代坤

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

過江隧道縱斷面關(guān)鍵剖面的最小巖石覆蓋層厚度控制著整條過江線路的最低點(diǎn)標(biāo)高， 直接影響江底隧道的安全與造價(jià)，同時(shí)對(duì)線路的坡度、兩側(cè)車站的埋深及后期運(yùn)營(yíng)的使用功能影響很大。重慶過江隧道的線路標(biāo)高主要受行車允許坡度及隧道洞頂覆巖層厚度影響， 覆巖厚度過小會(huì)增加隧道涌水及隧道失穩(wěn)的概率，從而增加相關(guān)措施費(fèi)用。 增大隧道覆巖厚度則需要增大隧道埋深，使兩側(cè)車站埋深加大，出入口長(zhǎng)度被動(dòng)增長(zhǎng)，服務(wù)水平降低，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用增高。由此可知，過江隧道巖石覆蓋厚度的確定是同時(shí)兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)選問題，是水下隧道設(shè)計(jì)的一個(gè)重要控制指標(biāo)。

關(guān)于水下隧道的研究中，宋超業(yè)等[1]、張克強(qiáng)等[2]、陳心茹等[3]分別采用地質(zhì)分析、工程類比和綜合比選的方法，對(duì)長(zhǎng)大過海地鐵區(qū)間的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，包括工法選擇、斷面設(shè)計(jì)、防排水設(shè)計(jì)、海域復(fù)雜地質(zhì)應(yīng)對(duì)、耐久性設(shè)計(jì)、防災(zāi)通風(fēng)及疏散等進(jìn)行研究分析，總結(jié)了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。陳飛[4]針對(duì)長(zhǎng)沙營(yíng)盤路隧道湘江隧道特殊的地層，采用超前預(yù)注漿加固技術(shù)確保了開挖的安全，并分析總結(jié)了強(qiáng)風(fēng)化板巖、卵石地層注漿堵水技術(shù)。翁賢杰等[5]通過對(duì)隧道開挖過程中滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、隧道涌水量、塑性區(qū)分布等災(zāi)害前兆突變信息的演化規(guī)律進(jìn)行分析，總結(jié)了斷層帶突水突泥臨災(zāi)預(yù)警的相關(guān)技術(shù)。本文結(jié)合重慶快軌一橫線過江隧道具體工程進(jìn)行研究，對(duì)重慶過江隧道的最小覆巖厚度進(jìn)行了分析研究，以期對(duì)后期工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

重慶快軌一橫線線路出站下穿菜園壩立交后向東延伸，于重慶長(zhǎng)江大橋東側(cè)約680～830m 左右穿越長(zhǎng)江（線路走向與重慶長(zhǎng)江大橋基本平行），位于在建重慶軌道10 號(hào)線南紀(jì)門大橋東側(cè)約350m，總圖如圖1 所示。

圖1 總平面圖

1.2 工程地形、水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)長(zhǎng)江地段場(chǎng)地地貌屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌及堆積～侵蝕河谷地貌。 河谷寬約840～880m，地面高程152～169m。 河床寬緩，地形坡角約0°～5°。兩岸階地平緩，地形坡角0°～3°。擬建隧道過長(zhǎng)江段兩處工程構(gòu)造部位地處重慶弧形褶皺束之南溫泉背斜西翼，巖層走向北北西～南南東，巖層傾向105°～125°，傾角一般為5°～10°，層面結(jié)合差，貫通性好，為硬性結(jié)構(gòu)面。 隧址區(qū)的主要地層為砂質(zhì)泥巖，巖體較完整，巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度5.3～7.1MPa，為軟巖，結(jié)合當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)江底穩(wěn)定性水源及透水情況進(jìn)行適當(dāng)折減，巖體基本質(zhì)量等級(jí)可考慮為V 級(jí)。

長(zhǎng)江是重慶市主城區(qū)的過境河流，在該工程擬建區(qū)由北西向南東發(fā)育，河面寬300～850m，三峽水庫(kù)完全投入運(yùn)營(yíng)后，防洪限制水位145m（吳淞高程），枯水季低水位155m（吳淞高程）。

根據(jù)相關(guān)勘察鉆孔水位觀測(cè)、注水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)試驗(yàn)成果可知：工程位于河谷地貌單元中，上部砂卵石層為強(qiáng)透水層，含豐富的孔隙水，滲透系數(shù)K=23.17m/d。沿線素填土層為中等透水層，滲透系數(shù)2.0m/d。 沿線粉質(zhì)黏土層為微透水層， 滲透系數(shù)可取0.16m/d。 中風(fēng)化～微風(fēng)化砂巖為弱透水層， 砂巖的滲透系數(shù)0.095～0.114m/d。 中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖為弱透水層， 滲透系數(shù)可取0.087m/d，微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖為微透水層，其滲透系數(shù)可取0.050m/d。 雖然根據(jù)此次勘察水文試驗(yàn)結(jié)果，巖體為弱透水巖體，但由于基巖裂隙發(fā)育程度不均勻，裂隙貫通性差異也很大，基巖的富水性和透水性規(guī)律難以把握。

1.3 河床演變

（1） 河道條件

工程河段上起菜園壩，下至朝天門，長(zhǎng)約7km。 枯水河寬一般為300～600m，主汛期洪水河寬一般為500～1000m，其中工程部位枯水河寬約400m（Q=2000m3/s），汛期河寬約900m（Q=54500m3/s）。

（2） 河道演變

穿江段位于長(zhǎng)江上游干流， 河段深泓線沿程變化呈鋸齒狀，起伏較大， 多年來河底高程最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值基本在17m 左右，年際間深泓縱剖面有一定沖淤變化，除部分時(shí)段個(gè)別斷面沖淤變化較大外， 一般在1.0m 以內(nèi)， 斷面深泓刷深和淤厚現(xiàn)象并存，該部位近期深泓線變化不大。

綜上所述， 擬建工程部位受河床及河岸邊界的約束較強(qiáng)，河床沖淤變化不明顯，灘槽穩(wěn)定。 根據(jù)Lacey 與謝鑒衡公式計(jì)算結(jié)果，得出當(dāng)長(zhǎng)江遭遇P=0.33%洪水時(shí)，河床最大沖刷深度為3.9m。

1.4 工程特點(diǎn)與重難點(diǎn)

（1） 本地可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)較少，如何選擇安全合理的隧道工法及配套的機(jī)械施工設(shè)備是該工程研究的重點(diǎn)。

（2） 水文條件復(fù)雜，如何確定合理的隧道埋深是該工程研究的重點(diǎn)。

（3） 沿線邊界條件復(fù)雜，隧道工程方案的可實(shí)施性及其對(duì)環(huán)境的影響是該工程研究的重點(diǎn)。

（4） 采取隧道過江，線路展線困難，車站埋深可能較大。 在確保過江段隧道安全施工的前提下，如何通過線站位選擇，優(yōu)化車站服務(wù)功能，是該工程研究的難點(diǎn)。

2 埋深影響因素

與公路、高鐵等過江隧道相比，重慶快軌過江隧道對(duì)其埋深的影響因素有以下幾個(gè)特性：

（1） 隧道斷面

公路過江隧道斷面由于規(guī)劃車道、通風(fēng)及疏散的要求，斷面一般較大；高鐵過江隧道受運(yùn)營(yíng)速度較快、車輛密封、區(qū)間較長(zhǎng)等因素控制，區(qū)間斷面一般比快軌斷面要大。

（2） 縱斷面坡度

最大縱斷面允許坡度不同。 高鐵允許坡度最小，公路與快軌相近，但公路過江段在滿足一定條件下，可適當(dāng)突破規(guī)范要求。

（3） 區(qū)間兩端接點(diǎn)限制

公路隧道過江段兩側(cè)需要與地面順接，對(duì)線路最低點(diǎn)及展線會(huì)有較高的要求；高鐵由于區(qū)間較長(zhǎng)，兩側(cè)車站一般距江邊較遠(yuǎn)，擁有足夠的展線長(zhǎng)度；快軌由于站間距較近，受限于車站埋深，對(duì)過江段隧道的埋深有較大影響。

結(jié)合以上幾個(gè)關(guān)注點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)影響重慶快軌水下隧道最小覆土埋深的因素主要有以下兩方面：

（1） 外因：施工區(qū)地質(zhì)條件、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、巖體構(gòu)造、裂隙發(fā)育情況、巖層隔水性能、水體深度、沖刷深度、抗浮要求、泊錨深度等。

（2） 內(nèi)因：隧道施工方法（主要涉及鉆爆法與盾構(gòu)法，沉管與圍堰由于周邊環(huán)境及水文條件等本次不作研究）、 隧道結(jié)構(gòu)形式及跨度等。

3 重慶一橫線過江隧道最優(yōu)覆巖（土）厚度分析研究

3.1 鉆爆法水下隧道最小覆巖（土）厚度分析研究

江底隧道地質(zhì)調(diào)查較為困難，影響隧道巖石覆蓋厚度取值的不確定因素較多。 由于相關(guān)理論還不成熟，目前常用的設(shè)計(jì)方法主要有工程類比（挪威圖表法、日本經(jīng)驗(yàn)公式、國(guó)內(nèi)頂水采煤經(jīng)驗(yàn)法、隔水巖柱經(jīng)驗(yàn)法）與數(shù)值模擬計(jì)算等方法[6-8]，由于每種方法都有其獨(dú)特的理論和前提條件，使用時(shí)具有一定的局限性，因此應(yīng)根據(jù)隧道地質(zhì)的實(shí)際情況，結(jié)合上述方法，通過綜合比選來確定合適的過江隧道最小覆巖（土）厚度。

（1） 挪威圖表法

挪威積累了大量修建海底隧道的經(jīng)驗(yàn)， 主要根據(jù)巖層性質(zhì)與水深來初步判定隧道的覆巖厚度。 水深與巖石覆蓋厚度大致成正相關(guān)趨勢(shì) （圖2）。 巖體性質(zhì)的好壞對(duì)巖石覆蓋厚度的影響也較大。

圖2 最小巖石覆蓋厚度與海水深度經(jīng)驗(yàn)曲線

通過比選，可以得到挪威經(jīng)驗(yàn)建議的重慶過江隧道巖石覆蓋厚度：

①基巖巖性分析建議值

比較所選剖面的的基巖巖性與挪威已建海底隧道基巖巖性，根據(jù)水深與巖石覆蓋厚度經(jīng)驗(yàn)曲線，得到重慶過江隧道巖石覆蓋厚度值。

②縱波波速分析建議值

比較所選剖面巖性的縱波波速與挪威已建海底隧道的縱波波速，分析得到重慶過江隧道所選剖面的巖石覆蓋厚度。

③基巖埋深經(jīng)驗(yàn)曲線建議值

根據(jù)挪威海底隧道基巖埋深與最小巖石覆蓋厚度經(jīng)驗(yàn)曲線（圖3）， 得到重慶過江隧道所選剖面的最小巖石覆蓋厚度。

圖3 挪威1990年前與2001年前竣工海底隧道最小巖石厚度與基巖深度關(guān)系曲線

（2） 最小涌水量法

在確定的水位下， 結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)條件和隧道開挖斷面形狀， 一定區(qū)域涌水量最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的覆巖厚度即為經(jīng)濟(jì)安全的最小覆巖厚度。

具體公式如下：

式中：k——透水系數(shù) （m/s）；L——隧道計(jì)算長(zhǎng)度（m）；h——巖石厚度（m）；H——水深（m）；r——隧道半徑（m）。

針對(duì)該工程準(zhǔn)備修建的過江隧道， 式中隧道半徑r、 水深H和隧道計(jì)算長(zhǎng)度L是給定的值。因此可以得出最小覆巖厚度的范圍值：

（3） 國(guó)內(nèi)頂水采煤法

過江隧道最小埋深的確定與煤礦安全開采上限的確定相似。 最小覆巖層厚度應(yīng)該大于裂隙帶的厚度和保護(hù)層厚度之和（圖4），具體公式如下：

式中：H——最小覆巖厚度；a——表面裂隙深度（巖層經(jīng)驗(yàn)值取10～15m）；s——保護(hù)層厚度；h——爆破擾動(dòng)厚度 （導(dǎo)水裂隙帶厚度， 可取100R，R 為炮孔半徑）。

圖4 頂水采煤法剖面示意圖

保護(hù)層厚度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：h1——水頭高度（m）；h2——坑道寬度（m）；f——普氏強(qiáng)度。

（4）隔水巖柱法

根據(jù)國(guó)內(nèi)水下隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析， 總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：hr——隔水巖柱高（m）；hp——保護(hù)層厚度（m），一般大于10m；f——巖石硬度系數(shù)；B——隧道開挖寬度；H——隧道開挖高度；θ——巖石內(nèi)摩擦角。

其中需要注意的是，不能將江底的強(qiáng)風(fēng)化帶及裂隙沖積層視作隔水層。 在探明地質(zhì)條件后，該計(jì)算值可作為一定的參考依據(jù)。

結(jié)合重慶快軌一橫線過江隧道的斷面形式、周邊實(shí)際水文地質(zhì)情況等因素，根據(jù)以上工程經(jīng)驗(yàn)法，計(jì)算得出了不同水深情況下鉆爆法過江隧道最小覆巖（土）厚度比選結(jié)果，如表1 所示。

表1 鉆爆法過江隧道最小覆巖（土）厚度比選

綜合比較各種方法的特點(diǎn)及其適用性， 并考慮相應(yīng)工程特有的水文地質(zhì)情況，初步擬定采用日本最小涌水量法，得出的結(jié)果作為重慶一橫線鉆爆法隧道過江時(shí)的最小覆巖（土）厚度。

3.2 盾構(gòu)法水下隧道最小覆巖（土）厚度的確定方法

目前國(guó)際上對(duì)水下盾構(gòu)隧道合理覆蓋層厚度的選取上，并沒有統(tǒng)一的準(zhǔn)則。 通常做法是在工程類比的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)其埋深的可行性進(jìn)行論證。

從目前成功的工程實(shí)踐來看， 去除江底松散透水層厚度，隧道覆蓋層厚度多控制在1～2D 以上（D 為復(fù)合式TBM 直徑），最小的覆蓋層厚度可以在0.6D 左右，甚至更小[9-10]。該工程綜合考慮線位、坡度、江底地形、地質(zhì)、水文條件等因素，最小覆巖（土）厚度初步擬采用1 倍盾構(gòu)直徑。

3.3 抗浮工況對(duì)隧道最小覆巖（土）厚度影響

在考慮最大沖刷深度的前提下，過江隧道覆蓋層厚度應(yīng)同時(shí)滿足施工階段和運(yùn)營(yíng)階段抗浮的安全要求，具體結(jié)果詳見表2。

表2 抗浮計(jì)算結(jié)果

具體公式如下：

式中：G——單位長(zhǎng)度管片自重；G′——內(nèi)部靜荷載；λ——浮力折減系數(shù)；P——隧道側(cè)壁與地層之間的有效摩阻力； Q——隧道上部的荷載：F——每延米隧道結(jié)構(gòu)所受浮力；γF——抗浮安全系數(shù)；R——管片外徑；r——隧道內(nèi)徑；d——隧道覆蓋層厚度；γc——襯砌重度；γ's——土體的浮重度；γg——水的重度。

3.4 其他因素對(duì)隧道最小覆巖（土）厚度影響

（1） 河床沖刷深度

為了確保在河床沖刷深度的最不利條件下，隧道的抗浮和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿足要求，需對(duì)河道的沖淤演變進(jìn)行分析。 根據(jù)當(dāng)?shù)厮馁Y料，河床沖刷深度按長(zhǎng)江沖刷深度3.9m 考慮。

（2） 規(guī)劃航道深度和錨擊入土安全深度

根據(jù)相關(guān)規(guī)劃資料可知， 隧道頂部錨擊安全深度為1.5～2.0m，錨擊深入土安全深度不是控制項(xiàng)。

3.5 初步工法與埋深的選定

在初步確定了不同工法、斷面過江隧道的覆巖（土）埋深后，結(jié)合兩端車站及線路的協(xié)調(diào)優(yōu)化，通過對(duì)比分析，推薦采用雙洞單線盾構(gòu)法進(jìn)行重慶一橫線過江隧道施工， 埋深按沖刷深度下1D 考慮。

3.6 數(shù)值模型分析驗(yàn)算

根據(jù)初步擬定的過江隧道結(jié)構(gòu)形式及合理埋深，利用數(shù)值模擬分析的方法，同時(shí)考慮水下隧道滲流應(yīng)力場(chǎng)與圍巖應(yīng)力場(chǎng)耦合作用的情況， 通過對(duì)隧道施工過程中與運(yùn)營(yíng)期間多個(gè)斷面的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等進(jìn)行分析[11]，從而對(duì)前面初步選定的隧道最小巖石覆蓋厚度做進(jìn)一步的校驗(yàn)和調(diào)整。

由于開挖導(dǎo)致二次應(yīng)力重分布，過江隧道改變了初始地應(yīng)力場(chǎng)的分布及地下水滲流場(chǎng)的分布。 應(yīng)力重分布導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)變化，引起巖體中地下水性態(tài)的改變，而水的滲透力主要以靜水壓力（表面力）和動(dòng)水壓力（體積力）兩種形式表現(xiàn)，兩種力疊加作用的結(jié)果則使局部巖體引起劈裂擴(kuò)展、剪切變形和位移，增加巖體的孔隙度和連通性，進(jìn)一步改變巖體的滲透性能，最終影響巖體的穩(wěn)定性。 該工程過江隧道穿越地層主要為中風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化砂巖， 地下水賦存于砂巖層的裂隙之中， 滲透性以中等透水和弱透水為主， 結(jié)合周邊軌道橋的相關(guān)資料， 對(duì)過江盾構(gòu)隧道進(jìn)行整體建模分析， 模型如圖5 所示。

圖5 過江隧道與周邊橋樁模型圖

由模型分析結(jié)果可以看出：（1）在隧道開挖之前，地下水保持平衡狀態(tài)， 主要以靜水壓力的形式存在。開挖過程中，由于隧道洞周產(chǎn)生新的透水邊界，理論水壓力值為0，地下水開始向開挖邊界處流動(dòng)， 隨著開挖工序全部完成及滲流時(shí)間的增加，地下水的狀態(tài)發(fā)生較大的變化，在隧道周圍較大范圍內(nèi)形成新的水壓力區(qū)，洞周水壓力逐漸穩(wěn)定。 經(jīng)過與開挖引起的巖體應(yīng)力重分布區(qū)比較，水壓力變化引起的應(yīng)力重分布區(qū)比開挖導(dǎo)致的圍巖二次應(yīng)力重分布區(qū)范圍大，由此可知，滲流效應(yīng)引起的隧道承受水壓力的變化對(duì)水下隧道結(jié)構(gòu)受力影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意該方面的影響。 （2）水壓力在隧道結(jié)構(gòu)的受力荷載中占比較大，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)彎矩、壓力、剪力值影響十分明顯，由于隧道結(jié)構(gòu)按壓彎構(gòu)件考慮，因此隨著水壓力的增大，結(jié)構(gòu)配筋不一定線型增大，其并不一定是控制值，但是要注意，水壓力的增大對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度的影響是十分明顯的，不容忽視。 （3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，按前文分析選取的結(jié)合抗沖刷深度等各因素選取的盾構(gòu)法隧道埋深，能夠滿足其結(jié)構(gòu)受力要求，施工風(fēng)險(xiǎn)可控。

4 結(jié)論與建議

（1） 過江隧道設(shè)計(jì)的最小埋深要根據(jù)隧址區(qū)巖體的性質(zhì)、隧道施工工法、隧道斷面形式、水體深度、沖刷深度、抗浮要求、泊錨深度等因素綜合分析研究，并最終通過考慮滲流應(yīng)力等因素的數(shù)值模擬驗(yàn)算方能確定。

（2） 過江隧道的縱剖面設(shè)計(jì)應(yīng)在不突破隧道最小埋深的前提下，綜合考慮兩端車站的埋深及線路縱剖極限值等情況，對(duì)線路縱斷面進(jìn)行擬合調(diào)整，并最終確定軌道過江隧道的覆巖（土）埋深。

目前，重慶主城沒有交通過江隧道的實(shí)施案例，水文、地質(zhì)以及河床沖刷專題研究成果等基礎(chǔ)性研究資料不完善，工程實(shí)施安全風(fēng)險(xiǎn)較大，埋深選取問題還需在后期的工程實(shí)踐中不斷積累與總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。