蘇通GIL綜合管廊長(zhǎng)江隧道工程設(shè)計(jì)

喻新強(qiáng)，肖明清，袁 駿，劉 浩，張曉陽(yáng)，謝 俊，陸東生，段松濤

(1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3.湖北省水下隧道技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063；4.國(guó)網(wǎng)江蘇電力有限公司，江蘇 南京 210024；5.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引言

淮南－南京－上海1 000 kV交流特高壓輸變電工程是國(guó)務(wù)院大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)的12條輸電通道之一，是華東特高壓主網(wǎng)架的重要組成部分，與已建成的皖電東送淮南－浙北－上海工程一起，形成貫穿皖、蘇、浙、滬負(fù)荷中心的華東特高壓環(huán)網(wǎng)，見(jiàn)圖1。蘇通氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas-insulted metalenclosed transmission lines，GIL)綜合管廊工程是穿越長(zhǎng)江、連接南北半環(huán)、形成特高壓交流環(huán)網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行的控制性單體工程。工程建成后，將在華東地區(qū)形成世界首個(gè)特高壓交流雙環(huán)網(wǎng)，大幅提高華東電網(wǎng)接納區(qū)外來(lái)電能力，對(duì)于促進(jìn)華東地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、進(jìn)一步提升我國(guó)電網(wǎng)和電工裝備領(lǐng)域的技術(shù)水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

蘇通GIL綜合管廊工程在蘇通大橋上游1 km處采用隧道方式穿越長(zhǎng)江，見(jiàn)圖2，隧道長(zhǎng)度為5 468.545 m，管廊外徑11.6 m，內(nèi)徑10.5 m，最大水壓0.8 MPa，是目前國(guó)內(nèi)埋深最深、水壓最高的超長(zhǎng)過(guò)江隧道，具有大直徑、長(zhǎng)距離掘進(jìn)、高水壓、地質(zhì)及河勢(shì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)[1-3]。

1 工程建設(shè)條件

1.1 工程地質(zhì)

工程位于長(zhǎng)江下游三角洲平原近前緣地帶，具河口段沉積物特點(diǎn)。松散層巨厚，隧道深度范圍內(nèi)地層具體劃分如下：

第四系全新統(tǒng)沖洪積地層(Q4al+pl)：共分4個(gè)地質(zhì)層組(①～④層)，為沖洪積及靜水沉積，①1粉細(xì)砂、①2粉砂混粉土、①2-1粉質(zhì)黏土夾粉土、①3粉砂、②粉質(zhì)黏土、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③2粉砂、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③4粉質(zhì)黏土與粉土互層、③5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③6粉質(zhì)黏土、④1粉質(zhì)黏土混粉土、④2粉土。

第四系上更新統(tǒng)沖洪積地層(Q3al+pl)：共分為4個(gè)地質(zhì)層組(⑤～⑧層)，主要為砂土，呈細(xì)－粗－細(xì)－粗的沉積韻律，由上到下依次為⑤1粉細(xì)砂、⑤2細(xì)砂、⑥1中粗砂、⑥1-1粉砂、⑦粉細(xì)砂、⑧1中粗砂、⑧1-1粉質(zhì)黏土、⑧2粉細(xì)砂、⑧4中粗砂。

1.2 水文地質(zhì)

工程區(qū)地表水主要為長(zhǎng)江水體徐六涇段。徐六涇節(jié)點(diǎn)段處于通州沙汊道水流的匯流段，也是長(zhǎng)江進(jìn)口段到河口段的一個(gè)節(jié)點(diǎn)性過(guò)渡段。

地下水主要為松散巖類(lèi)孔隙水，可分為孔隙潛水和孔隙承壓水。

孔隙潛水，主要賦存于淺部地層中的粉砂、粉砂混粉土地層中，主要含水段巖性為全新統(tǒng)①1粉砂或①2粉砂夾粉土。

孔隙承壓水，該承壓水含水層為粉細(xì)砂及中粗砂，普遍分布，富水性好，滲透強(qiáng)。其補(bǔ)給模式有潛水滲入或跨流補(bǔ)給，開(kāi)采條件下長(zhǎng)江水激化補(bǔ)給，上游長(zhǎng)江切割深度達(dá)到該含水層，以側(cè)向徑流的形式補(bǔ)給地下水。

1.3 地震與區(qū)域穩(wěn)定性

擬建場(chǎng)地不存在發(fā)生強(qiáng)震的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和條件，場(chǎng)地及周邊未發(fā)現(xiàn)全新活動(dòng)斷裂。根據(jù)GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組位于第一組。場(chǎng)地土類(lèi)型為軟弱土，綜合建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)。

1.4 水文條件

該河段的潮水位變化為非正規(guī)半日潮混合型，歷史最高潮位4.83 m，最低潮位－1.24 m，多年平均潮位0.83 m，100 a一遇最高潮位4.89 m，300 a一遇最高潮位5.21 m。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 工程建設(shè)規(guī)模

蘇通GIL綜合管廊工程采用單管盾構(gòu)隧道方案，包括兩岸工作井在內(nèi)隧道總長(zhǎng)度為5 530.545 m，其中盾構(gòu)段為5 468.545 m。工程采用一臺(tái)氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，由南岸工作井始發(fā)，穿越長(zhǎng)江至北岸工作井接收吊出。

2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的擬定主要參考了類(lèi)似交通隧道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮工程作為電力隧道的特殊性及機(jī)械設(shè)備的裝備能力綜合確定。

1)幾何技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

① 平面最小曲線半徑3 000 m，最小豎曲線半徑2 000 m。

② 線路縱坡不大于5%，不小于0.5%，坡長(zhǎng)不小于200 m。

2)結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

① 設(shè)計(jì)使用年限：隧道主體結(jié)構(gòu)100 a。

②設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)：按100 a一遇設(shè)計(jì)，按300 a一遇校核。

③ 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震基本烈度為7度，按8度采取抗震措施。

④ 環(huán)境作用等級(jí)：管片I-C。

⑤ 防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)采用阻燃電纜時(shí)，電纜隧道的火災(zāi)危險(xiǎn)性類(lèi)別為戊類(lèi)，最低耐火等級(jí)為二級(jí)。

⑥ 防水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：防水等級(jí)二級(jí)。

⑦ 變形控制標(biāo)準(zhǔn)：圓形襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算直徑變形不大于0.3%D (D為隧道外徑)。

⑧ 裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)：隧道結(jié)構(gòu)最大允許裂縫開(kāi)展寬度0.2 mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)最大允許裂縫開(kāi)展寬度0.3 mm。

⑨ 江中段隧道覆土按施工階段不小于1.0D，且考慮抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.1；使用階段應(yīng)滿(mǎn)足應(yīng)急拋錨貫穿深度及抗浮要求，運(yùn)營(yíng)期設(shè)計(jì)工況(100 a一遇沖刷)隧道抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.2，運(yùn)營(yíng)期校核工況(300 a一遇沖刷)隧道抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.1。

2.3 線路平面設(shè)計(jì)

線路自南岸(常熟)始發(fā)工作井向北走行，見(jiàn)圖3，在蘇通大橋展覽館東側(cè)(水平凈距38.94 m)避讓展覽館，隨后下穿南岸長(zhǎng)江大堤進(jìn)入長(zhǎng)江河道，下穿常熟港專(zhuān)用航道后在江中下穿既有－40 m深槽區(qū)向北走行(距－50 m深槽約320 m)，依次下穿長(zhǎng)江主航道及營(yíng)船港專(zhuān)用航道，再下穿北岸大堤抵達(dá)北岸(南通)工作井，盾構(gòu)段總長(zhǎng)度5 468.545 m。

2.4 線路縱斷面設(shè)計(jì)

如圖4所示，線路出南端始發(fā)工作井以5.0%的大坡度下行420 m，后接2.3457%的坡度繼續(xù)下坡852.618 m，后繼續(xù)以5.0%、0.5%的坡度下行，坡長(zhǎng)分別為360 m、300 m至隧道最低點(diǎn)(最低點(diǎn)位置隧道結(jié)構(gòu)頂面標(biāo)高－63.23 m；底面標(biāo)高－74.83 m)，隨之以0.5%、3.1%的坡度連續(xù)上坡300 m、580 m后接0.5%的上坡，坡長(zhǎng)2 215.03 m，最后以5%的上坡，坡長(zhǎng)440.897 m到達(dá)北岸接收井。

2.5 隧道橫斷面設(shè)計(jì)

管廊橫斷面采用圓形布置，分上下兩個(gè)部分，見(jiàn)圖5，考慮到GIL運(yùn)輸安裝和檢修維護(hù)，兩回GIL管道分別垂直布置在管廊上層兩側(cè)，同時(shí)在管廊下層兩側(cè)預(yù)留兩回500 kV電纜廊道，下層中間箱涵設(shè)置人員巡視通道。根據(jù)特高壓GIL設(shè)備外形尺寸，考慮安裝維修，結(jié)合遠(yuǎn)景500 kV電纜布置、管廊結(jié)構(gòu)和通風(fēng)等輔助設(shè)施等要求，確定隧道內(nèi)徑為10.5 m、外徑為11.6 m，見(jiàn)圖6。

3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合管片所處的地質(zhì)及水文條件，考慮結(jié)構(gòu)安全性，通過(guò)計(jì)算確定管片采用C60單層鋼筋混凝土平板形管片，內(nèi)徑10.5 m，外徑11.6 m，管片厚度0.55 m，幅寬2.0 m。管片分塊采用“7+1，1/3封頂”分塊方式，通用楔形環(huán)，楔形量36 mm。管片結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)縫拼裝方式，環(huán)縫設(shè)置22根M40斜螺栓，縱縫設(shè)置24根M36斜螺栓。為增強(qiáng)環(huán)間的抗剪能力，減少環(huán)間變形，在襯砌環(huán)縫設(shè)置22個(gè)分布式凹凸榫。

3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用“中間預(yù)制箱涵+兩側(cè)現(xiàn)澆車(chē)道板”形式。中間箱涵高度4.15 m，頂寬4.0 m，縱向長(zhǎng)度1.33 m，箱涵縱向采用螺栓連接。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度同時(shí)提高防水效果，在管片下半部富余空間設(shè)置200 mm厚非封閉內(nèi)襯，見(jiàn)圖7。

3.3 工作井設(shè)計(jì)

南岸工作井為盾構(gòu)始發(fā)井，平面外包尺寸為32 m×22.8 m，深20.85 m，地下三層結(jié)構(gòu)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.0 m厚地下連續(xù)墻，共設(shè)置4道混凝土支撐。北岸工作井為盾構(gòu)接收井，平面外包尺寸為30 m×23.5 m，深29.25 m，地下四層結(jié)構(gòu)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，共設(shè)置5道混凝土支撐，為控制地表變形，同時(shí)確保施工期安全，工作井均采用逆作法施工[3-8]。

3.4 附屬工程

南岸配套輔助建筑位于南岸工作井上方，以工作井圍護(hù)地連墻作為基礎(chǔ)，平面尺寸為34 m×24.8 m，地上4層，建筑面積2 380 m2，建筑高度23.35 m。

北岸配套輔助建筑位于北岸工作井上方，以工作井圍護(hù)地連墻作為基礎(chǔ)，平面尺寸為32.4 m×25.9 m，地上3層，建筑面積2 296 m2，建筑高度19.0 m。

3.5 防水設(shè)計(jì)

考慮到防水體系需即時(shí)抵抗2.0 MPa水壓，設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)能夠抵抗0.80 MPa的水壓(設(shè)計(jì)時(shí)穿長(zhǎng)江隧道最高)要求，管片接縫采用雙道多孔型三元乙丙彈性密封墊加一道遇水膨脹密封墊防水形式，見(jiàn)圖8。防水體系設(shè)計(jì)滿(mǎn)足在接縫張開(kāi)8 mm、錯(cuò)位15 mm條件下極端工況下的防水要求，同時(shí)滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)裝配性能要求[3-8]。

4 工程特殊地段設(shè)計(jì)

4.1 有害氣體處理

在長(zhǎng)江深槽以南隧道段(DK0+000～DK1+780)下部地層存在生物成因淺地層天然氣(沼氣)，主要成分甲烷(CH4) (占比85%～88%)，儲(chǔ)氣層為下部第四系粉質(zhì)黏土混粉土、砂層，蓋層為淤泥質(zhì)黏土層，鉆探測(cè)得關(guān)井氣體壓力0.25～0.30 MPa，靜探孔有害氣體壓力0.1～0.2 MPa。

1)施工期處理措施

① 建議采取提前排氣措施

在隧道結(jié)構(gòu)邊線兩側(cè)3～5 m處各設(shè)置一排排氣孔，排氣孔縱向間距約10 m，孔深為隧道拱底以下5 m。排氣過(guò)程中注意均衡放氣，且采取防火、防噴措施。排氣完成后，排氣孔應(yīng)做好密封處理，密封材料強(qiáng)度注意與土層匹配，防止施工時(shí)泥水噴發(fā)引發(fā)事故[9-10]。

② 控制好施工時(shí)泥水壓力，泥水壓力最低值應(yīng)高于周邊沼氣氣體壓力。

③ 加強(qiáng)盾尾間隙的漏氣檢測(cè)，保證足夠的盾尾放氣能力，防止沼氣從盾尾噴出引發(fā)事故。

④ 保證管片結(jié)構(gòu)氣密性要求。

⑤ 提高管片拼裝質(zhì)量。

⑥ 對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行必要的防爆改裝處理。

⑦ 加強(qiáng)對(duì)盾尾密封的保護(hù)及檢查。

⑧ 加強(qiáng)施工期間的監(jiān)測(cè)(自動(dòng)監(jiān)測(cè)加人工平行監(jiān)測(cè))。

⑨ 加強(qiáng)施工期間施工通風(fēng)，原則上不可進(jìn)行開(kāi)艙作業(yè)，如必須進(jìn)行常壓換刀或刀盤(pán)檢查等進(jìn)艙作業(yè)時(shí)，應(yīng)采取措施控制沼氣危害。

⑩ 嚴(yán)格施工區(qū)管理，加強(qiáng)人員培訓(xùn)并制定應(yīng)急預(yù)案及成立應(yīng)急小組。

2)運(yùn)營(yíng)階段有害氣體防范

① 為便于運(yùn)營(yíng)期間有害氣體監(jiān)測(cè)，在隧道內(nèi)每隔約200 m在管片側(cè)壁上設(shè)置自動(dòng)監(jiān)測(cè)探頭，自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)具有超限報(bào)警、通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制等功能，系統(tǒng)可采用洞口或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)集中控制。當(dāng)隧道內(nèi)有害氣體的濃度達(dá)到0.4%時(shí)，必須啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，保證隧道內(nèi)有害氣體濃度不大于0.5%[11]。

②有害氣體分布地段，加強(qiáng)底部二次襯砌與管片的連接及縱向鋼筋，防止運(yùn)營(yíng)期因外部原因引起的沼氣排放對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響。

4.2 始發(fā)到達(dá)加固方案

1)始發(fā)加固方案

盾構(gòu)始發(fā)采用Φ850@600三軸攪拌樁加固，在攪拌樁與連續(xù)墻接縫位置采用旋噴樁進(jìn)行填充，同時(shí)在靠洞口側(cè)墻外側(cè)設(shè)置2.0 m凍結(jié)體，加固范圍為盾構(gòu)隧道上下及左右兩側(cè)各5 m，總體加固區(qū)縱向長(zhǎng)度18 m[10-12]，見(jiàn)圖9。

2)接收加固方案

盾構(gòu)接收端頭采用800 mm素混凝土連續(xù)墻外包，素墻內(nèi)部采用Φ850@600三軸攪拌樁加固，在攪拌樁與連續(xù)墻接縫位置采用旋噴樁進(jìn)行填充，加固范圍為盾構(gòu)隧道上下及左右兩側(cè)各5 m，縱向長(zhǎng)度18 m[10-12]，見(jiàn)圖10。

5 結(jié)語(yǔ)

蘇通GIL綜合管廊工程是世界上首次將特高壓輸電工程和隧道管廊結(jié)合的重大創(chuàng)新工程，本文對(duì)工程總體設(shè)計(jì)線位的平縱斷面設(shè)計(jì)、橫斷面布置、隧道結(jié)構(gòu)及特殊地段設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)進(jìn)步，類(lèi)似蘇通GIL綜合管廊工程為解決電網(wǎng)線路越江過(guò)河需求的水下隧道必然增多，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路、創(chuàng)新理念、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)等可為類(lèi)似工程提供參考。