汕頭市蘇埃海底盾構(gòu)隧道工程設(shè)計(jì)方案比選研究

宋 儀

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

迄今為止，世界上已修建了許多水下隧道，其結(jié)構(gòu)形式主要為暗挖隧道、沉管隧道和盾構(gòu)隧道3種。海底隧道在我國尚處于起步階段，目前我國大陸地區(qū)已建和正在建設(shè)的海底隧道共15條，采用盾構(gòu)法修建的海底隧道有6條，蘇埃隧道是其中之一。

汕頭市蘇埃海底隧道，從2008年開始進(jìn)行可行性研究，2012年開始做初步設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)國內(nèi)對盾構(gòu)隧道抗震的研究還不多，主要集中在地震作用下的橫斷面力學(xué)行為分析上[1-2]，對8度地震烈度區(qū)盾構(gòu)隧道的管片接縫位移、張開量[3]以及防水材料的性能指標(biāo)以及隧道長期服役性能[4]等研究的比較少。

蘇埃隧道是特長超大直徑海底盾構(gòu)隧道，也是國內(nèi)第1條位于8度抗震設(shè)防烈度區(qū)的盾構(gòu)隧道。隧道穿越極軟土、砂土(可液化層)、硬巖、孤石等不同地質(zhì)，對抗震非常不利。蘇埃隧道的設(shè)計(jì)過程歷時(shí)9年，期間設(shè)計(jì)方案不斷優(yōu)化。設(shè)計(jì)過程中，內(nèi)外部的評審專家對設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行過激烈爭論，也對盾構(gòu)隧道的施工及運(yùn)營安全有過疑慮。設(shè)計(jì)院針對專家們關(guān)注的問題，尤其是盾構(gòu)隧道的抗震性能展開了深入的研究。

通過總結(jié)蘇埃隧道的設(shè)計(jì)過程，對類似水下隧道設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

汕頭市蘇埃隧道工程連接汕頭市新老城區(qū)，路線自北向南沿天山南路西側(cè)綠化帶敷設(shè)，下穿蘇埃灣海域，至南岸與規(guī)劃路相接，隧道總平面圖見圖1。隧道工程線路全長6.68 km，包含1座特長隧道，隧道兩端各有互通立交1處、管控中心1處、收費(fèi)站1處、風(fēng)塔2座以及圍堰1座。隧道全長5 300 m，其中盾構(gòu)段長3 047.5 m，盾構(gòu)管片外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m。全程采用雙向6車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，工程總投資約60億元，施工預(yù)計(jì)工期為4.5年。

圖1 蘇埃隧道總平面圖Fig.1 General plan of Su′ai Tunnel

蘇埃隧道設(shè)計(jì)有2個(gè)重難點(diǎn)：1)抗震設(shè)計(jì)及防水設(shè)計(jì)沒有規(guī)范可依，也沒有類似的工程先例；2)隧道下伏高硬度花崗巖，最大巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到200 MPa以上，隧道南段有182 m位于上軟下硬地層中，南岸海域存在大量花崗巖球狀風(fēng)化體(孤石)，非常不利于盾構(gòu)施工。

2 蘇埃隧道各階段專題研究

2.1 隧道設(shè)計(jì)過程

1)2008年初，開始工程可行性研究。

2)2009年8月，工程可行性研究報(bào)告完成，并經(jīng)過專家審查。

3)2012年5月，廣東省發(fā)改委對工程可行性研究報(bào)告正式批復(fù)。

4)2014年10月，完成初步設(shè)計(jì)文件編制。

5)2015年1月，廣東省交通運(yùn)輸廳批復(fù)初步設(shè)計(jì)。

6)2016年2月，與施工單位組成聯(lián)合體，中標(biāo)設(shè)計(jì)施工總承包。

7)2017年5月，完成第2批施工圖設(shè)計(jì)工作。

項(xiàng)目的前期研究工作并不順利。2009年8月，完成第1版工可報(bào)告并進(jìn)行了專家審查，但審查認(rèn)為，項(xiàng)目的很多關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)還研究得不夠。審查后業(yè)主另選單位對項(xiàng)目進(jìn)行更深入的研究，5年后完成初步設(shè)計(jì)。

2.2 隧道設(shè)計(jì)各階段專題研究

2008年4月至2012年5月，工可階段完成了9項(xiàng)基礎(chǔ)性的專題研究，具體內(nèi)容見表1。

表1 工可階段完成專題研究匯總表Table 1 Special researches completed in phase of engineering feasibility study

2012年5月至2014年10月，初步設(shè)計(jì)階段完成了10項(xiàng)專題研究，具體內(nèi)容見表2。

表2 初步設(shè)計(jì)階段完成專題研究匯總表Table 2 Special researches completed in phase of preliminary design

2014年10月至2017年5月，施工圖設(shè)計(jì)階段完成了11項(xiàng)專題研究，具體內(nèi)容見表3。

表3 施工圖設(shè)計(jì)階段完成專題匯總表Table 3 Special researches completed in phase of construction drawing design

從這3個(gè)階段所做的專題研究，可以總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)：

1)水下隧道設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，涉及很多方面的控制因素，必須在不同的設(shè)計(jì)階段完成必要的專題研究工作。這個(gè)工作不能省略，否則會(huì)給以后的設(shè)計(jì)工作帶來不可控的風(fēng)險(xiǎn)。例如：在工可階段的前期(2009年專家審查工可報(bào)告之前)，只做了地震和地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)2個(gè)專題報(bào)告，研究的內(nèi)容明顯不夠，從而導(dǎo)致可研報(bào)告方案研究不深入。在補(bǔ)充了通航、海洋環(huán)評等相關(guān)報(bào)告，并深化了設(shè)計(jì)方案以后，工可報(bào)告才獲得批準(zhǔn)。

2)專題研究的費(fèi)用通常在設(shè)計(jì)費(fèi)以外另計(jì)(設(shè)計(jì)合同說明全包的除外)。有些業(yè)主給了設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)費(fèi)，就不愿意再承擔(dān)專題研究的費(fèi)用。這樣往往導(dǎo)致該做的專題研究沒有做，給以后的設(shè)計(jì)帶來隱患。

3)各設(shè)計(jì)階段的研究內(nèi)容和重點(diǎn)不同。在可行性研究階段，要完成水利、航道、海洋等各級政府和管理機(jī)構(gòu)需要的前置性專題研究；在初步設(shè)計(jì)階段，對工程規(guī)模、造價(jià)和關(guān)鍵技術(shù)要有研究結(jié)論，只有這樣才能有效控制投資；在施工圖設(shè)計(jì)階段，應(yīng)就項(xiàng)目重難點(diǎn)做深入研究，完善設(shè)計(jì)和施工的細(xì)節(jié)，做到設(shè)計(jì)內(nèi)容可實(shí)施性強(qiáng)。

4)河勢演變和沖刷分析，對水下隧道來說是一個(gè)非常重要的專題研究，應(yīng)該在可行性研究階段就完成。

3 隧道線路方案比選

3.1 隧道區(qū)域線位的比選

在工可和初步設(shè)計(jì)階段，一共研究了A、B、C 3條線位并進(jìn)行比選。蘇埃隧道線位方案比選如圖2所示。

圖2 蘇埃隧道線路方案比選圖Fig.2 Comparison of route schemes for Su′ai Tunnel

A 線起于汕頭北岸龍湖區(qū)天山南路與金砂路平交口，穿越蘇埃灣海域，在南岸汕頭跳水館東側(cè)約500 m 處上岸，穿南濱規(guī)劃片區(qū)至本項(xiàng)目研究終點(diǎn)。

B 線北岸與A線基本相同，在南岸汕頭跳水館西側(cè)約200 m 處上岸，經(jīng)礐石風(fēng)景區(qū)和南濱規(guī)劃片區(qū)之間的預(yù)留空地至本項(xiàng)目研究終點(diǎn)。

C 線起于汕頭北岸龍湖區(qū)金環(huán)南路與金砂路平交口，南岸與B線基本相同。

A線方案于南岸下穿軍事區(qū)，協(xié)調(diào)難度大，且對南濱片區(qū)規(guī)劃用地切割較嚴(yán)重；C線北岸接線不符合汕頭市城市總體規(guī)劃和城市用地規(guī)劃，起點(diǎn)接金環(huán)南路道路等級較低，北岸中山路互通的布設(shè)困難，拆遷量較大。經(jīng)過比較，最終選擇符合城市規(guī)劃、對環(huán)境影響小的B線方案。

3.2 B線位的細(xì)節(jié)比選

B1、B2線位平面圖見圖3。工可階段推薦的是B1線位，但是B1線位下穿港池和錨地，相關(guān)管理部門意見比較大。到初步設(shè)計(jì)階段，補(bǔ)充了避開港池和錨地的B2線位方案，并對2個(gè)線位做了同精度的地質(zhì)勘查。

圖3 B1、B2線位平面圖Fig.3 Layout plan of lines B1 and B2

經(jīng)過地質(zhì)比較，發(fā)現(xiàn)B2線位巖面整體較低。B1線位硬巖侵入隧道的長度為436 m，B2線位硬巖侵入隧道的長度為182 m，B2線的工程施工難度比B1線小，同時(shí)又避開了珠池港區(qū)碼頭及主航道錨地。其他的一些困難也可以通過技術(shù)手段解決，因此最終選擇B2線位方案。B1、B2線位地質(zhì)縱剖面圖分別見圖4和圖5。

圖4 B1線位地質(zhì)縱剖面圖Fig.4 Geological profile of line B1

圖5 B2線位地質(zhì)縱剖面圖Fig.5 Geological profile of line B2

4 隧道施工工法比選

4.1 隧道最小埋深的控制

確定隧道埋深是水下隧道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。隧道埋深要綜合考慮水利、通航、施工安全、隧道抗浮等因素。蘇埃隧道穿越主航道現(xiàn)狀標(biāo)高為-8.884 m，規(guī)劃標(biāo)高為-11.884 m，沖刷深度為2.8 m。根據(jù)《汕頭市蘇埃通道工程通航安全評價(jià)報(bào)告》，確認(rèn)船舶應(yīng)急拋錨時(shí)錨體的入土深度為4.0 m。巷道疏浚施工的允許誤差取1.2 m。隧道埋深各控制標(biāo)高見圖6。

圖6 隧道埋深各控制標(biāo)高Fig.6 Various control elevations of tunnel burial depth

盾構(gòu)法隧道要考慮各種不利因素的疊加，隧道頂部至規(guī)劃主航道覆土厚度不小于2.8 m+4.0 m+1.2 m=8.0 m。海域主航道段隧道埋深按規(guī)劃主航道下8.0 m控制。施工階段隧道頂至現(xiàn)狀海床面為11 m，可以滿足安全施工的要求。遠(yuǎn)期運(yùn)營階段，在規(guī)劃航道通航，且在百年一遇極限沖刷下，隧道埋深約5 m，不能滿足抗浮要求。因此，在隧道仰拱設(shè)計(jì)鋪設(shè)鉛塊抗浮，采取該措施后可滿足抗浮要求。

4.2 盾構(gòu)法與沉管法的比選

沉管法隧道埋深也按主航道段規(guī)劃標(biāo)高下8.0 m控制，其余地段滿足管段浮運(yùn)水深即可，其縱剖面見圖7。

圖7 沉管法隧道縱剖面圖Fig.7 Geological profile of immersed tunnel

沉管法隧道線路總長6 680 m，隧道全長5 300 m，沉管段約長3 380 m；沉管的最大寬度為35.2 m，管段高度為9.7 m。沉管法隧道對航道影響大、造價(jià)高、工期長，不具備技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。隧道施工工法比較見表4，經(jīng)過綜合比較，選擇盾構(gòu)法施工。

表4 隧道施工工法比較Table 4 Comparison between tunnel construction methods

從4.1節(jié)隧道最小埋深的控制可知，隧道埋深取規(guī)劃航道以下8 m，是設(shè)計(jì)單位在盾構(gòu)法施工的基礎(chǔ)上考慮了航道、沖刷、隧道運(yùn)營期抗浮等要求，經(jīng)綜合權(quán)衡后確定的。

隧道需埋深至規(guī)劃航道以下8 m，這開始是以專題報(bào)告的形式報(bào)給廣東海事局，廣東海事局又以正式函件的形式發(fā)給項(xiàng)目，后來這個(gè)數(shù)據(jù)就變成了一個(gè)硬性的設(shè)計(jì)條件，與隧道施工工法無關(guān)了。

沉管法隧道的優(yōu)點(diǎn)是隧道埋深可以很淺，若以與盾構(gòu)法相同的條件來控制沉管法隧道的埋深，則沉管隧道埋深淺的優(yōu)勢發(fā)揮不出來。沉管隧道設(shè)置有防錨層，確定埋深時(shí)可以不考慮船舶拋錨的因素。實(shí)際上沉管隧道的埋深應(yīng)該定到?jīng)_刷線以下1 m，埋深取2.8 m+1.0 m=3.8 m。沉管隧道的水底段埋深可以比盾構(gòu)隧道減小4.2 m，造價(jià)可以進(jìn)一步減少。

綜合考慮工期、造價(jià)以及對航道、岸上設(shè)施的影響，本工程采用盾構(gòu)法是合理的。

5 隧道抗震設(shè)計(jì)

鑒于隧道的重要性以及所面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)，為了保證隧道長期服役安全，需要對該工程的抗震性能展開深入研究，并通過研究解決以下3個(gè)方面的問題：

1)隧道結(jié)構(gòu)的抗震能力分析。包括豎井與盾構(gòu)連接處、結(jié)構(gòu)跨越地質(zhì)條件突變區(qū)域等重要部位的地震響應(yīng)；隧道接頭的消能減震效果。

2)結(jié)構(gòu)的防水處理。接頭的張開量預(yù)測及合理確定防水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；研究是否設(shè)置二次襯砌。

3)地基處理。是否需要通過地基加固來解決砂土液化、軟土震陷等地質(zhì)災(zāi)害。

5.1 橫斷面抗震計(jì)算

盾構(gòu)管片橫斷面在正常狀態(tài)下的受力采用日本修正慣用法[5]和梁-彈簧模型[6]分別進(jìn)行計(jì)算。橫斷面抗震采用反應(yīng)位移法[7]進(jìn)行計(jì)算。在僅考慮地震作用的條件下，管片錯(cuò)縫拼裝的最大正彎矩為287.57 kN·m，最大負(fù)彎矩為-283.83 kN·m，最大軸力為502.39 kN；管片拱頂最大位移為15.49 mm，縱縫最大張開量為1.9 mm。每環(huán)管片橫斷面抗震計(jì)算內(nèi)力、變形圖見圖8。

(a) 變形圖(單位：m)

經(jīng)過計(jì)算可知，管片橫向抗震計(jì)算內(nèi)力與變形均能滿足規(guī)范要求，橫向抗震不是其控制工況。

5.2 縱斷面抗震計(jì)算

5.2.1 縱斷面計(jì)算模型

盾構(gòu)隧道縱向抗震采用彈性地基梁模型[8]，以梁-彈簧法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型(見圖9)按管環(huán)2 m分段，選用三維空間線性梁模擬。隧道環(huán)縫以梁單元之間通過旋轉(zhuǎn)彈簧和拉壓異性彈簧模擬。每個(gè)管環(huán)通過4個(gè)地層彈簧分別模擬隧道周邊土體的約束，地層彈簧只承受壓力。隧道盾構(gòu)段兩端采用梁單元模擬豎井，豎井周圍有土彈簧約束。

圖9 盾構(gòu)隧道縱向梁-彈簧計(jì)算模型Fig.9 Longitudinal beam-spring calculation model of shield tunnel

5.2.2 縱斷面計(jì)算工況

隧道的縱向抗震一共考慮了3個(gè)方案，計(jì)算了6個(gè)工況，見表5。

表5 隧道縱向抗震計(jì)算工況Table 5 Tunnel longitudinal seismic calculation cases

5.2.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算和比較，采用方案Ⅰ和方案Ⅱ時(shí)，隧道均有較大范圍的接頭張開量[9](超過15 mm)。接頭張開量較大的地方分布在土層變化和結(jié)構(gòu)變化處(盾構(gòu)井連接處)。而采用方案Ⅲ，隧道的環(huán)間張開量集中到預(yù)設(shè)的柔性接頭位置，接頭最大張開量達(dá)到49 mm，其他地方的接頭張開量均小于15 mm，即張開量只是局部大，其他地方小。將3個(gè)方案進(jìn)行比較，方案Ⅰ和方案Ⅱ，雖然最大變形比方案Ⅲ小，但其他地方的變形普遍較大，并且較大位置不可控，對防水設(shè)計(jì)不利。因此，隧道縱斷面抗震設(shè)計(jì)選用方案Ⅲ。3個(gè)方案的管片接頭張開量包絡(luò)圖見圖10。

5.2.4 局部薄弱點(diǎn)抗震計(jì)算

通過縱向抗震分析，結(jié)構(gòu)變化的位置(如盾構(gòu)井與明挖段之間以及盾構(gòu)井與盾構(gòu)管片之間)是抗震的薄弱節(jié)點(diǎn)。針對這些薄弱的抗震節(jié)點(diǎn)，專門進(jìn)行了三維模型的抗震計(jì)算(見圖11)。

圖11 三維抗震計(jì)算模型Fig.11 Three-dimensional seismic calculation model

盾構(gòu)井與明挖段連接處的最大位移差為41 mm，與盾構(gòu)隧道連接處的最大位移差為22 mm。計(jì)算表明：地震時(shí)盾構(gòu)井與明挖段、盾構(gòu)段的連接處是抗震薄弱節(jié)點(diǎn)，應(yīng)采取抗震措施。

5.3 隧道抗震消能設(shè)計(jì)

結(jié)合以上數(shù)值分析，設(shè)計(jì)采用了縱向抗震方案Ⅲ，即局部抗震加強(qiáng)+設(shè)置消能節(jié)點(diǎn)的抗震方案，如圖12所示，具體措施如下：

1)螺栓加強(qiáng)。在靠近南岸盾構(gòu)井、海中硬巖凸起段范圍和主航道下淤泥段(合計(jì)長度約1.5 km)，管片縱向螺栓由原來的56根M42、6.8級加強(qiáng)為56根M42、8.8級。

2)設(shè)置消能節(jié)點(diǎn)。在海中硬巖凸起范圍設(shè)置4道消能減震節(jié)點(diǎn)，在盾構(gòu)與豎井連接處設(shè)置2道消能節(jié)點(diǎn)，如圖12所示。

圖12 蘇埃隧道抗震消能節(jié)點(diǎn)布置Fig.12 Layout of seismic energy dissipation points of Su′ai Tunnel

3)消能節(jié)點(diǎn)處管片的縱向螺栓消減到14根，增加了Ω形橡膠止水帶和SMA(記憶合金)鋼板；SMA和Ω形橡膠止水帶以螺栓壓緊在管片預(yù)埋的橡膠板上。具體構(gòu)造如圖13所示。

圖13 消能節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖Fig.13 Detailed diagram of energy dissipation node construction

設(shè)計(jì)時(shí)也曾設(shè)想在管片內(nèi)側(cè)設(shè)置二次襯砌，以緩解螺栓的銹蝕。經(jīng)過抗震計(jì)算發(fā)現(xiàn)，二次襯砌能夠增大管環(huán)環(huán)向接頭剛度，地震時(shí)在二次襯砌上產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使二次襯砌發(fā)生破壞。因此，從結(jié)構(gòu)抗震角度，不考慮施作二次襯砌。

5.4 盾構(gòu)隧道防水標(biāo)準(zhǔn)

盾構(gòu)隧道的防水與抗震是相關(guān)聯(lián)的。如果接頭防水的性能比較好，能夠滿足較大的接頭張開量和錯(cuò)縫位移，對抗震的要求就可以低一些。設(shè)計(jì)要綜合考慮抗震與防水在安全、經(jīng)濟(jì)、可實(shí)施性等方面的平衡，提出較合理的防水標(biāo)準(zhǔn)。

本隧道的最大埋深(到盾構(gòu)底)為39.81 m，最大水壓為0.4 MPa。經(jīng)過綜合比較，最終確定隧道的防水密封墊應(yīng)同時(shí)滿足以下2種工況：

1) 正常工況下，接頭最大張開量為8 mm，最大錯(cuò)縫為10 mm。在此變形條件下，材料抗水壓能力(使用年限內(nèi))應(yīng)不小于0.8 MPa(安全系數(shù)取2)。

2)地震作用下，接頭最大張開量為15 mm，最大錯(cuò)縫為10 mm。材料抗水壓能力不小于0.65 MPa(安全系數(shù)取1.6)。

(a) 方案Ⅰ

6 結(jié)論與建議

通過設(shè)計(jì)方案比選，得出以下結(jié)論：

1)隧道平面B線位方案符合城市規(guī)劃、對環(huán)境影響小，為最優(yōu)方案。

2)盾構(gòu)法施工造價(jià)低、工期短、對航道影響最小，為最優(yōu)方案。

3)在8度地震烈度區(qū)修建盾構(gòu)隧道在技術(shù)上是可行的，橫斷面抗震不是控制工況，關(guān)鍵是要控制縱斷面抗震的管片接頭的錯(cuò)縫和最大張開量。

4) 本工程采用局部縱向剛度加強(qiáng)+柔性變形相結(jié)合的抗震措施是經(jīng)濟(jì)合理的?？蓪⒌卣饡r(shí)的結(jié)構(gòu)變形誘導(dǎo)到預(yù)設(shè)的柔性節(jié)點(diǎn)處。

柔性接頭的SMA(記憶合金)鋼板的力學(xué)作用是限制地震時(shí)接頭變形的過度發(fā)展，同時(shí)在地震結(jié)束后促使接頭變形恢復(fù)。但是，筆者認(rèn)為SMA板不一定是必須的，盾構(gòu)管片縱向螺栓本身也可以起到同樣的作用。建議以后的高地震區(qū)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)可以考慮研究以合理數(shù)量的縱向螺栓替代SMA鋼板的可行性。另外，蘇埃隧道從抗震的角度沒有設(shè)置二次襯砌。是不是說在8度地震烈度區(qū)的盾構(gòu)隧道就不能設(shè)置二次襯砌，筆者認(rèn)為不一定。假如在必須要設(shè)置二次襯砌的情況下，可以考慮采取合理設(shè)置變形縫，在二次襯砌中采用預(yù)設(shè)柔性接頭的方式，解決二次襯砌在地震狀態(tài)下的受力問題。