水下交通隧道的線形設(shè)計(jì)綜述

李冰　肖明光

摘 要：目前，水下隧道施工工法主要有鉆爆法、盾構(gòu)法、沉管法和堰筑法。文章基于水下隧道的設(shè)計(jì)，并結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例，針對這四種工法的施工特點(diǎn)和運(yùn)營階段的要求，分別介紹了其平、縱面設(shè)計(jì)的控制因素和相關(guān)要求，給出了各工法平縱設(shè)計(jì)的推薦參數(shù)，可為今后水下隧道的總體設(shè)計(jì)提供重要參考。

關(guān)鍵詞：水下隧道平縱面設(shè)計(jì)控制因素；盾構(gòu)法；鉆爆法；沉管法；堰筑法

路線總體的線形設(shè)計(jì)重要性眾所周知，它是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，是設(shè)計(jì)的靈魂，文章先介紹水下隧道平縱設(shè)計(jì)的共性控制因素，再結(jié)合各工法的特點(diǎn)單獨(dú)介紹其平、縱控制因素。

1 水下隧道平縱面設(shè)計(jì)共性控制因素

1.1 平面共性控制因素

1.1.1 路線符合國家和所在區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，與道路規(guī)劃協(xié)調(diào)一致，充分發(fā)揮項(xiàng)目的功能。

1.1.2 充分考慮嚴(yán)重影響工程方案實(shí)施的建設(shè)條件，如工程地質(zhì)、水文、氣象、潮汐、等因素。水下隧道工程對地質(zhì)條件比較敏感，有時(shí)甚至是決定性因素，始終要把地質(zhì)條件作為確定路線方案的第一要素，盡量避開水域風(fēng)化槽和不良地質(zhì)地段，降低工程風(fēng)險(xiǎn)及造價(jià)。

1.1.3 兩端接線方案也是決定路線走向的重要控制因素，接線方案重點(diǎn)研究兩岸的交通疏解及與現(xiàn)有道路的交通組織。

1.1.4 盡量避免與城市其他設(shè)施的干擾：區(qū)域內(nèi)其他設(shè)施主要是既有道路、既有管網(wǎng)設(shè)施、既有建筑物及環(huán)境敏感點(diǎn)等。

1.1.5 充分考慮項(xiàng)目建設(shè)條件對工程實(shí)施可行性和經(jīng)濟(jì)合理性的影響。根據(jù)國內(nèi)外工程建設(shè)的技術(shù)水平和施工水平，考慮線位區(qū)域建設(shè)條件對工程技術(shù)方案實(shí)施階段的影響，保證所選線位在工程上的可實(shí)施性。為減小施工難度，降低工程造價(jià)，布線時(shí)要盡可能考慮施工的要求。

1.1.6 線形順適、連續(xù)，在不過多增加投資的前提下，盡量采用較高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或不設(shè)超高的圓曲線，注意指標(biāo)的均衡與連續(xù)。

1.1.7 適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)厝宋?、景觀、生態(tài)環(huán)境、地方政府的要求。

1.2 縱斷面共性控制因素

1.2.1 隧道內(nèi)坡度：最小縱坡不宜小于0.5%，最大坡度一般按4.0%控制，困難情況，經(jīng)論證可按6%控制。

1.2.2 隧道兩端接線道路路面標(biāo)高及交通疏解要求。

1.2.3 明挖暗埋段的埋深：明挖暗埋段的埋置深度決定了基坑開挖深度，直接影響支護(hù)和開挖工程量，在滿足其他條件下應(yīng)盡量減小明挖暗埋段的埋深。

1.2.4 考慮到隧道的排水、縱坡可設(shè)計(jì)為“U”形、“V”形、“W”形。

1.3 平縱方案組合

平縱面組合設(shè)計(jì)，盡可能使二者的技術(shù)指標(biāo)保持均衡和協(xié)調(diào)，力求均勻、緩順，避免出現(xiàn)線形方面的突變，使路線與地形、地物、景觀和視覺相協(xié)調(diào)，以保證舒適、安全的使用功能。按照規(guī)范的要求精心設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)各種不良的線形搭配和組合，以保證良好的視覺效果，提高行車舒適性。

2 盾構(gòu)法隧道平縱面設(shè)計(jì)控制因素

盾構(gòu)法利用盾構(gòu)機(jī)械在地層中開挖，在盾構(gòu)機(jī)殼體內(nèi)進(jìn)行襯砌拼裝，再由千斤頂頂進(jìn)，如此循環(huán)，向前延伸。一般適用于土質(zhì)地層為主的隧道，目前我國已建成的有上海崇明隧道、武漢長江隧道、南京緯七路隧道等，在建的有南京緯三路隧道等。

2.1 盾構(gòu)平面

考慮盾構(gòu)隧道施工特點(diǎn)，平面主要考慮因素是：

兩岸盾構(gòu)始發(fā)井與接收井各隧道之間的凈距按0.7～1.0D控制；水中盾構(gòu)段隧道之間凈距按1.0～1.2D控制；盾構(gòu)兩端明挖暗埋段盡量減小漸變段長度，減小占地寬度，降低開挖量；盾構(gòu)隧道平曲線半徑不宜小于50D（D為隧道外徑），并不得采用需加寬的平曲線。

2.2 盾構(gòu)縱斷面

2.2.1 盾構(gòu)隧道頂部設(shè)置高程：水中段盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂部高程的確定應(yīng)同時(shí)滿足施工階段和運(yùn)營階段的要求。施工階段為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)安全，結(jié)構(gòu)頂高程主要取決于施工階段河床最低高程、保證安全掘進(jìn)以及滿足施工抗浮要求的最小覆土厚度，一般而言，在水中段高滲透性的粉細(xì)砂地層施工，盾構(gòu)頂部最小覆土厚度要求不小于1.0D，但也有采用0.7D 的成功經(jīng)驗(yàn)。因此要求在盾構(gòu)施工前應(yīng)對河床面進(jìn)行量測，如果覆蓋厚度不能滿足其安全推進(jìn)要求時(shí)，需采取安全措施。運(yùn)營階段為保證結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全，在考慮河床可能沖刷的最大深度、航道通航深度、錨擊入土安全深度等的前提下，覆土厚度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定要求。

綜合分析，考慮施工及運(yùn)營期覆土厚度要求，根據(jù)實(shí)測沖刷下包絡(luò)線及預(yù)測設(shè)計(jì)最低沖刷線標(biāo)高，計(jì)算得到各控制點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)。

2.2.2 盾構(gòu)進(jìn)出洞覆土厚度要求：根據(jù)盾構(gòu)進(jìn)出洞處的周邊環(huán)境及工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，并考慮現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)進(jìn)出洞處的覆土厚度宜≥0.5D，且宜處于單一地層中。

2.2.3 水中段：水底控制標(biāo)高綜合考慮抗浮、施工穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)承載能力等因素，在深槽處盡量壓低，在淺灘段盡量抬高。

2.2.4 視距檢驗(yàn)：對隧道內(nèi)對行車安全不利路段需進(jìn)行視距驗(yàn)算。

3 沉管法隧道平縱面設(shè)計(jì)控制因素

沉管法隧道在水下預(yù)先挖掘好溝槽，把在干塢內(nèi)預(yù)制的沉管從制作場地浮運(yùn)到施工現(xiàn)場，依次沉放在溝槽內(nèi)并加以連接，然后進(jìn)行回填覆蓋，從而建成隧道的施工方法。宜選擇在土質(zhì)地層，水深不大于30m，水流速度不應(yīng)大于2.5m/s區(qū)段上，并應(yīng)盡量避開陡坡或不穩(wěn)定的岸線、急彎河道、變遷較大的河床、局部深槽、沖刷嚴(yán)重等施工困難水域，目前，我國已建成的有寧波甬江隧道、廣州珠江隧道、上海外環(huán)隧道等。

3.1 沉管平面

沉管法隧道左右線位于一個(gè)整體結(jié)構(gòu)內(nèi)，左右線間距小，可利用暗埋段和敞開段漸變?yōu)檎w式路基形式，平面線位主要受軸線總體走向確定，平面線位宜為直線。

3.2 沉管縱斷面

3.2.1 水中沉管隧道頂部設(shè)置高程：沉管方案結(jié)構(gòu)頂部高程主要受運(yùn)營階段覆土厚度控制，運(yùn)營階段覆土厚度取決于規(guī)劃航道深度和錨擊入土安全深度和設(shè)計(jì)最大沖刷線以下的抗浮要求，例如，按2.5～5萬噸海輪，其錨重為6～9噸，錨泊深度為0.9～1.4m。在考慮隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的自重條件下，滿足抗浮穩(wěn)定要求的隧道頂部覆土最小厚度為2.0m，分析該河段錨擊深度以及抗浮深度要求，沉管方案結(jié)構(gòu)頂面高程主要受抗浮要求控制。

3.2.2 縱斷面不宜設(shè)凸曲線，因?yàn)橥骨€不利于沉管隧道防水設(shè)計(jì)。

4 鉆爆法隧道平縱面設(shè)計(jì)控制因素

鉆爆法采用人工或機(jī)械、在隧道開挖斷面范圍內(nèi)鉆孔、裝填炸藥、爆破及出渣，形成隧道斷面，然后施作由鋼支撐、錨桿、噴射混凝土及混凝土等組成的支護(hù)體系。適用于巖石地層，具有較成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，我國已建成的水下鉆爆隧道主要有廈門翔安海底隧道、青島膠州灣海底隧道等。

4.1 鉆爆平面

4.1.1 鉆爆隧道宜采用直線或不設(shè)超高的平曲線。

4.1.2 平面不得沿?cái)鄬幼呦蛟O(shè)置，當(dāng)避開斷層有困難時(shí)，宜調(diào)整平面線位，是隧道平面線形垂直或盡可能大的交角通過斷層。

4.2 鉆爆縱斷面

隧道頂部覆蓋層厚度在硬質(zhì)巖石地段不應(yīng)小于1.0D（D為隧道開挖跨度），軟質(zhì)圍巖地段不小于1.5D，當(dāng)遇斷層破碎帶、風(fēng)化覆蓋層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大隧道埋深。例如，廈門翔安海底隧道最小巖石覆蓋厚度為37.2m（包括18.2m厚強(qiáng)風(fēng)化和19m厚弱～微風(fēng)化花崗巖層）。

5 堰筑明挖法隧道平縱面設(shè)計(jì)控制因素

堰筑明挖法隧道是在水中修建臨時(shí)性圍堰，防止水和土進(jìn)入建筑物的修建位置，在圍堰內(nèi)排水，形成干法施工環(huán)境，開挖基坑，利用明挖順作法修筑隧道。一般適用于土質(zhì)地層，水深較淺（不宜超過10m），水流流速較慢。目前我國已建成的有南京玄武湖隧道、杭州西湖隧道、蘇州獨(dú)墅湖隧道、廈門機(jī)場海底隧道等。

5.1 堰筑明挖法平面

堰筑明挖法宜采用直線或不設(shè)超高的平曲線。

5.2 堰筑明挖法縱斷面

縱面要求與沉管隧道基本相似，可參考沉管隧道縱面控制因素。

6 結(jié)束語

上述為作者的經(jīng)驗(yàn)參考值，僅供大家參考，具體設(shè)計(jì)還需結(jié)合每個(gè)項(xiàng)目的地形地質(zhì)條件、水文條件、路線走向和沿線障礙物等因素確定，洞內(nèi)外平、縱線形應(yīng)相互協(xié)調(diào)，并應(yīng)滿足工程沿線主要控制條件，與兩岸路網(wǎng)連接順暢。

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