大直徑盾構海底隧道設計與施工

□文/趙軍 楊貴生 楊毅秋

大直徑盾構海底隧道設計與施工

□文/趙軍 楊貴生 楊毅秋

文章以實際工程為例，介紹大直徑盾構海底隧道設計、施工關鍵技術。通過理論分析和工程類比，確定安全合理設計方案。通過實踐證明該方案有效地解決了海底隧道相關技術難點，施工風險得到有效控制。

海底隧道；大直徑；盾構

1　工程概況

廣州臺山核電站位于珠江八大口門的崖門和虎跳門出口黃茅海西側，核電站需要的循環冷卻水在大襟島南側取得，通過1、2號機組取水隧道穿越海底引入核電廠區。兩條取水隧道平面軸線均為直線，隧道中心間距29.2m，建筑長度4.3km/條，見圖1。該隧道穿越地層復雜，兩座隧道共有4處土石分界，需采用鉆爆法和盾構法相結合的施工方法，以適應不同的地層條件。海底段隧道總長度約8 km，需采用大直徑盾構長距離掘進。隧道進出口段穿越硬巖，采用鉆爆法施工、盾構法襯砌的施工方法通過。該工程技術難度高，地質條件復雜、施工方法多樣且銜接復雜、長距離高水壓下掘進，是富有挑戰性的工程。隧道兩側部分巖石段采用鉆爆法施工，其余段采用盾構法施工，隧道內直徑7.3 m，外直徑8.7m，采用盾構管片和二次襯砌復合支護結構。

圖1　海底隧道平面

隧道主要穿越粗砂、中砂、細砂、粗砂混粘性土、粉質粘土、粘土及花崗巖和砂巖地層。大襟島側隧道穿越的基巖主要為微風化粉砂巖；在陸域電廠側，隧道穿越的基巖主要為全風化花崗巖、中風化花崗巖層。

地下水主要為海積層孔隙水、殘積層孔隙水和深部基巖風化帶裂隙水。富水砂層可以看成是透鏡體狀的儲水體，與海水無直接聯系。

1號隧道洞身巖石段長度約780 m，土層段掘進長度約3551m，其中有370 m巖石段位于陸域。2號隧道洞身巖石段長度約533.6 m，土層段掘進長度約3 620 m，其中有303m巖石段位于陸域。

2　隧道設計概況

2.1鉆爆法與盾構法施工的段落劃分

鉆爆法與盾構法交界面位于IV級圍巖中，距離IV級圍巖和V級圍巖交界的里程10 m。由于隧道位于海底，采用鉆爆法施工存在極大的工程風險，為確保安全，采用超前地質預報，必要時采用管棚、帷幕等工程措施。陸域側花崗巖地層取芯單軸最大抗壓強度超過160MPa，采用盾構機掘進難度較大，故采用鉆爆法通過該段后，盾構機空推過鉆爆法段落，進行洞內始發。

2.2施工方法的確定

鉆爆法隧道按新奧法原理設計，初期支護采用噴錨支護體系。盾構始發段鉆爆法斷面將采用馬蹄形斷面，斷面尺寸加大至滿足盾構機通過要求。

盾構到達段鉆爆法初支采用圓形斷面，管片外徑8.7 m，盾構直徑約9 m，鉆爆法斷面隧道初期支護凈空選擇9.1 m，底部60°導向平臺凈空加大為φ9.3 m，滿足盾構機通過要求。推薦采用盾構空推鉆爆法段并同步注漿和吹填豆粒石的施工方案，也可在盾構法與鉆爆法交界處就地分解運出洞外方案。

選用復合式襯砌，其中盾構管片內徑7.9 m，由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和4塊標準塊構成。管片襯砌混凝土強度等級C50，抗滲等級為S12。管片寬度1.5m。管片采用通用管片錯縫拼裝、雙面楔形形式，與傳統管片形式相比，通用管片降低模具成本，簡化管片生產、組織，方便掘進過程中的動態調整，成環質量高，止水效果好等優點。

二次襯砌是用混凝土現場澆筑而成，作為對襯砌的補強、防腐、防滲、減糙、修正和校正中心線偏離等所采取的工程措施。輸水隧道要求斷面具有良好的水力特征，為確保設計過水流量及洞內水壓力要求，在盾構襯砌管片的內環上施做隧道的二次襯砌，混凝土等級C40，其厚度為0.3m。

3　隧道施工方案

3.1盾構鉆爆法洞內始發方案

根據詳勘資料和施工過程中的超前地質預報措施，確定采用鉆爆法施工的段落長度。盾構始發和到達在鉆爆法形成的洞室中進行。

鉆爆法需為盾構機空推預留條件，鉆爆法斷面形式一般選擇馬蹄形，初支內輪廓滿足盾構機通過情況下盡量減小斷面尺寸為原則，臺山核電海底隧道初支內輪廓為9.2 m，盾構機直徑9.03 m，經實踐檢驗，通過順利。盾構機空推采用預設混凝土導臺，上至鋼軌，盾構機采用后備千斤頂頂推管片通過，可以達到40 m/d的速度。導臺可設置為整體式，也可在兩拱腳位置設置為縱梁形式，減小工程量。

3.2二次襯砌快速施工方案

由于工期要求，擬采用同步襯砌施工方案混凝土襯砌分上下兩部分進行施工，下部結構施工段高度1.4 m，采用型鋼支架+55型鋼模的立模方式進行澆筑，上部結構施工段高度5.9 m，兩組鋼模臺車進行混凝土的澆筑。

盾構掘進約500m后開始同步襯砌施工，先將掘進時的軌線抬高及調整為四軌三線并改移管線，接著綁扎下部結構的鋼筋，澆筑下部結構混凝土，下部結構往前推進至一段距離后，鋼筋作業臺車進入洞內綁扎上部結構鋼筋，再投入鋼模臺車進行上部結構混凝土施工。如此從后方到前方逐漸形成施工序列：上部結構施工段→下部結構施工段→軌道及管線移改段→盾構掘進段，各段同步前移。

4　工程難點及措施

4.1盾構機選型及主要構件功能

臺山核電海底隧道在始發和到達段都經過巖石地層向軟土地層的過渡，這種復合地層條件對盾構機的要求較高，因此盾構選型至關重要。

土壓平衡盾構在砂層中掘進時掌子面不易穩定，施工過程連續性差，效率低，刀盤與工作面土體摩擦力大，刀具磨損量大，不利于長距離掘進。泥水盾構施工過程連續性好，效率高且刀具在泥水環境中工作，由于泥水的冷卻與潤滑作用，刀具磨損小，有利于長距離掘進。

土壓平衡盾構適用于粘粒含量較高的含水地層，相對于土壓平衡盾構，泥水加壓平衡盾構對土層適應性更強，其中氣墊式泥水加壓盾構能夠更加精確控制掌子面壓力，確保開挖面穩定，更適合在砂層中進行大斷面、長距離掘進，減少刀具磨損等優點。

水下隧洞盡量選用泥水盾構，雖然土壓盾構經過改良加膨潤土（膨潤土最小粒徑5 μm，改良渣土為粘性接近于泥水盾構），但土壓盾構設計時最大壓力一般為300 kPa，允許滲透系數10～5 cm/s以下，水下隧洞出碴水量很大近似于泥漿，需要用石灰摻和，風險較高。土壓平衡有時摻泡沫，泡沫對平衡掌子面沒用，主要是提高渣土和易性，針對粘性較高土層。

由于盾構要穿越掩飾和粗礫砂層，對刀具磨損嚴重，長距離盾構掘進開倉換刀必不可免，綜合經濟和安全考慮最終采用氣墊式泥水加壓平衡盾構。

4.2盾構機對土石交替地層的適應性分析

盾構機是根據施工對象“量身定做”的，盾構機制造所依據的對象，稱之為施工環境，它是基礎地質、工程地質、水文地質、地貌、地面建筑物及地下管線和構筑物等特征的總和。由此可以看出，如果不詳細研究施工環境，也就造不出適應性強的盾構機，也就談不上順利地進行盾構施工。

復合地層軟硬不均，在盾構掘進過程中要通過軟土、含水砂層、殘積土層、全風化巖、強風化巖、微風化巖及中等風化巖塊（球狀風化巖層）等，因此要求復合地層盾構機組能在富水軟弱地層直到硬巖地層（巖石抗壓強度＞140MPa）中開挖隧道并具有較大的適應范圍：在富水軟地層中，要具備保持開挖面穩定的功能；在巖石地層中，要有較強的破巖能力；能保證更換刀具的安全并能快速更換刀具。

復合地層中還會存在具有高粘性土層，這種高粘性土層掘進易在刀盤上形成泥餅，嚴重影響掘進速度，同時也將造成刀盤與開挖面因摩擦產生高溫，因此要求復合地層盾構機要具有防止刀盤上形成泥餅的功能，例如泥餅沖刷系統、調整泥漿密度（泥水盾構）、配備渣土改良系統（土壓平衡盾構機），使其在高粘性土中順利掘進。

復合地層中斷層破碎帶交錯，在富水斷層破碎帶中掘進，要求復合地層盾構機有良好的水密性并具有防噴涌（涌水、涌泥）能力，同時要具有防卡及靈活的姿態調整、轉向糾偏功能。

本工程穿越海底且連續掘進長度較大，屬于長距離施工，因而盾尾密封則作為確保止水性和壽命的重要環節之一。為確保大斷面盾構機的橫穿海底施工的能力及其可靠性，盾尾密封至少應設置4段鋼絲刷。

同時為提高盾尾密封的止水性能和壽命，在鋼絲刷密封部位可使用具有高水壓下性能好干油密封，確保單線長距離挖掘中可以不更換密封。

4.3孤石對盾構掘進影響

隧道洞身范圍有孤石存在的可能。孤石處在砂層及粘土層中，造成地層局部軟硬不均，造成刀具偏磨、卡刀盤等問題，對盾構機刀盤及刀具的損壞非常嚴重，需要頻繁帶壓進倉檢查、換刀，嚴重地影響施工工期，施工費用高。

采用鉆探與物探彈性波CT探測孤石，探明盾構掘進段落中的基巖突起和孤石，對突起基巖和直徑超過1 m的孤石進行爆破處理并進行注漿膠結，以便盾構機通過，該方案在實踐過程中被證明是合理、可行的。

4.4土石分界面盾構掘進控制措施

盾構通過土石分界地層，由于地層的強度不均、地層應力差異對盾構掘進造成影響。解決方法主要通過刀盤特殊性設計，掘進姿態和泥水分離等幾方面控制。

本工程土石分界面存在兩處，分別位于陸域側和大襟島側。陸域側長度約260 m，盾構由花崗巖地層掘進至粉質粘土、砂層。大襟島側長度約80 m，盾構由砂泥巖地層掘進至粘土地層。由于盾構由巖石地段進入軟土地段，需要根據掌子面情況，分段落、分步進行盾構機刀盤刀具的更換，將部分滾刀更換為羊角刀，增加開口率，提高了掘進效率，同時應適當降低泥漿密度，防止結泥餅現象。盾構由軟土進入巖石段，要提前在軟土地段選好換刀地點，將軟土刀具更換為滾刀，同時控制掘進速度、刀盤轉速及推進壓力。

5　結語

臺山核電一期海域取水隧洞由于斷面大、距離長、難度高，被業界譽為“中國越海盾構第一隧”，目前隧洞全部竣工，工程對海底基巖突起和孤石段采取了“海上垂直爆破和地表注漿”施工方案，攻破了泥水盾構施工的“禁區”，為更大的穿越江河湖海施工提供了實戰經驗。針對巖石段的掘進主要遵循“高轉速、小扭矩、大推力”的原則，及時檢查刀盤刀具，根據地層情況調整滾刀刀環材料等措施。軟土地段為防止上浮、錯臺等現象，主要通過控制掘進速度與同步注漿匹配，螺栓緊固力調整及對盡量減少停機，停機后逐漸調整掘進姿態等措施。

針對地質條件復雜，掘進距離長，風險高的特點，為達到減小工程風險，降低造價，確保工程安全，設計采用了鉆爆法與盾構法結合的方案，經實踐證明該方案可行，保證了工程安全、質量、進度，節約了投資。

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□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.023

□楊貴生、楊毅秋/鐵道第三勘察設計院集團有限公司。

□U455

□C

□1008-3197（2015）04-57-03

□2015-01-28

□趙軍/男，1973年出生，高級工程師，天津市地下鐵道集團有限公司，從事工程技術管理工作。