给城市交通带来了更大挑战。为改善城市交通、打破江河、山岭等自然阻隔，拓展城市空间、带动江河两岸发展，我国上海、北京、广州、深圳及南京等许多大城市开展了地下道路的规划建设。
新世纪初，上海市外滩隧道、北京市中关村地下环路等一批新类型的系统性地下道路的建设运营。尤其是上海外滩隧道，在建设形式方面与以往地下道路存在显著差异，创造了多个国内首次。
正在建设中的上海北横通道，穿越上海中心城区，全线19km，其中地下段约10.2km，建设规模大、技术难度极高。北横通道工程的建设代表着我国城市地下道路建设的最高技术水准，正与国际化水准相接轨，引领我国城市地下道路建设向着系统性方向发展，也体现了我国城市地下道路的建设顺应了世界城市地下道路的发展潮流。
北横通道建设背景与工程概况
近年来，上海市城市建设正处于快速发展阶段，城市总体空间布局由原来的“单中心”向“多心、多核、一轴两链”转变，随着城市空间布局的调整，交通需求结构也将产生新的变化。根据最新规划，未来北横通道沿线地区将有较大规模的开发建设，开发建筑总量将达到1.7亿平方米，增幅达40％。然而目前北岸地区的地面道路系统扩容潜力有限。因此，需要通过立体化改造措施，提升北横通道容量，以适应北部地区的发展。在这种背景下，上海提出了建设北横通道。
图2.横断面布置
北横通道位于上海中心城北部区域，贯穿中心城北部六区。北横通道建设目标是：适应城市功能结构调整，加强东西向发展轴的交通联系，缓解延安路高架和内环北段的交通压力，进一步推动沿线重点地区发展；同时每天将8-10万车次车辆转移至地下，释放大量地面道路空间资源。
北横通道全长约19.1km，其中隧道长度约10.2公里，包括7.75km盾构段(双层式双向6车道)，2.45km明挖段以及四座下立交，总体方案如图1所示。
全线遵循服务重点区域，衔接骨干路网的原则，立体扩容段共布置北虹路、泸定路、江苏路、恒丰路、河南路5对出入口匝道，匝道平均间距2.6km，并与中环北虹路、南北高架形成两处全互通立交。
在设计标准上，地下道路段设计速度60km/h，为小客车专用快速路，净空高度3.2m（限高3.0m）；车道宽度为3.0m/车道。在横断面布置时，盾构段采用单管双层形式，双向6车道（图2）。
应对工程设计挑战的若干技术创新
由于位于高密度开发的中心城区，建设条件极其复杂，给工程设计带来了极大挑战：交通组织复杂，多点进出超长地下道路；安全保障难度高、通风排烟及安全疏散救援方式全新挑战；线位多次穿越苏州河防汛墙，建筑物桩基及轨道交通等；大断面、小半径盾构施工难度大。
针对工程规划设计中面临的挑战，开展了一系列新技术创新研发与应用。
创新的选线设计理念由于原道路规划线位局部路段上已建和在建4座地铁车站，若仍按原线位将导致工程无法实施。因此设计采用盾构形式，利用深层地下空间改线苏州河和中山公园予以避让，平均深度40m以下，打破了上海地下空间建设的深度记录。同时通过工作井设置道路出入口，与周边地面道路进行衔接。
小客车专用地下道路线形技术标准研究与应用城市地下道路建设条件复杂、经济成本高、横断面尺寸上任何微小的增加都会引起额外巨额的工程造价和施工风险等。北横通道主要服务中长距离到发交通，服务对象以小型车为主，因此对横断面布置进行综合比选（图3），研究小客车专用地下道路的标准。
通过理论计算、实测、驾驶仿真模拟等多种措施，对新建路隧道、人民路隧道进行实车自然驾驶试验，通过激光测距仪、视频数据分析采集侧向间距数据，最终论证，实际观测证实行驶车速为60km/h时，观测车道宽度小于3.0m，即3.0m能够保证行车安全。在工程中，对两种横断面方案进行了综合比选，采用方案一形式。因此，在原有地面道路标准上实现了突破，采用了车道宽度最小3.0m，通行净空3.2m的设计标准。针对车道标准的研究也为中国首部针对地下道路领域的规范《城市地下道路工程设计规范》的编制提供了支撑，成果纳入最新规范的相关条文中。
图3.横断面方案比选
超大直径盾构长距离穿越城市深层地下空间技术采用大直径盾构单管双层布置，长距离从深层穿越饱和软土地基的上海市中心城区，避让已建建筑轨道交通车站和线路。连续穿越多幢已建构筑物、多次下穿苏州河防汛墙及大量市政管线。在盾构衬砌、盾构机选型，实施期间对周边环境的影响和保护要求等，都是上海乃至全国在隧道设计、施工管理、应急救援等方面的重大突破。在大直径盾构深层穿越、转弯半径、穿越轨道线路等方面均有创新和突破。
北横通道在市中心建筑密集区穿越，沿线共穿越建筑90多处（140多幢），建筑类型包括多层、高层及地下室，穿越类型包括下穿和侧穿，水平与建筑基础最小距离为1m（图4）。
北横通道主线明挖段穿越苏州河，主线结构与规划苏州河底最小净距为0.6m。北横通道主线在天目路苏州河东侧明挖上跨已建轨道交通13号线盾构区间，暗埋段基坑最大开挖深度12.77m，距离13号线隧道顶部6.122m，影响范围165m左右。
在盾构段小半径转弯路段，平面最小曲线半径为500m，全线平面曲线半径小于600m段占盾构段总长52%。北横通道盾构直径与平面曲线半径比R/D为目前已建大直径隧道中最小，小半径的转弯盾构实施使得主线尽可能减少了对周边建筑的影响。
图3.横断面方案比选
多点进出、超长地下道路安全保障与防灾救援技术根据北横通道地下道路设计资料构建初始三维模型，在此基础上，进行三维模型修饰，以建立较为逼真的模拟场景。设计相应的试验方案，通过仿真模拟，对设计成果实施评价，诊断潜在问题。模拟器采用同济大学交通运输学院的8自由度驾驶模拟器。通过定性和定量两种分析方法进行评估。定性分析以驾驶人直观的行车感受评价为主。定量化分析是通过模拟器输出的运动学指标或其他计算来直接或间接评价道路行车安全性。通过驾驶仿真模拟，对驾驶人直观行车感受进行了调研，结果表明主线总体线形指标较好，运行速度连续性较好，视线诱导连续，安全隐患不大。
作为国内最长的盾构法双层隧道，多点进出的形式使之与传统点到点隧道呈现出不同的形态特征，在通风排烟及安全疏散救援方式的全新挑战。由于设置多对匝道，地下道路多点进出，节点多、分支多、气流组织复杂，对地下道路通风环境影响较大，基于活塞效应的纵向通风、非阻塞工况排烟系统是否仍然有效或受到了多大影响，特别是火灾工况下，匝道口外部大气环境是否会对烟气组织产生不利影响。双层隧道断面空间极为有限，风道设置受到了制约，如何设置烟道，保证烟道排烟的效率，并保障在其环境控制下安全疏散，也是设计中面临的挑战。
创新的提出了分段式防灾技术总体构思，将超长地下道路分为若干段，化整为零，降低超长隧道作为单个系统的安全风险，任何一段因火灾、事故、维护检修而需要关闭时，其他段仍可以正常运营。“分段”疏散救援组织方式及设施布置。
研究其形态对通风排烟的影响，并首次提出复杂网络通风计算、排烟控制方法；以模拟及实验研究的方式，研究双层隧道的上、下层烟道的特殊形式及其排烟效率，创新提出适合空间限制较大的横断面条件下排烟道布置及控制方式。
通过研究，支撑设计，使得地下道路能够具备8MW火灾条件下的排烟能力；安全疏散控制在15min内。
我国城市地下道路建设越来越多，北横通道作为中国规模最大、技术水平最高的城市地下道路，受建设条件制约，规划设计、建设面临着巨大挑战。本文重点简要介绍了其中几项创新关键技术的应用，为未来类似地下道路建设提供参考。
责任编辑 遥 醒
本文作者俞明健、罗建晖、游克思来自上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司