水下交通隧道的線形設計綜述

李冰　肖明光

摘 要：目前，水下隧道施工工法主要有鉆爆法、盾構法、沉管法和堰筑法。文章基于水下隧道的設計，并結合相關工程實例，針對這四種工法的施工特點和運營階段的要求，分別介紹了其平、縱面設計的控制因素和相關要求，給出了各工法平縱設計的推薦參數，可為今后水下隧道的總體設計提供重要參考。

關鍵詞：水下隧道平縱面設計控制因素；盾構法；鉆爆法；沉管法；堰筑法

路線總體的線形設計重要性眾所周知，它是設計成敗的關鍵，是設計的靈魂，文章先介紹水下隧道平縱設計的共性控制因素，再結合各工法的特點單獨介紹其平、縱控制因素。

1 水下隧道平縱面設計共性控制因素

1.1 平面共性控制因素

1.1.1 路線符合國家和所在區域發展戰略，與道路規劃協調一致，充分發揮項目的功能。

1.1.2 充分考慮嚴重影響工程方案實施的建設條件，如工程地質、水文、氣象、潮汐、等因素。水下隧道工程對地質條件比較敏感，有時甚至是決定性因素，始終要把地質條件作為確定路線方案的第一要素，盡量避開水域風化槽和不良地質地段，降低工程風險及造價。

1.1.3 兩端接線方案也是決定路線走向的重要控制因素，接線方案重點研究兩岸的交通疏解及與現有道路的交通組織。

1.1.4 盡量避免與城市其他設施的干擾：區域內其他設施主要是既有道路、既有管網設施、既有建筑物及環境敏感點等。

1.1.5 充分考慮項目建設條件對工程實施可行性和經濟合理性的影響。根據國內外工程建設的技術水平和施工水平，考慮線位區域建設條件對工程技術方案實施階段的影響，保證所選線位在工程上的可實施性。為減小施工難度，降低工程造價，布線時要盡可能考慮施工的要求。

1.1.6 線形順適、連續，在不過多增加投資的前提下，盡量采用較高的技術標準或不設超高的圓曲線，注意指標的均衡與連續。

1.1.7 適當考慮當地人文、景觀、生態環境、地方政府的要求。

1.2 縱斷面共性控制因素

1.2.1 隧道內坡度：最小縱坡不宜小于0.5%，最大坡度一般按4.0%控制，困難情況，經論證可按6%控制。

1.2.2 隧道兩端接線道路路面標高及交通疏解要求。

1.2.3 明挖暗埋段的埋深：明挖暗埋段的埋置深度決定了基坑開挖深度，直接影響支護和開挖工程量，在滿足其他條件下應盡量減小明挖暗埋段的埋深。

1.2.4 考慮到隧道的排水、縱坡可設計為“U”形、“V”形、“W”形。

1.3 平縱方案組合

平縱面組合設計，盡可能使二者的技術指標保持均衡和協調，力求均勻、緩順，避免出現線形方面的突變，使路線與地形、地物、景觀和視覺相協調，以保證舒適、安全的使用功能。按照規范的要求精心設計，避免出現各種不良的線形搭配和組合，以保證良好的視覺效果，提高行車舒適性。

2 盾構法隧道平縱面設計控制因素

盾構法利用盾構機械在地層中開挖，在盾構機殼體內進行襯砌拼裝，再由千斤頂頂進，如此循環，向前延伸。一般適用于土質地層為主的隧道，目前我國已建成的有上海崇明隧道、武漢長江隧道、南京緯七路隧道等，在建的有南京緯三路隧道等。

2.1 盾構平面

考慮盾構隧道施工特點，平面主要考慮因素是：

兩岸盾構始發井與接收井各隧道之間的凈距按0.7～1.0D控制；水中盾構段隧道之間凈距按1.0～1.2D控制；盾構兩端明挖暗埋段盡量減小漸變段長度，減小占地寬度，降低開挖量；盾構隧道平曲線半徑不宜小于50D（D為隧道外徑），并不得采用需加寬的平曲線。

2.2 盾構縱斷面

2.2.1 盾構隧道頂部設置高程：水中段盾構隧道結構頂部高程的確定應同時滿足施工階段和運營階段的要求。施工階段為了保證盾構掘進安全，結構頂高程主要取決于施工階段河床最低高程、保證安全掘進以及滿足施工抗浮要求的最小覆土厚度，一般而言，在水中段高滲透性的粉細砂地層施工，盾構頂部最小覆土厚度要求不小于1.0D，但也有采用0.7D 的成功經驗。因此要求在盾構施工前應對河床面進行量測，如果覆蓋厚度不能滿足其安全推進要求時，需采取安全措施。運營階段為保證結構運營安全，在考慮河床可能沖刷的最大深度、航道通航深度、錨擊入土安全深度等的前提下，覆土厚度應滿足結構抗浮穩定要求。

綜合分析，考慮施工及運營期覆土厚度要求，根據實測沖刷下包絡線及預測設計最低沖刷線標高，計算得到各控制點標高進行縱斷面設計。

2.2.2 盾構進出洞覆土厚度要求：根據盾構進出洞處的周邊環境及工程地質與水文地質情況，并考慮現有施工經驗，盾構進出洞處的覆土厚度宜≥0.5D，且宜處于單一地層中。

2.2.3 水中段：水底控制標高綜合考慮抗浮、施工穩定性、結構承載能力等因素，在深槽處盡量壓低，在淺灘段盡量抬高。

2.2.4 視距檢驗：對隧道內對行車安全不利路段需進行視距驗算。

3 沉管法隧道平縱面設計控制因素

沉管法隧道在水下預先挖掘好溝槽，把在干塢內預制的沉管從制作場地浮運到施工現場，依次沉放在溝槽內并加以連接，然后進行回填覆蓋，從而建成隧道的施工方法。宜選擇在土質地層，水深不大于30m，水流速度不應大于2.5m/s區段上，并應盡量避開陡坡或不穩定的岸線、急彎河道、變遷較大的河床、局部深槽、沖刷嚴重等施工困難水域，目前，我國已建成的有寧波甬江隧道、廣州珠江隧道、上海外環隧道等。

3.1 沉管平面

沉管法隧道左右線位于一個整體結構內，左右線間距小，可利用暗埋段和敞開段漸變為整體式路基形式，平面線位主要受軸線總體走向確定，平面線位宜為直線。

3.2 沉管縱斷面

3.2.1 水中沉管隧道頂部設置高程：沉管方案結構頂部高程主要受運營階段覆土厚度控制，運營階段覆土厚度取決于規劃航道深度和錨擊入土安全深度和設計最大沖刷線以下的抗浮要求，例如，按2.5～5萬噸海輪，其錨重為6～9噸，錨泊深度為0.9～1.4m。在考慮隧道內部結構的自重條件下，滿足抗浮穩定要求的隧道頂部覆土最小厚度為2.0m，分析該河段錨擊深度以及抗浮深度要求，沉管方案結構頂面高程主要受抗浮要求控制。

3.2.2 縱斷面不宜設凸曲線，因為凸曲線不利于沉管隧道防水設計。

4 鉆爆法隧道平縱面設計控制因素

鉆爆法采用人工或機械、在隧道開挖斷面范圍內鉆孔、裝填炸藥、爆破及出渣，形成隧道斷面，然后施作由鋼支撐、錨桿、噴射混凝土及混凝土等組成的支護體系。適用于巖石地層，具有較成熟的施工經驗，我國已建成的水下鉆爆隧道主要有廈門翔安海底隧道、青島膠州灣海底隧道等。

4.1 鉆爆平面

4.1.1 鉆爆隧道宜采用直線或不設超高的平曲線。

4.1.2 平面不得沿斷層走向設置，當避開斷層有困難時，宜調整平面線位，是隧道平面線形垂直或盡可能大的交角通過斷層。

4.2 鉆爆縱斷面

隧道頂部覆蓋層厚度在硬質巖石地段不應小于1.0D（D為隧道開挖跨度），軟質圍巖地段不小于1.5D，當遇斷層破碎帶、風化覆蓋層時，應適當加大隧道埋深。例如，廈門翔安海底隧道最小巖石覆蓋厚度為37.2m（包括18.2m厚強風化和19m厚弱～微風化花崗巖層）。

5 堰筑明挖法隧道平縱面設計控制因素

堰筑明挖法隧道是在水中修建臨時性圍堰，防止水和土進入建筑物的修建位置，在圍堰內排水，形成干法施工環境，開挖基坑，利用明挖順作法修筑隧道。一般適用于土質地層，水深較淺（不宜超過10m），水流流速較慢。目前我國已建成的有南京玄武湖隧道、杭州西湖隧道、蘇州獨墅湖隧道、廈門機場海底隧道等。

5.1 堰筑明挖法平面

堰筑明挖法宜采用直線或不設超高的平曲線。

5.2 堰筑明挖法縱斷面

縱面要求與沉管隧道基本相似，可參考沉管隧道縱面控制因素。

6 結束語

上述為作者的經驗參考值，僅供大家參考，具體設計還需結合每個項目的地形地質條件、水文條件、路線走向和沿線障礙物等因素確定，洞內外平、縱線形應相互協調，并應滿足工程沿線主要控制條件，與兩岸路網連接順暢。

參考文獻

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