吳 強

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

汕頭灣海底隧道于媽嶼島與德洲島之間下穿汕頭灣，為設計時速350 km單洞雙線高鐵海底隧道。汕頭灣海底隧道設計在國內(nèi)外水下隧道、鐵路隧道超大直徑盾構隧道領域實現(xiàn)了多方面突破。其在地質構造復雜性、海水壓力等級、設計及施工難度、運營標準及風險控制等方面均給建設者帶來了挑戰(zhàn)。設計面臨海域高水壓環(huán)境、工程地質條件復雜等多個難題，隧底海水壓力高達0.97 MPa[1]。隧道于8度高烈度地震區(qū)穿越17條斷層破碎帶(其中8條為活動斷層)，對抗震抗斷設計提出了極高挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外在海底隧道設計方面已有較多研究，主要涉及防排水[2-3]，沉管法設計技術[4-5]、海底隧道支護結構安全性研究[6-7]和局部破碎帶下結構穩(wěn)定性[8-9]等。此外，石京偉[10]對翔安海底隧道的風機和豎井等進行研究，提出通風排煙方案；宋超業(yè)等[11]對氯化物對海底隧道支護結構耐久性進行研究，并提出相應的設計方法。

綜上所述，目前海底隧道設計主要集中于某一方面的設計，鮮有海底隧道設計綜合研究。以汕頭至汕尾鐵路汕頭灣海底隧道為工程實例，對隧道平面、縱斷面及橫斷面設計、盾構機整體無損拆解技術、穿活動斷層帶抗震抗斷技術、閾值泄壓限排技術、盾構接縫防水技術、穿越復合地層適應性設計、防災疏散救援設計、隧道全生命周期健康監(jiān)測設計等關鍵技術進行詳細闡述，以期為其他類似水下隧道的設計提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程特點

汕頭灣海底隧道主要特點總結為“一大、三高、六法、八斷裂”?！耙淮蟆睘樗淼啦捎玫亩軜嫏C直徑大，永平號盾構機外徑為14.57 m，為目前鐵路隧道越海領域最大直徑泥水平衡盾構機。三高為隧道面臨高水壓(隧底最大水壓力達0.97 MPa)、高侵蝕性(海域段落氯鹽侵蝕環(huán)境等級L3)和高烈度地震區(qū)(8度地震區(qū))的挑戰(zhàn)。隧道施工工法復雜，采用多種施工工法，分別為礦山法(海域礦山法、陸域礦山法)、盾構法、明挖法、礦山法+盾構空推法。汕頭灣海底隧道經(jīng)過的活動斷裂帶主要為北西向桑浦山斷裂帶。北西向桑浦山斷裂帶由多組斷層組成，包括F5蓮塘—地都斷層(及其次級斷裂F7)、F8～F11南隴水庫—鮀東斷裂帶、F14西坑—長得龍山斷層、F16東山湖—龍坑斷層。隧道需在高水壓環(huán)境下抵御活動斷層蠕動效應及地震工況下的錯動影響[12]。汕頭灣海底隧道平面布置如圖1所示。

圖1 汕頭灣海底隧道平面布置

1.2 隧址地形地貌

汕頭灣海底隧道位于廣東省汕頭市濠江區(qū)和龍湖區(qū)境內(nèi)，線路為北東—北東東走向。隧道進口里程為DK155+159，出口里程為DK164+940，隧道全長9 781 m。隧道穿越丘陵區(qū)、三角洲相沉積平原區(qū)及海灣海積地貌，隧道地質構造及水文地質條件復雜，屬控制性重點隧道工程。隧道進口軌面高程為14.7123 m，出口軌面高程為4.547 m。隧道設“V”字坡，最大埋深約180 m。正洞包括陸域礦山法隧道、海域礦山法隧道、海域礦山法拼裝管片隧道、盾構法隧道、明挖法隧道，并于陸域設1號斜井和2號斜井2座輔助坑道，明挖段設施工豎井1座。

1.3 水文條件

海灣北部即汕頭市區(qū)，地表第四系廣泛發(fā)育，為海陸交互的河流三角洲相；海灣南部為花崗巖分布的丘陵地區(qū)，地表具第四系殘坡積堆積體和塊狀花崗巖分布。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的賦存特征及形成條件，可將測區(qū)地下水劃分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水、塊狀巖類裂隙水及構造裂隙水。

1.4 工程地質條件

2 工程總體設計

2.1 平面設計

線路以R=5 500 m左偏曲線上跨磊廣大道，為避免隧道洞口位置青州鹽場建筑物拆遷，線路由其東側進入隧道；汕頭灣南岸壕江區(qū)山嶺段，隧道西側存在物探揭示花崗巖風化槽，東側有東湖學校、廣東省粵東高級技工學校，同時盡可能避讓龍光地產(chǎn)規(guī)劃地塊，隧道在平面上以“S”彎通過，穿越魯奧路，并在雄雞山水庫以西向北延伸，之后在海灣大橋下游約1 km下穿汕頭灣，于媽嶼島和德洲島之間穿越汕頭灣后設置R=9 000 m左偏曲線，依次在方特歡樂世界西側和中泰立交橋橋孔之間穿越，之后直線向北接入汕頭站。

2.2 縱斷面設計

本隧道內(nèi)設置“V”形坡，線路自里程DK154+972.5上跨磊廣大道后于DK155+159進入隧道，以18.3‰、27.57‰下穿壕江區(qū)汕頭灣南岸山嶺段，以6‰下坡至最低點，依次穿越F0～F7斷層。隧道縱斷面如圖2所示。根據(jù)汕頭灣海底段深槽基巖埋深情況，由覆巖厚度控制，在汕頭灣南岸DK160+850改為15.3‰上坡爬升，綜合考慮滿足汕頭站接入要求、敞開段長度、減小盾構軟硬不均長度及保護中山東路立交等因素，于DK161+750以29‰坡度爬升至DK164+350出隧道，接路基U形槽，海底段依次穿越F8～F16斷層。

圖2 汕頭灣海底隧道縱斷面示意(單位：m)

2.3 橫斷面設計

2.3.1 海域礦山法段橫斷面設計

汕頭灣海底隧道位于高強地震環(huán)境且穿越多條活動斷層，從抗震抗斷角度考慮，圓形斷面較馬蹄形斷面抗震抗斷性能更好。因此，海域礦山法隧道采用圓形襯砌。海域礦山法橫斷面設計如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)行《鐵路隧道設計規(guī)范》規(guī)定[13]，考慮圍巖級別、結構埋深、使用環(huán)境、方便施工及確保防水板鋪設質量、減少仰拱病害等因素，通過分析結構計算結果，并結合工程經(jīng)驗、工程類比，確定海域段隧道復合式襯砌設計參數(shù)，如表1所示。隧道穿越斷層破碎帶，采用超前帷幕注漿和徑向注漿進行圍巖加固及堵水，加固范圍5 m。超前小導管長3.5 m、外徑42 mm，壁厚3.5 mm；拱部140°設置，環(huán)向間距為33 cm。

2.3.2 盾構段橫斷面設計

盾構法隧道采用圓形斷面，鋼筋混凝土預制管片襯砌形式，管片內(nèi)徑12.8 m，凈空有效面積93.2 m2，盾構隧道兩側救援通道寬1 m。盾構段橫斷面設計如圖4所示。軌下結構采用鋼筋混凝土預制中間箱涵+現(xiàn)澆邊涵形式，軌下中間箱涵疏散通道寬4 m(設樓梯處為樓梯兩側各1.4 m)，高2.065 m。

2.3.3 盾構機拆解段橫斷面設計

在滿足盾構機拆解所需施工空間的前提下，為減小施工風險盡可能減少盾構機拆解洞室斷面尺寸并優(yōu)化結構受力條件，經(jīng)結構試算，確定盾構機拆解洞室采用直墻拱形、單層加強初支襯砌結構，斷面尺寸為19.1 m(寬)×24.21 m(高)，縱向(沿線路方向)長30 m?？紤]到盾構機拆解洞室位于高水壓、高烈度抗震區(qū)強震環(huán)境，施工期間盾構機洞內(nèi)拆解完成后，在盾構機拆解洞室內(nèi)現(xiàn)澆受力條件較好的圓形永久襯砌結構，內(nèi)部圓形襯砌結構與盾構機拆解洞室單層初支襯砌結構之間的空間采用泡沫混凝土和C20細石混凝土回填，具體斷面形式見圖5。盾構機拆解洞室施工期間采用“噴射混凝土+鋼架+預應力錨索(錨桿)”單層初支襯砌結構，具體支護參數(shù)見表2。

表2 拆解洞室支護參數(shù)

圖5 盾構機拆解洞室斷面

2.3.4 盾構機空推段橫斷面設計

盾構空推段設置于Ⅱ級圍巖地段，斷面形式為礦山法初期支護+全環(huán)盾構管片雙層襯砌形式。初期支護和盾構管片之間，在拱墻范圍內(nèi)采用豆礫石+非固化瀝青回填，在底拱范圍內(nèi)采用C20細石混凝土回填。該材料彈性模量小，屬于柔性支護，既可吸收地震能量，更有利于適應結構變形。管片拼裝完成后吹填豆礫石，二次注漿采用非固化瀝青充填豆礫石之間的間隙，有效防止管片上浮和下沉等錯臺現(xiàn)象發(fā)生。具體斷面形式如圖6所示。

圖6 盾構空推隧道斷面

3 工程關鍵技術

3.1 高水壓條件下海底超大直徑盾構機整體無損拆解技術

高水壓下管片極易發(fā)生破壞[14]，由于工期制約及工程水文地質、條件限制，汕頭灣海底隧道采用“一頭鉆爆一頭盾構掘進”施工方案，盾構機掘進完成后面臨吊裝拆解及運出難題。既有項目中曾采用盾構脫殼解體運出方案，即將盾構主機外殼留在地下，以盾殼為起吊點將刀盤、主驅動、螺旋輸送機、臺車等進行拆解運送。由于操作空間狹小、盾殼起吊支撐能力有限，拆解過程多為“暴力拆機”，尤其刀盤和主驅動等主要構件將會被零散分割，后續(xù)很難再重復拼裝利用，設備殘值所剩無幾?；谏鲜鼍窒扌?，汕頭灣海底隧道提出了“高水壓條件下海底超大直徑盾構機整體無損拆解”技術創(chuàng)新方案，解決海域及其他長大距離水下盾構隧道領域，水下對接工況中超大直徑盾構拆解困難大、拆解風險高、拆解殘值低的難題。盾構機整體無損拆解技術如圖7所示。

圖7 盾構機整體無損拆解技術

在海底高水壓環(huán)境下開挖設置大跨度拆解洞室，等待外徑14.57 m的超大泥水平衡盾構完成掘進。在有限的空間范圍內(nèi)對盾構設備進行無損拆解及大體積、大質量構件吊裝運輸，最大程度保留盾構機殘值。此次為國內(nèi)外首次提出在海底進行超大直徑盾構機的整體無損拆解方案，與既有“暴力拆機”不同，該方案可100%保留盾構機構件完整性，實現(xiàn)盾構機的重復利用。

3.2 高烈度地震區(qū)活動斷層帶抗震抗斷技術

汕頭灣海底隧道地處8度高烈度地震區(qū)，穿越密集斷層破碎帶及多條活動斷裂帶，并處于高水壓、高侵蝕環(huán)境中，在350 km設計行車時速下，隧道結構抗震抗斷安全性面臨極大挑戰(zhàn)。礦山法隧道段采用加密設置變形縫，并根據(jù)斷層錯動預估量及水頭大小對變形縫進行特殊設計，在保證不發(fā)生涌水、涌泥的前提下，允許更大錯動位移量。斷層破碎帶影響范圍內(nèi)，將“斷面擴大”和“隔離效能”抗斷理念融合，在二襯和初支間設置30 cm厚I型CA砂漿。盾構隧道段采用特殊襯砌環(huán)，對管片接頭形式、接縫連接剛度、接縫防水措施進行特殊設計，實現(xiàn)“小震時管片微錯動—列車運行不限速，大震時接縫小破壞、不涌水—無安全事故”。

礦山法斷層破碎帶影響區(qū)采用超前帷幕注漿措施對地層進行加固，確保圍巖整體性、圍巖和結構耦合變形的同步性。充分發(fā)揮盾構機盾殼注漿優(yōu)勢，結合海面注漿條件，盾構同步注漿采用“高強度-低彈模”注漿材料，在斷層破碎帶范圍內(nèi)形成“緊箍加強圈”和“隔離效能圈”。對650 m范圍內(nèi)40 m深厚淤泥質軟土震陷地層采用“井”字形三軸攪拌樁進行加固。礦山法和盾構法斷層區(qū)加固如圖8和圖9所示。

圖8 礦山法帷幕注漿加固示意

圖9 盾構區(qū)抗震加固示意

3.3 海域段閾值泄壓限排技術

汕頭灣海底隧道海域礦山法段落隧底最大水壓可達0.97 MPa，為目前國內(nèi)最大埋深、最大水壓的海底隧道，超出了國內(nèi)既有工程經(jīng)驗。超高水壓不僅對結構設計強度提出更高要求，引起工程投資的大幅增加；且超高水壓對海域礦山法隧道全包防水體系而言亦是一種極大挑戰(zhàn)。

針對上述問題，基于汕頭灣海底隧道結構計算及洞內(nèi)排水能力，海域礦山法段落采用全包防水設計的前提下，隧底每隔12 m設置1套“閾值控制自動泄壓閥”。當隧道周邊水壓力達到0.5 MPa閾值時，泄壓閥單向開啟將水引排至洞內(nèi)，降低隧道外圍水壓力。目前，國內(nèi)尚無相似案例,在工程實踐中針對海底隧道采用“全包防水+泄壓限排”的設計理念，是對隧道限量排放設計原則的量化和智能自動化探索實踐。

3.4 盾構接縫防水材料技術

傳統(tǒng)盾構管片彈性密封墊由EPDM(三元乙丙橡膠)與遇水膨脹橡膠復合構成。由于遇水膨脹橡膠在海洋鹽性環(huán)境中的膨脹倍率低且反復膨脹易老化，汕頭灣海底隧道創(chuàng)新性地將膨脹性及耐久性更好的高密度遇水膨脹聚氨酯引入接縫防水材料，并通過互咬齒接形式將聚氨酯與三元乙丙橡膠進行結合，克服了以往密封墊兩種材料剝離的弊病，大大提高了彈性密封墊防水耐久性。聚氨酯材料10次凍融循環(huán)后，面層無滲水、開裂、空鼓和剝落，凍融循環(huán)后面層與保溫層的拉伸黏結強度≮100 kPa。

3.5 盾構穿越復合地層適應性設計

汕頭灣海底隧道盾構段采用超大直徑泥水平衡盾構機施工，隧道先后穿越淤泥及淤泥質黏土地層、淤泥與花崗巖軟硬不均地層、軟硬巖軟硬不均地層以及全斷面弱風化花崗巖地層。從變形模量僅為2 MPa的淤泥質極軟地層進入了變形模量為8.37×104MPa的弱風化花崗巖極硬地層。同時，外徑14.57 m的超大直徑盾構機在灘頭地段除連續(xù)穿越軟土震陷地層及粉砂液化地層外，還陸續(xù)近距離下穿或毗鄰穿越泰興路、沈海高速、中泰立交橋、高壓電塔、潮汕美食城、變電站、房地產(chǎn)開發(fā)項目等沿線風險源，存在施工風險[15-17]。

面對超大斷面、超高水壓、地層復雜、環(huán)境嚴苛等諸多挑戰(zhàn)，汕頭灣海底隧道從盾構選型及設備適應性，盾構始發(fā)、到達及拆解，特殊地層(軟土地層、上軟下硬地層、孤石地段)處理，近距離穿越建(構)筑物安全評估及防護等多方面進行了系統(tǒng)研究，形成超大直徑盾構穿越復合地層及復雜風險源的成套適應性設計技術。

3.6 防災疏散救援設計

汕頭灣海底隧道全長9 781 m，由于水下環(huán)境無防災疏散條件，且工法銜接多樣復雜，傳統(tǒng)防災救援設計方案難以滿足安全需求[18-19]，汕頭灣海底隧道進行了針對性優(yōu)化設計，以“安全可靠、技術先進、經(jīng)濟合理”理念將規(guī)范標準、既有工程經(jīng)驗和項目自身特點進行了有機融合。其中，海域礦山法隧道段、盾構空推段、盾構段均采用“軌下敞口形預制結構”作為緊急疏散通道，并在軌下疏散廊道樓梯位置軌道層設置水平滑移門，更好地保障了旅客及維護人員的疏散通行安全。緊急疏散通道如圖10所示。

圖10 緊急疏散通道

3.7 隧道全生命周期健康監(jiān)測設計

海底隧道百年服役期間，地質條件局部惡化、高水壓高侵蝕環(huán)境耦合作用及斷層破碎帶的地震激勵，均可能對隧道結構安全和運營條件帶來持續(xù)性威脅[20-21]。為確保及時發(fā)現(xiàn)潛在危險、準確判斷隧道結構劣化趨勢、科學總結服役性能演化規(guī)律，對汕頭灣海底隧道進行了全壽面周期健康智能監(jiān)測方案設計，包括智能傳感器布設方案論證、無線及5G傳輸方式研究及健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析平臺構建探索等內(nèi)容。系統(tǒng)前端使用Java+css，后臺使用C#.net開發(fā)工具。使用Three庫做動畫開發(fā)，生成javascript用于頁面動畫顯示。

通過永久健康監(jiān)測平臺，可持續(xù)動態(tài)獲取隧道結構應力、變形、裂縫發(fā)展、鋼筋銹蝕程度、軌道平順度、縱向不均勻沉降及地震響應特征等服役參數(shù)，為隧道運營維護、病害整治及設計方案反饋優(yōu)化提供可靠數(shù)據(jù)支撐。隧道永久健康監(jiān)測如圖11所示。

圖11 隧道永久監(jiān)測界面

4 結論

為進一步探究復雜地質條件下的海底隧道設計和施工技術，以汕頭至汕尾鐵路汕頭灣海底隧道為例，對隧道設計及關鍵技術進行了闡述，其中包括盾構機整體無損拆解技術、穿活動斷層帶抗震抗斷技術、閾值泄壓限排技術、盾構接縫防水技術、穿越復合地層適應性設計、防災疏散救援設計、隧道全生命周期健康監(jiān)測設計等關鍵技術，克服了國內(nèi)類似工程經(jīng)驗少，涉及的關鍵技術及難點問題多等難題。可為其他類似水下隧道的設計提供借鑒。