媽灣跨海通道工程隧道選線快速評價模型研究

陳小平， 辛理敏， 孔祥歲， 劉學增， 師 剛

(1. 深圳市交通公用設施建設中心， 廣東 深圳 518040； 2. 上海同巖土木工程科技股份有限公司， 上海 200092； 3. 同濟大學， 上海 200092)

0 引言

隨著我國沿海地區經濟快速發展，為滿足城市發展需要，在濱海地區進行了大量的隧道工程建設。濱海地區隧道常穿越淤泥、黏土、填石、硬巖和軟硬不均地層等多種復雜地層，土層力學性質差異大，且軟硬突變明顯，其中上軟下硬地層既不利于沉管法施工，也不利于盾構法施工。如選線不合理，長期重載作用下的隧道結構可能出現明顯的不均勻沉降，環縫張開過大時會出現漏水、漏泥問題，嚴重影響海底隧道運營安全，同時將大幅提高工程造價。因此，工程地質條件直接影響隧道規劃、設計、施工、運營，對線位進行工程選線評價尤為重要。

當前隧道選線評價多采用定性方法。李曉昭等[1]對玄武湖水下交通隧道環境地質條件進行了定性分析，評價了3種比選方案；黃希強[2]對廣深港客運專線珠江獅子洋隧道工程地質及水文地質條件進行了定性評價；孫成智[3]對西成鐵路客運專線棋盤關隧道設計的地質條件進行了定性評價；曹柏樹[4]對位于枝萬線筆架山地區的3座大長巖溶隧道的工程地質及水文地質條件進行了定性評價；譚長偉等[5]定性分析了膠州灣海底隧道的工程地質條件；苗德政等[6]對巫洋隧道的工程地質條件定性地進行了分析、研究及評價；雷中華[7]針對甌江水下盾構隧道，對沼氣、深厚卵石、軟土和巖石界面等不利于盾構建設的工程地質問題進行了分析評價。由于定性評價主觀性較強，有學者提出隧道地質條件可采用定量評價，汪繼鋒[8]應用層次分析法，將巖溶隧道水文地質評價因子量化，確定因子權重，通過比較各因子權重大小評價巖溶隧道水文地質條件的優劣；魏偉青等[9]通過聚類分析，針對越江地鐵隧道地質特點，構建了地質安全評價指標體系，并對武漢地鐵4號線越江隧道地質情況進行了評價；徐軍政[10]分析了廈門地鐵3號線跨海段主要工程地質問題，采用盾構掘進硬巖、盾構掘進上軟下硬地層、礦山法施工風化槽3個因素作為地質評價指標進行線位比選；高偉等[11]以影響隧道選線的各種地質因素作為定性評價指標，采用權重系數法，通過定性指標定量化對巖溶區隧道線路選取的合理性進行分析評價，并基于評價結果提出線路選取優化措施。

綜上所述，目前隧道選線評價多為定性評價，采用定量方法建立選線評價模型輔助隧道選線的研究仍較少，并且由于地質條件的差異性，尚無成熟的評價模型可供借鑒。本文依托媽灣跨海通道工程，以地質條件為主要角度，分析如何科學合理地評價隧道結構對海底不同地層的適應性，以期實現參數化、量化的海底隧道選線思路，并借助三維參數化選線分析平臺，實現多條隧道線位的快速評價。

1 工程概況

媽灣跨海通道工程擬由橋梁、隧道及道路組成，本文主要研究對象為隧道。初步提出沉管法(圍堰明挖)、盾構法、鉆爆法3種隧道施工方法，從設計、施工安全、經濟等方面綜合考慮，沉管法、鉆爆法施工工藝復雜，風險高，同時工程投資巨大，不適用于本工程，因此推薦采用盾構法。本文對盾構法隧道的3條設計線位展開比選，線位的縱斷面如圖1所示，具體方案見表1。

圖1 隧道縱斷面線位

線位樁號結構形式位置施工方法1K1+445～K1+750U型槽前海陸域段明挖法K1+750～K2+200閉合框架前海陸域段明挖暗埋K2+200～K2+480盾構前海陸域段盾構法K2+480～K3+650盾構海域段盾構法K3+650～K4+508盾構大鏟灣陸域段盾構法K4+508～K6+700閉合框架大鏟灣陸域段明挖暗埋K6+700～K6+976U型槽大鏟灣陸域段明挖法2K1+475～K1+750U型槽前海陸域段明挖法K1+750～K2+300閉合框架前海陸域段明挖暗埋K2+300～K2+480盾構前海陸域段盾構法K2+480～K3+650盾構海域段盾構法K3+650～K4+130盾構大鏟灣陸域段盾構法K4+130～K7+504閉合框架大鏟灣陸域段明挖暗埋K7+504～K7+805U型槽大鏟灣陸域段明挖法3K1+475～K1+750U型槽前海陸域段明挖法K1+750～K2+280閉合框架前海陸域段明挖暗埋K2+280～K2+480盾構前海陸域段盾構法K2+480～K3+650盾構海域段盾構法K3+650～K4+340盾構大鏟灣陸域段盾構法K4+340～K7+504閉合框架大鏟灣陸域段明挖暗埋K7+504～K7+805U型槽大鏟灣陸域段明挖法

2 選線快速評價模型指標選取

隧道地質條件一般包括巖土性質、地質構造、水文條件和不良地質現象。由于隧道埋深、隧道上覆巖土層與下臥巖土層性質的差異，沿線路方向的沉降在空間上是不均勻的。場地位于抗震設防烈度為7度的地區，根據JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》，抗震設防烈度小于8度時可不考慮地震錯動對隧道的影響，因此斷裂帶對隧道的影響不作為選線評價指標。由于外水壓力的影響已在差異沉降計算的附加應力中考慮，因此水文氣象條件不再作為獨立的選線評價指標。場地不良地質條件有地面沉降、地面塌陷、軟硬不均地層等，這些不良地質條件作用于隧道最終表現為不同程度的變形和沉降，因此選擇差異沉降作為選線評價的主要依據。結合設計要求，選擇如下6個指標作為選線評價指標： 平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數、隧道埋深、與平面控制因素水平距離、差異沉降。對下列情況實行一票否決： 1)平面曲率半徑不滿足設計要求； 2)縱坡坡度不滿足設計要求； 3)盾構段不滿足抗浮設計要求(明挖段不滿足抗浮要求的可通過設置抗拔樁處理)； 4)隧道埋深不滿足設計要求； 5)與平面控制因素水平距離不滿足水平方向安全間距的要求。對滿足平面曲率半徑、縱坡、抗浮安全系數、隧道埋深、與平面控制因素水平距離要求的線位方案，通過計算不同斷面的沉降，并采用沉降曲線的曲率半徑進行選線評價。

3 評價指標計算方法

平面曲率半徑、縱坡坡度可由設計平面圖、縱斷面圖得到；隧道埋深、與平面控制因素水平距離可由工程方案資料得到。本文重點介紹抗浮安全系數、差異沉降及沉降曲率半徑的計算方法。

3.1 抗浮安全系數

隧道抗浮安全系數按媽灣跨海通道工程設計資料選取： 陸域段主體結構≥1.05(不考慮側壁摩阻力)，抗浮水位為地表；海域段盾構法主體結構施工階段≥1.1，運營階段≥1.2。抗浮安全系數計算公式如下：

F浮=γwV

；

(3)

；

(4)

G自=γcS

；

(5)

；

(6)

G覆=(γs-γw)×H×b

。

(7)

式(1)—(7)中：γf為抗浮安全系數，施工階段采用式(1)計算，運營階段采用式(2)計算；G自為隧道管片結構自重標準值，盾構段采用式(4)計算，閉合框架段采用式(5)計算，kN/m；G內為隧道內部結構(行車道板等)自重標準值，kN/m；G覆為隧道上覆土層的有效壓重標準值，盾構段采用式(6)計算，閉合框架段采用式(7)計算，kN/m；γg為隧道結構自重分項系數，取1.0；γa為隧道上覆土層質量分項系數，取1.0；F浮為浮力標準值，kN/m；γw為水的重度，kN/m3；V為計算水位以下隧道結構封閉外輪廓，即隧道排水體積，m3/m；γc為管片襯砌及內部結構重度，kN/m3；S為閉合框架段隧道結構的橫截面面積，m2；γs為上覆土體重度，kN/m3；D為管片襯砌外徑，m；d為管片襯砌內徑，m；R為管片襯砌外輪廓半徑，m；H為管片襯砌覆土厚度，m；b為閉合框架段隧道結構橫截面寬度，m。

3.2 差異沉降

3.2.1 沉降計算

明挖法及盾構法隧道施工是先卸載再加載的過程，土體沉降由再壓縮量(基礎和結構荷載尚未超過開挖土體的自重)和壓縮量(基礎和結構荷載超過開挖土重)組成。一般情況下，隧道修建后的基礎和結構荷載都比開挖土體自重小，因此只需考慮再壓縮量，按照分層總和法計算，見式(8)—(10)。

σzi=αup

；

(9)

p=p1+p2+p3-p4

。

(10)

式(8)—(10)中：s為總沉降量，mm；σzi為附加應力平均值，kPa；Hi為分層i的厚度，m；Eei為第i層土的再壓縮模量，MPa；p為基底附加應力，kPa；αu為應力系數，可查表獲得；p1為結構上方回填土重，kPa，依據土層重度、土層厚度、地下水位高度計算得到；p2為結構自重，kPa；p3為車輛荷載等效應力，kPa；p4為浮力，kPa。

根據媽灣跨海通道設計資料可知，隧道主輔路為雙向6車道，道路等級為城市快速路。考慮最不利情況，汽車荷載等級按公路—Ⅰ級考慮，根據JTG B01—2014《公路工程技術標準》[12]，公路—Ⅰ級汽車荷載標準值為550 kN，車輛尺寸為15 m×2.5 m，車輛荷載布置的立面圖與平面圖如圖2所示。

(a) 立面圖

(b) 平面圖

由文獻[13]可知，汽車間距的合理距離為0.6 m。按最不利原則，考慮隧道全長布滿標準車輛荷載的情況下，車輛荷載前后投影長度為15(車輛長度)+0.6=15.6 m，由于媽灣隧道為雙向6車道，車道寬度為3.75 m，則在3.75 m×15.6 m的范圍內，布置的車輛荷載為550 kN，且考慮最不利情況，認為車輛荷載引起的應力全部作用在該范圍內，以該范圍內由車輛荷載引起的應力作為車輛荷載引起的基底附加應力，即為550/(3.75×15.6)=9.40 kPa。因此本項目p3=9.40 kPa。

3.2.2 沉降曲率半徑計算

A、B、C是沉降曲線上連續的3個點，假定3點共圓，經驗法求沉降曲線上B點曲率半徑示意圖如圖3所示。

圖3 經驗計算法示意圖

假設沉降曲線上，點A、B、C的坐標分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，B點隧道縱向變形的曲率半徑計算公式見式(11)。

綜上，可以得到曲率半徑計算公式如下：

(13)

4 指標分級打分標準

綜合媽灣跨海通道工程的設計要求，抗浮安全系數、縱坡坡度、平面曲率半徑、隧道埋深、與平面控制因素水平距離的控制標準見表2。

根據李鵬等[14]對越江盾構隧道縱向不均勻沉降控制指標的研究，上海地鐵2號線達到曲率半徑控制值(15 000 m)時對應的環縫張開量為0.3 mm，上海長江隧道外徑為15 m，管片壁厚0.65 m，環縫張開量為0.3 mm時，隧道曲率半徑R1=78 494 m；當螺栓達到屈服強度時，隧道曲率半徑R2=37 875 m。

表2 評價指標控制標準

注：L1為隧道與市政管線或工業管線的豎向安全距離；L2為船舶應急拋錨貫穿深度；L3為隧道與平面控制因素的水平安全距離。

媽灣跨海通道盾構段管片外徑、壁厚與上海長江隧道相同，以上海長江隧道的臨界曲率半徑計算結果為基礎，考慮以9R1、6R1、3R1、R1為臨界值，將媽灣跨海通道盾構段縱向不均勻沉降的曲率半徑ρ劃分為5個等級進行打分。考慮到打分標準的一致性與可操作性，對媽灣跨海通道的明挖段隧道沉降曲率半徑采取相同的分級與打分標準，見表3。

表3 曲率半徑分級與打分標準

5 選線快速評價模型

對表1中的7個區段分別按一定間距劃分計算斷面，每個斷面作為1個沉降計算點。根據表3的打分標準，對每個沉降計算點的曲率半徑進行打分，一般每個區段沉降曲線的首、末點曲率半徑計算不準，因此計算時去掉首、末點。取7個區段曲率半徑分數的平均值作為該隧道線路線位評分分數，見公式(14)。

式中：Vs為隧道選線快速評價模型評分分數；Vsij為隧道第i個區段、第j個曲率半徑計算點對應的曲率半徑評分分數；Ni為第i區段劃分斷面總數。

對于隧道整體選線評分分數小于60的線位予以直接否決；分數在60～80的線路評價為良好，屬于可考慮線位；分數在80～100的線路評價為優秀，屬于優先考慮線位。媽灣跨海通道工程選線快速評價流程如圖4所示。

圖4 選線快速評價流程圖

6 算例

根據選線快速評價流程(見圖4)，對媽灣跨海通道方案設計階段的3條盾構線位的左線進行選線評價。經判斷，3條盾構線位的平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數、隧道埋深、與平面控制因素水平距離均滿足設計要求。以一定間距選取沉降計算點，確定各沉降計算點的地層分布、隧道埋深、地下水位埋深、結構寬度、結構高度、結構斷面面積等，以此為基礎，計算各斷面的隧道沉降，并繪制沉降沿縱向的分布曲線，如圖5所示。根據式(11)，計算得到曲率半徑分布，如圖6所示。

根據表3，對隧道各沉降計算斷面的曲率半徑進行打分，并且根據式(14)對各斷面曲率半徑分數取平均值，作為隧道整體選線快速評價模型的評分分數。其中，線位1評分分數為79.3，線位2評分分數為71.3，線位3評分分數為84.1，線位1、線位2總體評價結果皆為良好，線位3評價結果為優秀。

(b) 線位2

(c) 線位3

7 三維參數化選線

選線快速評價模型運用時需要劃分多個計算斷面，在土層分層厚度獲取及沉降計算時存在較大計算量。三維地質建模技術能夠實現多源數據的集成，通過三維地質剖切技術、數據提取技術可以快速實現地層讀取、參數匹配、計算評價等流程。將選線快速評價模型嵌入三維地質模型，構建三維參數化選線分析平臺，可實現對多條隧道線位在定量地質條件下的快速選線評價。

(a) 線位1

(b) 線位2

(c) 線位3

輸入待評價線位各區段里程樁號，人工對隧道劃分區段后(見圖7)，系統會自動根據設計指標的評價控制標準判斷平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數、隧道埋深、與平面控制因素水平距離是否滿足設計要求(見圖8)； 給出各區段的縱向沉降與曲率半徑，并自動計算各區段曲率半徑評分值(見圖9)，從而評價線位的合理性。

8 結論與建議

1)在分析隧道線位地質條件的基礎上，提出了媽灣跨海通道工程選線快速評價指標，即平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數、隧道埋深、與平面控制因素水平距離、差異沉降。對平面曲率半徑不滿足設計要求、縱坡坡度不滿足設計要求、盾構段不滿足抗浮設計要求、隧道埋深不滿足設計要求、與平面控制因素水平距離不滿足水平方向安全間距要求的線位實行一票否決。

圖7 區段劃分

圖8 設計指標自動驗算

圖9 曲率半徑自動計算及評分

2)基于分層總和法得到隧道沉降計算公式，同時考慮地下水位、土層性質、土層厚度、先期固結壓力、車輛荷載等，較為全面地反映了地質條件的影響。并推導出隧道曲率半徑計算公式，制定了曲率半徑分級打分標準，建立了媽灣跨海通道工程選線快速評價模型。

3)采用選線快速評價模型對媽灣跨海通道3條盾構線位進行評價，線位1評分分數為79.3，線位2評分分數為71.3，線位3評分分數為84.1。

4)在三維地質模型中引入選線快速評價系統，構建三維參數化選線分析平臺，可實現對多條隧道線位的快速選線評價，為隧道合理建設提供支持。

5)下一步研究計劃與內容：

① 對平面曲率半徑、縱坡坡度、抗浮安全系數、隧道埋深、與平面控制因素水平5項設計指標進行定量分級，并對6項選線評價指標進行權重劃分；

② 考慮縱坡設計坡度對沉降曲率半徑評價標準的影響；

③ 探討區段線位評價結果整合的方法，并與現有取平均值的方法進行對比；

④ 通過對比，對沉降曲率半徑經驗計算法的合理性進行分析；

⑤ 開展線位評價的風險評估模型。