魏玉省

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

汕頭蘇埃隧道方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

魏玉省

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

根據(jù)汕頭蘇埃隧道的建設(shè)條件，對工程方案設(shè)計(jì)中的幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究，并提出解決方案。通過采用“多級分流”理念，實(shí)現(xiàn)隧道與北岸4條城市主干道的交通銜接；選擇 “拋石+排水板”方案解決海域深厚淤泥地層中的圍堰設(shè)計(jì)；8度高烈度震區(qū)選擇合理的抗震減震措施解決隧道結(jié)構(gòu)抗震；采取雙道密封墊和加大密封墊斷面的防水設(shè)計(jì)，滿足地震時(shí)管片接縫張開量大的防水要求；針對復(fù)雜地層，對盾構(gòu)選型和配置提出建議；對海底凸起進(jìn)入隧道內(nèi)的硬巖進(jìn)行爆破預(yù)處理，以降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。

蘇埃隧道； 圍堰設(shè)計(jì)； 多級分流； 8度震區(qū)； 管片接縫防水； 盾構(gòu)選型； 硬巖處理

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，大型水下隧道工程已進(jìn)入快速發(fā)展期，盾構(gòu)法隧道因其安全、快速等特點(diǎn)也得到了更為廣泛的應(yīng)用。目前，上海長江隧道[1]、南京長江隧道[2]、武漢長江隧道[3]等大直徑盾構(gòu)隧道已經(jīng)建成，每條隧道均有其各自的特點(diǎn)，如直徑大、水壓高、埋深淺、距離長等，且針對這些特點(diǎn)參建單位進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)；但已有研究針對地震工況下的隧道結(jié)構(gòu)、接縫防水設(shè)計(jì)研究還不夠深入，需要進(jìn)一步研究。

蘇埃隧道工程是國內(nèi)首條地處8度震區(qū)的超大直徑盾構(gòu)海底隧道工程，隧道抗震減震設(shè)計(jì)尤為重要。隧道穿越地層有淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、中粗砂、硬巖和未風(fēng)化球體。北岸隧道下穿龍湖溝和大直徑雨污水管等地下管線，同時(shí)北岸交通需考慮與多條道路進(jìn)行接線。蘇埃隧道工程的地質(zhì)復(fù)雜程度、施工難度和風(fēng)險(xiǎn)為國內(nèi)同類型項(xiàng)目中最高之一，難度達(dá)到世界級水平。本工程建設(shè)將為國內(nèi)超大直徑過海盾構(gòu)施工后續(xù)工程提供參考和借鑒。

1 工程概況[4]

蘇埃隧道工程起點(diǎn)為天山南路，向南依次下穿長平路、中山東路、龍湖溝、華僑公園、蘇埃灣海域，南接虎頭山隧道。路線全長6.68 km，隧道長5.35 km，其中，海域段盾構(gòu)隧道長3.05 km，外徑14.5 m。南、北岸隧道接線采用明挖法[5]修建，南岸海堤以北450 m范圍海域內(nèi)設(shè)計(jì)有圍堰。

蘇埃隧道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)： 一級公路兼城市主干道、雙向六車道，主線設(shè)計(jì)速度60 km/h。

隧道平面和縱斷面如圖1和圖2所示。

圖1 隧道平面圖

圖2 隧道縱斷面圖

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

根據(jù)工程建設(shè)條件，設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要包括： 北岸空間狹小，路網(wǎng)密集，要與4條市政道路交通銜接，交通組織設(shè)計(jì)難度大；南岸450 m海域海底下有深厚的淤泥地層，圍堰設(shè)計(jì)要充分保證其穩(wěn)定性；8度震區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道的抗震減震措施設(shè)計(jì)可靠，確保隧道結(jié)構(gòu)安全；地震時(shí)管片接縫張開量大，優(yōu)化設(shè)計(jì)接縫防水保證隧道不漏水；超復(fù)雜地質(zhì)條件的盾構(gòu)設(shè)備選型和配置；海底凸起硬巖處理方案需可行、有效，減小凸起硬巖段盾構(gòu)掘進(jìn)的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 采用“多級分流”理念設(shè)計(jì)北岸立交方案

3.1.1 控制因素

1)立交方案設(shè)計(jì)與中山東路、長平東路、金砂東路、天山南路實(shí)現(xiàn)互通。

2)線型設(shè)計(jì)滿足道路設(shè)計(jì)規(guī)范，運(yùn)營期舒適度、安全性要求高。

3)施工期對工程周邊碧霞莊、海濱花園小區(qū)、碼頭等影響盡量小。

4)征地拆遷范圍盡量小。

3.1.2 交通量預(yù)測

通往汕頭市區(qū)主線連接天山南路，北岸立交各路口2036年平均日交通量預(yù)測結(jié)果見圖3，根據(jù)交通量預(yù)測確定進(jìn)出口匝道均可以設(shè)置為單車道。

圖3 北岸立交2036年平均日交通量預(yù)測結(jié)果(單位： pcu/d)

Fig. 3 AADT forecasting results of interchange at north bank in 2036 (pcu/d)

3.1.3 北岸立交設(shè)計(jì)

采用“多級分流”理念布設(shè)匝道，于中山東路設(shè)置一進(jìn)一出匝道，于中山東路與長平東路之間的天山南路設(shè)一進(jìn)一出平行匝道，于長平東路北側(cè)設(shè)置隧道主線敞開段，通過多匝道的設(shè)置以疏解北岸交通。匝道設(shè)計(jì)速度均為40 km/h，最小曲線半徑為75 m。敞開段匝道縱坡為6%，暗埋段最大縱坡為2%。

方案優(yōu)點(diǎn)： 1)與4條城市主干道交通組織簡單、方便，滿足交通量要求。2)充分利用三角綠化帶空間，征地少、無房屋拆遷，對周邊住宅小區(qū)、碼頭影響小。3)無小半徑回頭曲線設(shè)計(jì)，運(yùn)營時(shí)舒適度高、安全性好。

北岸立交設(shè)計(jì)方案見圖4。

圖4 北岸立交設(shè)計(jì)方案

3.2 深厚淤泥地層中圍堰設(shè)計(jì)

據(jù)勘察資料，南岸海堤以北450 m海域海底下有

20 m厚的淤泥地層，此地層中圍堰設(shè)計(jì)方案的選擇尤其重要。

3.2.1 工程等別與防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)圍堰使用功能和圍堰級別劃分標(biāo)準(zhǔn)[6]，本圍堰級別確定為3級。

南岸既有海堤防洪級別為50年一遇，本圍堰防洪標(biāo)準(zhǔn)與南岸海堤一致。

3.2.2 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

海底存在厚度達(dá)20 m的淤泥層，其平均含水率為67.6%，具有易流變、高壓縮性特點(diǎn)。

考慮工程地材來源、圍堰穩(wěn)定性要求、工程地質(zhì)、使用功能和工程造價(jià)等，并結(jié)合汕頭類似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推薦采用外側(cè)拋石結(jié)構(gòu)+山皮土+內(nèi)側(cè)閉氣土方的土石圍堰結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)處理采用塑料排水板+土工格柵加筋墊層方案。圍堰結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)見圖5。

3.2.3 施工工序

施工工序?yàn)閽伿怏w—鋪碎石墊層并拋砂至設(shè)計(jì)高程—滲壓計(jì)安裝—插塑料排水板—鋪設(shè)土工格柵—填砂至設(shè)計(jì)高程—堰身拋石、山皮土及閉氣土方加載至設(shè)計(jì)高程—堰身土石方至設(shè)計(jì)頂高程—混凝土鎮(zhèn)腳施工—外側(cè)護(hù)坡施工—堰頂結(jié)構(gòu)施工—內(nèi)側(cè)護(hù)坡施工等。

3.3 8度震區(qū)隧道抗震減震措施

工程位于8度高地震烈度區(qū)，設(shè)計(jì)地震加速度值為0.20g[7](g為重力加速度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s。抗震按相應(yīng)于50年超越概率為2%的罕遇地震動(dòng)設(shè)計(jì)，地震加速度峰值取基本地震動(dòng)加速度的1.6～2.3倍，即(0.32～0.46)g[8]，設(shè)計(jì)取值0.4g。

圖5 圍堰結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)(單位： m)

建筑設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類[9]。工程場地類別為Ⅲ類。

3.3.1 抗震設(shè)計(jì)思路

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮抗震，在采取措施后不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，再考慮減震。

3.3.2 縱向抗震計(jì)算

盾構(gòu)隧道縱向抗震[10]采用梁-彈簧模型進(jìn)行計(jì)算，見圖6。

計(jì)算模型按管環(huán)2 m分段，選用三維空間線性梁模擬；考慮隧道環(huán)縫，梁單元之間通過旋轉(zhuǎn)彈簧和拉壓異性彈簧連接；由于隧道周圍土體屬性差異，每個(gè)管環(huán)通過4個(gè)土彈簧分別考慮隧道上、下、左、右4個(gè)方向的土體剛度屬性，土彈簧只承受壓力；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，暗埋段對豎井作用通過連接彈簧實(shí)現(xiàn)。

圖6 盾構(gòu)隧道縱向梁-彈簧計(jì)算模型

Fig. 6 Longitudinal beam-spring calculation model of shield tunnel

3.3.3 抗震減震措施

根據(jù)專題研究計(jì)算成果和隧道縱斷面，在海中硬巖凸起兩側(cè)設(shè)置消能減震節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)螺栓布置3段： 靠近南岸盾構(gòu)井、海中硬巖凸起兩側(cè)和主航道下淤泥段，合計(jì)長度約1.5 km。罕遇地震情況下盾構(gòu)隧道管片接頭張開量包絡(luò)圖見圖7。由圖可知，張開量大于10 mm的有5段，大于15 mm的有1段。

在管片環(huán)縫張開量較大處設(shè)置消能減震節(jié)點(diǎn)，以確保地震時(shí)隧道不漏水，其特點(diǎn)是能適應(yīng)較大變形、當(dāng)張開量大時(shí)可有效防水。盾構(gòu)隧道消能減震節(jié)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖7 管片接頭張開量包絡(luò)圖

圖8 消能減震節(jié)點(diǎn)布置

3.4 管片在大張開量工況下的接縫防水

3.4.1 防水標(biāo)準(zhǔn)

盾構(gòu)隧道管片最大埋深水頭為39.81 m，水壓值為0.398 MPa，設(shè)計(jì)取0.4 MPa。

正常工況下，按管片錯(cuò)位量8 mm、張開量10 mm設(shè)計(jì)，管片接縫密封墊抗水壓能力應(yīng)滿足2～3倍[11]最大水壓下不漏水要求，抗水壓能力取1.2 MPa。

地震工況下，按管片錯(cuò)位量10 mm、張開量15 mm設(shè)計(jì)，管片接縫密封墊抗水壓能力按照1.2倍水壓設(shè)計(jì)，取0.48 MPa。

3.4.2 防水設(shè)計(jì)

為確保正常工況和地震工況下都能滿足接縫防水要求，管片防水設(shè)計(jì)內(nèi)、外2道截面相同的三元乙丙橡膠密封墊，并對密封墊進(jìn)行一字型、T字型防水試驗(yàn)，滿足大張開量下的防水設(shè)計(jì)要求，接縫防水如圖9所示。

3.5 盾構(gòu)選型

通過對盾構(gòu)隧道穿越地層包括淤泥、淤泥質(zhì)土、砂層、硬巖(飽和抗壓強(qiáng)度123 MPa)的統(tǒng)計(jì)和分析以及考慮可能遇到的未風(fēng)化球體等，并借鑒國內(nèi)外大直徑盾構(gòu)隧道的盾構(gòu)選型經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合蘇埃隧道穿越的地層，推薦選擇壓力控制精度高、具備常壓換刀[12]功能的復(fù)合型泥水盾構(gòu)。

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)可能遇到的難題，盾構(gòu)配置建議見圖10。

圖9 管片接縫防水(單位： mm)

圖10 盾構(gòu)配置建議

3.6 海底硬巖處理

勘察資料顯示，海域主航道下方有3段硬巖凸起，沿線路方向侵入隧道內(nèi)長度分別為45、70、67 m，合計(jì)182 m；硬巖侵入盾構(gòu)隧道內(nèi)的最大高度約6 m；硬巖上方到海底分別是中粗砂、粉細(xì)砂、淤泥混砂、淤泥等，總厚度約23 m；盾構(gòu)隧道頂?shù)胶５拙嚯x約13 m。凸起硬巖分布見圖11。

硬巖為微風(fēng)化花崗巖，塊狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為60%～100%，飽和抗壓強(qiáng)度為123 MPa；微風(fēng)化玢巖巖體完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，飽和抗壓強(qiáng)度為190 MPa。

3.6.1 硬巖凸起段盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)

1)盾構(gòu)掘進(jìn)凸起硬巖段軟硬不均地層時(shí)，下部硬巖掘進(jìn)困難，上部軟土不斷流失，拱頂?shù)貙右滋?/p>

2)刀盤上下受力不均，刀盤易變形，刀具易偏磨。

3)常壓下開艙，掌子面土體自穩(wěn)能力差，易坍塌。

3.6.2 硬巖處理設(shè)計(jì)

借鑒廣州[13]、深圳[14]和臺(tái)山隧道[15]硬巖處理設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，硬巖處理設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

1)從海面下套管向硬巖中鉆孔，鉆孔直徑110 mm，鉆孔完成后安放炸藥，采用隔段放置、引爆，對爆破體縫隙采用袖閥管進(jìn)行注漿填充，注漿材料采用水泥漿，注漿壓力由大到小。海上爆破施工見圖12，硬巖爆破示意見圖13。

2)爆破后巖石粒徑大小要求40～50 cm，爆破體縫隙采用袖閥管深孔注漿封堵。

3)爆破范圍為隧道底下1 m，兩側(cè)各1 m，上部至硬巖頂部，鉆孔平面布置間距1 m，采用梅花形布置。

4)對凸起硬巖上部軟土采用水下旋噴加固，以降低盾構(gòu)掘進(jìn)上軟下硬地層時(shí)發(fā)生上部地層坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。加固范圍如圖11所示。

圖11 凸起硬巖和軟土地層加固(單位： m)

圖12 海上爆破施工

圖13 硬巖爆破示意圖(單位： m)

4 結(jié)論與建議

1)采用“多級分流”理念設(shè)計(jì)的北岸立交，與中山東路、長平東路、天山南路、金砂東路實(shí)現(xiàn)了互通，優(yōu)化了北岸區(qū)域交通組織。

2)選擇“拋石+排水板”方案，解決了海域深厚淤泥地層中的圍堰設(shè)計(jì)，確保了圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3)在管片環(huán)縫大張開量處，設(shè)置消能減震節(jié)點(diǎn)和選擇合理的防水密封墊斷面，確保地震發(fā)生時(shí)隧道不漏水和結(jié)構(gòu)安全。

4)通過對盾構(gòu)隧道穿越地層的統(tǒng)計(jì)和分析，合理推薦盾構(gòu)選型和設(shè)備配置。

5)對侵入隧道內(nèi)的凸起硬巖選擇預(yù)處理爆破和上部軟土加固方案，降低了上軟下硬地層盾構(gòu)掘進(jìn)的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。

6)工程位于8度震區(qū)，抗震減震措施和管片接縫防水設(shè)計(jì)建議進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證模擬地震時(shí)設(shè)計(jì)方案的可靠性和有效性。

7)對硬巖凸起段建議補(bǔ)充勘察，進(jìn)一步確定盾構(gòu)隧道與硬巖的位置關(guān)系，以便采取針對性措施，降低盾構(gòu)通過硬巖段的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。

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Research on Key Technologies for Scheme Design of Su’ai Shield Tunnel in Shantou

WEI Yusheng

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

According to the construction conditions of Su’ai shield tunnel in Shantou, several technical difficulties in engineering scheme design are studied and the solutions are put forward. By adopting the concept of “multilevel shunting”, the traffic connection between the tunnel and the four main roads of the north bank is realized. The design scheme of “drainage board + riprap” is selected for the cofferdam design in the deep sea silt stratum. Rational seismic damping measures are chosen to solve the seismic problems of tunnel structure in 8-degree high-intensity seismic area. The waterproof design of dual gaskets and the gasket cross-section increasing is taken to meet the waterproof requirements of segment joints opening value when earthquake occurs. For complex strata, the suggestions of shield type selection and configuration are put forward. Exploding pretreatment is proposed for the submarine hard rock intruded into the tunnel so as to reduce shield tunneling risk.

Su’ai Tunnel; cofferdam design; multilevel shunting; 8-degree seismic area; waterproof of segment joints; shield type selection; hard rock treatment

2016-11-14;

2017-01-16

魏玉省(1977—)，男，山東菏澤人，2002年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)工作。E-mail： 88936404@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.012

U 459.5

A

1672-741X(2017)02-0200-07