海域環(huán)境下盾構(gòu)區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)置方案對(duì)比分析

石來(lái)，諸葛緒松，楊浩東，張曉濱

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519000；3.珠海大橫琴城市新中心發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519000；4.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510500）

聯(lián)絡(luò)通道也稱為生命通道，是盾構(gòu)隧道中不可缺少的重要組成部分。國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道的施工方法進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。王龍[1]等依托以石家莊地鐵1 號(hào)線盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉部分工程為例，對(duì)盾構(gòu)隧道的管片與聯(lián)絡(luò)通道的加固進(jìn)行分析研究；丁修恒[2]對(duì)聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的闡述；曾暉[3]等介紹聯(lián)絡(luò)通道的施工方法以及對(duì)比分析各種土體加固方式的優(yōu)缺點(diǎn)；聶炳紅[4]等研究土體加固與暗挖法在聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用；李明，孟慶軍，黃哲峰，鄭智鵬，楊子健[5]針對(duì)富水砂性土層的地質(zhì)特性，通過(guò)不同加固方法的比對(duì)，進(jìn)行數(shù)值模擬，最后選擇采用冷凍法加固地層；李曉超[6]以蘇州地鐵聯(lián)絡(luò)通道所采用的凍結(jié)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)成功為例，詳細(xì)論述整個(gè)施工過(guò)程中凍結(jié)法施工的關(guān)鍵技術(shù)和控制要點(diǎn)。本文以橫琴杧洲隧道項(xiàng)目為背景，結(jié)合海域環(huán)境下的工程地質(zhì)環(huán)境對(duì)該項(xiàng)目的聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置方案和施工方法進(jìn)行綜合對(duì)比分析，選擇一種較合適、經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)置方案，可為類似項(xiàng)目提供借鑒與參考。

1 工程背景

1.1 橫琴杧洲隧道工程概況

橫琴杧洲隧道工程位于珠海橫琴一體化區(qū)域，隧道穿越馬騮洲水道。隧道埋深16.0m～35.0m，外徑14.5m，左線隧道線路全長(zhǎng)1995m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)945m；右線隧道線路全長(zhǎng)2032.15m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)978.31m，詳見(jiàn)圖1-2。

圖1 盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

1.2 項(xiàng)目地質(zhì)特點(diǎn)

擬建項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)第四系覆蓋層主要為人工填土層（Qml）、海陸交互相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土層（Q4mc）、砂巖殘積土（Q4el）和下伏的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化砂巖（D）。隧道結(jié)構(gòu)底板大部分位于淤泥中，由于淤泥層呈飽和、流塑狀態(tài)，土的靈敏度高，不適合作為持力層，需采用地基處理或樁基穿透深厚淤泥層進(jìn)入到相對(duì)較好的地層。同時(shí)，擬建隧道兩側(cè)的吹填砂層中賦存的孔隙水，水量較豐富，且與水道水聯(lián)系緊密，對(duì)工程影響較大。

2 橫向聯(lián)絡(luò)通道方案比選

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2014（2018版）12.1.6 條規(guī)定，水底隧道宜設(shè)置車行橫通道或車行疏散通道，間距宜為1000m～1500m。本項(xiàng)目的盾構(gòu)隧道段長(zhǎng)度在1000m 左右，在規(guī)范限值的臨界范圍內(nèi)。由于在水域段設(shè)置橫向聯(lián)絡(luò)通道，不僅增加工程實(shí)施難度，而且增加施工風(fēng)險(xiǎn)，故有必要對(duì)不同的聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置方案進(jìn)行必選。

2.1 水域段設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道

2.1.1 施工方法對(duì)比

目前盾構(gòu)隧道橫向聯(lián)絡(luò)的方法主要有明挖法、暗挖法和先明挖后暗挖法三類，幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。由于本工程沿線巖土種類多，土質(zhì)不均勻，根據(jù)地質(zhì)條件和聯(lián)絡(luò)通道的埋深等因素，為了確保施工場(chǎng)地的安全，若要在水域段設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道建議采取凍結(jié)法施工。與其他固結(jié)方法相比，凍結(jié)法不占用地面，環(huán)境影響范圍小。

表1 常用聯(lián)絡(luò)通道施工方法對(duì)比分析

2.1.2 凍結(jié)法的設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)

凍結(jié)法的凍結(jié)效果的好壞是工程成敗的重要保障。在聯(lián)通道開挖與構(gòu)筑期間，結(jié)構(gòu)的受力體系不斷變化，極易造成盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道之間結(jié)合面的開裂，此時(shí)若凍結(jié)效果不佳，易造成涌水、涌砂、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)，甚至可能會(huì)造成盾構(gòu)隧道被淹，釀成重大安全事故。因本項(xiàng)目隧道工程分布有淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土，軟土具有較高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度、中～高靈敏度的工程性質(zhì)，為不良工程地質(zhì)層，需要結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)條件對(duì)凍結(jié)法施工的過(guò)程中凍結(jié)和解凍的溫度場(chǎng)，地下孔隙水滲流場(chǎng)、凍脹位移場(chǎng)等進(jìn)行深入研究，制定詳細(xì)的施工方案。此外，施工期間還必須按照相關(guān)的技術(shù)要求，對(duì)凍結(jié)系統(tǒng)和周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作信息化，及時(shí)準(zhǔn)確指導(dǎo)施工。

總體來(lái)講，采用凍結(jié)法施工費(fèi)用很高，同時(shí)具有一定的不可控風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 南北兩岸工作井內(nèi)設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道

為減少工程施工難度與工程造價(jià)，在南北兩岸工作井內(nèi)共設(shè)置兩處車行橫通道（位置詳見(jiàn)圖2），橫通道間距小于1000m，滿足規(guī)范要求。初步擬定兩個(gè)工作井均采用平面矩形框架結(jié)構(gòu)，平面內(nèi)凈尺寸均為44.7m×21.2m，基坑深度均為26m，在盾構(gòu)側(cè)井壁開有兩個(gè)直徑15.4m 的盾構(gòu)孔。

圖2 盾構(gòu)隧道段縱斷面及地質(zhì)構(gòu)造圖

2.2.1 結(jié)構(gòu)建模

采用Midas GTS 軟件進(jìn)行計(jì)算，采用板殼單元來(lái)模擬復(fù)合墻和底板、三維梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬工作井內(nèi)的兩道水平框架，按盾構(gòu)吊裝及推進(jìn)階段和隧道運(yùn)營(yíng)階段，對(duì)結(jié)構(gòu)體系取最不利荷載布置進(jìn)行內(nèi)力分析（圖3）：①盾構(gòu)吊裝及推進(jìn)階段—內(nèi)襯墻、各道水平框架回筑完成，盾構(gòu)推進(jìn)；②隧道運(yùn)營(yíng)階段—井內(nèi)頂板、設(shè)備層板、車道板等及上部結(jié)構(gòu)逐步完成。

圖3 工作井結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

盾構(gòu)吊裝及推進(jìn)階段：荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、水土壓力、地面超載引起的附加壓力等，其中滲透性強(qiáng)的土按水土分算，滲透性弱的土按水土合算，地面超載按70kPa。

使用階段：荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重（框架、側(cè)墻、各層板），以及頂板覆土、水浮力、吊頂、地面活載、設(shè)備及行車活載等，其中滲透性強(qiáng)的土按水土分算，滲透性弱的土按水土合算，地面超載按20kPa。

工作井三維空間模型計(jì)算結(jié)果如下圖4所示：

圖4 工作井結(jié)構(gòu)計(jì)算彎矩云圖

經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，工作井?dāng)M訂方案的結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求和裂縫控制要求。

3 結(jié)論

本工程穿越馬騮洲水道，如若在水域段設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)，水文條件，將采取凍結(jié)法施工，該施工方法施工難度較大，且造價(jià)較高，不是最為經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)置方案。通過(guò)方案的對(duì)比分析，綜合考慮，最后在南北兩岸工作井內(nèi)共設(shè)置兩處車行橫通道作為本項(xiàng)目的建設(shè)方案，橫通道間距小于1000m，滿足規(guī)范要求，且該方案施工難度與工程造價(jià)大大降低，通過(guò)三維模型的數(shù)值模擬分析驗(yàn)算，工作井?dāng)M訂方案結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和裂縫控制均滿足規(guī)范要求，因此作為本工程隧道聯(lián)絡(luò)通道施工的最終方案。