金塘海底鐵路隧道縱斷面方案選型分析

收稿日期：2024-02-26

作者簡(jiǎn)介：李俊杰（1991—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：鐵道工程。

摘要 金塘海底隧道是舟山融入國(guó)家快速鐵路網(wǎng)絡(luò)的重要紐帶，對(duì)于加快舟山地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，支撐舟山經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。金塘海底隧道線路平縱斷面外部控制因素多，文章對(duì)影響隧道縱斷面選型的各因素進(jìn)行詳細(xì)分析，針對(duì)各外部影響因素與隧道之間的關(guān)系，優(yōu)化海底隧道縱斷面方案選型設(shè)計(jì)，研究方案和指標(biāo)控制可為類似工程方案設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 海底隧道；外部環(huán)境條件；縱斷面；方案選型

中圖分類號(hào) U212.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0078-04

0 引言

交通路網(wǎng)互聯(lián)、互通建設(shè)是制約我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，為縮短交通物流運(yùn)輸路徑、減小海上惡劣天氣的影響，海底隧道已成為跨海交通的重要選擇方式[1-2]。海底隧道所處地質(zhì)條件復(fù)雜，外部環(huán)境條件制約因素多，其具有施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、工程投資大等特點(diǎn)，故合理的平縱斷面規(guī)劃、選型設(shè)計(jì)，是影響整個(gè)隧道工程建設(shè)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、安全的關(guān)鍵因素[3-4]。該文以金塘海底鐵路隧道為例，詳細(xì)分析了鐵路隧道所處地質(zhì)及外部環(huán)境條件，研究了不同隧道縱斷方案，提出了最優(yōu)方案設(shè)計(jì)。

1 工程概況

新建鐵路金塘海底隧道總長(zhǎng)16 180 m，為單洞雙線隧道，隧道采用盾構(gòu)法下穿金塘水道，盾構(gòu)段長(zhǎng)11 210 m，盾構(gòu)隧道外徑14 m，內(nèi)徑12.8 m，管片厚0.6 m。盾構(gòu)兩端兩岸陸域部分采用礦山法施工。

金塘海底隧道外部環(huán)境制約因素多，地質(zhì)條件復(fù)雜，受隧道自身最大、最小坡度限制，隧道縱斷面方案選型困難。金塘海底隧道縱斷面控制因素分布詳見圖1。

2 隧道縱斷面控制因素分析

2.1 隧道縱坡及覆土厚度

根據(jù)規(guī)范要求，隧道最大坡度不宜大于20‰，困難條件下經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后不應(yīng)大于25‰；隧道內(nèi)最小坡度值不應(yīng)小于3‰。

盾構(gòu)隧道覆土厚度采用雙控制，施工期覆土厚度距離現(xiàn)狀海床面不小于0.7倍隧道外徑，運(yùn)營(yíng)期在預(yù)測(cè)沖刷控制線下考慮船舶錨擊深度和上覆液化地層最小覆土厚度后滿足抗浮安全系數(shù)不小于1.1的要求。

2.2 地形、地質(zhì)條件

隧道沿線穿越低山丘陵區(qū)、海積平原、金塘海域等地貌單元，山嶺段地形起伏較大，穿越區(qū)最高標(biāo)高約234 m，最低標(biāo)高15 m，相對(duì)高差219 m。

金塘水道海域海底地形總體上為東低西高，金塘水道窄而深，狹窄處寬度約為3 km，平均高程?50 m，底部剖面呈中部低、兩端高的馬鞍形態(tài)，中部最低高程為?110 m。

2.3 外部環(huán)境制約條件

（1）林家大山灰管隧道為北侖電廠出灰所用隧道，該隧道與林家大山隧道平面交角約74 °，兩者最小凈距按不小于4 m進(jìn)行控制。

（2）海底隧道與在建黃山西路平面交角約46 °，兩者結(jié)構(gòu)最小凈距按不小于10 m進(jìn)行控制。

（3）規(guī)劃杭甬高速公路復(fù)線為雙向六車道高速公路，海底隧道與高速公路交叉，平面交角90 °，兩者結(jié)構(gòu)最小凈距按不小于10 m進(jìn)行控制。

（4）寧波側(cè)S320駱霞公路下方分布有數(shù)十條成品油管道，管道最大埋深約9.2 m。參照《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術(shù)及管理規(guī)定》第十四條規(guī)定，隧道頂部與埋地管道底部的垂直高度按不小于10 m進(jìn)行控制。

2.4 船舶拋錨入土深度

根據(jù)隧道選址地區(qū)通航船只發(fā)展趨勢(shì)，大黃蟒島—金塘島間水道通航為8萬噸油船和10萬噸級(jí)集裝箱船舶，蛟門水道1 000 t級(jí)及以下船舶。

根據(jù)金塘隧道錨擊風(fēng)險(xiǎn)及響應(yīng)分析研究專題報(bào)告，船舶落錨深度為5萬噸級(jí)船舶2.29 m，8萬噸級(jí)船舶2.69 m，10萬噸級(jí)集裝箱船3.15 m；落錨沖擊力為5萬噸級(jí)船舶0.65 MN，8萬噸級(jí)船舶0.83 MN，10萬噸級(jí)集裝箱船0.92 MN。隧道縱斷覆土埋深需滿足錨擊入土的安全深度及隧道結(jié)構(gòu)承載力的要求。

3 隧道穿越暠峰渣土消納場(chǎng)縱斷方案研究

為縮減山嶺隧道長(zhǎng)度，減小整個(gè)金塘海底隧道工程規(guī)模，在滿足海域段隧道埋深要求的前提下，結(jié)合寧波陸域地形地貌及其他控制因素的分布，研究了金塘海底隧道暠峰渣土消納場(chǎng)深埋方案和暠峰渣土消納場(chǎng)露頭方案，具體縱斷布置詳見圖2。

3.1 暠峰渣土消納場(chǎng)深埋方案

該方案線路出北侖西站后以6.6‰的上坡上跨泰山西路，之后進(jìn)入隧道以長(zhǎng)1 750 m的20‰下坡下穿林家大山隧道和在建黃山西路隧道，以長(zhǎng)2 200 m的14.36‰下坡繼續(xù)下壓穿越鎮(zhèn)海煉化石油管道及預(yù)留甬舟高速公路復(fù)線。該方案金塘海底隧道總長(zhǎng)16.06 km，線路在暠峰渣土消納場(chǎng)處埋深大于39.6 m。

如表1所示，深埋方案與控制因素位置關(guān)系可知，金塘海底隧道暠峰渣土消納場(chǎng)深埋方案與各項(xiàng)控制因素結(jié)構(gòu)凈距均大于控制值，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

3.2 暠峰渣土消納場(chǎng)露頭方案

線路出北侖西站后以11.1‰的上坡前行2 550 m至小港暠峰建筑消納場(chǎng)并露頭，同時(shí)，上跨林家大山隧道和在建黃山西路隧道，之后采用29.9‰的下坡前行3 150 m，依次下穿杭甬復(fù)線、鎮(zhèn)海煉化石油管道以及甬舟高速公路復(fù)線。該方案金塘海底隧道總長(zhǎng)14.663 km，渣土消納場(chǎng)棄渣堆積厚度約18 m。

渣土消納場(chǎng)需人工棄渣后施工該線路基及橋涵工程，清運(yùn)土方量共計(jì)250 000 m3。該方案鐵路周邊地勢(shì)高，隧道洞口地勢(shì)低，周邊大量匯水需經(jīng)隧道排出，存在水淹安全隱患。

如表2所示，露頭方案與控制因素位置關(guān)系可知，金塘海底隧道暠峰渣土消納場(chǎng)露頭方案線路下穿鎮(zhèn)海煉化石油管道結(jié)構(gòu)凈距為10 m，可滿足《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術(shù)及管理規(guī)定》要求；下穿甬舟高速公路復(fù)線隧道結(jié)構(gòu)凈距僅3.697 m，不滿足最小1倍洞徑的交叉要求。若選擇公路下穿鐵路，控制凈距按照1倍洞徑設(shè)計(jì)，因交叉處緊鄰戚家山樞紐，公路線路需要采用?4.472%坡度，不滿足《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）[5]中橋梁、隧道縱坡不大于4%的要求；由于變坡點(diǎn)已經(jīng)伸入戚家山樞紐范圍內(nèi)，導(dǎo)致樞紐內(nèi)橋梁縱坡為4.472%，不滿足《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于樞紐內(nèi)橋梁縱坡不大于2%的規(guī)定。綜上分析，金塘海底隧道暠峰渣土消納場(chǎng)露頭方案無法預(yù)留甬舟高速公路復(fù)線通道。

表2 露頭方案與控制因素位置關(guān)系表

控制因素 控制值/m 設(shè)計(jì)值/m

控制標(biāo)高 控制凈距 設(shè)計(jì)軌面高 設(shè)計(jì)凈距

林家大山隧道 30.678 3 36.823 9.145

黃山西路隧道 32.98 4 38.733 9.753

杭甬高速公路復(fù)線 11.21 10 11.225 10.0

鎮(zhèn)海煉化石油管道 ?33.2 20 ?23.771 10.571

甬舟高速公路復(fù)線 ?45.68 14 ?35.377 3.697

寧波側(cè)最低沖刷點(diǎn) ?69.9 5 ?70.159 5.259

金塘側(cè)最低沖刷點(diǎn) ?58.8 5 ?59.058 5.258

3.3 方案比選

暠峰渣土消納場(chǎng)深埋方案最大坡度20‰，鐵路隧道預(yù)留甬舟高速公路復(fù)線盾構(gòu)隧道建設(shè)條件，與各項(xiàng)控制因素結(jié)構(gòu)凈距均大于控制值，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。暠峰渣土消納場(chǎng)露頭方案無法預(yù)留甬舟高速公路復(fù)線通道，需清運(yùn)人工棄土約250 000 m3，運(yùn)營(yíng)期存在水害隱患。綜合分析，選擇金塘海底隧道深埋穿越暠峰渣土消納場(chǎng)方案。

4 隧道與規(guī)劃甬舟高速復(fù)線位置關(guān)系研究

規(guī)劃甬舟高速公路復(fù)線項(xiàng)目與該線存在交叉關(guān)系，海底隧道縱斷面設(shè)計(jì)需預(yù)留遠(yuǎn)期甬舟高速公路復(fù)線以盾構(gòu)隧道方式穿越鐵路的條件。根據(jù)公路隧道與鐵路隧道上下位置關(guān)系的不同，研究了公路隧道上跨、下穿鐵路隧道的兩種方案，穿越示意圖詳見圖3。

（a）方案一 公路隧道上跨鐵路隧道方案

（b）方案二 公路隧道下穿鐵路隧道方案

圖3 公路隧道穿越鐵路隧道方案示意圖

4.1 隧道縱斷方案

（1）方案一：公路隧道上跨鐵路隧道。公路隧道在交叉處采用盾構(gòu)法上跨鐵路隧道，交叉處兩者結(jié)構(gòu)垂直凈距約14.3 m。鐵路隧道縱斷面受公路隧道交叉部位控制，軌面標(biāo)高約?45.68 m。

（2）方案二：公路隧道下穿鐵路隧道。公路隧道在交叉處采用盾構(gòu)法下穿鐵路隧道，交叉處兩者結(jié)構(gòu)垂直凈距約14 m。鐵路隧道縱斷面受石油管線標(biāo)高控制，軌面標(biāo)高約?23.2 m。

4.2 方案比選

方案一公路隧道位于鐵路隧道上方，后期施工對(duì)鐵路隧道影響相對(duì)較小，不影響戚家山互通樞紐的設(shè)置。同時(shí)，鐵路隧道埋深大，對(duì)沿線建構(gòu)筑物影響相對(duì)較小。

（下轉(zhuǎn)第84頁）

（上接第80頁）

方案二公路隧道位于鐵路隧道下方，后期施工對(duì)鐵路隧道影響相對(duì)較大，因公路隧道無法在戚家山互通接地，甬舟高速復(fù)線不能與杭甬復(fù)線二期進(jìn)行互通設(shè)計(jì)；鐵路隧道埋深較小，對(duì)沿線建構(gòu)筑物影響相對(duì)較大；公路隧道采用盾構(gòu)隧道下方穿越石油管線后在通途路上設(shè)U形槽，對(duì)沿線道路及建構(gòu)筑物影響較大。

如表3所示，由兩種穿越方案規(guī)模表可見，方案一相比方案二鐵路隧道斜井規(guī)模、寧波側(cè)工作井規(guī)模、盾構(gòu)段穿越的軟硬不均段規(guī)模均較大，但在公路隧道規(guī)模、公路復(fù)線與杭甬復(fù)線二期戚家山互通的設(shè)置以及公鐵隧道對(duì)沿線建構(gòu)筑物的影響方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，選擇方案一公路隧道上跨鐵路隧道方案設(shè)計(jì)。

表3 兩種穿越方案規(guī)模表 /m

項(xiàng)目 方案一 方案二

鐵路隧道 斜井長(zhǎng)度 586 420

寧波工作井基坑深度 57.7 36.5

主線隧道長(zhǎng)度 16 180 16 180

盾構(gòu)穿越地層 全斷面巖層 1 414 1 130

全斷面土層 833 1 240

軟硬不均地層 703 580

公路隧道長(zhǎng)度 11 920 13 330

5 結(jié)語

金塘海底隧道所處地質(zhì)條件、外部環(huán)境條件復(fù)雜，從海底隧道坡度、最小覆土厚度、船舶錨擊入土安全深度、外部結(jié)構(gòu)安全距離等多因素研究分析隧道縱斷面設(shè)計(jì)。通過對(duì)海底隧道穿越暠峰渣土消納場(chǎng)、規(guī)劃甬舟高速復(fù)線方案的詳細(xì)分析，綜合選擇工程風(fēng)險(xiǎn)小、施工難度小、工程投資低、規(guī)劃設(shè)計(jì)合理的縱斷面方案。該文研究方案和指標(biāo)控制可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]張頂立， 李兵， 房倩， 等. 基于風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的海底隧道縱斷面確定方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2009（1）： 9-19.

[2]涂鵬， 王星華. 基于GA理論的海底隧道縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)建筑， 2011（S1）： 418-421+387.

[3]龔尚國(guó). 南京緯三路長(zhǎng)江隧道工程縱斷面設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]. 交通科技， 2010（1）： 46-48.

[4]丁萬濤， 李術(shù)才， 朱維申. 某海底隧道巖石覆蓋厚度及選線方案優(yōu)化研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2007（3）： 463-469.

[5]公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范： JTG D20—2017[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2017.