長沙地鐵3號(hào)線過湘江隧道方案研究

徐恒國

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概況

擬建阜埠河路站至?xí)郝氛驹浇淼朗情L沙市軌道交通3號(hào)線的一段地下區(qū)間，該區(qū)間全長約2 663 m，越江部分長約1 400 m。越江隧道平面示意如圖1所示。

圖1 越江隧道平面

湘江在隧道區(qū)河道較為順直，河床起伏較大(17.5～26.4 m)，總體上西淺東深。江水漲落，變幅達(dá)14.01 m，水位為25.16～39.18 m。江水漲落，變幅達(dá)14.01 m，水位為25.16～39.18 m。以橘子洲為界，湘江被分為東、西兩汊:橘子洲寬約250 m;東汊寬約550 m、河床高程17.5～20.1 m、基巖面高程15.94～22.38 m;西汊寬約600 m、河床高程20.7～26.4 m、基巖面高程15.96～19.41 m。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

區(qū)間隧道詳勘資料顯示，覆蓋層主要為填土(橘子洲)、圓礫、卵石、黏性土等，厚度差異較大;下伏基巖有砂巖、礫巖、白云質(zhì)灰?guī)r等。

溶洞主要發(fā)育在橘子洲及兩側(cè)的湘江東、西河汊，分布里程約為右AK15+000～右AK15+700，該范圍分布巖層為白云質(zhì)灰?guī)r，初步斷定該范圍為溶洞發(fā)育區(qū)。

溶洞發(fā)育區(qū)左線鉆孔共計(jì)19個(gè)，見洞率100%，右線鉆孔共計(jì)21個(gè)，見洞率70%。溶洞層數(shù)一般為1～6層，多數(shù)以串珠狀分布，溶洞頂板埋深最淺的為6.6 m，溶洞頂板埋深最深的為44 m，洞高最高達(dá)14.5 m。根據(jù)溶洞豎向分布規(guī)律顯示，左右線溶洞從西往東呈階梯狀分布，橘子洲西汊溶洞埋深較淺，橘子洲上埋深較深，橘子洲東汊溶洞埋深更深。溶洞多數(shù)有充填，充填物主要為砂、卵石及黏性土，部分為空洞。根據(jù)溶洞分布規(guī)律、發(fā)育特征以及充填物情況，初步推斷溶洞發(fā)育區(qū)溶洞會(huì)密集分布，溶洞與湘江有通道聯(lián)系，巖溶/裂隙水與江水互為連通，具有承壓性。詳見圖2。

3 隧道施工工法研究

3.1 水下隧道施工工法的簡介

目前修建越江隧道的基本方法有:圍堤明挖法、鉆爆法、沉管法、盾構(gòu)法和掘進(jìn)機(jī)法。除了這幾種施工方法外，還有一種正在實(shí)驗(yàn)的跨越深水海域的較為經(jīng)濟(jì)的隧道修建法—水中懸浮隧道，這種方法已有很多研究成果，許多國家準(zhǔn)備將這種設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

以上各施工方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比分析詳見表1。

3.2 擬建3號(hào)線附近相關(guān)越江工程調(diào)研

對(duì)穿越湘江在建或已建的項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)研，各穿江隧道調(diào)研情況如下。

圖2 越江隧道縱斷面

表1 水下隧道施工方法比較

(1)擬建3號(hào)線南側(cè)距離約850 m為南湖路隧道。南湖路湘江隧道目前正在施工，采用盾構(gòu)法施工。隧道在湘江東、西兩岸覆土厚度最大15 m，最小8 m，普遍為10～11 m。湘江中央位置，江底以下41 m處探測(cè)到大型的溶洞和斷層。隧道主要穿越地層為粉細(xì)砂、卵石層、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化礫巖等地層。

(2)長株潭城際鐵路湘江隧道目前正在施工，越江段采用盾構(gòu)法施工。最小埋深12 m，最大埋深27 m，穿江段主要在砂質(zhì)板巖中通過，湘江東側(cè)穿越強(qiáng)風(fēng)化層，湘江西側(cè)穿越弱風(fēng)化層，采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

(3)營盤路湘江隧道已經(jīng)試運(yùn)營，隧道越江段采用暗挖法施工，斷面采用馬蹄形斷面，最大開挖寬度約12 m，最大開挖高度約10 m，開挖斷面約95 m2。隧道結(jié)構(gòu)頂最小巖層覆蓋厚度為10 m，普遍為13～14 m，江底段隧道結(jié)構(gòu)頂覆蓋層(巖、土總厚度)厚度約13～16 m;穿越巖層為:全風(fēng)化板巖(V級(jí))、強(qiáng)風(fēng)化板巖(V級(jí))、中風(fēng)化板巖(IV級(jí))、微風(fēng)化板巖(III級(jí))。

(4)地鐵2號(hào)線過江隧道，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡盾構(gòu)，內(nèi)徑為5.4 m，外徑為6.0 m。隧道頂覆土厚度最大13 m，最小9.0 m。區(qū)間隧道主要穿越11-3板巖、11-2板巖、6-3礫巖、6-2礫巖、5-3泥質(zhì)砂巖等地層。

3.3 隧道工法選定

本工程區(qū)間隧道既是水下隧道，又穿越巖溶發(fā)育區(qū)，根據(jù)以上資料調(diào)研，沒有水下隧道穿越巖溶的工程實(shí)例可以參考，故本工程施工風(fēng)險(xiǎn)和難度極大，選擇一個(gè)相對(duì)合理的施工工法顯得尤為重要。

基于本工程的具體工程概況和水文地質(zhì)條件，依據(jù)國內(nèi)外類似工程調(diào)研，參照國內(nèi)外類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，本越江隧道適合盾構(gòu)和暗挖2種工法，以下對(duì)2種工法進(jìn)行比選。

(1)隧道采用暗挖法優(yōu)缺點(diǎn)分析

①隧道大部分位于中風(fēng)化巖層范圍內(nèi)，地層條件有利;

②超前支護(hù)加固輔助工法多樣，溶洞處理措施相對(duì)靈活、方便;

③地質(zhì)超前探測(cè)相對(duì)靈活、方便;

④采用暗挖法施工，強(qiáng)行穿越巖溶發(fā)育區(qū)，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，一旦發(fā)生突水、涌水、淹洞現(xiàn)象，事故處理十分棘手;

⑤采用暗挖法施工，溶洞加固處理采取江面填充加固和洞內(nèi)采用全斷面帷幕注漿、綜合利用大管棚、小導(dǎo)管相結(jié)合的超前支護(hù)方式進(jìn)行加固處理，造價(jià)較高;

⑥采用暗挖法施工為保證上部覆蓋層及掌子面穩(wěn)定，線路縱斷面埋深較大，導(dǎo)致書院路站及侯家塘站車站軌面埋深較大，增加了車站施工風(fēng)險(xiǎn)和工程投資。

(2)采用盾構(gòu)法優(yōu)缺點(diǎn)分析

①采用盾構(gòu)法施工，較暗挖法施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低;

②綜合比較溶洞加固處理和兩種工法的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等，盾構(gòu)法施工造價(jià)較暗挖低;

③盾構(gòu)法施工，對(duì)上部覆蓋層的厚度要求可以適當(dāng)降低，較暗挖線路縱斷面埋深較淺，書院路站軌面埋深有所提高，對(duì)車站方案有利;

④盾構(gòu)法施工只能采取江面填充注漿加固處理巖溶，處理措施單一，且可能存在處理盲點(diǎn)，溶洞處理方案依賴于地勘，對(duì)地勘要求較高。

綜合以上論述，對(duì)線路、地質(zhì)、施工風(fēng)險(xiǎn)、工程造價(jià)綜合分析評(píng)價(jià)后，建議采用盾構(gòu)法施工。

4 隧道埋深及縱斷面設(shè)置

圖4 溶洞加固處理示意(單位:mm)

隧道埋深及縱斷面設(shè)計(jì)需考慮隧道位于江底最大沖刷線下一定距離，使隧道不受江潮活動(dòng)及沉船等外界影響，又能滿足隧道施工期間和使用期間的安全，同時(shí)考慮對(duì)兩岸線路、豎井，進(jìn)而對(duì)相鄰車站的布局和埋深的影響，在方案可行的基礎(chǔ)上，盡量降低工程造價(jià)。

本項(xiàng)目隧道斷面采用單洞單線圓形斷面，外輪廓直徑為6.0 m，根據(jù)類似工程及臨近工程的調(diào)研，并結(jié)合本工程地質(zhì)概況和溶洞分布情況，本次設(shè)計(jì)江中段隧道覆土，施工階段按歷史沖刷包絡(luò)線不小于1D(D為開挖洞徑)控制，困難地段不小于0.7D。運(yùn)營階段按最大沖刷包絡(luò)線，滿足抗浮要求控制。具體見圖3。

圖3 隧道縱斷面

5 溶洞處理方案

5.1 運(yùn)用多種勘查方法，探明溶洞情況

根據(jù)目前可行的勘測(cè)手段，為切實(shí)探明溶洞的分布與填充狀況，擬定以鉆探為主、多種方法綜合運(yùn)用的探測(cè)方案。即:高密度電阻率法地面物探(總體探查溶洞分布情況)、加密鉆孔(直觀掌握溶洞及充填物狀況)、電磁波深孔CT(在鉆孔間加密剖切面勘查，判斷邊界)綜合判斷后結(jié)合注漿孔布置補(bǔ)孔探測(cè)。

5.2 溶洞加固處理方法

(1)溶、土洞處理順序?yàn)?溶、土洞處理與否判斷→溶、土洞處理→溶、土洞處理效果檢查。

(2)溶、土洞處理加固主要采用先填充再注漿加固的方法，詳見圖4。

①無充填溶、土洞和半充填溶、土洞

對(duì)洞高大于2 m且無填充或半填充溶、土洞，先進(jìn)行投砂處理，后采用注漿加固的方法;投砂處理時(shí)在原鉆孔附近(約0.6 m)補(bǔ)鉆2個(gè)φ200 mm的投砂孔，兩投砂孔中心與原鉆孔中心需在同一連線上，兩投砂孔可相互作為出氣孔，投砂后，注漿加固的方法見后面的全充填溶、土洞的處理方法。投砂管要根據(jù)江上作業(yè)的特點(diǎn)適當(dāng)選擇，投砂孔的大小也可由施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到填砂的目的即可。

②對(duì)全充填或洞高小于2 m的溶土洞，可直接進(jìn)行注漿填充，采用壓力注漿的方法進(jìn)行填充加固，注漿壓力從低到高，間歇，反復(fù)壓漿。

(3)注漿工藝

所有注漿管采用直徑48 mm的袖閥管，鉆孔需進(jìn)入洞體下巖層0.5 m，由底部向上進(jìn)行溶洞加固。注漿完成后要采用水泥砂漿對(duì)注漿孔進(jìn)行封孔處理。

(4)注漿材料

周邊孔:純水泥漿+水玻璃。雙液漿現(xiàn)場(chǎng)配合比試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)以初凝時(shí)間為指標(biāo)進(jìn)行控制，但應(yīng)綜合考慮漿液的可泵性時(shí)間。雙液漿配比建議為水泥∶水∶水玻璃=1∶1.38∶0.29(質(zhì)量比)，水玻璃模數(shù) m=2.4～3.4(濃度=30～40Be')，但應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配合比試驗(yàn)確定。

中央孔:純水泥漿，水灰比建議為1∶1，具體應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

(5)注漿間歇時(shí)間為每次間隔6～10 h。

(6)溶、土洞處理注漿孔平面布置

充填處理前，先進(jìn)行溶、土洞平面范圍的試探測(cè):以揭示到溶、土洞的鉆孔為基準(zhǔn)點(diǎn)，沿垂直隧道方向間隔2.0 m施作1排注漿鉆孔，以基本找到洞體邊界為止;沿隧道方向施作1排注漿鉆孔，間隔2.0 m，以基本找到洞體邊界為止;然后從中心向其他方向探孔，以基本找到洞體邊界為止。若洞體為有限邊界，最外排孔未見洞，則該孔不需注漿，應(yīng)向內(nèi)收縮1孔最邊孔，注雙液漿。

5.3 溶洞加固檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)

溶、土洞灌漿加固后的土體應(yīng)該有良好的均勻性、自立性、密閉性。灌漿加固效果檢查方法是在灌漿固結(jié)體內(nèi)鉆孔取芯，測(cè)得其無側(cè)限強(qiáng)度，以檢驗(yàn)是否滿足灌漿固結(jié)體設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求;也可用原位標(biāo)貫法進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)大于16擊;現(xiàn)場(chǎng)做注水試驗(yàn)，測(cè)試注漿后地層滲透系數(shù);不滿足時(shí)重復(fù)上述施工。取芯數(shù)量不少于溶洞處理鉆孔個(gè)數(shù)的10%。具體指標(biāo)如下:

(1)采用隨機(jī)原位標(biāo)貫試驗(yàn)，標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)不小于16擊;

(2)采用隨機(jī)鉆孔取芯，做抗壓試驗(yàn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa;

(3)注漿后地層滲透系數(shù)不大于1.0×10-4cm/s。

6 盾構(gòu)法施工風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施

水下隧道盾構(gòu)法施工時(shí)，在不影響河流或周圍結(jié)構(gòu)物的前提下，制定出相應(yīng)的對(duì)策，確保施工安全可靠。

(1)地質(zhì)、地下水調(diào)查。依據(jù)以往的工程施工經(jīng)驗(yàn)，一般河流部分，地質(zhì)情況急劇變化，同時(shí)地質(zhì)勘測(cè)難度較大，而且地下水的流動(dòng)較快，所以應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)勘查，提高勘察的精度。

(2)開挖面的穩(wěn)定。由于地層和地下水狀況往往很復(fù)雜，特別是水底部分，水壓力比土壓力更大。因此，根據(jù)圍巖的水土壓力而設(shè)定適當(dāng)?shù)拈_挖面壓力，確保開挖面的穩(wěn)定，防止泥漿泄露或噴涌。此外還得特別考慮隧道上浮和和管片的變形問題，同步注漿應(yīng)采用具有一定早期強(qiáng)度的壁后注漿材料，確保管片的早期穩(wěn)定性。

(3)盾構(gòu)區(qū)間穿越巖溶發(fā)育區(qū)段前，需根據(jù)地勘提供的詳勘資料進(jìn)行溶、土洞的加固處理，并充分論證江上作業(yè)的難度、風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)環(huán)境的影響，加固施工完成后，需對(duì)加固效果進(jìn)行檢測(cè)，確保巖溶處理效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以保證施工安全。

(4)盾構(gòu)穿江隧道，為減小對(duì)河堤的影響，需預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工對(duì)河堤的影響，根據(jù)需要考慮使用輔助工法。

(5)在穿越水下時(shí)，因?yàn)橛袝r(shí)受施工工期的制約，或需要一些特別的設(shè)備，如防水設(shè)備，所以需要實(shí)現(xiàn)與河道管理單位協(xié)商。

(6)水下隧道施工，風(fēng)險(xiǎn)很大，注意盾構(gòu)選型，注重盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化，應(yīng)考慮刀具檢查、更換事宜，必須對(duì)帶壓作業(yè)等輔助施工安全措施進(jìn)行充分的安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)準(zhǔn)備。

7 結(jié)論及建議

依據(jù)長沙地鐵3號(hào)線越江段隧道的工程概況和水文地質(zhì)條件，借鑒類似工程及臨近工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)越江隧道的施工工法、隧道埋深及縱斷面設(shè)置、溶洞處理方案等方面綜合性評(píng)價(jià)，提出合理意見和建議。

(1)隧址巖溶發(fā)育區(qū)，溶洞分布比較密集，而且成串珠狀發(fā)展，根據(jù)填充物等推測(cè)，溶洞與湘江有通道聯(lián)系，地下水與湘江水有水利聯(lián)系，隧址地質(zhì)及水的賦存情況較為復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，設(shè)計(jì)施工中要加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，采取應(yīng)對(duì)措施。

(2)根據(jù)地質(zhì)資料，綜合分析評(píng)價(jià)溶洞分布規(guī)律、發(fā)育特征以及地下水賦存情況，參照國內(nèi)外類似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水下隧道強(qiáng)行穿越巖溶發(fā)育區(qū)，無論采用盾構(gòu)法還是暗挖法技術(shù)理論上都是可行的，綜合評(píng)價(jià)兩種工法的施工風(fēng)險(xiǎn)和工程造價(jià)，推薦隧道采用盾構(gòu)法施工。

(3)建議溶洞處理優(yōu)先采用地面填充，注漿加固，并提前在現(xiàn)場(chǎng)做注漿加固試驗(yàn)。

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