大直徑水下盾構(gòu)隧道合理埋置深度分析

宋元平 駱俊暉 黃華康

摘要：文章論述了軟弱地層及復(fù)合地層大直徑水下盾構(gòu)隧道合理埋置深度的擬定方法，分析了河床沖刷深槽、船舶下錨及隧道抗浮穩(wěn)定等因素對(duì)水下盾構(gòu)隧道合理埋置深度及縱斷面線形的影響，并以武漢三陽路長江隧道為實(shí)例，闡述了水下盾構(gòu)隧道合理埋置深度擬定的方法。

關(guān)鍵詞：水下盾構(gòu)隧道;隧道合理埋置深度;公鐵合建隧道;復(fù)合地層;沖刷深槽

This article discusses the method for judging the reasonable buried depth of largediameter underwater shield tunnels in weak stratum and composite stratum，analyzes the influence of factors such as riverbed scouring deep trough，ship anchor and tunnel antifloating stability on the reasonable buried depth and profile line shape of underwater shield tunnel，then，with Yangtze River Tunnel of Sanyang Road in Wuhan as the example，it describes the method for judging the reasonable buried depth of underwater shield tunnel

Underwater shield tunnel;Reasonable buried depth of tunnel;Highwayrailway combined tunnel;Composite stratum;Scouring deep trough

0 引言

大直徑水下盾構(gòu)隧道處于水下圍巖或軟土地層中，因此在隧道施工過程中要承受較大的水、土壓力作用，而河（海）底巖土穩(wěn)定性一般較差，且處于水域環(huán)境中，這進(jìn)一步限制了各種預(yù)處理措施的實(shí)施。合理選取隧道埋置深度將是工程順利實(shí)施的關(guān)鍵。

一般水域環(huán)境復(fù)雜，對(duì)盾構(gòu)設(shè)計(jì)方案及施工作業(yè)的制約因素多。河流的水位、流速一般有季節(jié)性變化，河（海）床面高程一般會(huì)隨水文條件（沖刷）、上下游新建工程、采砂情況等而變化。通航水域經(jīng)常存在河道疏浚、船舶拋錨等問題，水域兩岸一般分布有碼頭，大江大河的防洪要求非常高，這些因素對(duì)盾構(gòu)隧道埋深均會(huì)產(chǎn)生很大影響和制約。盾構(gòu)隧道穿越水下段后兩端斜坡段類型有時(shí)也較為復(fù)雜，水下段兩端一般為人工島、海堤或河堤、城市道路、地下車站、地面建筑等，也需選取與之相適應(yīng)的埋深下穿或順接。此外，水下盾構(gòu)隧道埋深還應(yīng)滿足抗浮整體穩(wěn)定性的要求。

鑒于大直徑水下盾構(gòu)隧道埋置深度會(huì)極大影響工程造價(jià)及施工、運(yùn)營安全，隧道總體設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)隧道埋置深度進(jìn)行詳盡研究。

1 大直徑水下盾構(gòu)隧道合理埋置深度分析

水下盾構(gòu)段合理埋置深度問題影響因素多，較為復(fù)雜，是隧道建設(shè)成功與否的關(guān)鍵性技術(shù)問題，需要進(jìn)行綜合分析確定。

1.1 軟弱地層水下段隧道最小覆土厚度

對(duì)于施工安全最小覆土厚度應(yīng)綜合考慮開挖面穩(wěn)定性、施工階段抗浮穩(wěn)定兩個(gè)因素來確定，對(duì)運(yùn)營期還應(yīng)考慮運(yùn)營期間抗浮穩(wěn)定的影響。

1.1.1 從施工開挖面穩(wěn)定性分析最小覆土厚度

計(jì)算軟弱地層水下段隧道的最小埋深時(shí)應(yīng)對(duì)相應(yīng)水域進(jìn)行沖刷深度分析，同時(shí)考慮船舶下錨深度的影響。隧道最小覆土厚度必須同時(shí)滿足施工期和運(yùn)營期的安全要求，按其較大者取值。

1.2 復(fù)合地層水下段隧道最小覆土厚度

1.2.1 復(fù)合地層隧道縱斷面設(shè)計(jì)方案

復(fù)合地層指隧道穿越區(qū)域的巖土強(qiáng)度差異顯著，且盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化的地層。常見的復(fù)合地層一般上部為軟弱地層（如淤泥、軟黏土、粉細(xì)砂等），下部為基巖。復(fù)合地層隧道埋置深度需要進(jìn)行淺埋與深埋方案的比選。淺埋方案即是將隧道完全置于上部軟弱地層的方案，如能實(shí)現(xiàn)，宜優(yōu)先采用。如淺埋方案中隧道需要長距離穿越上軟下硬地層，則應(yīng)進(jìn)行深埋方案比選。此時(shí)線路入地后，將以較大坡度下穿，盡快穿越上部軟弱地層即土巖分界段，然后在基巖中掘進(jìn)通過。

1.2.2 合理基巖覆蓋厚度

當(dāng)采用深埋方案時(shí)，合理的覆巖厚度應(yīng)綜合考慮施工安全、結(jié)構(gòu)受力、防水設(shè)計(jì)等因素，不宜過大，也不宜過小。

從施工安全角度分析，需要考慮換刀作業(yè)安全和掘進(jìn)過程中開挖面穩(wěn)定兩個(gè)方面的問題。盾構(gòu)在基巖中長距離掘進(jìn)對(duì)刀具磨損大，不可避免地需要進(jìn)行刀具更換，如盾構(gòu)裝備沒有采用常壓換刀技術(shù)，則需要人員進(jìn)入開挖面作業(yè)。此時(shí)即使采用壓縮空氣，由于巖石節(jié)理裂隙較大而經(jīng)常漏氣進(jìn)而失去對(duì)開挖面的穩(wěn)定作用，但氣壓對(duì)減少開挖面的滲水量是有利的。因此，換刀作業(yè)所需的覆巖厚度應(yīng)根據(jù)刀盤與開挖面的接觸關(guān)系、水壓大小、基巖物理力學(xué)性能、上覆土層厚度等情況并根據(jù)力學(xué)原理計(jì)算確定。

1.3 國內(nèi)外大直徑水下隧道埋置深度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)國內(nèi)外水下盾構(gòu)隧道埋深調(diào)查情況（如下頁圖3所示），盾構(gòu)法水下隧道的平均埋置深度并未隨著隧道外徑的加大而顯著增加，而是基本保持在20～30 m之間。水下隧道的最小覆蓋層厚度（除去水底松散沉積物厚度）與隧道外徑的大小密切相關(guān)，尤其是對(duì)外徑超過10 m的盾構(gòu)隧道而言，更是如此，一般控制在0.5～1.0 D之間。

2 武漢三陽路長江隧道江中盾構(gòu)段埋置深度及縱斷面線形

武漢市三陽路長江隧道擬規(guī)劃為城市道路和地鐵7號(hào)線合建，是世界上首座公鐵兩用盾構(gòu)隧道。隧道在漢口岸沿城市主干道三陽路敷設(shè)，武昌岸沿城市主干道秦園路敷設(shè)，如圖4所示。

道路隧道全長4 650 m，其中江中盾構(gòu)段長2 590 m，漢口岸及武昌岸兩端為明挖暗埋段及敞口段，并分別與兩岸城市道路及地鐵7號(hào)線接駁。江中盾構(gòu)段為雙層盾構(gòu)隧道，上層為雙向六車道城市道路，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h;下層為地鐵7號(hào)線，設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h。越江盾構(gòu)隧道外徑15.2 m，內(nèi)徑13.9 m，如圖5所示。穿越的地層主要為淤泥質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和基巖，其中江中段切入基巖的長度為1 200 m，切入最大深度為9 m。[KH-*3D]

江中段隧道的埋置深度主要結(jié)合了河段水文、河勢(shì)條件和地質(zhì)條件進(jìn)行綜合研究。

2.1 江底河床沖刷深度的研究和試驗(yàn)

長江武漢河段的河床具有洪水沖刷、枯水淤積的特點(diǎn)，且歷史上深槽位置出現(xiàn)過多次變動(dòng)。自20世紀(jì)70年代陸續(xù)采取多次護(hù)岸措施以后，河勢(shì)才基本趨于穩(wěn)定。為保證隧道的施工和運(yùn)營安全，對(duì)百年一遇、三百年一遇洪水條件下隧道的最大沖刷深度進(jìn)行了研究和試驗(yàn)。研究和試驗(yàn)方法包括河床演變分析、河工模型試驗(yàn)和沖刷數(shù)值模擬研究。根據(jù)研究結(jié)果，河工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究得出的沖刷最大位置、最大沖刷深度均不同。為安全起見，采用兩者的下包絡(luò)線作為沖刷深度控制線（見圖6）。[KH-*3D]

2.2 最小覆土厚度按施工安全和運(yùn)營安全雙控方法確定

針對(duì)長江武漢河段河床沖淤變化幅度大的特點(diǎn)，采用施工安全和運(yùn)營安全雙控制的方法確定最小覆土厚度。其中，施工期最小安全覆土厚度按現(xiàn)狀河床≥0.7 D（D為隧道外徑）控制;運(yùn)營期最小覆土厚度按照抗浮整體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算確定，即必須在發(fā)生最大沖刷后確?？垢》€(wěn)定安全系數(shù)≥1.05。經(jīng)綜合計(jì)算，埋深0.7 D可滿足要求，即最小埋深10.65 m，位于沖刷深槽的下方。該方法保證了施工和運(yùn)營安全，也最大限度減小了隧道埋置深度，減小了切入基巖的長度，同時(shí)降低了造價(jià)和施工難度。

3 結(jié)語

大直徑水下盾構(gòu)隧道埋置深度應(yīng)按照包絡(luò)取值的原則進(jìn)行，對(duì)于施工期所需的最小覆土厚度，可以不考慮沖刷深度的影響（因?yàn)闆_刷對(duì)應(yīng)的是一些極端水沙條件），但一般≥1.0 D，深槽等局部地段應(yīng)≥0.7 D;對(duì)于運(yùn)營期所需的最小覆土厚度，應(yīng)考慮河床沖刷、規(guī)劃航道水深的影響，且覆土厚度宜大于船舶錨擊深度1～2 m;隧道埋深應(yīng)滿足施工與運(yùn)營期抗浮整體穩(wěn)定性要求。

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