杭州地鐵越江盾構(gòu)隧道沖刷線下覆土厚度的確定

施振東

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

杭州地鐵越江盾構(gòu)隧道沖刷線下覆土厚度的確定

施振東

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

杭州地鐵1號(hào)線濱江站－富春路站區(qū)間盾構(gòu)施工隧道穿越錢塘江，介紹該區(qū)間的縱斷面設(shè)計(jì)在多個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程，闡述沖刷線下盾構(gòu)隧道的覆土厚度確定的多種因素，除了要滿足抗浮的要求，還需要滿足縱向計(jì)算中接頭張開(kāi)量的要求，同時(shí)還需要注意避開(kāi)導(dǎo)致較大工程風(fēng)險(xiǎn)的卵石層、下部巖層等較硬土層。介紹越江盾構(gòu)隧道的沖刷線下覆土厚度情況，以及如何確定越江盾構(gòu)隧道的沖刷線下的覆土厚度，說(shuō)明越江盾構(gòu)隧道的沖刷線下覆土厚度的確定是隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，需要綜合考慮多個(gè)條件，確定合理的縱斷面。

地鐵;盾構(gòu);越江隧道;沖刷線;覆土厚度;圓

礫層;線路縱斷面;杭州地鐵1號(hào)線

杭州地鐵1號(hào)線濱江站—富春路站為穿越錢塘江段的全地下區(qū)間。線路出濱江站后，沿江陵路偏東側(cè)穿行，穿越錢塘江后沿婺江路穿行，向北接富春路站。根據(jù)環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)要求，分別于江南、江北設(shè)兩座中間風(fēng)井。根據(jù)規(guī)范［1］及給排水系統(tǒng)要求，分別設(shè)兩座聯(lián)絡(luò)通道，其中一處聯(lián)絡(luò)通道兼作排水泵站。該區(qū)間的線路縱斷面設(shè)計(jì)從可行性研究、總體設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)一直到施工設(shè)計(jì)階段，經(jīng)歷了多次調(diào)整，均圍繞沖刷線及沖刷線下覆土厚度這兩個(gè)焦點(diǎn)展開(kāi)了多次論證。

1 工程概況

1.1 地形地貌

杭州市區(qū)地處浙西中低山丘陵與浙北平原接壤地帶，其西南部為低山丘陵地形，北、東、南三面為堆積平原。杭州地鐵1號(hào)線工程位于低山丘陵與平原交接處，地質(zhì)條件較復(fù)雜。錢塘江為浙江省境內(nèi)第一大河，河流總體呈西南—北東流向，經(jīng)杭州后向東入杭州灣海域，隧道區(qū)江面寬約1 300 m。兩岸地形平坦，地面高程為6～8 m，西北岸堤頂高程約9.4 m，東南岸堤頂高程約10.0 m。河床高程為－1.186～1.410 m，該河段屬河口段，受潮水和洪水的交替沖刷作用，處于動(dòng)態(tài)變化中?？碧狡陂g水深一般為2.80～4.60 m，受涌潮影響潮差為 2 ～3 m，潮速約為 7 m/s［2］。

隧道工程所在的錢塘江河段因主泓擺蕩，江道很不穩(wěn)定，曾多次建丁壩進(jìn)行整治。隧道北岸附近丁壩基本在海塘內(nèi)，而南岸還有部分壩體殘留在江中。

1.2 工程地質(zhì)條件

越江隧道位于錢塘江河床下的江中段，隧道頂板埋深為17.5～19.1 m，盾構(gòu)掘進(jìn)范圍的主要土層為⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑨1a層粉質(zhì)黏土、⑨1b層含砂粉質(zhì)黏土、○122層細(xì)砂、○124層圓礫，除○124層圓礫為Ⅲ級(jí)硬土外，其余為Ⅰ級(jí)松土，土層差異性大。

1.3 水文地質(zhì)特征

擬建場(chǎng)地淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土及③1～③8層粉土、粉砂中，由大氣降水和地表水徑流補(bǔ)給，地下水位受季節(jié)以及錢塘江地表水的影響較大。根據(jù)錢塘江閘口和七堡歷年最高潮水位高程，工程區(qū)錢塘江最高設(shè)計(jì)水位可取8.85 m。錢塘江潮汐水頭最大高差達(dá)8.18 m，沖淤積變化厚度差達(dá)4.0 m，最高與最低沖刷高差達(dá)13.0 m左右，而上部壓力的變化將以附加應(yīng)力的形式作用于隧道圍壓，若考慮最不利組合，即高潮位、高淤積將形成高壓狀態(tài)，低潮位、最低沖刷線處將形成低壓狀態(tài)，與陸域區(qū)隧道有明顯區(qū)別。因此，對(duì)于本工程的隧道襯砌強(qiáng)度和以后工程運(yùn)行沉降問(wèn)題，需充分考慮上部因潮汐及沖淤而引起的加載卸載的應(yīng)力變化。承壓含水層主要分布于深部的○141層細(xì)砂和○142層圓礫中，水量較豐富，隔水層為上部的淤泥質(zhì)土和黏土層(⑥、⑨層)。

2 沖刷線

錢塘江發(fā)源于安徽休寧縣境內(nèi)懷玉山主峰六股尖，在浙江省海鹽縣澉浦注入杭州灣，干流長(zhǎng)度668 km，流域面積達(dá)5.56萬(wàn)km2，匯水面積達(dá)3.13萬(wàn)km2。其洪汛受梅汛控制，汛期時(shí)江水面暴漲，據(jù)富春江蘆茨水文站資料統(tǒng)計(jì)，錢塘江徑流有明顯的年際和年內(nèi)變化，其最大年徑流總量為539億m3(1954年)，最小年徑流總量為130億m3(1979年)，多年年徑流量在301億m3左右，實(shí)測(cè)最大洪峰流量達(dá)2.9萬(wàn)m3/s(1955年)，最小流量為15.4 m3/s(1934 年)［3］。

錢塘江屬感潮型河流，呈不規(guī)則半日潮型，水位直接受潮汐影響，變化幅度大，場(chǎng)區(qū)地處強(qiáng)潮河口，獨(dú)特的地理環(huán)境形成了舉世聞名的錢塘江涌潮。據(jù)杭州錢塘江四橋上游3.3 km的閘口水文站資料記載，錢塘江歷年最高潮水位為8.11 m(1997年8月19日，85高程)，歷年最低潮水位為1.24 m(1954年8月10日)，多年平均高潮位為4.45 m，多年平均低潮位為3.96 m，多年平均潮差為0.46 m，歷年最大潮差為4.90 m，多年平均漲潮歷時(shí)1 h 32 min，多年平均落潮歷時(shí)10 h 53 min;據(jù)杭州錢塘江二橋下游3.3 km的七堡水文站資料，錢塘江歷年最高潮水位為7.98 m(1997年8月19日，85高程)，歷年最低潮水位為1.26 m(1955年8月14日)，多年平均高潮位為4.44 m，多年平均低潮位為3.75 m，多年平均潮差為0.69 m，歷年最大潮差為4.02 m，多年平均漲潮歷時(shí)1 h 25 min，多年平均落潮歷時(shí)11 h 1 min。按內(nèi)插法，鄰近工程場(chǎng)區(qū)的錢塘江歷年最高潮水位高程可取為8.06 m。錢塘江百年一遇最高洪水位為8.52 m，300年一遇最高洪水位為8.85 m［3］。

隧道區(qū)江面寬約1 310 m，勘探期間水面高程一般為2.80～4.80 m，勘察期間受涌潮影響時(shí)，潮差1～2 m。由于水動(dòng)力條件復(fù)雜，錢塘江杭州段河槽極不穩(wěn)定，歷史上曾形成大沖大淤的變化，年內(nèi)沖淤特點(diǎn)表現(xiàn)為“洪沖潮淤”，隨著兩岸標(biāo)準(zhǔn)堤防的建成，岸線受到堤塘的限制，目前岸線已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定。

建設(shè)單位委托兩家單位對(duì)錢塘江的沖刷情況進(jìn)行專題研究，采用實(shí)測(cè)地形分析、臨界理論分析、沉積學(xué)的方法、動(dòng)床數(shù)學(xué)模型、物理模型試驗(yàn)這5種方法，綜合分析確定區(qū)間隧道通過(guò)河段在非常流量(P=0.33%)條件沖刷線的深度。根據(jù)《杭州地鐵1號(hào)線錢塘江隧道河段最大沖刷深度研究》報(bào)告，隧道斷面最大沖刷深度在－12.4～－15.65 m之間，最大深泓靠近江南，該位置為線路縱斷面設(shè)計(jì)控制點(diǎn)。上述5種研究方法綜合分析認(rèn)為：區(qū)間隧道通過(guò)河段位于河口區(qū)河段，漲潮流歷時(shí)約2～3 h，潮流對(duì)沖刷線的影響極為微弱甚至消失，河床面自然最大沖刷由洪水造成?？紤]到河床演變和河勢(shì)變化的復(fù)雜性以及附近丁壩的影響，報(bào)告建議最大沖刷深度高程為－16 m，沖刷最深點(diǎn)位置距北岸700～1 200 m。同時(shí)，該報(bào)告提供了地鐵隧道下穿錢塘江一定范圍內(nèi)的300年一遇沖刷線，為地鐵隧道設(shè)計(jì)提供了充分依據(jù)。

在實(shí)際使用過(guò)程中，對(duì)于地鐵隧道采用300年一遇沖刷線存在一定的爭(zhēng)議。有專家提出異議，地鐵使用年限為100年，采用300年沖刷線是否適宜，是否應(yīng)該采用與隧道耐久性相對(duì)應(yīng)的沖刷線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)。

沖刷線以③7層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層為頂板，同時(shí)，沖刷線是一種由土層剝離形成的凹坑底線的包絡(luò)，并不是全斷面的土層剝離。沖刷線標(biāo)志的是一種土層剝離的極限狀態(tài)，現(xiàn)狀江底距離沖刷線較大，約為16 m，因此隧道施工時(shí)盾構(gòu)上覆土層較厚，沖刷線對(duì)盾構(gòu)施工的影響較小。

3 覆土厚度的確定

3.1 總體設(shè)計(jì)階段

在總體設(shè)計(jì)階段，按以往的工程經(jīng)驗(yàn)，考慮到盾構(gòu)覆土厚度應(yīng)盡量為盾構(gòu)直徑的一倍，同時(shí)沖刷線作為一種有可能沖刷到的最低底線，其上的土層都有可能剝離至該線，盾構(gòu)隧道埋設(shè)深度必須在最大沖刷工況下仍能滿足抗浮要求，又同時(shí)滿足隧道縱向受力的要求。因此，總體規(guī)定線路埋深應(yīng)以隧道頂距最大沖刷線的最小距離不小于5 m為標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 初步設(shè)計(jì)階段

在2006年的初步設(shè)計(jì)方案階段，考慮錢塘江江底沖刷的最不利影響后，隧道結(jié)構(gòu)頂面距最大沖刷線最小距離約為3.3 m。抗浮驗(yàn)算為

但該方案得到了專家的否定，在初步設(shè)計(jì)的中間成果審查會(huì)議上專家提出了意見(jiàn)：優(yōu)化縱斷面設(shè)計(jì)，適當(dāng)加大越江段埋深，線路隧道頂與300年一遇最不利沖刷線的距離要求為6 m。最后根據(jù)專家意見(jiàn)，初步設(shè)計(jì)最終方案將線路隧道頂與300年一遇最不利沖刷線的距離調(diào)整為 5.8 m［4－5］。

在飽和軟土地層中，由于隧道沿線地質(zhì)條件、工程條件、結(jié)構(gòu)形式和施工條件的變化，隧道將在施工階段和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生縱向不均勻沉降。因此當(dāng)荷載或基底地層沿隧道縱向有較大變化時(shí)，就需要對(duì)縱向強(qiáng)度和變形進(jìn)行驗(yàn)算分析。隧道穿越錢塘江，其頂部覆土荷載沿隧道線路變化大，其上覆土層厚度差異較大(最大差值約為17 m)。下臥土層因受水流沖刷、切割作用而不均勻，現(xiàn)有河床與預(yù)計(jì)沖刷線變化幅度最大處有13.05 m的高差。因此，根據(jù)隧道縱斷面形態(tài)和河床最大沖刷線的變化情況，取其最不利工況，即最低潮位情況下，采用SAP系列靜力有限元分析程序進(jìn)行縱向變形分析(見(jiàn)圖1)。

圖1 越江隧道縱斷面

1)計(jì)算模型。本次計(jì)算采用彈性鉸—梁—地基模型，即襯砌環(huán)用梁?jiǎn)卧M，環(huán)間接頭用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模擬，地基用土層彈簧模擬，用該模型求解不但可以得到整個(gè)隧道的縱向受力性能，還可以求得隧道襯砌環(huán)間的接縫張角，借以評(píng)價(jià)隧道的縱向穩(wěn)定性。

2)計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)的選取。根據(jù)計(jì)算縱剖面的地質(zhì)條件，隧道上部土層容重根據(jù)地質(zhì)資料取用，上部荷載根據(jù)縱剖面采用分段計(jì)算。根據(jù)線路縱斷面和河床形態(tài)，取兩個(gè)計(jì)算工況。

工況1：現(xiàn)有河床線，河床標(biāo)高為－2.0～－2.6 m。

工況2：最大沖刷線，隧道斷面最大沖刷深度在－12.4～－15.65 m之間。

計(jì)算中錢塘江水位取平均低潮位為3.96 m。螺栓距離管片厚度中心為35 mm，盾構(gòu)隧道環(huán)間轉(zhuǎn)動(dòng)剛度按照負(fù)彎矩處取值1500 kN·m/rad，正彎矩處取值3000 kN·m/rad［6］。

3)計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)介。經(jīng)計(jì)算，工況1產(chǎn)生的江中隧道最大沉降為31 mm，在江南大堤處相鄰環(huán)的差異沉降約2.3 mm，江北大堤處相鄰環(huán)的差異沉降約2.2 mm(見(jiàn)圖2(a))，環(huán)縫張開(kāi)量為3.6 mm;工況2產(chǎn)生的江中隧道最大沉降為2.3 mm，在江南大堤處相鄰環(huán)的差異沉降約2.8 mm，江北大堤處相鄰環(huán)的差異沉降約2.2 mm(見(jiàn)圖2(b))，環(huán)縫張開(kāi)量為4.1 mm。

上述計(jì)算結(jié)果表明，河床沖刷和下臥層變化對(duì)隧道縱向影響可以接受，對(duì)隧道縱向影響不太明顯，接縫張開(kāi)量均小于4.1 mm，相鄰環(huán)的差異沉降小于2.8 mm，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 隧道縱向沉降曲線(非均勻沉降)

3.3 施工設(shè)計(jì)階段

在施工圖階段，施工單位對(duì)地層進(jìn)行了補(bǔ)充勘探，探明了下部的○142層圓礫層頂面的精確標(biāo)高，與地勘報(bào)告存在一定的差異。施工中采用的是兩臺(tái)863盾構(gòu)機(jī)，刀具均是按照軟土配置，盾構(gòu)下部需要切削圓礫層約2 m，施工過(guò)程中的土層軟硬不均，增加了施工難度，也勢(shì)必會(huì)造成刀具磨損嚴(yán)重，增加了換刀的可能性，在江底換刀施工風(fēng)險(xiǎn)大且會(huì)嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

因此，對(duì)縱斷面進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后隧道頂部與沖刷線的最小距離為3.6 m。經(jīng)過(guò)縱斷面分析計(jì)算，環(huán)縫最大張開(kāi)量達(dá)到4.5 mm。設(shè)計(jì)總體及防水技術(shù)要求嚴(yán)格控制荷載作用下的接頭張開(kāi)量(小于6 mm)，但施工階段接頭往往會(huì)有一定的張開(kāi)量，按照盾構(gòu)法隧道施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)、縱縫張開(kāi)量不能大于2 mm，因此在施工過(guò)程中必須精心施工，使張開(kāi)量盡量控制在1 mm以內(nèi)，否則在后期運(yùn)營(yíng)期間，當(dāng)沖刷作用產(chǎn)生大卸載、剝離到?jīng)_刷線標(biāo)高時(shí)，隧道會(huì)產(chǎn)生較多的滲漏，甚至有可能被高水壓擊穿［7］。

減少、控制縱向變形的對(duì)策是：將隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成有一定剛度的柔性結(jié)構(gòu)，這樣能通過(guò)結(jié)構(gòu)變形調(diào)動(dòng)周圍地層的抗力，減少襯砌彎曲應(yīng)力。但仍必須有一定的剛度，將結(jié)構(gòu)徑向變形、接縫張角控制在防水措施能適應(yīng)的范圍內(nèi)，以減少結(jié)構(gòu)的不均勻沉降。盾構(gòu)進(jìn)、出錢塘江時(shí)，由于隧道結(jié)構(gòu)上方的土壓力變化較明顯，隧道結(jié)構(gòu)存在一定的縱向變形［8］，因此需在隧道進(jìn)、出錢塘江的區(qū)段設(shè)置必要的變形縫，允許其在一定范圍內(nèi)變形。

越江盾構(gòu)隧道已經(jīng)順利貫通，在施工過(guò)程中避開(kāi)了卵石層，施工過(guò)程順利。

4 其他工程實(shí)施情況

在杭州地鐵2號(hào)線錢江路站—錢江世紀(jì)城站區(qū)間工可階段的縱斷面設(shè)計(jì)方案中，江中隧道距300年一遇沖刷線(絕對(duì)標(biāo)高－17.7 m)的最小覆土為3 m，以避開(kāi)粉細(xì)砂、圓礫承壓水層，也主要為了降低盾構(gòu)及聯(lián)絡(luò)通道江中隧道的施工難度與施工風(fēng)險(xiǎn)。施工設(shè)計(jì)階段調(diào)整為江中隧道距300年一遇沖刷線的距離為4 m。

杭州另外一個(gè)工程是公路隧道慶春路越江隧道，該隧道采用外徑為15 m的大盾構(gòu)管片，但該處預(yù)測(cè)的300年一遇的沖刷線標(biāo)高較高(絕對(duì)標(biāo)高為－7 m)［9］。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)施方案為線路隧道頂與300年一遇最不利沖刷線的距離為9.5 m［10］。該處卵石層埋深較深，沒(méi)有進(jìn)入隧道范圍內(nèi)。

5 結(jié)論和建議

1)越江盾構(gòu)隧道縱斷面設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。除了要滿足抗浮的要求外，還需要滿足縱向計(jì)算中接頭張開(kāi)量的要求，同時(shí)還要注意避開(kāi)導(dǎo)致較大工程風(fēng)險(xiǎn)的卵石層、下部巖層等較硬土層，當(dāng)無(wú)法避開(kāi)這些土層時(shí)，應(yīng)考慮采用適用于硬土層的盾構(gòu)機(jī)型。

2)雖然對(duì)于6.2 m直徑的盾構(gòu)管片隧道，沖刷線下保留3 m覆土就已經(jīng)能滿足抗浮要求，但是根據(jù)國(guó)外的地鐵工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，航道處“齒錨入性”(用錨的入土深度衡量)對(duì)于隧道的影響較大，隧道抬高后可能會(huì)降低使用期間的安全性。海底光纜工程設(shè)計(jì)規(guī)范［11］也主要考慮了齒錨入深度的問(wèn)題。錢塘江是一個(gè)通航河道，河面由窄到寬，多條隧道下穿，很難設(shè)立禁錨區(qū)，因此隧道頂部覆土在任何情況下都必須確保3 m厚度，并應(yīng)適當(dāng)留有富余量。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［2］浙江華東建設(shè)工程有限公司.杭州地鐵1號(hào)線Ⅱ標(biāo)濱江站—富春路站區(qū)間巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告［R］.杭州，2007.

［3］浙江省水利河口研究院.杭州地鐵1號(hào)線錢塘江(婺江路)隧道河段最大沖刷深度動(dòng)床模型試驗(yàn)研究［R］.杭州，2005.

［4］浙江省水利河口研究院.杭州地鐵1號(hào)線錢塘江隧道河段最大沖刷深度研究［R］.杭州，2005.

［5］上海隧道設(shè)計(jì)院.杭州地鐵1號(hào)線一期工程初步設(shè)計(jì)濱江站—富春路站區(qū)間設(shè)計(jì)［G］.杭州，2006.

［6］蔣洪勝，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道管片接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的理論研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(9)：1574 －1577.

［7］上海隧道設(shè)計(jì)院.杭州地鐵1號(hào)線一期工程施工設(shè)計(jì)濱江站—富春路站區(qū)間設(shè)計(jì)［G］.杭州，2009.

［8］戴小平，郭濤，秦建設(shè).盾構(gòu)機(jī)穿越江河淺覆土層最小埋深的研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27(5)：782 －786.

［9］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.杭州地鐵2號(hào)線工程可行性報(bào)告［R］.杭州，2007.

［10］中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.慶春路越江隧道施工設(shè)計(jì)圖紙［G］.杭州，2009.

［11］YD 5018—2005海底光纜數(shù)字傳輸系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：郵電大學(xué)出版社，2006.

Determination of Thickness of Overburden Layer for Erosion Line of Shield Tunnel Crossing the Qiantang River

Shi Zhendong
(China Railway the 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018)

The shield tunnel construction between Binjiang Railway Station and Fuchun Road station in Hangzhou Metro Line 1 crosses the Qiantang River;the longitudinal section design of the interval was adjusted in various stages of design.The factors affecting the thickness of covering soil erosion line of shield tunnel were illustrated.The design should ensure anti-floating，satisfy the longitudinal calculation joint requirement，and avoid passing gravel layer and lower rock hard soil layer which may cause great engineering risks.The thickness of the overburden layer of the erosion line for the shield tunnel crossing the Qiantang River and the method for determining the thickness are introduced.The technology to determine the thickness is the key factor in tunnel design，which need to take into account many conditions to determine a reasonable vertical section of the line.

metro;shield;tunnel through the river;erosion line;thickness of the overburden layer;gravel soil;vertical section of the line;Line 1 of Hangzhou Metro

U455.43

A

1672－6073(2014)02－0074－04

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.018

2014－01－21

2014－02－26

施振東，男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，副總經(jīng)理，長(zhǎng)期從事交通土建工程施工的技術(shù)管理工作，zhongtieshi@126.com

(

郝京紅)