媽灣跨海通道工程隧道選線快速評價模型研究

陳小平， 辛理敏， 孔祥歲， 劉學(xué)增， 師 剛

(1. 深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心， 廣東 深圳 518040； 2. 上海同巖土木工程科技股份有限公司， 上海 200092； 3. 同濟(jì)大學(xué)， 上海 200092)

0 引言

隨著我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為滿足城市發(fā)展需要，在濱海地區(qū)進(jìn)行了大量的隧道工程建設(shè)。濱海地區(qū)隧道常穿越淤泥、黏土、填石、硬巖和軟硬不均地層等多種復(fù)雜地層，土層力學(xué)性質(zhì)差異大，且軟硬突變明顯，其中上軟下硬地層既不利于沉管法施工，也不利于盾構(gòu)法施工。如選線不合理，長期重載作用下的隧道結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)明顯的不均勻沉降，環(huán)縫張開過大時會出現(xiàn)漏水、漏泥問題，嚴(yán)重影響海底隧道運(yùn)營安全，同時將大幅提高工程造價。因此，工程地質(zhì)條件直接影響隧道規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營，對線位進(jìn)行工程選線評價尤為重要。

當(dāng)前隧道選線評價多采用定性方法。李曉昭等[1]對玄武湖水下交通隧道環(huán)境地質(zhì)條件進(jìn)行了定性分析，評價了3種比選方案；黃希強(qiáng)[2]對廣深港客運(yùn)專線珠江獅子洋隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行了定性評價；孫成智[3]對西成鐵路客運(yùn)專線棋盤關(guān)隧道設(shè)計的地質(zhì)條件進(jìn)行了定性評價；曹柏樹[4]對位于枝萬線筆架山地區(qū)的3座大長巖溶隧道的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行了定性評價；譚長偉等[5]定性分析了膠州灣海底隧道的工程地質(zhì)條件；苗德政等[6]對巫洋隧道的工程地質(zhì)條件定性地進(jìn)行了分析、研究及評價；雷中華[7]針對甌江水下盾構(gòu)隧道，對沼氣、深厚卵石、軟土和巖石界面等不利于盾構(gòu)建設(shè)的工程地質(zhì)問題進(jìn)行了分析評價。由于定性評價主觀性較強(qiáng)，有學(xué)者提出隧道地質(zhì)條件可采用定量評價，汪繼鋒[8]應(yīng)用層次分析法，將巖溶隧道水文地質(zhì)評價因子量化，確定因子權(quán)重，通過比較各因子權(quán)重大小評價巖溶隧道水文地質(zhì)條件的優(yōu)劣；魏偉青等[9]通過聚類分析，針對越江地鐵隧道地質(zhì)特點(diǎn)，構(gòu)建了地質(zhì)安全評價指標(biāo)體系，并對武漢地鐵4號線越江隧道地質(zhì)情況進(jìn)行了評價；徐軍政[10]分析了廈門地鐵3號線跨海段主要工程地質(zhì)問題，采用盾構(gòu)掘進(jìn)硬巖、盾構(gòu)掘進(jìn)上軟下硬地層、礦山法施工風(fēng)化槽3個因素作為地質(zhì)評價指標(biāo)進(jìn)行線位比選；高偉等[11]以影響隧道選線的各種地質(zhì)因素作為定性評價指標(biāo)，采用權(quán)重系數(shù)法，通過定性指標(biāo)定量化對巖溶區(qū)隧道線路選取的合理性進(jìn)行分析評價，并基于評價結(jié)果提出線路選取優(yōu)化措施。

綜上所述，目前隧道選線評價多為定性評價，采用定量方法建立選線評價模型輔助隧道選線的研究仍較少，并且由于地質(zhì)條件的差異性，尚無成熟的評價模型可供借鑒。本文依托媽灣跨海通道工程，以地質(zhì)條件為主要角度，分析如何科學(xué)合理地評價隧道結(jié)構(gòu)對海底不同地層的適應(yīng)性，以期實現(xiàn)參數(shù)化、量化的海底隧道選線思路，并借助三維參數(shù)化選線分析平臺，實現(xiàn)多條隧道線位的快速評價。

1 工程概況

媽灣跨海通道工程擬由橋梁、隧道及道路組成，本文主要研究對象為隧道。初步提出沉管法(圍堰明挖)、盾構(gòu)法、鉆爆法3種隧道施工方法，從設(shè)計、施工安全、經(jīng)濟(jì)等方面綜合考慮，沉管法、鉆爆法施工工藝復(fù)雜，風(fēng)險高，同時工程投資巨大，不適用于本工程，因此推薦采用盾構(gòu)法。本文對盾構(gòu)法隧道的3條設(shè)計線位展開比選，線位的縱斷面如圖1所示，具體方案見表1。

圖1 隧道縱斷面線位

線位樁號結(jié)構(gòu)形式位置施工方法1K1+445～K1+750U型槽前海陸域段明挖法K1+750～K2+200閉合框架前海陸域段明挖暗埋K2+200～K2+480盾構(gòu)前海陸域段盾構(gòu)法K2+480～K3+650盾構(gòu)海域段盾構(gòu)法K3+650～K4+508盾構(gòu)大鏟灣陸域段盾構(gòu)法K4+508～K6+700閉合框架大鏟灣陸域段明挖暗埋K6+700～K6+976U型槽大鏟灣陸域段明挖法2K1+475～K1+750U型槽前海陸域段明挖法K1+750～K2+300閉合框架前海陸域段明挖暗埋K2+300～K2+480盾構(gòu)前海陸域段盾構(gòu)法K2+480～K3+650盾構(gòu)海域段盾構(gòu)法K3+650～K4+130盾構(gòu)大鏟灣陸域段盾構(gòu)法K4+130～K7+504閉合框架大鏟灣陸域段明挖暗埋K7+504～K7+805U型槽大鏟灣陸域段明挖法3K1+475～K1+750U型槽前海陸域段明挖法K1+750～K2+280閉合框架前海陸域段明挖暗埋K2+280～K2+480盾構(gòu)前海陸域段盾構(gòu)法K2+480～K3+650盾構(gòu)海域段盾構(gòu)法K3+650～K4+340盾構(gòu)大鏟灣陸域段盾構(gòu)法K4+340～K7+504閉合框架大鏟灣陸域段明挖暗埋K7+504～K7+805U型槽大鏟灣陸域段明挖法

2 選線快速評價模型指標(biāo)選取

隧道地質(zhì)條件一般包括巖土性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件和不良地質(zhì)現(xiàn)象。由于隧道埋深、隧道上覆巖土層與下臥巖土層性質(zhì)的差異，沿線路方向的沉降在空間上是不均勻的。場地位于抗震設(shè)防烈度為7度的地區(qū)，根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計細(xì)則》，抗震設(shè)防烈度小于8度時可不考慮地震錯動對隧道的影響，因此斷裂帶對隧道的影響不作為選線評價指標(biāo)。由于外水壓力的影響已在差異沉降計算的附加應(yīng)力中考慮，因此水文氣象條件不再作為獨(dú)立的選線評價指標(biāo)。場地不良地質(zhì)條件有地面沉降、地面塌陷、軟硬不均地層等，這些不良地質(zhì)條件作用于隧道最終表現(xiàn)為不同程度的變形和沉降，因此選擇差異沉降作為選線評價的主要依據(jù)。結(jié)合設(shè)計要求，選擇如下6個指標(biāo)作為選線評價指標(biāo)： 平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數(shù)、隧道埋深、與平面控制因素水平距離、差異沉降。對下列情況實行一票否決： 1)平面曲率半徑不滿足設(shè)計要求； 2)縱坡坡度不滿足設(shè)計要求； 3)盾構(gòu)段不滿足抗浮設(shè)計要求(明挖段不滿足抗浮要求的可通過設(shè)置抗拔樁處理)； 4)隧道埋深不滿足設(shè)計要求； 5)與平面控制因素水平距離不滿足水平方向安全間距的要求。對滿足平面曲率半徑、縱坡、抗浮安全系數(shù)、隧道埋深、與平面控制因素水平距離要求的線位方案，通過計算不同斷面的沉降，并采用沉降曲線的曲率半徑進(jìn)行選線評價。

3 評價指標(biāo)計算方法

平面曲率半徑、縱坡坡度可由設(shè)計平面圖、縱斷面圖得到；隧道埋深、與平面控制因素水平距離可由工程方案資料得到。本文重點(diǎn)介紹抗浮安全系數(shù)、差異沉降及沉降曲率半徑的計算方法。

3.1 抗浮安全系數(shù)

隧道抗浮安全系數(shù)按媽灣跨海通道工程設(shè)計資料選?。?陸域段主體結(jié)構(gòu)≥1.05(不考慮側(cè)壁摩阻力)，抗浮水位為地表；海域段盾構(gòu)法主體結(jié)構(gòu)施工階段≥1.1，運(yùn)營階段≥1.2?？垢“踩禂?shù)計算公式如下：

F浮=γwV

；

(3)

；

(4)

G自=γcS

；

(5)

；

(6)

G覆=(γs-γw)×H×b

。

(7)

式(1)—(7)中：γf為抗浮安全系數(shù)，施工階段采用式(1)計算，運(yùn)營階段采用式(2)計算；G自為隧道管片結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值，盾構(gòu)段采用式(4)計算，閉合框架段采用式(5)計算，kN/m；G內(nèi)為隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)(行車道板等)自重標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；G覆為隧道上覆土層的有效壓重標(biāo)準(zhǔn)值，盾構(gòu)段采用式(6)計算，閉合框架段采用式(7)計算，kN/m；γg為隧道結(jié)構(gòu)自重分項系數(shù)，取1.0；γa為隧道上覆土層質(zhì)量分項系數(shù)，取1.0；F浮為浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；γw為水的重度，kN/m3；V為計算水位以下隧道結(jié)構(gòu)封閉外輪廓，即隧道排水體積，m3/m；γc為管片襯砌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)重度，kN/m3；S為閉合框架段隧道結(jié)構(gòu)的橫截面面積，m2；γs為上覆土體重度，kN/m3；D為管片襯砌外徑，m；d為管片襯砌內(nèi)徑，m；R為管片襯砌外輪廓半徑，m；H為管片襯砌覆土厚度，m；b為閉合框架段隧道結(jié)構(gòu)橫截面寬度，m。

3.2 差異沉降

3.2.1 沉降計算

明挖法及盾構(gòu)法隧道施工是先卸載再加載的過程，土體沉降由再壓縮量(基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)荷載尚未超過開挖土體的自重)和壓縮量(基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)荷載超過開挖土重)組成。一般情況下，隧道修建后的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)荷載都比開挖土體自重小，因此只需考慮再壓縮量，按照分層總和法計算，見式(8)—(10)。

σzi=αup

；

(9)

p=p1+p2+p3-p4

。

(10)

式(8)—(10)中：s為總沉降量，mm；σzi為附加應(yīng)力平均值，kPa；Hi為分層i的厚度，m；Eei為第i層土的再壓縮模量，MPa；p為基底附加應(yīng)力，kPa；αu為應(yīng)力系數(shù)，可查表獲得；p1為結(jié)構(gòu)上方回填土重，kPa，依據(jù)土層重度、土層厚度、地下水位高度計算得到；p2為結(jié)構(gòu)自重，kPa；p3為車輛荷載等效應(yīng)力，kPa；p4為浮力，kPa。

根據(jù)媽灣跨海通道設(shè)計資料可知，隧道主輔路為雙向6車道，道路等級為城市快速路?？紤]最不利情況，汽車荷載等級按公路—Ⅰ級考慮，根據(jù)JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[12]，公路—Ⅰ級汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值為550 kN，車輛尺寸為15 m×2.5 m，車輛荷載布置的立面圖與平面圖如圖2所示。

(a) 立面圖

(b) 平面圖

由文獻(xiàn)[13]可知，汽車間距的合理距離為0.6 m。按最不利原則，考慮隧道全長布滿標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載的情況下，車輛荷載前后投影長度為15(車輛長度)+0.6=15.6 m，由于媽灣隧道為雙向6車道，車道寬度為3.75 m，則在3.75 m×15.6 m的范圍內(nèi)，布置的車輛荷載為550 kN，且考慮最不利情況，認(rèn)為車輛荷載引起的應(yīng)力全部作用在該范圍內(nèi)，以該范圍內(nèi)由車輛荷載引起的應(yīng)力作為車輛荷載引起的基底附加應(yīng)力，即為550/(3.75×15.6)=9.40 kPa。因此本項目p3=9.40 kPa。

3.2.2 沉降曲率半徑計算

A、B、C是沉降曲線上連續(xù)的3個點(diǎn)，假定3點(diǎn)共圓，經(jīng)驗法求沉降曲線上B點(diǎn)曲率半徑示意圖如圖3所示。

圖3 經(jīng)驗計算法示意圖

假設(shè)沉降曲線上，點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，B點(diǎn)隧道縱向變形的曲率半徑計算公式見式(11)。

綜上，可以得到曲率半徑計算公式如下：

(13)

4 指標(biāo)分級打分標(biāo)準(zhǔn)

綜合媽灣跨海通道工程的設(shè)計要求，抗浮安全系數(shù)、縱坡坡度、平面曲率半徑、隧道埋深、與平面控制因素水平距離的控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

根據(jù)李鵬等[14]對越江盾構(gòu)隧道縱向不均勻沉降控制指標(biāo)的研究，上海地鐵2號線達(dá)到曲率半徑控制值(15 000 m)時對應(yīng)的環(huán)縫張開量為0.3 mm，上海長江隧道外徑為15 m，管片壁厚0.65 m，環(huán)縫張開量為0.3 mm時，隧道曲率半徑R1=78 494 m；當(dāng)螺栓達(dá)到屈服強(qiáng)度時，隧道曲率半徑R2=37 875 m。

表2 評價指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)

注：L1為隧道與市政管線或工業(yè)管線的豎向安全距離；L2為船舶應(yīng)急拋錨貫穿深度；L3為隧道與平面控制因素的水平安全距離。

媽灣跨海通道盾構(gòu)段管片外徑、壁厚與上海長江隧道相同，以上海長江隧道的臨界曲率半徑計算結(jié)果為基礎(chǔ)，考慮以9R1、6R1、3R1、R1為臨界值，將媽灣跨海通道盾構(gòu)段縱向不均勻沉降的曲率半徑ρ劃分為5個等級進(jìn)行打分?？紤]到打分標(biāo)準(zhǔn)的一致性與可操作性，對媽灣跨海通道的明挖段隧道沉降曲率半徑采取相同的分級與打分標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 曲率半徑分級與打分標(biāo)準(zhǔn)

5 選線快速評價模型

對表1中的7個區(qū)段分別按一定間距劃分計算斷面，每個斷面作為1個沉降計算點(diǎn)。根據(jù)表3的打分標(biāo)準(zhǔn)，對每個沉降計算點(diǎn)的曲率半徑進(jìn)行打分，一般每個區(qū)段沉降曲線的首、末點(diǎn)曲率半徑計算不準(zhǔn)，因此計算時去掉首、末點(diǎn)。取7個區(qū)段曲率半徑分?jǐn)?shù)的平均值作為該隧道線路線位評分分?jǐn)?shù)，見公式(14)。

式中：Vs為隧道選線快速評價模型評分分?jǐn)?shù)；Vsij為隧道第i個區(qū)段、第j個曲率半徑計算點(diǎn)對應(yīng)的曲率半徑評分分?jǐn)?shù)；Ni為第i區(qū)段劃分?jǐn)嗝婵倲?shù)。

對于隧道整體選線評分分?jǐn)?shù)小于60的線位予以直接否決；分?jǐn)?shù)在60～80的線路評價為良好，屬于可考慮線位；分?jǐn)?shù)在80～100的線路評價為優(yōu)秀，屬于優(yōu)先考慮線位。媽灣跨海通道工程選線快速評價流程如圖4所示。

圖4 選線快速評價流程圖

6 算例

根據(jù)選線快速評價流程(見圖4)，對媽灣跨海通道方案設(shè)計階段的3條盾構(gòu)線位的左線進(jìn)行選線評價。經(jīng)判斷，3條盾構(gòu)線位的平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數(shù)、隧道埋深、與平面控制因素水平距離均滿足設(shè)計要求。以一定間距選取沉降計算點(diǎn)，確定各沉降計算點(diǎn)的地層分布、隧道埋深、地下水位埋深、結(jié)構(gòu)寬度、結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)斷面面積等，以此為基礎(chǔ)，計算各斷面的隧道沉降，并繪制沉降沿縱向的分布曲線，如圖5所示。根據(jù)式(11)，計算得到曲率半徑分布，如圖6所示。

根據(jù)表3，對隧道各沉降計算斷面的曲率半徑進(jìn)行打分，并且根據(jù)式(14)對各斷面曲率半徑分?jǐn)?shù)取平均值，作為隧道整體選線快速評價模型的評分分?jǐn)?shù)。其中，線位1評分分?jǐn)?shù)為79.3，線位2評分分?jǐn)?shù)為71.3，線位3評分分?jǐn)?shù)為84.1，線位1、線位2總體評價結(jié)果皆為良好，線位3評價結(jié)果為優(yōu)秀。

(b) 線位2

(c) 線位3

7 三維參數(shù)化選線

選線快速評價模型運(yùn)用時需要劃分多個計算斷面，在土層分層厚度獲取及沉降計算時存在較大計算量。三維地質(zhì)建模技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多源數(shù)據(jù)的集成，通過三維地質(zhì)剖切技術(shù)、數(shù)據(jù)提取技術(shù)可以快速實現(xiàn)地層讀取、參數(shù)匹配、計算評價等流程。將選線快速評價模型嵌入三維地質(zhì)模型，構(gòu)建三維參數(shù)化選線分析平臺，可實現(xiàn)對多條隧道線位在定量地質(zhì)條件下的快速選線評價。

(a) 線位1

(b) 線位2

(c) 線位3

輸入待評價線位各區(qū)段里程樁號，人工對隧道劃分區(qū)段后(見圖7)，系統(tǒng)會自動根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的評價控制標(biāo)準(zhǔn)判斷平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數(shù)、隧道埋深、與平面控制因素水平距離是否滿足設(shè)計要求(見圖8)； 給出各區(qū)段的縱向沉降與曲率半徑，并自動計算各區(qū)段曲率半徑評分值(見圖9)，從而評價線位的合理性。

8 結(jié)論與建議

1)在分析隧道線位地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，提出了媽灣跨海通道工程選線快速評價指標(biāo)，即平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數(shù)、隧道埋深、與平面控制因素水平距離、差異沉降。對平面曲率半徑不滿足設(shè)計要求、縱坡坡度不滿足設(shè)計要求、盾構(gòu)段不滿足抗浮設(shè)計要求、隧道埋深不滿足設(shè)計要求、與平面控制因素水平距離不滿足水平方向安全間距要求的線位實行一票否決。

圖7 區(qū)段劃分

圖8 設(shè)計指標(biāo)自動驗算

圖9 曲率半徑自動計算及評分

2)基于分層總和法得到隧道沉降計算公式，同時考慮地下水位、土層性質(zhì)、土層厚度、先期固結(jié)壓力、車輛荷載等，較為全面地反映了地質(zhì)條件的影響。并推導(dǎo)出隧道曲率半徑計算公式，制定了曲率半徑分級打分標(biāo)準(zhǔn)，建立了媽灣跨海通道工程選線快速評價模型。

3)采用選線快速評價模型對媽灣跨海通道3條盾構(gòu)線位進(jìn)行評價，線位1評分分?jǐn)?shù)為79.3，線位2評分分?jǐn)?shù)為71.3，線位3評分分?jǐn)?shù)為84.1。

4)在三維地質(zhì)模型中引入選線快速評價系統(tǒng)，構(gòu)建三維參數(shù)化選線分析平臺，可實現(xiàn)對多條隧道線位的快速選線評價，為隧道合理建設(shè)提供支持。

5)下一步研究計劃與內(nèi)容：

① 對平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數(shù)、隧道埋深、與平面控制因素水平5項設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行定量分級，并對6項選線評價指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重劃分；

② 考慮縱坡設(shè)計坡度對沉降曲率半徑評價標(biāo)準(zhǔn)的影響；

③ 探討區(qū)段線位評價結(jié)果整合的方法，并與現(xiàn)有取平均值的方法進(jìn)行對比；

④ 通過對比，對沉降曲率半徑經(jīng)驗計算法的合理性進(jìn)行分析；

⑤ 開展線位評價的風(fēng)險評估模型。