汕頭市蘇埃通道工程海域段平縱橫方案研究

周華貴， 王 麗

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308)

0 引言

近年來，隨著城市發(fā)展，越來越多的跨海越江通道建設(shè)提上日程，現(xiàn)代化的盾構(gòu)工法已經(jīng)成為跨海越江通道修建最主要的施工工法之一。國內(nèi)已建或在建的多條水下大直徑盾構(gòu)隧道，如上海長江隧道[1]、南京長江隧道[2]、武漢長江隧道[3]、佛莞城際鐵路獅子洋隧道[4]、武漢三陽路隧道[5]等，這些隧道有的位于軟土地層、有的處于巖石地層，地質(zhì)構(gòu)造情況相對單一，易于處理；但隧址位于8度抗震設(shè)防烈度區(qū)，隧道范圍內(nèi)存在高強度硬巖、軟弱地層、碼頭、規(guī)劃主航道，同時伴有孤石群的隧道，在國內(nèi)已建或在建工程中較為罕見，汕頭市蘇埃通道工程即為這種情況的典型案例。該通道工程是我國華南地區(qū)第1條采用大直徑盾構(gòu)法施工的跨海通道，位于東南沿海地震帶的北部，靠近地震活動強度較高的臺灣海峽，屬于8度抗震設(shè)防烈度區(qū)；隧址南岸海域存在大量花崗巖球狀風化體(孤石)，主航道下存在200 MPa以上的硬巖段；隧址附近是繁忙的碼頭，以及港池、錨地和規(guī)劃主航道。

為了解決上述技術(shù)難題，最大限度地減小施工難度、降低工程風險及提高抗震能力，本文針對海域段盾構(gòu)隧道平縱橫方案進行研究。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

汕頭市蘇埃通道工程連接汕頭市新老城區(qū)，位于汕頭市北岸龍湖區(qū)天山南路與金砂東路平交口。路線自北向南，下穿長平東路，沿天山南路西側(cè)綠化帶敷設(shè)，下穿龍湖溝水閘、電排站、龍湖溝及華僑公園，進入蘇埃灣海域，至本項目研究終點處，與規(guī)劃路相接。隧道總平面見圖1。本工程線路全長6.68 km，全程采用雙向6車道標準設(shè)計，工程總投資約60億元，工期4.5年。

圖1 隧道總平面Fig. 1 Plan of tunnel

1.2 地震

根據(jù)規(guī)范[6]，場地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，設(shè)計地震分組位于第1組。

1.3 航道、錨地與碼頭

1.3.1 航道現(xiàn)狀及規(guī)劃

隧址處的航道目前按通航5 000噸級設(shè)計，航道寬120 m，底標高為-8.884 m。該航道規(guī)劃按通航3萬噸級設(shè)計，航道底寬為150 m，底標高為-11.884 m。

1.3.2 錨地現(xiàn)狀及規(guī)劃

隧址處的汕頭港內(nèi)現(xiàn)有錨地12處，其中引航錨地1處。船舶應(yīng)急拋錨時錨體的入土深度最大約4 m。汕頭港錨地現(xiàn)狀見圖2。

圖2 汕頭港錨地現(xiàn)狀Fig. 2 Present situation of anchorage in Shantou Port

1.3.3 隧址附近碼頭

隧址北岸附近為汕頭市國際集裝箱碼頭，具有9個(1～2.5)萬噸級泊位，碼頭岸線長2 159 m，陸域縱深900 m，碼頭前沿是水深-11.7 m的珠江港池，該港池外邊緣距離碼頭沿岸約480 m。

1.4 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件極為復雜。隧道地質(zhì)縱斷面見圖3。

圖3 隧道地質(zhì)縱斷面Fig. 3 Geological profile of tunnel

1)工程范圍內(nèi)存在大量海相②1淤泥地層，承載力僅50 kPa，重度僅15 kN/m3。

2)本工程共有180個鉆孔揭露基巖，其中有33個鉆孔揭露了共45個花崗巖球狀風化體，主要分布在南段海域；花崗巖球狀風化核大小不一，最大5.6 m，最小0.5 m，一般1～3 m；球狀風化發(fā)育深度不一，在2.6～-50.89 m均有發(fā)育，部分球狀風化呈串珠狀。

3)海域主航道下有3段花崗巖突起段，中、微風化平均強度達到98.5 MPa和127.4 MPa，最高達203.0 MPa。

1.5 河勢演變

100年一遇洪水下，現(xiàn)狀河床下工程斷面的最大極限沖深為4.014 m，沖刷最深處距北岸約800 m；規(guī)劃航道疏浚后非主航道處極限沖深為3.363 m(主航道處為2.8 m)，沖刷最深處距北岸約860 m，疏浚后河床極限沖深減小了0.651 m。隧道線位河床沖刷結(jié)果見圖4。

2 主要技術(shù)標準

2.1 幾何設(shè)計標準

根據(jù)規(guī)范[7-8]相關(guān)規(guī)定，汕頭蘇埃通道工程主線主要技術(shù)指標如下。

1)公路等級： 一級公路。

2)設(shè)計行車速度： 60 km/h。

3)建筑限界： 行車道寬3.5 m，限界高5.0 m，側(cè)向左側(cè)寬0.5 m，側(cè)向右側(cè)寬0.75 m，余寬每側(cè)0.25 m。

4)最大縱坡： 3.0%。

圖4 隧道線位河床沖刷結(jié)果Fig. 4 Riverbed scouring result of tunnel alignment

2.2 其他標準

1)抗震設(shè)防： 結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度為8度，按9度地震采用抗震措施。

2)盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)： 施工階段及運營階段隧道抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.1。

3)航道等級： 3萬噸級集裝箱船舶。

3 工程海域段平縱橫方案研究

3.1 橫斷面方案研究

3.1.1 橫斷面尺寸大小研究

工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及周邊環(huán)境復雜，選擇合適的橫斷面尺寸尤為重要。小直徑盾構(gòu)隧道斷面小，埋深小，施工風險小，造價低；大直徑盾構(gòu)隧道斷面大，埋深大，施工風險大，造價高。特別是8度抗震設(shè)防烈度地區(qū)，海底大直徑盾構(gòu)隧道設(shè)計要求更高，需認真研究。研究過程中，提出了2種方案，即三管盾構(gòu)法方案和兩管盾構(gòu)法方案。

1)三管方案。即一個洞內(nèi)設(shè)置2個車道，雙向6車道需3個通道。該方案線路全長6.8 km，隧道總長5 010 m，盾構(gòu)隧道長4 050 m，隧道內(nèi)輪廓直徑為10.2 m、外徑為11.2 m，管片厚0.5 m。三管盾構(gòu)法方案橫斷面見圖5。

圖5 三管盾構(gòu)法方案橫斷面Fig. 5 Cross-section sketch of triple-tube shield tunneling

2)兩管方案。即一個洞內(nèi)設(shè)置3個車道，雙向6車道需2個通道。該方案線路全長6.8 km，隧道總長5 110 m，盾構(gòu)隧道長 4 030 m，隧道內(nèi)輪廓直徑為13 m、盾構(gòu)外徑為14.2 m，管片厚0.6 m。兩管盾構(gòu)法方案橫斷面見圖6。

圖6 兩管盾構(gòu)法方案橫斷面Fig. 6 Cross-section sketch of twin-tube shield tunneling

結(jié)合詳勘地質(zhì)資料，對三管、兩管方案進行深入研究，主要結(jié)論如下。

1)三管方案埋深小，海域硬巖侵入隧道深度三管方案為4～5 m、兩管方案為8～9 m，三管方案比兩管方案少約4 m；但侵入隧道長度三管方案為1 782 m、兩管方案為1 518 m，三管方案比兩管方案長264 m。通過比較，三管方案仍然無法避開硬巖，雖然埋深小，但硬巖侵入隧道長度反而增加了，2個方案施工難度及風險沒有本質(zhì)的變化，基本相當。

2)根據(jù)現(xiàn)行較為成熟的做法，國內(nèi)類似水下公路隧道通常約800 m設(shè)置1處聯(lián)絡(luò)通道[8]。本工程盾構(gòu)段約4 000 m，若設(shè)聯(lián)絡(luò)通道的話，三管方案需設(shè)置約8處聯(lián)絡(luò)通道，兩管方案則只需設(shè)置約4處聯(lián)絡(luò)通道。盾構(gòu)段大部分下穿淤泥、砂層，聯(lián)絡(luò)通道施工風險極大；加之本工程地處8度抗震設(shè)防地區(qū)，在隧道之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，則會約束隧道變形，地震過程中在連接處很容易出現(xiàn)裂縫滲漏水甚至受力破壞。因此，聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置的數(shù)量越少越好。通過研究，本工程取消聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置。兩管方案隧道是獨立的，在地震過程可以自由變形，抗震能力大大提高。

3)三管方案隧道車道板下中間空間(兩側(cè)用于設(shè)備管線及下滑通道使用)只有1.8 m×2.0 m，無法設(shè)置消防車或救援車通道，難以滿足消防防災(zāi)問題；而兩管方案車道板下中間空間約4 m×2.8 m，采取小型消防車或救援車，用于隧道內(nèi)消防及救援通道使用，完全能夠滿足消防防災(zāi)要求。

基于以上研究，本工程最終采用兩管盾構(gòu)法方案。

3.1.2 橫斷面是否設(shè)置二次襯砌研究

日本東京灣海底隧道屬于8度抗震區(qū)，雙向6車道標準設(shè)計，隧道內(nèi)徑為12.9 m，外徑為13.9 m，該隧道是世界上第1個設(shè)置二次襯砌結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)隧道[9]。國內(nèi)獅子洋海底隧道部分地段也設(shè)置了二次襯砌結(jié)構(gòu)；廈門地鐵3號線海底隧道預留了設(shè)置二次襯砌結(jié)構(gòu)的空間；大連地鐵5號線海底11.8 m單洞雙線大直徑盾構(gòu)隧道初步設(shè)計也設(shè)置了二次襯砌結(jié)構(gòu)，施工圖階段正在討論設(shè)置的合理性；何川等[10]進行了鐵路盾構(gòu)隧道單、雙層結(jié)構(gòu)力學試驗研究。綜上所述，國內(nèi)對海底盾構(gòu)隧道設(shè)置二次襯砌結(jié)構(gòu)沒有統(tǒng)一的標準，文章將針對本工程是否設(shè)置二次襯砌結(jié)構(gòu)進行深入研究。

1)本工程盾構(gòu)管片外徑為14.2 m，如果設(shè)置二次襯砌結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)管片外徑至少增加到14.7 m，會大大增加盾構(gòu)制造費用以及增加下穿主航道硬巖處理的難度及風險。

2)本工程屬于8度抗震區(qū)，對抗震要求極高。盾構(gòu)隧道屬于柔性構(gòu)件，在地震作用下，能夠吸收一部分地震作用；若施作二次襯砌結(jié)構(gòu)，由于二次襯砌結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)，地震時則會約束盾構(gòu)管片的變形，對抗震不利。另外，施作二次襯砌結(jié)構(gòu)會增加結(jié)構(gòu)自重，抗震過程中水平力隨之增大，在硬巖突起段、盾構(gòu)井段對結(jié)構(gòu)抗震不利。

3)施作二次襯砌結(jié)構(gòu)，會增加后期運維等相關(guān)工作難度，如管片滲透點不易檢查、管片螺栓等構(gòu)件腐蝕難以維修及大變形環(huán)破壞后難以更換。

4)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置二次襯砌結(jié)構(gòu)，2種結(jié)構(gòu)疊加在一起，結(jié)構(gòu)受力體系難以確定。

5)二次襯砌結(jié)構(gòu)一般200～300 mm，為了便于施工二次襯砌結(jié)構(gòu)，需等盾構(gòu)隧道貫通后才可施工，這樣大大增加施工工期。

6)二次襯砌結(jié)構(gòu)的作用大多是防止螺栓被腐蝕以及防止火災(zāi)引起的安全事故，但以上問題均可以通過其他工程措施加以解決。

綜合以上各種因素，本工程不再考慮設(shè)置二次襯砌結(jié)構(gòu)，僅采用單層預制盾構(gòu)管片。

3.2 平面方案研究

通過前期多線位方案比選研究，最終確定B1、B2線位方案。

1)B1線位在汕頭國際集裝箱碼頭西南角龍湖溝入海口處進入海域，以R5 000 m與R3 000 m的反向曲線穿越蘇埃灣海域。路線全長約6.8 km，該軸線穿越海域?qū)挾燃s3.5 km。

2)B2線位避開碼頭，穿龍湖溝后以R1 500 m轉(zhuǎn)入華僑公園，于華僑公園東南角處進入海域，以直線形式穿越蘇埃灣海域，避開珠池港區(qū)，南岸順接規(guī)劃線位。路線全長約6.68 km，該軸線穿越海域?qū)挾燃s3.35 km。B1、B2線位平面見圖7。

圖7 B1、B2 線位平面Fig. 7 Plan of Lines B1 and B2

初勘階段，在隧址附近進行了大量的物探，發(fā)現(xiàn)水下硬巖主要分布在南岸及主航道下，之后進行了相應(yīng)的鉆探。詳勘階段，在南岸及主航道附近進行了大量補勘，特別是發(fā)現(xiàn)了主航道附近B2線位巖面整體較低，而B1線位整體較高。具體而言，B1線位隧道入巖長度為436 m，侵入隧道內(nèi)8～12 m，南岸下伏基巖突起范圍為700 m； B2線位隧道入巖長度為182 m，侵入隧道內(nèi)4～6 m，南岸下伏基巖突起范圍為300 m。B1線位局部加密地質(zhì)縱斷面見圖8。B2線位局部加密地質(zhì)縱斷面見圖9。

圖8 B1 線位局部加密地質(zhì)縱斷面Fig. 8 Densely-processed geological profile of local Line B1

圖9 B2 線位局部加密地質(zhì)縱斷面Fig. 9 Densely-processed geological profile of local Line B2

通過比較，B2線位在航道處基巖突起高度有所降低，入巖長度由436 m減少到182 m；南岸下伏基巖突起范圍有所減少，由700 m減少到300 m；盾構(gòu)段隧道底部不存在淤泥質(zhì)土。

就平面結(jié)構(gòu)而言，B2線位線路長度為6.68 km，B1線位線路長度為6.8 km，B2線位比B1線位海域段減少150 m；B2線位隧道埋深控制范圍由1 120 m(珠池港區(qū)水深影響)減少到708.54 m，更有利于隧道縱斷面設(shè)計；B2線位也避開了碼頭珠池港區(qū)及主航道錨地。

基于對隧道長度、隧道入巖長度及深度、隧址處孤石、主航道、港池及錨地等因素的綜合考慮，本工程最終選擇B2線位方案。

3.3 縱斷面設(shè)計研究

本工程隧道縱斷面設(shè)計不同于陸域一般隧道，由于受南岸海域內(nèi)孤石、海域內(nèi)規(guī)劃3萬噸級主航道、水下硬巖、北岸碼頭及珠江港池等諸多條件限制，需充分研究縱斷面。

1)海域段隧道最大縱坡問題。本工程為一級公路項目，又兼具城市隧道功能，經(jīng)研究最終確定海域段隧道主線最大縱坡為3%、最小縱坡為0.3%，其他段采用城市道路標準執(zhí)行。

2)南岸孤石處理問題。通過對勘察及詳勘報告的研究，孤石集中分布在南岸海域，主要分布在強風化花崗巖地層中，且埋深大，淤泥地層中基本未發(fā)現(xiàn)。通過分析孤石分布規(guī)律，為了有效避開孤石，在南岸海域段沿隧道方向設(shè)置1座300 m臨時圍堰，盾構(gòu)豎井設(shè)置在臨時圍堰上，直接在臨時圍堰上始發(fā)，盾構(gòu)掘進段避開孤石，大大減小了孤石引起的施工難度及風險。同時，隧道能盡早爬出地面，縮短了隧道伸入南岸岸上的長度。

3)海域主航道、硬巖段隧道埋深控制問題。主航道下硬巖突起，且存在規(guī)劃航道問題。根據(jù)規(guī)范[11]相關(guān)要求： ①當穿越的航道為人工開挖時，其埋深應(yīng)包括航道設(shè)計水深、疏浚施工的允許誤差和船舶應(yīng)急拋錨時錨體的入土深度； ②在海床(河床)不穩(wěn)定的水域，尚應(yīng)考慮航道可能沖刷的最大深度。

主航道現(xiàn)狀標高為-8.884 m，規(guī)劃標高為-11.884 m。規(guī)劃后主航道百年一遇沖刷極限深度為2.8 m，船舶應(yīng)急拋錨時錨體的入土深度取值為4.0 m，疏浚施工的允許誤差取1.2 m，隧道頂部至規(guī)劃主航道覆土厚度不小于2.8+4.0+1.2=8.0 m。海域主航道段隧道埋深按規(guī)劃主航道下8.0 m控制(施工階段隧道頂至現(xiàn)狀海床面為11 m，基本滿足施工要求)。

在規(guī)劃主航道位置，百年一遇極限沖刷下，隧道埋深僅約5 m，隧道抗浮不夠，在隧道內(nèi)設(shè)置了特殊抗浮措施——仰拱鋪設(shè)鉛塊加以抗浮。國內(nèi)典型水下盾構(gòu)隧道覆蓋層厚度統(tǒng)計見表1。

由于規(guī)劃航道未完全穩(wěn)定，隧道埋深按規(guī)劃航道3～4倍寬度考慮，目前本工程與主航道斜交長約236.18 m。海域段隧道埋深范圍按3倍控制(約708.54 m)考慮，即708.54 m范圍內(nèi)隧道埋深按規(guī)劃主航道下8 m控制。

表1 國內(nèi)典型水下盾構(gòu)隧道覆蓋層厚度統(tǒng)計表

4)盾構(gòu)始發(fā)及接收井隧道埋深控制問題。本工程南北兩岸盾構(gòu)始發(fā)及接收端全是淤泥地層，且淤泥地層自重小，盾構(gòu)淺覆土掘進極容易發(fā)生劈裂現(xiàn)象，甚至會發(fā)生冒頂安全事故[12]，權(quán)衡主航道下硬巖段埋深影響，本工程盾構(gòu)始發(fā)及接收端按9 m控制。

通過分析，海域段隧道縱斷面設(shè)計見圖10。

圖10 海域段隧道縱斷面Fig. 10 Longitudinal profile of tunnel in seawater section

4 結(jié)論與建議

本工程是我國第1條位于8度抗震地區(qū)的大直徑海底盾構(gòu)隧道，海域段隧址存在碼頭、港池、主航道、錨地、孤石群、海底硬巖段、軟弱地層且?guī)r石強度高，給設(shè)計、施工及運營帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文從隧道橫斷面、平面及縱斷面進行了多方案的深入研究，旨在盡量節(jié)約工程造價、減小施工風險及運營難度。

1)在橫斷面方案設(shè)計過程中，本工程進行了三管方案與兩管方案的比較。三管方案斷面小、隧道埋深小，但根據(jù)隧址詳勘結(jié)果，采用三管方案隧道仍然無法避開海底硬巖段。因此，2種方案施工風險沒有本質(zhì)的區(qū)別。但是，兩管方案利用車道板下空間解決消防防災(zāi)問題，而且可以取消隧道聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置以降低施工及抗震風險，優(yōu)于三管方案。

2)關(guān)于二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，國內(nèi)外已有海底隧道工程無統(tǒng)一的標準。本工程位于8度抗震區(qū)，抗震等級極高，不施加二次襯砌結(jié)構(gòu)的柔性盾構(gòu)結(jié)構(gòu)更有利于抗震；同時，無二次襯砌結(jié)構(gòu)便于隧道螺栓更換、大變形環(huán)維修等。因此，本工程采用單層預制管片結(jié)構(gòu)形式。

3)在平面方案設(shè)計過程中，需考慮碼頭、港池、錨地、海底硬巖段及孤石群等限制因素的影響，前期應(yīng)加強物探及勘察工作，選擇合理的平面方案。

4)在縱斷面方案設(shè)計過程中，本工程對最小覆土厚度、港池、規(guī)劃主航道、孤石群及海底硬巖段等因素加以綜合考慮，以尋求最佳方案。本工程南岸設(shè)置300 m臨時圍堰，更好地避開孤石群；通過縱斷面的調(diào)整，成功避開主航道與南岸之間海域硬巖段，減小施工難度、降低施工風險；主航道處隧道應(yīng)上抬，盡量避開硬巖段，但其埋深需滿足施工階段掘進覆土厚度，同時滿足規(guī)劃主航道底標高及運營階段的抗浮安全。

5)海底硬巖段的隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計，是本工程的重點和難點。設(shè)計過程中，隧道縱斷面應(yīng)盡可能上抬，同時，建議隧道頂增加抗浮及抗沖刷等措施，且可以不考慮極限沖刷及抗浮覆土等問題，這樣可以大大減小海底硬巖侵入隧道的規(guī)模，甚至可以完全避開海底硬巖，提高結(jié)構(gòu)可靠性。