佛山市季華路西延線順德水道隧道總體設計及關鍵技術

王海林， 蔣 源， 陳 兆， 張兆遠， 汪 敬

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 湖南 長沙 410200)

0 引言

隨著地下空間開發(fā)利用高峰的來臨，在市區(qū)等繁華地區(qū)以及環(huán)境苛刻地區(qū)修建隧道的情況時有所見，盾構法因其成洞質量高、掘進速度快、安全性佳、作業(yè)環(huán)境好、地層適應能力強等優(yōu)勢，在穿江越海通道工程中得到空前的應用和發(fā)展。目前盾構技術正往高水壓大斷面、復雜地質條件、超長城區(qū)掘進等方向發(fā)展[1]，其中武漢三陽路[2]、汕頭海灣隧道[3]、濟南黃河隧道[4]、上海長江隧道[5]等均為成功的工程前沿范例。

1 工程概況

根據(jù)廣東省交通廳規(guī)劃要求和佛山“十三五”規(guī)劃目標發(fā)展需要，佛山市提出佛山一環(huán)西拓戰(zhàn)略建設，采用一級公路標準兼顧城市道路功能的技術標準，加快推進佛山西部較落后區(qū)域與較發(fā)達區(qū)域的銜接，以交通融合帶動產城融合。

季華路西延線作為佛山一環(huán)西拓戰(zhàn)略的重要組成部分，是佛山市中心組團的重要西出口，它的建設對于疏導交通和促進經(jīng)濟發(fā)展有著重要的作用?，F(xiàn)狀季華路終點到南莊碼頭止，屬斷頭路，無法最大化其城市主干道功能，打通季華路與西部區(qū)域的連接，對于形成更方便快捷的道路網(wǎng)，實現(xiàn)禪城區(qū)與南海區(qū)、三水區(qū)的便捷連接有至關重要的作用。

在順德水道穿越方案的選取上，前期考慮采用橋梁上跨方案，雖然橋梁方案水上作業(yè)風險小，但對通航干擾大，需整體搬遷南莊碼頭，且涉及大片廠房拆遷，可實施性低，因此橋梁方案在前期研究中被否定，綜合考慮后確立了盾構隧道下穿方案。

順德水道隧道作為季華路西延線的控制性工程，也是佛山第一條超大直徑盾構隧道，區(qū)域影響巨大，具有斷面直徑大、水壓高、覆土淺、間距小、建設條件復雜等特點。

1.1 隧道位置及基本信息

佛山市季華路西延線工程順德水道隧道位于佛山市禪城區(qū)南莊鎮(zhèn)與丹灶鎮(zhèn)交界處，呈東西走向。線位南側約800 m處為廣明高速丹灶特大橋，線位西岸為丹灶農林用地，線位東岸為南莊碼頭，線位北側約220 m處為規(guī)劃禪城港區(qū)禪城作業(yè)區(qū)(見圖1)。

隧道在順德水道西岸受基本農田控制，路線線位調整空間小，隧道東側需順接季華路，線位唯一，因此本項目只有順德水道段的路線有一定的調整和優(yōu)化空間。在已明確盾構隧道方案基礎上，提出了下穿南莊碼頭的K線方案(線位一)和繞避碼頭的N線方案(線位二)。

圖1 順德水道隧道平面線位圖

1.2 主要技術標準

佛山市季華路西延線工程采用一級公路標準建設，兼顧城市道路功能，主線雙向6車道，設計車速80 km/h，采用盾構隧道下穿順德水道。

1.3 工程地質與水文地質條件

隧道頂部地層主要為淤泥質黏土夾砂及粉細砂，極易被沖刷；盾構隧道主要位于粉細砂及砂卵石地層，透水性強，易突水涌沙，施工風險極大；基巖以強、中風化泥質粉砂巖及砂巖為主，強度為5～30 MPa。

順德水道現(xiàn)狀為Ⅲ級航道，規(guī)劃為Ⅱ級航道，通航1000t級船舶，擬建工程處河面寬約900 m，水深最深處約13 m。

地下水可劃分為上層滯水、孔隙潛水、基巖裂隙水3種類型，各種類型的地下水之間水利聯(lián)系緊密。河道極限沖刷專題研究表明，100、300 a一遇洪水條件下，隧址區(qū)最大的沖刷深度分別為5.11、6.33 m。隧道地質縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道縱斷面地質剖面圖

1.4 總體設計思路

在滿足規(guī)劃要求、技術標準和交通功能定位的前提下，綜合考慮工程施工難度與風險、運營安全與風險、經(jīng)濟性等多方面因素，合理確定隧道平、縱、橫斷面，并最大程度減少征地拆遷和提高運營服務水平。

2 總體方案

2.1 隧道平面

隧道平面設計的控制因素主要有：

1) 減少征用基本農田和拆遷。征地及拆遷是城區(qū)建設項目的主要制約因素，本項目隧道東接季華路，道路兩側是大面積的廠房，西岸主要為魚塘，預留道路紅線60 m，紅線外為基本農田。

2)雙洞盾構隧道之間及隧道與周邊建筑物的合理凈距。根據(jù)國內外類似工程經(jīng)驗及有關規(guī)范，一般要求并行盾構凈距不小于1.0D(D為隧道外徑)，始發(fā)接收端可適當減小，但應采取措施確保施工安全。盾構與周邊建筑物凈距盡量加大，當必須側穿或下穿時，應有足夠的安全措施。盾構側穿碼頭管理用房位，隧道與其樁基礎之間必須留有足夠的凈空用于保護建筑物。

3) 考慮隧道下穿南莊碼頭泊位之間的合理布置。南莊碼頭為高樁框架結構，6個泊位，岸線長370 m。線位與碼頭泊位存在平面位置沖突，為盡量保證隧道運營期碼頭的規(guī)模容量，應在線位平面布置時減少拆除泊位。

4)盾構隧道段盡量設置在直線或大半徑平曲線上，避免路面設置橫向超高。隧道盾構段需在路面橫坡高的一側設置疏散口，在低的一側設置排水溝，這就要求整個盾構段橫坡為恒定值，因此需使用直線或者大半徑平曲線。

基于上述控制因素，設計時擬定K線(圖1中線位一)與N線(圖1中線位二)兩個線位方案。K線方案施工期間對順德水道的通航無影響。隧道線位避讓南莊碼頭辦公建筑，碼頭樁基較深，需拔樁；施工期間南莊碼頭需停止作業(yè)，施工完成后恢復；隧道下穿南莊散貨碼頭，為滿足通航管理要求，需要永久關閉2個散貨泊位。N線方案從碼頭規(guī)劃岸線范圍以外的散貨泊位下方穿過，繞避了碼頭樁基，施工期可不中斷碼頭作業(yè)，對碼頭運營影響較小。此方案存在以下問題： ① 需侵占基本農田。N線需穿越屬于基本農田區(qū)域內的澳邊湖，湖深0～5 m，隧道線位處湖水深度0～3.8 m，隧道最小覆土厚度僅6.77 m，不滿足盾構隧道施工期抗浮覆蓋層厚度要求。②與總體規(guī)劃綠地沖突。澳邊湖周圍為總體規(guī)劃綠地，N線方案穿越規(guī)劃綠地，與區(qū)域總體的綠地規(guī)劃不符。③與南莊鎮(zhèn)規(guī)劃不符。季華路南側為廠房和店鋪，若采用N線方案，需下穿該地塊。店鋪、廠房樁基基礎(靜壓管樁)深度19 m，與隧道結構沖突。

綜合考慮，推薦采用K線方案。該方案符合路網(wǎng)規(guī)劃、土地規(guī)劃、南莊鎮(zhèn)規(guī)劃及本項目功能定位，且工程規(guī)模和造價最優(yōu)。K線方案隧道布置如圖3所示。隧道全長2 655 m，其中盾構段長1 472 m，西岸明挖敞開段長275 m，明挖暗埋段長323 m(含工作井段28 m)；東岸明挖敞開段長290 m，明挖暗埋段長295 m(含工作井段28 m)。

圖3 順德水道隧道平面布置

2.2 隧道縱斷面

縱面設計控制要素：

1) 考慮施工期間抗浮安全性和掘進安全性的要求。施工期不考慮洪水沖刷影響，隧道最小覆土厚度為12.2 m，大于保證掘進安全的覆土厚度0.8D。

2)考慮運營期間抗浮安全性的要求。運營期考慮洪水沖刷影響，順德水道100、300 a一遇洪水條件下最大沖刷深度分別為5.11、6.33 m，相應的最小覆土厚度分別為8.0 m、7.2 m?？紤]極限沖刷情況下，隧道覆土應滿足抗浮要求。

3)盾構埋置深度大于錨擊深度。根據(jù)通航專題研究，錨的觸底貫入量為0.77 m，2 000 t級船舶拖錨沖擊河床后的貫入量為1.12 m。

4)航道段盾構埋置深度大于通航要求的埋置深度。根據(jù)通航專題研究，順德水道按Ⅲ級標準整治后航道尺度為4 m×80 m×500 m(水深×航道寬度×彎曲半徑)，因此，管道滿足河道水深要求的長度應不小于80 m。

綜合上述控制條件，結合路線縱斷面設計指標的運用，在盾構段滿足河床標高、航道疏竣及覆土厚度情況采用2.97%接-2.97%的“V”型縱坡形式，盡量縮短隧道段長度，減小隧道埋深，以達到減小隧道規(guī)模的目的。

2.3 盾構隧道結構斷面布置與內徑

盾構隧道橫斷面布置需滿足建筑限界、運營管理設備(通風、照明、監(jiān)控等)布置、疏散與救援、施工誤差等方面的要求，其中施工誤差一般按半徑方向富余15 cm考慮[5-6]。

隧道不設置排煙道，采用縱向通風排煙方式，上層為道路隧道行車層，下層為救援服務層。經(jīng)綜合考慮，隧道盾構管片外徑15.0 m、內徑13.7 m可滿足空間布置要求，隧道橫斷面如圖4所示。

圖4 順德水道隧道盾構段平面布置圖(單位： mm)

3 隧道關鍵技術

3.1 碼頭改建關鍵技術

南莊碼頭位于順德水道東岸，現(xiàn)為季華路西端終點，碼頭水工結構為高樁框架結構，1 000 t級泊位6個，岸線長370 m，港前水深約4.5 m。南莊碼頭為佛山市最大的內貿散貨集裝箱碼頭，也是南莊鎮(zhèn)陶瓷產品內貿出貨主要碼頭，因此對南莊碼頭的改建方案直接關系到項目的順利實施。

如圖5所示，隧道線位下穿南莊碼頭方案主要影響下游1#、2#兩個泊位，該處隧道頂埋深在15 m左右，與碼頭樁基沖突，2個泊位占用港口岸線長度130 m，需關停該2處泊位，拆除隧道上方及安全間距內長約60 m原有水工結構。

綜合考慮隧道規(guī)模，同時將對碼頭的影響降至最低，制定了如下改建方案：①為減少對碼頭的影響，在隧道中間及兩側增加適當樁基及上部結構,使恢復后的前沿平臺可以作為水平運輸車輛的通道。②將隧道上方及兩側安全范圍內的原樁基、框架結構予以拆除，并將隧道中間及兩側的水工結構改建成墩式結構，適當增加樁基數(shù)量，使得水工結構恢復原狀。③改建后的水工結構僅用于車輛通行，不得用于靠船進行裝卸船作業(yè)。在改建完成的水工結構上方設置禁止船舶靠泊標志牌，改建后碼頭如圖6所示。

圖5 南莊碼頭與隧道位置關系剖面(單位： m)

3.2 盾構穿堤加固關鍵技術

隧道下穿順德水道，盾構隧道下穿羅格圍及南鐵鼎圍，東岸羅格圍堤頂最小覆土為22.8 m，西岸南鐵鼎圍堤頂最小覆土為22.3 m，盾構隧道與羅格圍立面關系見圖7。

大直徑盾構隧道穿越堤防的難點主要表現(xiàn)為地層易沉降、塌方，對周圍已有建筑物有潛在危害性等。同時大直徑泥水盾構在城市過江隧道施工時，城市的江河沿岸往往是中心地帶，也是城市防洪的重要屏障，關乎人民生命和財產的安全，因此保證盾構施工過程中堤岸穩(wěn)定性至關重要。

針對上述風險，設計中采取了如下加固措施：

1)堤防預加固。為防止在盾構施工過程中和完工后堤防發(fā)生沉降，減少堤圍沉降和滲透破壞風險，采取堤防預加固的方式進行處理。盾構穿越前從堤防表層由上至下進行加固處理，處理方式為地表灌漿，加固范圍縱向為沿堤頂線擴大2倍隧道洞徑，橫向為隧道結構邊線外擴1倍隧道洞徑，注漿至隧道頂部。

圖6 改建后南莊碼頭與隧道位置關系剖面(單位： m)

圖7 盾構隧道與羅格圍立面關系

2)拋石防護。擬建工程處于汛險段范圍內，為確保風險段安全，采取拋石防護措施，拋石防護范圍為工程上游50 m、下游100 m，橫向范圍為堤防迎水坡坡腳線向外不小于30 m。

3)沉降監(jiān)測。在隧道施工期及運行期，對羅格圍及南鐵鼎圍典型部位進行沉降、傾斜、裂縫監(jiān)測。發(fā)生異常情況時，應立即停止施工，并及時上報水行政主管部門，查清原因并采取補救措施后，方可繼續(xù)施工。

4 結論

在復雜環(huán)境條件下進行城區(qū)公路大直徑盾構隧道的總體設計時，需綜合考慮各種環(huán)境條件制約因素及工程本身施工和運營安全要求。基于季華路西延線工程超大直徑盾構隧道總體設計及關鍵技術的研究，得出以下結論：

1) 為充分利用寶貴的城市過江通道資源，大直徑盾構下穿方案可作為穿江越海的優(yōu)選方式。

2) 盾構法成洞質量高、掘進速度快、安全性佳、作業(yè)環(huán)境好、地層適應能力強、航道影響小、

不影響城市景觀，是該類項目的最佳方案。

3) 本項目采用縱向式通風排煙方式可滿足隧道通風排煙需求，故不設置排煙道；施工誤差按半徑方向富余15 cm考慮，上層為道路隧道行車層，布置3條車道；下層為救援服務層，布置疏散救援通道和管線廊道。綜合考慮本項目空間布置要求，隧道盾構管片外徑采用15.0 m、內徑采用13.7 m。

4) 隧道下穿現(xiàn)莊碼頭為佛山市最大的內貿散貨集裝箱碼頭，設計中采取將隧道中間及兩側的水工結構改建成墩式結構、適當增加樁基數(shù)量的方式，恢復前沿平臺作為水平運輸車輛的通道，可有效保證碼頭的容量，減少對于碼頭的影響。

5)本盾構隧道下穿羅格圍及南鐵鼎圍，堤頂最小覆土為22.3 m。針對盾構掘進易造成地層沉降、塌方，危害周圍已有建筑物等風險，設計中采取堤防預加固、拋石防護、沉降監(jiān)測等加固措施，可有效降低施工風險。