宋超業(yè)， 賀維國， 吳釔君

(1. 中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300133；2. 天津市隧道設(shè)計及安全評估企業(yè)重點實驗室， 天津 300133)

0 引言

我國河網(wǎng)密布，湖泊、海峽、海灣眾多，內(nèi)地河流總長達43萬km，長度在1 000 km以上的河流有20多條； 全國天然湖泊約3 000個，總面積超過68 000 km2； 遼寧與山東、大陸與臺灣、廣東與海南分別由渤海海峽、臺灣海峽、瓊州海峽分割?！笆濉逼陂g，我國計劃鐵路投資3.5萬億元，水下鐵路隧道的需求將越來越多[1]。國外發(fā)達國家早在20世紀(jì)30年代就開始修建海底隧道，例如日本關(guān)門海底鐵路盾構(gòu)隧道。典型工程英法海峽隧道長49.2 km，丹麥大海峽工程長7.9 km，均是采用雙管直徑8.5 m圓形斷面的鐵路隧道[2-3]。進入21世紀(jì)，過海隧道在我國得到了快速發(fā)展，在盾構(gòu)法水下隧道修建方面積累了大量經(jīng)驗。廣深港高鐵獅子洋隧道長10.8 km，首次采用了盾構(gòu)“相向掘進、地中對接、洞內(nèi)解體”技術(shù)[4]； 汕頭海灣隧道、深茂鐵路珠江口隧道和廈門軌道交通3號線過海隧道等[5-6]目前正在建設(shè)中。針對長大過海盾構(gòu)隧道工程在方案論證、水壓力計算等設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)、盾構(gòu)選型和掘進技術(shù)等方面研究成果較多[7-11]。但由目前的研究和實踐可知，壓力超過0.6 MPa時盾構(gòu)換刀就需要采用風(fēng)險和造價都很高的飽和惰性氣體法進艙，給盾構(gòu)法施工帶來巨大挑戰(zhàn)。擬建的瓊州海峽通道、渤海海峽通道等跨海通道將面臨超長距離、超高水壓隧道掘進安全等技術(shù)的重大突破[12-13]。本文結(jié)合規(guī)劃的瓊州海峽鐵路隧道工程，介紹高水壓長距離過海盾構(gòu)隧道關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)，以期為擬建瓊州海峽鐵路隧道工程提供技術(shù)儲備。

1 瓊州海峽鐵路隧道方案

根據(jù)國家鐵路局科技研究計劃，瓊州海峽鐵路通道采用中線盾構(gòu)隧道方案過海，線路全長61.95 km，隧道長30.1 km，過海段長度約為22.4 km，結(jié)構(gòu)最大水壓約為1.21 MPa。最大水深約為80 m，最大覆土厚度約為93.3 m，水深大于50 m的地段長約12.3 km； 靠海南岸有陡坎，高差約65 m。瓊州海峽鐵路隧道中線盾構(gòu)方案縱斷面見圖1。

海峽地區(qū)地層巖性為第三、四紀(jì)海相沉積，上部為黏土、黏土夾砂或粉土互層，下部為厚層狀黏土及粉砂質(zhì)土的互層，300 m深度處未見基巖。

圖1 瓊州海峽鐵路隧道中線盾構(gòu)方案縱斷面圖

隧道橫斷面采用雙洞+中間服務(wù)隧道方案布置(見圖2)，采用聯(lián)絡(luò)通道連接，線間距為60 m。隧道凈空有效面積為69 m2，滿足200 km/h客運專線兼顧雙層集裝箱運輸鐵路隧道凈空有效面積的標(biāo)準(zhǔn)，擬定隧道內(nèi)徑為9.4 m，管片厚度為600 mm，內(nèi)部現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌厚度為250 mm，外徑11.1 m。

圖2 盾構(gòu)隧道橫斷面圖(單位： mm)

采用資料調(diào)研、理論研究、數(shù)值模擬及專家咨詢的方法，結(jié)合建設(shè)方案開展了隧道建設(shè)和運營期間8個方面的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括超高水壓、防災(zāi)疏散、抗震分析、耐久性設(shè)計、海中對接、聯(lián)絡(luò)通道、背負式運營和工程風(fēng)險評估等。綜合分析表明，決定方案可行性的核心問題就是如何應(yīng)對超高水壓。瓊州海峽中線盾構(gòu)方案隧道最大埋深達到121 m，最大水深約80 m，盾構(gòu)獨頭掘進長度為12 km，遠遠超過目前國內(nèi)所有水下隧道。首先是超高水壓(水頭高120 m)下盾構(gòu)施工階段問題，包括盾構(gòu)密封、刀具更換、超長距離盾構(gòu)掘進等； 其次是超高水壓下盾構(gòu)隧道運營服役問題，包括管片結(jié)構(gòu)受力和接縫防水等。本文結(jié)合類似工程實例，研究提出實現(xiàn)盾構(gòu)高水壓長距離安全掘進和正常服役關(guān)鍵技術(shù)的可行的解決途徑。

2 高水壓盾構(gòu)隧道工程案例

2.1 廣深港客運專線獅子洋隧道

獅子洋隧道全長10.8 km，其中，盾構(gòu)段長9.34 km,為雙管單線隧道，外徑為10.8 m，其縱斷面如圖3所示。該隧道穿越珠江入?？诘莫{子洋，河面寬6.1 km，結(jié)構(gòu)承受最大水壓約0.67 MPa。盾構(gòu)隧道大部分處于微風(fēng)化砂巖、砂礫巖中。

2.2 蘇通GIL綜合管廊隧道

全長5.5 km，管廊直徑11.6 m，主要穿越砂層，結(jié)構(gòu)承受的最大水壓約0.8 MPa，采用1臺盾構(gòu)獨頭掘進。2017年11月30日成功穿越江底深槽陡坡段，穿越過程中最大切口壓力達到0.84 MPa，底部壓力達到0.98 MPa，創(chuàng)造了國內(nèi)盾構(gòu)施工壓力新記錄。

2.3 土耳其博斯普魯斯海峽公路隧道

隧道為跨越博斯普魯斯海峽的第1條公路隧道，縱斷面如圖4所示。該公路隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)直徑為13.66 m，盾構(gòu)隧道長3.34 km，最大水壓力為1.06 MPa，理論上盾構(gòu)最大可承受1.3 MPa的水壓力，設(shè)計抗震級為里氏7.5級。

圖3 廣深港客運專線獅子洋隧道縱斷面圖

圖4 土耳其博斯普魯斯海峽公路隧道縱斷面示意圖

2.4 丹麥斯多貝爾特鐵路隧道

斯多貝爾特鐵路隧道工程是連接?xùn)|西丹麥的一條由橋梁和隧道組合而成的通道，隧道全長8 025 m，主要穿越冰磧物黏土層及泥灰?guī)r層。隧道采用雙洞單線斷面，外徑8.5 m； 隧道穿越海域最大水深55 m，結(jié)構(gòu)承受最大水壓約0.75 MPa； 施工過程中在隧道軸線上進行了大規(guī)模的降水，孔隙壓力降至0.3 MPa以下。丹麥斯多貝爾特鐵路隧道平面如圖5所示。

2.5 米德湖取水隧洞(敞開TBM+泥水盾構(gòu))

美國拉斯維加斯米德湖(Lake Mead)取水工程由豎井、引水隧洞和入水口組成。3#引水隧洞位于豎井底部，長約4 600 m，開挖直徑7.2 m。引水隧洞穿越硬巖與礫石交替地層以及斷裂帶，結(jié)構(gòu)承受最大水壓約1.20 MPa，盾構(gòu)設(shè)計靜水壓為1.7 MPa，于2014年底建成。

圖5 丹麥斯多貝爾特鐵路隧道平面示意圖

Fig. 5 Schematic of The East Tunnel of The Great Belt Fixed Link in Denmark

從上述世界海底盾構(gòu)隧道工程案例可以看出，目前在高水壓方面結(jié)構(gòu)承受的最大水壓國內(nèi)為0.8 MPa、國外為1.2 MPa； 在長距離掘進方面英法海峽隧道單臺TBM最大掘進長度為18.5 km，上海長江隧道盾構(gòu)一次推進長度約為7.6 km。對比瓊州海峽隧道的主要參數(shù)可知，中線盾構(gòu)隧道方案中水壓和掘進長度指標(biāo)處于國內(nèi)最高和世界前列，但經(jīng)過一定的技術(shù)攻關(guān)是可以實現(xiàn)的。

3 高水壓盾構(gòu)施工措施

3.1 盾構(gòu)選型及掘進

1)考慮將隧道埋置于合適地層，隧道埋深選擇位于粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土間夾粉砂地層(見圖1)，地層滲透系數(shù)為4×10-9m/s； 2)選擇加氣式泥水平衡盾構(gòu)； 3)采用高質(zhì)量泥膜形成技術(shù)，泥漿質(zhì)量和配比通過試驗確定； 4)設(shè)定合理的掘進支護壓力，刀盤前方的水壓力與主動土壓力之和根據(jù)潮汐修正。采取上述措施保證盾構(gòu)在高水壓狀態(tài)下順利掘進。

3.2 盾構(gòu)密封止水技術(shù)

1)主軸承密封。盾構(gòu)主軸承密封建議采用高硬度值的密封圈，使用帶楔形突起的唇形密封圈組合密封結(jié)構(gòu)，并對所選用的密封圈進行高壓條件下的疲勞測試和耐壓性能測試。國外盾構(gòu)最大設(shè)計承受水壓已達1.7 MPa。

2)盾尾密封。①采用4道以上的鋼絲刷密封，并在盾尾增設(shè)1道膨脹應(yīng)急密封系統(tǒng)。②定期檢查更換盾尾密封刷，保證注脂壓力。

3)設(shè)置盾尾冷凍裝置，以方便安全更換盾尾密封刷。盾尾刷工作壽命一般為2.5～3.0 km，預(yù)計有2～4次盾構(gòu)尾刷更換工作。

3.3 海底盾構(gòu)換刀技術(shù)

隧道不設(shè)置海中豎井，需解決長距離高水壓下盾構(gòu)掘進過程中的換刀問題。常用的幾種換刀方式：

1)開艙常壓換刀技術(shù)，適應(yīng)于硬巖或加固后具有良好自穩(wěn)性與隔水性的地層。

2)帶壓進艙換刀技術(shù)，適應(yīng)于各類軟弱地層，單次作業(yè)時間受限，工效較低。

3)減壓限排換刀技術(shù)，適應(yīng)于弱透水、具有部分自穩(wěn)性的地層。

4)飽和氣體帶壓進艙換刀技術(shù)，適應(yīng)于各類軟弱地層，作業(yè)連續(xù)。

5)基于換刀裝置的常壓換刀技術(shù)，能更換35%～40%的刀具。

對于帶壓換刀，水壓為0～0.24 MPa時，采用壓縮空氣帶壓進艙； 水壓為0.24～0.60 MPa時，采用專業(yè)潛水員混合氣常規(guī)潛水； 水壓在0.60 MPa以上時，采用配置減壓艙或轉(zhuǎn)運艙的飽和潛水作業(yè)。針對瓊州海峽跨海隧道工程具體情況(穿越的地層穩(wěn)定性較差; 水下進行作業(yè)很難實現(xiàn)盾構(gòu)換刀前局部區(qū)域的土體加固; 需要抵抗的水壓大)，主要考慮以下解決思路。

3.3.1 主動換刀技術(shù)

隧道主要穿越粉質(zhì)黏土地層，此類地層對刀具磨損程度小。根據(jù)國際上長距離盾構(gòu)刀具磨損經(jīng)驗可知，刀具磨損量

式中：K為磨損系數(shù)，淤泥或黏土地層中K約為0.001 5 mm/km，砂土地層為0.007 mm/km；D為刀盤切削直徑，m；L為盾構(gòu)掘進距離，km；N為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；v為盾構(gòu)設(shè)計推進速度，mm/min。

刀具允許磨損量S為20 mm(外周刀具為40 mm)，計算得到在黏土地層中不換刀掘進距離為14.7 km，砂土地層為3.2 km。

根據(jù)上述分析和類似工程施工換刀參數(shù)(見表1)，結(jié)合地層情況沿隧道軸線平均間隔2.0 km設(shè)置1個換刀點，海域共設(shè)置10個，提前采用凍結(jié)或注漿進行加固，主動進行計劃性換刀檢修。

表1 類似工程施工換刀參數(shù)

3.3.2 減壓限排換刀技術(shù)

目前工程的水頭壓力達1.2 MPa，帶壓換刀只能采用飽和潛水作業(yè)，效率較低且投入大。隧道穿越的粉質(zhì)黏土地層滲透系數(shù)為4×10-9m/s，提出弱滲透地層水下隧道減壓限排換刀方案，見圖6。

圖6 水下隧道減壓限排換刀方案

Fig. 6 Scheme of cutting tool replacement under reduced pressure and limited slurry releasing condition

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，隨著壓力增大，掘進面的滲水量顯著減小。處理基本思路是采用水泥砂漿或衡盾泥填艙，通過盾體上的超前注漿孔加固地層，在工作面建立較低的平衡壓力，允許地下水滲水艙內(nèi)采用封閉的管道泵排出。獅子洋隧道進行過大量的減壓限排實踐檢驗，在刀盤前方未處理的情況下，全強風(fēng)化地層掘進壓力為0.32 MPa、進艙換刀壓力為0.22 MPa。當(dāng)艙內(nèi)氣壓上漲時及時調(diào)整氣壓確保開挖面穩(wěn)定。

3.3.3 飽和潛水換刀技術(shù)

與盾構(gòu)施工所需潛水作業(yè)相比，海上潛水面對的環(huán)境更嚴(yán)酷。目前我國300 m以淺大深度飽和潛水技術(shù)的研究應(yīng)用已處于世界先進水平，本工程深度在120 m左右，在此方面海上潛水行業(yè)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全法規(guī)框架已基本構(gòu)建，可供隧道盾構(gòu)施工潛水作業(yè)借鑒。

3.3.4 基于換刀裝置的常壓換刀技術(shù)

水下隧道采用常壓刀盤換刀技術(shù)[14]可以大大降低換刀風(fēng)險、提高效率，目前實現(xiàn)常壓換刀刀盤的盾構(gòu)直徑一般在14 m以上(見圖7)，因此，需聯(lián)合裝備制造商開發(fā)直徑11～12 m的盾構(gòu)常壓刀盤換刀技術(shù)。

(a) 常壓換刀操作

(b) 換刀裝置

圖7盾構(gòu)常壓刀盤換刀方式

Fig. 7 Cutting tool replacement under atmospheric condition based on cutting tool replacement device

3.3.5 非常狀態(tài)下被動換刀技術(shù)

海域盾構(gòu)因刀具磨損被困時，可采用海面垂直凍結(jié)加固常壓進艙修復(fù)、相鄰隧道水平凍結(jié)加固常壓進艙修復(fù)等方案，并輔以洞內(nèi)超前孔水平凍結(jié)、常壓進艙、開挖修復(fù)工作室進行修復(fù)作業(yè)。這些方法都有成功的案例，例如海面垂直凍結(jié)加固換刀修復(fù)方案如圖8所示。

綜上所述，在瓊州海峽中線盾構(gòu)方案1.2 MPa的水壓下，結(jié)合穿越地層情況，采用主動換刀方式預(yù)設(shè)換刀點，采用研制的常壓刀盤實現(xiàn)常壓或減壓限排換刀，輔助飽和潛水帶壓換刀，可以實現(xiàn)盾構(gòu)刀具更換，保證其長距離和高水壓狀態(tài)下順利掘進。非常狀態(tài)下可以采用海面垂直或水平凍結(jié)加固被動換刀修復(fù)的方案使盾構(gòu)脫困。

圖8 海面垂直凍結(jié)加固換刀修復(fù)方案

Fig. 8 Vertical freezing reinforcement for cutting tool replacement

3.4 超長距離盾構(gòu)掘進

1)刀具布置優(yōu)化，是決定長距離掘進的關(guān)鍵。采取刀具段差式布置、超硬重型主刀頭、互換性刀具設(shè)計、伸縮刀具等措施可以延長刀具掘進壽命。

2)增強刀具耐磨性。通過對砂卵石和黏土地層刀具切削機制和地層適應(yīng)性的研究，可采用“減小前角、加大后角、增大合金、鈍化刀刃”方法改進材質(zhì)耐磨強化，采用碳化鎢刀具。南京緯三路過江通道大直徑盾構(gòu)連續(xù)在砂卵石、黏土粉砂層掘進2 580 m未更換刀具。

3)常壓下磨損檢查換刀作業(yè)、高壓換刀作業(yè)的保駕護航。常壓換刀的成功實施、盾構(gòu)刀具適時檢測和更換技術(shù)的建立，使得超長隧道的掘進成為可能。

4)盾尾密封可更換。盾尾設(shè)置多道密封體系，需要時密封刷采用液氮凍結(jié)法或注漿加固實施更換。

3.5 海底隧道聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)

聯(lián)絡(luò)通道施工優(yōu)先選擇泥水平衡頂管施工法(見圖9)，必要時結(jié)合凍結(jié)止水加固。降低富水地層聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險，實現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)的通道建設(shè)。

結(jié)合運營防災(zāi)分析，盡量加大聯(lián)絡(luò)通道縱向間距至1 000 m以上，以減少聯(lián)絡(luò)通道個數(shù)。

圖9 聯(lián)絡(luò)通道泥水平衡頂管施工法

Fig. 9 Construction of cross passage by means of pipe jacking method

4 高水壓管片結(jié)構(gòu)

4.1 計算分析

隧道襯砌水荷載計算方法主要包括折減系數(shù)法和理論解析法。水頭折減系數(shù)β為一綜合性指標(biāo)，其包括外壓力傳遞過程中受阻的水頭損失系數(shù)、考慮水壓作用面積減小的面積系數(shù)和反映排水壓情況的系數(shù)。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，β取0.2～1.0[15]。對于中線盾構(gòu)隧道，結(jié)構(gòu)水頭為121.4 m，海底覆土41.3 m，采用全水頭計算，不考慮折減。盾構(gòu)管片受力分析采用梁-彈簧模型分析方法，可以考慮各類結(jié)構(gòu)位置與剛度、錯縫時的環(huán)間相互咬合效應(yīng)及隧道與周圍土體的實際相互作用關(guān)系。盾構(gòu)管片內(nèi)力計算主要結(jié)果見表2。

表2 盾構(gòu)管片內(nèi)力計算結(jié)果

通過管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算分析，得到以下結(jié)論：

1)管片彎矩增加值隨水位埋深的增加相對減小，軸力與水位埋深呈線性增加。水下隧道管片的受力和配筋受水位埋深的影響需要綜合考慮，并非水位埋深越大配筋越多。高水壓結(jié)構(gòu)管片受力采用目前的高強混凝土管片和配筋手段可以解決。

2)管片軸力隨水位埋深的增加而增大，高水位埋深的管片軸力較大，容易造成接頭的損壞，需要注意管片的接頭樣式和可靠性。

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)類型

在海洋腐蝕環(huán)境下，周邊大量地下工程在使用過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，例如： 深圳前海灣隧道管片連接螺栓銹蝕情況嚴(yán)重； 青島膠州灣隧道內(nèi)部分設(shè)備腐蝕嚴(yán)重(見圖10)。單層管片襯砌的錯臺和漏水等加劇了結(jié)構(gòu)性能劣化問題。

(a)

(b)

日本在高速鐵路、城市干道、城市地鐵以及輸水隧洞中較早應(yīng)用雙層襯砌。雙層襯砌具有密閉抗?jié)B效果好，提升隧道縱向剛度，增強隧道應(yīng)對撞擊、爆炸、火災(zāi)等意外情況的優(yōu)點。因此，推薦采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，其中，外層采用管片襯砌，按照單獨承載結(jié)構(gòu)進行設(shè)計； 內(nèi)層襯砌結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土或其他專用材料，作為安全儲備。采用高強高性能混凝土提高管片本體耐久性和抗壓能力； 內(nèi)層襯砌設(shè)置排水系統(tǒng)，按承受折減水壓力復(fù)核。

4.3 盾構(gòu)隧道接縫防水

接縫防水采用外側(cè)海綿橡膠+2道彈性密封墊+內(nèi)側(cè)密封封堵的方式，如圖11所示。管片外側(cè)防水綜合考慮管片涂層和管片后注漿進行材料研發(fā)，改善隧道外側(cè)防水效果； 設(shè)置內(nèi)層襯砌加強防水。防水構(gòu)件的關(guān)鍵在于彈性橡膠密封墊能夠承受高水壓。對于密封墊，應(yīng)采用計算分析結(jié)合試驗驗證的方法進行設(shè)計。

(a) 壓縮狀態(tài) (b) 未壓縮狀態(tài)

圖11盾構(gòu)管片接縫防水方案圖

Fig. 11 Waterproofing of segment joints

結(jié)合中線隧道方案的設(shè)計參數(shù)，通過彈性密封墊的室內(nèi)試驗和有限元計算，選擇合適的斷面和構(gòu)造，應(yīng)保證水壓最大處接縫在環(huán)縫張開量3.6 mm、水壓力2.52 MPa作用下不漏水； 同時，開展密封墊應(yīng)力松弛和蠕變試驗及數(shù)值分析，要求密封墊應(yīng)力松弛小、抗蠕變性能佳，保證接縫的長期密封效果。

5 結(jié)論與建議

以瓊州海峽為代表的長大過海隧道采用盾構(gòu)法實施技術(shù)可行的關(guān)鍵在于克服高水壓和長距離掘進。本文采用工程類比、施工階段關(guān)鍵技術(shù)分析的方法，對高水壓長距離過海盾構(gòu)隧道關(guān)鍵技術(shù)的可行性進行了分析。

1)根據(jù)世界海底盾構(gòu)隧道工程案例，對比瓊州海峽隧道的主要參數(shù)，中線盾構(gòu)隧道方案水壓和掘進長度指標(biāo)處于國內(nèi)最高和世界前列。

2)高水壓盾構(gòu)施工措施解決的關(guān)鍵包括盾構(gòu)選型及掘進、盾構(gòu)密封止水技術(shù)、海底盾構(gòu)換刀技術(shù)、超長距離盾構(gòu)掘進和海底聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)等。

3)高水壓盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)采用雙層復(fù)合式結(jié)構(gòu)，接縫防水采用外側(cè)海綿橡膠+2道彈性密封墊+內(nèi)側(cè)密封封堵的方式，是運營階段盾構(gòu)襯砌應(yīng)對高水壓力的有效措施。

4)在瓊州海峽中線盾構(gòu)方案1.2 MPa的水壓下，采用主動換刀方式預(yù)設(shè)換刀點，結(jié)合研制常壓刀盤實現(xiàn)常壓或減壓限排換刀，輔助飽和潛水帶壓換刀，可以實現(xiàn)盾構(gòu)刀具更換，保證其長距離和高水壓狀態(tài)下順利掘進。非常狀態(tài)下可以采用海面凍結(jié)被動換刀修復(fù)方案使得盾構(gòu)脫困。

高水壓海底隧道的建設(shè)風(fēng)險巨大，本文探討的技術(shù)問題還需要在今后的實踐中驗證和總結(jié)。鐵路隧道建設(shè)工作者們還需要進一步深化鐵路隧道修建的基礎(chǔ)理論研究，在跨海通道盾構(gòu)隧道方面開展理論研究和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，完善中國鐵路隧道修建技術(shù)體系。