大斷面地鐵越江隧道施工難點(diǎn)分析及其應(yīng)對(duì)措施

王 偉

(浙江省軌道交通運(yùn)營(yíng)管理集團(tuán)有限公司， 310020， 杭州∥高級(jí)工程師)

近年來(lái)，我國(guó)已建成多條跨江越海的隧道工程。以上海長(zhǎng)江隧道[1]、南京長(zhǎng)江隧道[2]、南京地鐵過(guò)江隧道[3]、武漢長(zhǎng)江隧道[4]、杭州錢(qián)江通道[5]等為代表的大斷面水下盾構(gòu)隧道已建成通車(chē)，我國(guó)大斷面水下盾構(gòu)隧道修建技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。本文以杭州地鐵1號(hào)線大斷面盾構(gòu)隧道穿越錢(qián)塘江區(qū)間工程為背景，闡述該線下穿錢(qián)塘江及兩岸大堤、下穿江底高壓輸油管、高水壓情況下管片接縫防水等工程難點(diǎn)，并介紹了相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工應(yīng)對(duì)措施。

1 工程概況及地質(zhì)條件

杭州地鐵1號(hào)線下沙江濱站—濱江一路站區(qū)間在下穿錢(qián)塘江時(shí)采用了大斷面盾構(gòu)隧道施工技術(shù)。該區(qū)間長(zhǎng)度約3.0 km，盾構(gòu)隧道混凝土管片外徑為11.3 m，內(nèi)徑為10.3 m，管片厚度為0.5 m，管片環(huán)寬2.0 m。該越江隧道平面圖如圖1所示。

隧道穿越的地層以③5層粉砂、③6層砂質(zhì)粉土、③7層砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、⑥31層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑨2層粉質(zhì)黏土、⑨3層黏質(zhì)粉土為主。隧道區(qū)間局部穿越3粉質(zhì)黏土混礫石層：礫石含量約為20%～40%，以棱角狀為主，粒徑多為2～4 cm，有少部分礫石的粒徑超過(guò)6 cm。區(qū)間穿越范圍內(nèi)⑥層淤泥質(zhì)土層呈灰色流塑狀，富含有機(jī)質(zhì)殘骸，該層土具有低強(qiáng)度、高壓縮性的特征，且有較明顯的蠕變、觸變特性。

區(qū)間沿線的地下水主要為賦存于淺(中)部填土層、砂性土土層中的孔隙潛水，水位在地面下0.3～2.0 m。此外，區(qū)間沿線發(fā)現(xiàn)存在帶壓有害氣體，其埋深位于地面下26.0～33.0 m，呈蜂窩狀不連續(xù)分布。從勘測(cè)報(bào)告可知，江北段儲(chǔ)氣量和氣壓均較大。

該越江隧道下穿段錢(qián)塘江300年一遇最大沖刷高程為-16.0 m[6]，呈槽形形態(tài)。隧道頂距沖刷線的最小距離為6.4 m，最大距離為12.1 m。

2 工程關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)分析

本工程的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)如下：

圖1 杭州地鐵1號(hào)線下穿錢(qián)塘江隧道工程的平面示意圖

1) 越江隧道下穿錢(qián)塘江及南北兩岸大堤，施工風(fēng)險(xiǎn)大。錢(qián)塘江管理局要求大堤沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)不得超過(guò)20 mm，這對(duì)施工引起的大堤沉降變形控制要求非常高。

2) 越江隧道下穿江底正在運(yùn)營(yíng)的高壓成品油輸油管道。該管道采用定向鉆施工，材質(zhì)為D273鋼管，油壓為2.5 MPa，標(biāo)高-16.229 m，和區(qū)間隧道平面夾角為8.7°，平面疊交范圍約90 m，豎向凈距約10.5m。輸油管道目前處于滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，盾構(gòu)施工對(duì)管道的沉降變形控制要求極高。

3) 基于錢(qián)塘江“洪沖潮淤”的特點(diǎn)，考慮最大設(shè)計(jì)洪水位高度，成型隧道最大水頭壓力約為0.5 MPa。這對(duì)隧道管片接縫防水的設(shè)計(jì)和施工都是極大的考驗(yàn)。

3 隧道斷面及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 隧道橫斷面設(shè)計(jì)

該越江隧道采用單洞雙線大斷面盾構(gòu)隧道方案，建筑限界為9.9 m，管片內(nèi)徑為10.3 m，管片外徑為11.3 m，管片厚度為0.5 m，左線隧道和右線隧道在直線段處的線間距為5.2 m。

該隧道的橫斷面分為3個(gè)部分：上部為縱向排煙道，中間部分為地鐵線路的軌道結(jié)構(gòu)，下部設(shè)置排水泵房。軌道結(jié)構(gòu)下部空間口子件采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，兩側(cè)回填混凝土，在最低點(diǎn)設(shè)置泵房?？谧蛹?、中隔墻、風(fēng)道板采用預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。

3.2 隧道縱斷面設(shè)計(jì)

該過(guò)江隧道縱斷面采用V字坡，施工階段隧道的覆土厚度一般不小于1倍洞徑。為保證隧道結(jié)構(gòu)使用階段的抗浮能力和穩(wěn)定性要求，根據(jù)錢(qián)塘江300年一遇河床最低沖刷線的影響深度確定其最小覆土厚度。

抗浮安全系數(shù)γF的計(jì)算公式為：

γF≤γG(G+Q+G1)/(λF)

(1)

式中：

γG——荷載分項(xiàng)系數(shù)；

λ——浮力折減系數(shù)；

G——單位長(zhǎng)度隧道管片的自重；

Q——隧道上部的有效靜荷載；

G1——單位長(zhǎng)度隧道內(nèi)部的靜荷載；

F——單位長(zhǎng)度管片所受到的浮力。

G、Q、F的計(jì)算公式分別為：

G=π(R2-r2)γC

(2)

Q=γs[2Rd+(2-π/2)R2]

(3)

F=πR2γg

(4)

式中：

R——管片外徑；

r——管片內(nèi)徑；

γC——管片重度；

γs——土體浮重度；

d——隧道覆土層厚度；

γg——水的重度。

考慮盾構(gòu)管片自重和內(nèi)部隔墻的自重等抗浮有利荷載，該越江隧道在運(yùn)營(yíng)期間的γF取1.1?？紤]荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)抗浮的有利作用，γG取1.0；水浮力考慮按全水頭作用在隧道結(jié)構(gòu)上，λ取1.0；G1主要為口子件和內(nèi)隔墻的自重，根據(jù)其布置斷向進(jìn)行計(jì)算，該隧道單位長(zhǎng)度內(nèi)部的靜荷載取值為321.1 kN；R取11.3 m；r取10.3 m；γC取26 kN/m3；γs取8 kN/m3；γg取10 kN/m3。由上述式(1)～式(4)，可計(jì)算得到隧道覆土層厚度d為4.36 m?？紤]到錢(qián)塘江底沖刷和深泓擺幅影響，d的最終取值為4.5 m。

3.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)該隧道工程的覆土埋深、工程地質(zhì)水文條件以及周?chē)h(huán)境，對(duì)上海、南京、武漢等地的類(lèi)似工程進(jìn)行充分的研究比對(duì)，并結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)理論計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)的耐久性要求等方面因素，最終確定了該工程的管片設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 杭州地鐵1號(hào)線下穿錢(qián)塘江的隧道工程管片設(shè)計(jì)參數(shù)

4 設(shè)計(jì)、施工難點(diǎn)的應(yīng)對(duì)措施

4.1 盾構(gòu)下穿錢(qián)塘江大堤的施工保障措施

錢(qián)塘江北岸大堤為下沙標(biāo)準(zhǔn)塘，堤頂高程為9.97～10.17 m，擋浪墻高程為10.67～10.97 m，瀝青路面，頂寬9.30 m。盾構(gòu)隧道與錢(qián)塘江北岸大堤夾角70.71°，與大堤底部鋼筋混凝土沉井最小凈距約8.90 m，距北岸堤頂最大覆土為21.80 m。

錢(qián)塘江南岸大堤為九烏大堤，堤頂高程為9.87 m，擋浪墻高程為10.87 m，瀝青路面，頂部寬度為8.00 m。盾構(gòu)隧道與錢(qián)塘江南岸大堤的夾角為78.46°，與大堤底部鋼筋混凝土沉井的凈距約為23.40 m，距南岸堤頂?shù)淖畲蟾餐翞?4.60 m。

該越江隧道下穿錢(qián)塘江大堤所采取的保護(hù)措施如下：

1) 精細(xì)控制盾構(gòu)軸線偏差、推進(jìn)速度等關(guān)鍵施工參數(shù)，將掘進(jìn)速度控制在10～20 mm/min內(nèi)，有效降低了盾構(gòu)掘進(jìn)施工期間的地層擾動(dòng)和建構(gòu)筑物沉降速率。

2) 嚴(yán)格控制土倉(cāng)壓力和出土量，保持刀盤(pán)土倉(cāng)的密實(shí)和穩(wěn)定。施工期間優(yōu)化施工參數(shù)、嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)偏離及時(shí)緩慢糾偏，將偏差始終保持在±40 mm以?xún)?nèi)。

3) 同步注漿漿液采用早強(qiáng)型可硬性漿液，按照注漿量和注漿壓力雙重控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制同步注漿壓力和飽滿(mǎn)程度，有效控制了錢(qián)塘江大堤沉降變形。

4) 管片螺栓強(qiáng)度等級(jí)提高至8.8級(jí)。及時(shí)通過(guò)洞內(nèi)二次注漿加固技術(shù)補(bǔ)償開(kāi)挖造成的地層損失，將隧道施工后的大堤沉降控制在20 mm范圍內(nèi) 。

在上述措施的有力保障下，該施工引起錢(qián)塘江北岸大堤的沉降變形在盾構(gòu)穿越后6個(gè)月后漸趨穩(wěn)定，沉降值維持在17 mm左右，滿(mǎn)足錢(qián)塘江管理局的大堤沉降變形控制要求。錢(qián)塘江北岸大堤的實(shí)測(cè)沉降曲線如圖2所示。

注：大壩測(cè)點(diǎn)1、大壩測(cè)點(diǎn)2位于錢(qián)塘江北岸大堤的堤頂處。

4.2 盾構(gòu)下穿江底輸油管的施工保障措施

該越江隧道在靠近錢(qián)塘江南岸大堤處下穿江底高壓成品油輸油管，隧道與輸油管的平面夾角為8.7°，平面疊交范圍約90.0 m。根據(jù)江底輸油管道專(zhuān)項(xiàng)精確勘探實(shí)測(cè)資料[7]顯示，江底段輸油管與盾構(gòu)頂?shù)淖钚艟嗉s為11.1 m。為進(jìn)一步確保輸油管道的運(yùn)營(yíng)安全，該工程的關(guān)鍵技術(shù)安全措施如下：

1) 盾構(gòu)下穿施工控制技術(shù)措施。嚴(yán)格控制隧道軸線偏差，允許偏差量不大于±40 mm，發(fā)現(xiàn)偏離及時(shí)緩慢糾偏，不得猛糾硬調(diào)。在盾構(gòu)下穿過(guò)程中，通過(guò)采取放慢施工速度、控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、控制土倉(cāng)出土量、加強(qiáng)同步注漿及二次注漿管理等施工技術(shù)措施，控制油管的隆起量和沉降量，并及時(shí)對(duì)隧道周邊進(jìn)行二次雙液漿補(bǔ)充注漿，有效控制了輸油管道的沉降變形累計(jì)值及其沉降變化速率。

2) 軌道結(jié)構(gòu)采取高等減振措施?？紤]到地鐵列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，過(guò)江區(qū)間下穿輸油管區(qū)段的軌道結(jié)構(gòu)采用高等減振措施，以減小因振動(dòng)產(chǎn)生的影響。

通過(guò)以上關(guān)鍵技術(shù)措施的實(shí)施，該項(xiàng)目在施工期間江底輸油管的最大沉降量為12.3 mm，小于產(chǎn)權(quán)單位(中石化)要求的控制值(15 mm)。

4.3 高水壓情況下管片接縫防水的施工保障措施

考慮錢(qián)塘江最大設(shè)計(jì)洪水位高度，管片所承受的最大水頭壓力高達(dá)0.5 MPa，成型隧道需重點(diǎn)考慮管片的接縫防水問(wèn)題。該工程的襯砌防水設(shè)計(jì)以管片結(jié)構(gòu)自防水為主，以管片接縫防水為重點(diǎn)，遵循多道防線、綜合治理的防水設(shè)計(jì)原則，從襯砌結(jié)構(gòu)、接頭構(gòu)造、接縫設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測(cè)等方面制定措施，以有效控制隧道沉降，防止結(jié)構(gòu)開(kāi)裂及接縫滲漏，保證地鐵線路在正常運(yùn)營(yíng)階段隧道結(jié)構(gòu)無(wú)滲漏、接頭不滲水。所采取的措施主要包括：

1) 管片混凝土結(jié)構(gòu)自防水。管片混凝土強(qiáng)度的等級(jí)為C55，抗?jié)B等級(jí)為P12，裂縫寬度≤0.2 mm。

2) 盾尾同步注漿。同步注漿采用水泥砂漿，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中確保同步飽滿(mǎn)注漿、填充密實(shí)。二次注漿主要采用水泥漿，均勻、少量、多次進(jìn)行跟蹤注漿，對(duì)錢(qián)塘江大堤、江底油管等變形控制嚴(yán)格的地段采用速凝型的雙液漿。

3) 襯砌接縫防水。管片接縫防水采用雙道三元乙丙橡膠彈性密封墊，管片接縫構(gòu)造如圖3所示。管片的外弧面、內(nèi)弧面處的彈性密封墊應(yīng)滿(mǎn)足在接縫張開(kāi)量為8 mm、錯(cuò)臺(tái)6 mm時(shí)能長(zhǎng)期分別抵抗1.25 MPa、0.75 MPa的水壓下不滲漏的要求，密封墊的構(gòu)造如圖4所示。

尺寸單位：mm

a) 外弧面

b) 內(nèi)弧面

4) 襯砌嵌縫防水。在盾構(gòu)進(jìn)洞端、出洞端各30環(huán)范圍內(nèi)和錢(qián)塘江大堤下方的襯砌環(huán)、縱縫均采用高模量聚氨酯密封膠進(jìn)行整環(huán)嵌縫處理；其余區(qū)段在拱頂120°范圍內(nèi)的環(huán)縱縫采用高模量聚氨酯嵌填；道床面以下范圍內(nèi)的環(huán)縱縫采用聚合物水泥進(jìn)行嵌縫。

5 結(jié)論

1) 該工程在應(yīng)對(duì)下穿錢(qián)塘江大堤、下穿江底輸油管、高水壓下管片接縫防水等難點(diǎn)上采取了積極的應(yīng)對(duì)措施，有效控制了周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和自身施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了杭州地鐵1號(hào)線大斷面盾構(gòu)隧道穿越錢(qián)塘江工程的順利實(shí)施。

2) 盾構(gòu)襯砌管片采用通用襯砌環(huán)，管片拼裝方式為錯(cuò)縫拼裝，采用均分9塊模式。管片接縫采用雙道彈性密封墊防水，能有效抵抗高水頭壓力，確保成型隧道接縫無(wú)滲漏。

3) 嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)及同步注漿參數(shù)，在“均勻、少量、多次”注漿的前提下，錢(qián)塘江大堤的沉降量控制在20 mm內(nèi)，沉降控制措施安全、有效。

4) 結(jié)合成型隧道的整體外觀及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等手段，可以驗(yàn)證本工程為大斷面地鐵盾構(gòu)隧道首次穿越錢(qián)塘江的成功案例，可為后續(xù)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。