東莞至惠州城際軌道交通東江隧道下穿東江段技術(shù)方案研究

徐慧宇

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通是國內(nèi)首批真正意義上的城際軌道交通，從其建設(shè)環(huán)境、站間距和后期服務(wù)模式來看，相當(dāng)于貫通多個城鎮(zhèn)的地鐵，但由于本線行車速度為200 km/h，局部地段限速為160 km/h，因此隧道斷面形式等一些技術(shù)標(biāo)準需根據(jù)新的設(shè)備要求及施工要求重新研究制定。東江隧道位于惠州境內(nèi)，總長15 073 m，為東莞至惠州城際軌道交通第二長的隧道，該隧道包括4座車站4個區(qū)間，其中600 m長的下穿東江段介于西湖站至云山西路站區(qū)間內(nèi)，該區(qū)間段隧道先后下穿西湖老城區(qū)、東江、市民廣場。由于周邊環(huán)境復(fù)雜加上重新制定部分標(biāo)準，隧道設(shè)計中要考慮埋深、工法、斷面擬定，結(jié)構(gòu)受力、專業(yè)要求、施工安全等因素。

下穿東江范圍地形地貌為東江沖積平原區(qū)地貌，地形平坦、開闊，東江兩岸地形起伏略大。地層巖性依次為:

第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al):

③3粉砂 淺灰、灰黃色，級配差，松散 ～稍密，飽和。

③4細砂 淺灰、灰黃色，級配差，稍密，飽和，局部變?yōu)橹?粗砂。

③6粗砂 灰黃、褐黃色，級配一般，稍密，飽和，局部變?yōu)榈[砂或中砂。

③7礫砂 灰黃、褐黃色，級配一般，稍密，飽和，局部變?yōu)榇稚盎蛑猩啊?/p>

③8圓礫土(細)灰黃、褐黃色，級配好，稍密，飽和，不均勻含黏粒。

下第三系含礫砂巖(E):

場地下伏基巖為下第三系含礫砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，按風(fēng)化程度可分為(11)1全風(fēng)化含礫砂巖(巖芯呈土狀、土夾砂礫狀)、(11)2強風(fēng)化含礫砂巖(巖芯呈碎塊狀，局部柱狀)和(11)3弱風(fēng)化含礫砂巖(巖芯呈柱狀及少量碎塊狀)3個亞層。

2 工法的選定

下穿水域的隧道常見的施工方法有盾構(gòu)、暗挖、圍堰后明挖、沉管等施工方法，受東江通航的控制圍堰后明挖和沉管法施工占用航道時間過長，無法滿足通航的要求，因此占用水面的施工方法不選用。盾構(gòu)法和暗挖法不受通航的限制，從地質(zhì)情況上來看，只要隧道埋深合適，2種工法皆適用，但東江南岸以南為大量房屋，暗挖施工豎井的施工場地難以布置，東江北岸也存在一定范圍的砂層，暗挖施工豎井開挖風(fēng)險較大，再考慮到下穿房屋及東江水域盾構(gòu)法施工對于沉降控制、人員安全、施工進度等因素，因此在西湖站至云山西路站區(qū)間全部采用盾構(gòu)法施工，因場地原因盾構(gòu)機從云山西路站始發(fā)，在西湖站接收，推進長度為2 900 m，推進工期為18個月。

下穿水域的隧道為了運營期間防災(zāi)疏散，一般要設(shè)置逃生的通道，因此本段隧道設(shè)計成雙洞單線的隧道，從環(huán)控通風(fēng)的角度考慮雙洞單線也較為有利，2條隧洞互為逃生通道，二者之間通過聯(lián)絡(luò)通道互通。

3 襯砌內(nèi)輪廓設(shè)計

隧道襯砌內(nèi)輪廓的擬定主要考慮以下因素。

(1)限界要求

受曲線半徑及站間距的限制，西湖站至云山西路站區(qū)間列車運行速度站站停不超過140 km/h，過站車不超過160 km/h，考慮《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(鐵道部令第29號)中“基本建筑限界(v≤160 km/h)”高度5 500 mm，同時考慮接觸網(wǎng)安裝高度要求800 mm、盾構(gòu)推進施工誤差100 mm，隧道軌面以上高度按不小于6 400 mm控制，隧道在曲線段加寬要結(jié)合最終隧道襯砌內(nèi)輪廓來確定加寬值。

(2)專業(yè)設(shè)備空間布置的要求

隧道內(nèi)需走行各專業(yè)管線、管道，在隧道線路外側(cè)設(shè)置2個電纜槽走行通信、信號等弱電電纜，在隧道線路內(nèi)側(cè)布置1個電纜槽走行電力、動照電纜，消防、給排水管道通過支架安裝固定在隧道側(cè)壁上。線路內(nèi)側(cè)電纜槽蓋板上通長設(shè)置救援通道，救援通道寬1 m，高2.2 m，距離線路中心 1.8 m。

(3)空氣動力學(xué)效應(yīng)對隧道斷面面積的要求

列車在隧道內(nèi)高速運行會在車頭產(chǎn)生壓縮波及車后產(chǎn)生膨脹波，各種波在隧道兩端和列車兩端處多次反射、傳遞、疊加，形成了隧道內(nèi)空氣壓力隨時間變化而產(chǎn)生的波動，從而造成乘客耳膜的疼痛不適，因此必須采用一定的標(biāo)準，保證列車在進入隧道時車廂內(nèi)壓力的變化不能超過一定的限度。

壓力變化限值的選定要受多種因素的影響，這不僅因為不同的人對壓力變化的感覺不同(這種差異可以通過統(tǒng)計分析來處理)，同時還與列車線路特征(隧線比等)、車體密封情況、車輛等級，還與乘車人員的體質(zhì)等因素有一定關(guān)系。因此在制定乘客舒適性標(biāo)準時，需要綜合考慮各種因素，制定出適合不同車型、車輛等級、不同線路特征的舒適度標(biāo)準。本線列車采用“CRH6動車組”，且本段隧道限速為160 km/h，經(jīng)計算分析后，隧道軌面以上有效凈空面積借鑒《時速160公里客貨共線鐵路單線隧道復(fù)合式襯砌(普通貨物運輸)》(通隧(2008)1002)要求，按不小于42 m2設(shè)計。

綜合以上最終確定隧道內(nèi)輪廓如圖1所示，襯砌內(nèi)輪廓斷面大小受空氣動力學(xué)因素控制，在曲線段隧道不需加寬。

圖1 隧道內(nèi)輪廓(單位:cm)

4 隧道埋深確定

隧道的埋深主要由以下幾個方面來確定。

(1)下穿建筑物基礎(chǔ)的深度

東江南岸下穿大量的房屋，基礎(chǔ)形式分為樁基、條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)等，同時在北岸既有一戰(zhàn)備碼頭，基礎(chǔ)形式為樁基，深25 m，戰(zhàn)備碼頭在隧道下穿建筑物中基礎(chǔ)最深，為了避免或減少施工當(dāng)中盾構(gòu)隧道與建筑基礎(chǔ)發(fā)生空間上的沖突和干擾，隧道在平面上和埋深上應(yīng)盡量避開建筑基礎(chǔ)，同時在盾構(gòu)能夠正常掘進的情況下盡量進入開挖沉降較小的地層。

(2)地層分布情況及施工安全

本段隧道從地層分布上來看，當(dāng)隧道全部躲開建筑物基礎(chǔ)時，設(shè)計的隧道縱段在江心處覆土最淺，厚度為15.5 m，水深為16.5 m，在東江兩岸處覆土最厚，厚度為32.5 m。此時隧道大部處在弱風(fēng)化的含礫砂巖中，少部分拱頂處在強風(fēng)化的含礫砂巖中。隧道掘進范圍內(nèi)含礫砂巖屬泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，飽和抗壓強度一般不超過30 MPa，最大為56.6 MPa，同時含礫砂巖一般分布較為均勻，最大粒徑不超過5 cm，基本不會出現(xiàn)孤石、軟硬不均，在該埋深下能夠保證盾構(gòu)的連續(xù)、安全掘進，不易出現(xiàn)卡機、進出土失衡的現(xiàn)象，對房屋的變形控制也能夠有效保證。

(3)極限沖刷深度下的抗浮要求

水下隧道在后期運營過程中受水壓作用存在上浮的現(xiàn)象，在不采取特殊的抗浮措施情況下，其覆土厚度加上結(jié)構(gòu)自重應(yīng)能抵抗浮力，抗浮安全系數(shù)不小于1.15。作為抵抗浮力的覆土自重應(yīng)只統(tǒng)計極限沖刷后的厚度。在隧道下穿段落的東江上游，將修建一水庫，因此從水利單位收集的資料分析來看，本段隧道抗浮計算可不考慮沖刷帶來的不利影響。

(4)防洪要求

水下隧道在下穿水域的起始一般要下穿江河的堤壩，在施工過程中要考慮對堤壩的破壞，因而要采取一定的措施保證施工期間的堤壩安全，后期運營中也要考慮在東江兩側(cè)堤壩外設(shè)置防淹門防止水下隧道因偶然原因破壞后，江水通過隧道突破堤壩的攔截。本段隧道在東江兩端掘進時所處的地層為弱風(fēng)化含礫砂巖，距離堤壩的基底超過15 m以上的距離，距離水底超過20 m以上的距離，經(jīng)過水利管理部門論證后，隧道施工從防洪角度不存在安全隱患，后期運營隧道內(nèi)設(shè)置了防淹門也能夠滿足防洪要求。

5 管片設(shè)計

(1)管片的厚度及寬度

管片厚度應(yīng)根據(jù)隧道所處地層的條件、覆土厚度、水壓、斷面大小、接頭剛度、經(jīng)濟等因素綜合考慮確定，并應(yīng)滿足襯砌構(gòu)造(如手孔大小等)及拼裝施工(如千斤頂作用等)的要求。一般情況下，管片的厚度為隧道直徑的5%左右，本線管片厚度初定為400 mm。從國內(nèi)外已建中等直徑盾構(gòu)隧道管片寬度的選擇情況來看，管片寬度有逐漸增大的趨勢，加寬管片對水下隧道防水、加快施工進度、節(jié)省造價是有利的，但管片過寬，對于施工管理、后配套系統(tǒng)有了更高的要求?？紤]國內(nèi)現(xiàn)有施工技術(shù)水平，本線采用1 600 mm寬的管片。

(2)管片分塊、拼裝及連接

管片分塊數(shù)量和大小應(yīng)考慮管片預(yù)制、運輸、拼裝等施工因素，同時也要考慮管片襯砌結(jié)構(gòu)受力情況和防水效果。分塊過少，每塊管片質(zhì)量大，弧長偏長，吊裝運輸及拼裝不方便，分塊過多，襯砌受力及防水效果較差，根據(jù)國內(nèi)的施工實踐，本線盾構(gòu)管片采用7分塊:4個標(biāo)準塊、2個鄰接塊和1個封頂塊。為加強結(jié)構(gòu)的整體性，改善接縫的防水性能，環(huán)向管片采用錯縫拼裝，封頂塊采用徑向插入和縱向插入相結(jié)合的插入方式，管片間連接采用對截面削弱最小的斜螺栓連接。

(3)管片接觸面構(gòu)造形式及襯砌環(huán)組合形式

從提高接縫剛度、控制管片拼裝精度考慮，本線盾構(gòu)管片接觸面縱縫設(shè)凸凹榫，環(huán)縫不設(shè)凸凹榫。同時在技術(shù)條件及施工水平允許的情況下，襯砌環(huán)類型越少，施工管理越方便，模具利用率越高，因此襯砌環(huán)采用通用管片進行組合。

(4)管片受力檢算

盾構(gòu)下穿東江段隧道所處環(huán)境為V-D，按《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(GB50476—2008)規(guī)定，盾構(gòu)管片混凝土強度等級為C55。選取最不利處斷面進行檢算，此處盾構(gòu)下穿強風(fēng)化地層，土壓力按塌落拱高度計算，水壓按全部作用于襯砌計算。計算模型采用修正慣用設(shè)計法，考慮管片接頭影響，進行剛度折減后按均質(zhì)圓環(huán)進行計算。水平地層抗力按三角形抗力考慮，計算結(jié)果考慮管片環(huán)間錯縫拼裝效應(yīng)的影響進行內(nèi)力調(diào)整。彎曲剛度有效率 η=0.8，彎矩增大系數(shù)ξ=0.3，計算簡圖如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道計算簡圖

基本組合的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，其他組合結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，程序選用ANSYS有限元程序。經(jīng)檢算，結(jié)構(gòu)配筋為裂縫檢算控制，最不利斷面處管片的單面配筋率為0.49%，符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2002)規(guī)定，本段隧道管片厚度選取400 mm能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 彎矩圖(單位:N·m)

圖4 軸力圖(單位:N)

圖5 剪力圖(單位:N)

6 盾構(gòu)機的選型

在有水壓的情況下，一般采用密封式盾構(gòu)機，密封式又有泥水式和土壓式兩種。

土壓式盾構(gòu)主要有兩類，一類是將開挖的土體充填在土艙內(nèi)，用螺旋輸送機調(diào)整土壓，保持工作面的穩(wěn)定，這種盾構(gòu)機僅適用于可用切削刀開挖且含砂量小的塑性流動性軟黏土。另一類是向開挖面注入水、泡沫、膨潤土、CMC等添加劑，通過強制攪拌使土砂具有良好的塑性流動性和止水性，較好地傳遞土壓，保持開挖面的穩(wěn)定和土砂的順暢排出。這種盾構(gòu)機適用范圍較廣，可用于沖積黏土、洪積黏土、砂質(zhì)土、砂礫、卵石等土層，以及這些土層的互層。對土壓式盾構(gòu)，會出現(xiàn)砂性土排土困難，掘進機刀頭、刀盤的磨損，以及在含水砂層透水系數(shù)大、孔隙水壓高時土艙頂部產(chǎn)生空隙的危險。

泥水式盾構(gòu)是將泥漿送入泥水室內(nèi)，在開挖面上用泥漿形成不透水的泥膜來對抗作用于開挖面的土水壓力。泥水式盾構(gòu)機適用的地層范圍很大，從軟弱砂質(zhì)土層到砂礫層。泥水式盾構(gòu)由于采用管道輸送，工作面全密封，安全性高，在軟弱互層地段也適用。通過泥漿施加合適壓力，控制排土量，可使地層變形小，對環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響。泥水式盾構(gòu)適用于沖積洪積的砂礫、砂、亞黏土、黏土層或多水互層的土層，有涌水工作面不穩(wěn)定的土層，上部有河川、湖沼、海洋等水壓高、水量大的地層。泥水式盾構(gòu)的泥漿處理設(shè)備設(shè)在地面，需占用較大的面積，這成為在城市密集區(qū)應(yīng)用的不利因素。

根據(jù)本段隧道周邊施工場地情況及隧道下穿地層情況，本段隧道覆土較厚，下穿地層透水系數(shù)強風(fēng)化地層為5 m/d，弱風(fēng)化地層為1 m/d，開挖地層內(nèi)水量不大，加之土壓盾構(gòu)比泥水盾構(gòu)節(jié)省投資，占用場地面積小，對環(huán)境影響小，本段隧道采用第二類土壓式盾構(gòu)機。在前面分析中，隧道襯砌內(nèi)輪廓直徑為7.7 m，管片厚度為0.4 m，則隧道外直徑為8.5 m，盾體壁厚為0.1 m，再考慮盾尾的間隙，盾構(gòu)機外直徑確定為8.8 m。

7 盾構(gòu)掘進中應(yīng)注意的問題

本段下穿東江采用盾構(gòu)法施工，所處地層為弱風(fēng)化或強風(fēng)化含礫砂巖，地質(zhì)情況良好，圍巖微裂縫少，基本為不透水層，但為了保證盾構(gòu)施工在安全上萬無一失，采取以下控制措施。

(1)對穿越東江地段做詳盡地下勘探，徹底摸清地下障礙物情況，排除意外因素。在進入風(fēng)險源范圍前需進行試驗段，根據(jù)實測監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整與開挖地層相適應(yīng)的掘進參數(shù)、同步注漿、二次注漿、外加劑的材料及壓力。

(2)認真對盾構(gòu)機刀盤、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備檢查，確保穿越過程中設(shè)備無故障，進行連續(xù)施工。嚴禁在下穿東江時發(fā)生停機調(diào)試、開倉換刀等現(xiàn)象。

(3)在盾構(gòu)機進入影響區(qū)之前，盡量將盾構(gòu)機的姿態(tài)調(diào)整至最佳，注意不要向上抬頭，嚴禁超量糾偏，蛇行擺動。嚴格控制盾構(gòu)的軸線和糾偏量。

(4)嚴格控制掘進速度，同時控制盾構(gòu)姿態(tài)，確保盾構(gòu)比較勻速地穿越過軌段，同時保證刀盤對土體進行充分切削。加注發(fā)泡劑或水等潤滑劑，減少刀盤所受扭矩，降低總推力。

(5)嚴格控制出土量，出土量控制在理論值的95%左右，保證土倉內(nèi)的壓力略大于外部壓力，控制滲水量。

(6)嚴格控制注漿量，為了減少和防止裂隙漏水，在盾構(gòu)掘進過程中，要盡快在脫出盾尾后的襯砌面形成的建筑空隙中充填足量的漿液材料，必要時可采取二次或多次壓漿。

8 結(jié)語

東江隧道具有建設(shè)規(guī)模大、技術(shù)標(biāo)準新、周邊環(huán)境復(fù)雜、施工風(fēng)險高等特點，通過對隧道周邊建設(shè)環(huán)境的分析，斷面的計算和研究，下穿風(fēng)險源因素的考慮，提出了水下盾構(gòu)隧道具體的設(shè)計思路和控制風(fēng)險的方法，為將來類似水下盾構(gòu)隧道的設(shè)計積累了經(jīng)驗，對類似工程有一定的參考價值。

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