杭州地鐵越江盾構隧道沖刷線下覆土厚度的確定

施振東

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

杭州地鐵越江盾構隧道沖刷線下覆土厚度的確定

施振東

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

杭州地鐵1號線濱江站－富春路站區間盾構施工隧道穿越錢塘江，介紹該區間的縱斷面設計在多個設計階段進行調整的過程，闡述沖刷線下盾構隧道的覆土厚度確定的多種因素，除了要滿足抗浮的要求，還需要滿足縱向計算中接頭張開量的要求，同時還需要注意避開導致較大工程風險的卵石層、下部巖層等較硬土層。介紹越江盾構隧道的沖刷線下覆土厚度情況，以及如何確定越江盾構隧道的沖刷線下的覆土厚度，說明越江盾構隧道的沖刷線下覆土厚度的確定是隧道設計的關鍵技術，需要綜合考慮多個條件，確定合理的縱斷面。

地鐵;盾構;越江隧道;沖刷線;覆土厚度;圓

礫層;線路縱斷面;杭州地鐵1號線

杭州地鐵1號線濱江站—富春路站為穿越錢塘江段的全地下區間。線路出濱江站后，沿江陵路偏東側穿行，穿越錢塘江后沿婺江路穿行，向北接富春路站。根據環控通風系統要求，分別于江南、江北設兩座中間風井。根據規范［1］及給排水系統要求，分別設兩座聯絡通道，其中一處聯絡通道兼作排水泵站。該區間的線路縱斷面設計從可行性研究、總體設計、初步設計一直到施工設計階段，經歷了多次調整，均圍繞沖刷線及沖刷線下覆土厚度這兩個焦點展開了多次論證。

1 工程概況

1.1 地形地貌

杭州市區地處浙西中低山丘陵與浙北平原接壤地帶，其西南部為低山丘陵地形，北、東、南三面為堆積平原。杭州地鐵1號線工程位于低山丘陵與平原交接處，地質條件較復雜。錢塘江為浙江省境內第一大河，河流總體呈西南—北東流向，經杭州后向東入杭州灣海域，隧道區江面寬約1 300 m。兩岸地形平坦，地面高程為6～8 m，西北岸堤頂高程約9.4 m，東南岸堤頂高程約10.0 m。河床高程為－1.186～1.410 m，該河段屬河口段，受潮水和洪水的交替沖刷作用，處于動態變化中。勘探期間水深一般為2.80～4.60 m，受涌潮影響潮差為 2 ～3 m，潮速約為 7 m/s［2］。

隧道工程所在的錢塘江河段因主泓擺蕩，江道很不穩定，曾多次建丁壩進行整治。隧道北岸附近丁壩基本在海塘內，而南岸還有部分壩體殘留在江中。

1.2 工程地質條件

越江隧道位于錢塘江河床下的江中段，隧道頂板埋深為17.5～19.1 m，盾構掘進范圍的主要土層為⑥2層淤泥質粉質黏土、⑨1a層粉質黏土、⑨1b層含砂粉質黏土、○122層細砂、○124層圓礫，除○124層圓礫為Ⅲ級硬土外，其余為Ⅰ級松土，土層差異性大。

1.3 水文地質特征

擬建場地淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土及③1～③8層粉土、粉砂中，由大氣降水和地表水徑流補給，地下水位受季節以及錢塘江地表水的影響較大。根據錢塘江閘口和七堡歷年最高潮水位高程，工程區錢塘江最高設計水位可取8.85 m。錢塘江潮汐水頭最大高差達8.18 m，沖淤積變化厚度差達4.0 m，最高與最低沖刷高差達13.0 m左右，而上部壓力的變化將以附加應力的形式作用于隧道圍壓，若考慮最不利組合，即高潮位、高淤積將形成高壓狀態，低潮位、最低沖刷線處將形成低壓狀態，與陸域區隧道有明顯區別。因此，對于本工程的隧道襯砌強度和以后工程運行沉降問題，需充分考慮上部因潮汐及沖淤而引起的加載卸載的應力變化。承壓含水層主要分布于深部的○141層細砂和○142層圓礫中，水量較豐富，隔水層為上部的淤泥質土和黏土層(⑥、⑨層)。

2 沖刷線

錢塘江發源于安徽休寧縣境內懷玉山主峰六股尖，在浙江省海鹽縣澉浦注入杭州灣，干流長度668 km，流域面積達5.56萬km2，匯水面積達3.13萬km2。其洪汛受梅汛控制，汛期時江水面暴漲，據富春江蘆茨水文站資料統計，錢塘江徑流有明顯的年際和年內變化，其最大年徑流總量為539億m3(1954年)，最小年徑流總量為130億m3(1979年)，多年年徑流量在301億m3左右，實測最大洪峰流量達2.9萬m3/s(1955年)，最小流量為15.4 m3/s(1934 年)［3］。

錢塘江屬感潮型河流，呈不規則半日潮型，水位直接受潮汐影響，變化幅度大，場區地處強潮河口，獨特的地理環境形成了舉世聞名的錢塘江涌潮。據杭州錢塘江四橋上游3.3 km的閘口水文站資料記載，錢塘江歷年最高潮水位為8.11 m(1997年8月19日，85高程)，歷年最低潮水位為1.24 m(1954年8月10日)，多年平均高潮位為4.45 m，多年平均低潮位為3.96 m，多年平均潮差為0.46 m，歷年最大潮差為4.90 m，多年平均漲潮歷時1 h 32 min，多年平均落潮歷時10 h 53 min;據杭州錢塘江二橋下游3.3 km的七堡水文站資料，錢塘江歷年最高潮水位為7.98 m(1997年8月19日，85高程)，歷年最低潮水位為1.26 m(1955年8月14日)，多年平均高潮位為4.44 m，多年平均低潮位為3.75 m，多年平均潮差為0.69 m，歷年最大潮差為4.02 m，多年平均漲潮歷時1 h 25 min，多年平均落潮歷時11 h 1 min。按內插法，鄰近工程場區的錢塘江歷年最高潮水位高程可取為8.06 m。錢塘江百年一遇最高洪水位為8.52 m，300年一遇最高洪水位為8.85 m［3］。

隧道區江面寬約1 310 m，勘探期間水面高程一般為2.80～4.80 m，勘察期間受涌潮影響時，潮差1～2 m。由于水動力條件復雜，錢塘江杭州段河槽極不穩定，歷史上曾形成大沖大淤的變化，年內沖淤特點表現為“洪沖潮淤”，隨著兩岸標準堤防的建成，岸線受到堤塘的限制，目前岸線已經基本趨于穩定。

建設單位委托兩家單位對錢塘江的沖刷情況進行專題研究，采用實測地形分析、臨界理論分析、沉積學的方法、動床數學模型、物理模型試驗這5種方法，綜合分析確定區間隧道通過河段在非常流量(P=0.33%)條件沖刷線的深度。根據《杭州地鐵1號線錢塘江隧道河段最大沖刷深度研究》報告，隧道斷面最大沖刷深度在－12.4～－15.65 m之間，最大深泓靠近江南，該位置為線路縱斷面設計控制點。上述5種研究方法綜合分析認為：區間隧道通過河段位于河口區河段，漲潮流歷時約2～3 h，潮流對沖刷線的影響極為微弱甚至消失，河床面自然最大沖刷由洪水造成。考慮到河床演變和河勢變化的復雜性以及附近丁壩的影響，報告建議最大沖刷深度高程為－16 m，沖刷最深點位置距北岸700～1 200 m。同時，該報告提供了地鐵隧道下穿錢塘江一定范圍內的300年一遇沖刷線，為地鐵隧道設計提供了充分依據。

在實際使用過程中，對于地鐵隧道采用300年一遇沖刷線存在一定的爭議。有專家提出異議，地鐵使用年限為100年，采用300年沖刷線是否適宜，是否應該采用與隧道耐久性相對應的沖刷線標準來進行縱斷面設計。

沖刷線以③7層淤泥質粉質黏土層為頂板，同時，沖刷線是一種由土層剝離形成的凹坑底線的包絡，并不是全斷面的土層剝離。沖刷線標志的是一種土層剝離的極限狀態，現狀江底距離沖刷線較大，約為16 m，因此隧道施工時盾構上覆土層較厚，沖刷線對盾構施工的影響較小。

3 覆土厚度的確定

3.1 總體設計階段

在總體設計階段，按以往的工程經驗，考慮到盾構覆土厚度應盡量為盾構直徑的一倍，同時沖刷線作為一種有可能沖刷到的最低底線，其上的土層都有可能剝離至該線，盾構隧道埋設深度必須在最大沖刷工況下仍能滿足抗浮要求，又同時滿足隧道縱向受力的要求。因此，總體規定線路埋深應以隧道頂距最大沖刷線的最小距離不小于5 m為標準。

3.2 初步設計階段

在2006年的初步設計方案階段，考慮錢塘江江底沖刷的最不利影響后，隧道結構頂面距最大沖刷線最小距離約為3.3 m。抗浮驗算為

但該方案得到了專家的否定，在初步設計的中間成果審查會議上專家提出了意見：優化縱斷面設計，適當加大越江段埋深，線路隧道頂與300年一遇最不利沖刷線的距離要求為6 m。最后根據專家意見，初步設計最終方案將線路隧道頂與300年一遇最不利沖刷線的距離調整為 5.8 m［4－5］。

在飽和軟土地層中，由于隧道沿線地質條件、工程條件、結構形式和施工條件的變化，隧道將在施工階段和長期運營中產生縱向不均勻沉降。因此當荷載或基底地層沿隧道縱向有較大變化時，就需要對縱向強度和變形進行驗算分析。隧道穿越錢塘江，其頂部覆土荷載沿隧道線路變化大，其上覆土層厚度差異較大(最大差值約為17 m)。下臥土層因受水流沖刷、切割作用而不均勻，現有河床與預計沖刷線變化幅度最大處有13.05 m的高差。因此，根據隧道縱斷面形態和河床最大沖刷線的變化情況，取其最不利工況，即最低潮位情況下，采用SAP系列靜力有限元分析程序進行縱向變形分析(見圖1)。

圖1 越江隧道縱斷面

1)計算模型。本次計算采用彈性鉸—梁—地基模型，即襯砌環用梁單元模擬，環間接頭用轉動彈簧模擬，地基用土層彈簧模擬，用該模型求解不但可以得到整個隧道的縱向受力性能，還可以求得隧道襯砌環間的接縫張角，借以評價隧道的縱向穩定性。

2)計算工況及計算參數的選取。根據計算縱剖面的地質條件，隧道上部土層容重根據地質資料取用，上部荷載根據縱剖面采用分段計算。根據線路縱斷面和河床形態，取兩個計算工況。

工況1：現有河床線，河床標高為－2.0～－2.6 m。

工況2：最大沖刷線，隧道斷面最大沖刷深度在－12.4～－15.65 m之間。

計算中錢塘江水位取平均低潮位為3.96 m。螺栓距離管片厚度中心為35 mm，盾構隧道環間轉動剛度按照負彎矩處取值1500 kN·m/rad，正彎矩處取值3000 kN·m/rad［6］。

3)計算結果簡介。經計算，工況1產生的江中隧道最大沉降為31 mm，在江南大堤處相鄰環的差異沉降約2.3 mm，江北大堤處相鄰環的差異沉降約2.2 mm(見圖2(a))，環縫張開量為3.6 mm;工況2產生的江中隧道最大沉降為2.3 mm，在江南大堤處相鄰環的差異沉降約2.8 mm，江北大堤處相鄰環的差異沉降約2.2 mm(見圖2(b))，環縫張開量為4.1 mm。

上述計算結果表明，河床沖刷和下臥層變化對隧道縱向影響可以接受，對隧道縱向影響不太明顯，接縫張開量均小于4.1 mm，相鄰環的差異沉降小于2.8 mm，能夠滿足設計要求。

圖2 隧道縱向沉降曲線(非均勻沉降)

3.3 施工設計階段

在施工圖階段，施工單位對地層進行了補充勘探，探明了下部的○142層圓礫層頂面的精確標高，與地勘報告存在一定的差異。施工中采用的是兩臺863盾構機，刀具均是按照軟土配置，盾構下部需要切削圓礫層約2 m，施工過程中的土層軟硬不均，增加了施工難度，也勢必會造成刀具磨損嚴重，增加了換刀的可能性，在江底換刀施工風險大且會嚴重影響施工進度。

因此，對縱斷面進行了調整，調整后隧道頂部與沖刷線的最小距離為3.6 m。經過縱斷面分析計算，環縫最大張開量達到4.5 mm。設計總體及防水技術要求嚴格控制荷載作用下的接頭張開量(小于6 mm)，但施工階段接頭往往會有一定的張開量，按照盾構法隧道施工質量標準，環、縱縫張開量不能大于2 mm，因此在施工過程中必須精心施工，使張開量盡量控制在1 mm以內，否則在后期運營期間，當沖刷作用產生大卸載、剝離到沖刷線標高時，隧道會產生較多的滲漏，甚至有可能被高水壓擊穿［7］。

減少、控制縱向變形的對策是：將隧道襯砌結構設計成有一定剛度的柔性結構，這樣能通過結構變形調動周圍地層的抗力，減少襯砌彎曲應力。但仍必須有一定的剛度，將結構徑向變形、接縫張角控制在防水措施能適應的范圍內，以減少結構的不均勻沉降。盾構進、出錢塘江時，由于隧道結構上方的土壓力變化較明顯，隧道結構存在一定的縱向變形［8］，因此需在隧道進、出錢塘江的區段設置必要的變形縫，允許其在一定范圍內變形。

越江盾構隧道已經順利貫通，在施工過程中避開了卵石層，施工過程順利。

4 其他工程實施情況

在杭州地鐵2號線錢江路站—錢江世紀城站區間工可階段的縱斷面設計方案中，江中隧道距300年一遇沖刷線(絕對標高－17.7 m)的最小覆土為3 m，以避開粉細砂、圓礫承壓水層，也主要為了降低盾構及聯絡通道江中隧道的施工難度與施工風險。施工設計階段調整為江中隧道距300年一遇沖刷線的距離為4 m。

杭州另外一個工程是公路隧道慶春路越江隧道，該隧道采用外徑為15 m的大盾構管片，但該處預測的300年一遇的沖刷線標高較高(絕對標高為－7 m)［9］。施工圖設計時實施方案為線路隧道頂與300年一遇最不利沖刷線的距離為9.5 m［10］。該處卵石層埋深較深，沒有進入隧道范圍內。

5 結論和建議

1)越江盾構隧道縱斷面設計是整個設計中的重點。除了要滿足抗浮的要求外，還需要滿足縱向計算中接頭張開量的要求，同時還要注意避開導致較大工程風險的卵石層、下部巖層等較硬土層，當無法避開這些土層時，應考慮采用適用于硬土層的盾構機型。

2)雖然對于6.2 m直徑的盾構管片隧道，沖刷線下保留3 m覆土就已經能滿足抗浮要求，但是根據國外的地鐵工程設計經驗，航道處“齒錨入性”(用錨的入土深度衡量)對于隧道的影響較大，隧道抬高后可能會降低使用期間的安全性。海底光纜工程設計規范［11］也主要考慮了齒錨入深度的問題。錢塘江是一個通航河道，河面由窄到寬，多條隧道下穿，很難設立禁錨區，因此隧道頂部覆土在任何情況下都必須確保3 m厚度，并應適當留有富余量。

［1］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［2］浙江華東建設工程有限公司.杭州地鐵1號線Ⅱ標濱江站—富春路站區間巖土工程詳細勘察報告［R］.杭州，2007.

［3］浙江省水利河口研究院.杭州地鐵1號線錢塘江(婺江路)隧道河段最大沖刷深度動床模型試驗研究［R］.杭州，2005.

［4］浙江省水利河口研究院.杭州地鐵1號線錢塘江隧道河段最大沖刷深度研究［R］.杭州，2005.

［5］上海隧道設計院.杭州地鐵1號線一期工程初步設計濱江站—富春路站區間設計［G］.杭州，2006.

［6］蔣洪勝，侯學淵.盾構法隧道管片接頭轉動剛度的理論研究［J］.巖土力學與工程學報，2004(9)：1574 －1577.

［7］上海隧道設計院.杭州地鐵1號線一期工程施工設計濱江站—富春路站區間設計［G］.杭州，2009.

［8］戴小平，郭濤，秦建設.盾構機穿越江河淺覆土層最小埋深的研究［J］.巖土力學，2006，27(5)：782 －786.

［9］中鐵二院工程集團有限責任公司.杭州地鐵2號線工程可行性報告［R］.杭州，2007.

［10］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.慶春路越江隧道施工設計圖紙［G］.杭州，2009.

［11］YD 5018—2005海底光纜數字傳輸系統工程設計規范［S］.北京：郵電大學出版社，2006.

Determination of Thickness of Overburden Layer for Erosion Line of Shield Tunnel Crossing the Qiantang River

Shi Zhendong
(China Railway the 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018)

The shield tunnel construction between Binjiang Railway Station and Fuchun Road station in Hangzhou Metro Line 1 crosses the Qiantang River;the longitudinal section design of the interval was adjusted in various stages of design.The factors affecting the thickness of covering soil erosion line of shield tunnel were illustrated.The design should ensure anti-floating，satisfy the longitudinal calculation joint requirement，and avoid passing gravel layer and lower rock hard soil layer which may cause great engineering risks.The thickness of the overburden layer of the erosion line for the shield tunnel crossing the Qiantang River and the method for determining the thickness are introduced.The technology to determine the thickness is the key factor in tunnel design，which need to take into account many conditions to determine a reasonable vertical section of the line.

metro;shield;tunnel through the river;erosion line;thickness of the overburden layer;gravel soil;vertical section of the line;Line 1 of Hangzhou Metro

U455.43

A

1672－6073(2014)02－0074－04

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.018

2014－01－21

2014－02－26

施振東，男，大學本科，高級工程師，副總經理，長期從事交通土建工程施工的技術管理工作，zhongtieshi@126.com

(

郝京紅)