大直徑水下盾構隧道合理埋置深度分析

宋元平 駱俊暉 黃華康

摘要：文章論述了軟弱地層及復合地層大直徑水下盾構隧道合理埋置深度的擬定方法，分析了河床沖刷深槽、船舶下錨及隧道抗浮穩定等因素對水下盾構隧道合理埋置深度及縱斷面線形的影響，并以武漢三陽路長江隧道為實例，闡述了水下盾構隧道合理埋置深度擬定的方法。

關鍵詞：水下盾構隧道;隧道合理埋置深度;公鐵合建隧道;復合地層;沖刷深槽

This article discusses the method for judging the reasonable buried depth of largediameter underwater shield tunnels in weak stratum and composite stratum，analyzes the influence of factors such as riverbed scouring deep trough，ship anchor and tunnel antifloating stability on the reasonable buried depth and profile line shape of underwater shield tunnel，then，with Yangtze River Tunnel of Sanyang Road in Wuhan as the example，it describes the method for judging the reasonable buried depth of underwater shield tunnel

Underwater shield tunnel;Reasonable buried depth of tunnel;Highwayrailway combined tunnel;Composite stratum;Scouring deep trough

0 引言

大直徑水下盾構隧道處于水下圍巖或軟土地層中，因此在隧道施工過程中要承受較大的水、土壓力作用，而河（海）底巖土穩定性一般較差，且處于水域環境中，這進一步限制了各種預處理措施的實施。合理選取隧道埋置深度將是工程順利實施的關鍵。

一般水域環境復雜，對盾構設計方案及施工作業的制約因素多。河流的水位、流速一般有季節性變化，河（海）床面高程一般會隨水文條件（沖刷）、上下游新建工程、采砂情況等而變化。通航水域經常存在河道疏浚、船舶拋錨等問題，水域兩岸一般分布有碼頭，大江大河的防洪要求非常高，這些因素對盾構隧道埋深均會產生很大影響和制約。盾構隧道穿越水下段后兩端斜坡段類型有時也較為復雜，水下段兩端一般為人工島、海堤或河堤、城市道路、地下車站、地面建筑等，也需選取與之相適應的埋深下穿或順接。此外，水下盾構隧道埋深還應滿足抗浮整體穩定性的要求。

鑒于大直徑水下盾構隧道埋置深度會極大影響工程造價及施工、運營安全，隧道總體設計過程中需要對隧道埋置深度進行詳盡研究。

1 大直徑水下盾構隧道合理埋置深度分析

水下盾構段合理埋置深度問題影響因素多，較為復雜，是隧道建設成功與否的關鍵性技術問題，需要進行綜合分析確定。

1.1 軟弱地層水下段隧道最小覆土厚度

對于施工安全最小覆土厚度應綜合考慮開挖面穩定性、施工階段抗浮穩定兩個因素來確定，對運營期還應考慮運營期間抗浮穩定的影響。

1.1.1 從施工開挖面穩定性分析最小覆土厚度

計算軟弱地層水下段隧道的最小埋深時應對相應水域進行沖刷深度分析，同時考慮船舶下錨深度的影響。隧道最小覆土厚度必須同時滿足施工期和運營期的安全要求，按其較大者取值。

1.2 復合地層水下段隧道最小覆土厚度

1.2.1 復合地層隧道縱斷面設計方案

復合地層指隧道穿越區域的巖土強度差異顯著，且盾構掘進參數會發生顯著變化的地層。常見的復合地層一般上部為軟弱地層（如淤泥、軟黏土、粉細砂等），下部為基巖。復合地層隧道埋置深度需要進行淺埋與深埋方案的比選。淺埋方案即是將隧道完全置于上部軟弱地層的方案，如能實現，宜優先采用。如淺埋方案中隧道需要長距離穿越上軟下硬地層，則應進行深埋方案比選。此時線路入地后，將以較大坡度下穿，盡快穿越上部軟弱地層即土巖分界段，然后在基巖中掘進通過。

1.2.2 合理基巖覆蓋厚度

當采用深埋方案時，合理的覆巖厚度應綜合考慮施工安全、結構受力、防水設計等因素，不宜過大，也不宜過小。

從施工安全角度分析，需要考慮換刀作業安全和掘進過程中開挖面穩定兩個方面的問題。盾構在基巖中長距離掘進對刀具磨損大，不可避免地需要進行刀具更換，如盾構裝備沒有采用常壓換刀技術，則需要人員進入開挖面作業。此時即使采用壓縮空氣，由于巖石節理裂隙較大而經常漏氣進而失去對開挖面的穩定作用，但氣壓對減少開挖面的滲水量是有利的。因此，換刀作業所需的覆巖厚度應根據刀盤與開挖面的接觸關系、水壓大小、基巖物理力學性能、上覆土層厚度等情況并根據力學原理計算確定。

1.3 國內外大直徑水下隧道埋置深度統計

根據國內外水下盾構隧道埋深調查情況（如下頁圖3所示），盾構法水下隧道的平均埋置深度并未隨著隧道外徑的加大而顯著增加，而是基本保持在20～30 m之間。水下隧道的最小覆蓋層厚度（除去水底松散沉積物厚度）與隧道外徑的大小密切相關，尤其是對外徑超過10 m的盾構隧道而言，更是如此，一般控制在0.5～1.0 D之間。

2 武漢三陽路長江隧道江中盾構段埋置深度及縱斷面線形

武漢市三陽路長江隧道擬規劃為城市道路和地鐵7號線合建，是世界上首座公鐵兩用盾構隧道。隧道在漢口岸沿城市主干道三陽路敷設，武昌岸沿城市主干道秦園路敷設，如圖4所示。

道路隧道全長4 650 m，其中江中盾構段長2 590 m，漢口岸及武昌岸兩端為明挖暗埋段及敞口段，并分別與兩岸城市道路及地鐵7號線接駁。江中盾構段為雙層盾構隧道，上層為雙向六車道城市道路，設計時速為60 km/h;下層為地鐵7號線，設計行車速度為100 km/h。越江盾構隧道外徑15.2 m，內徑13.9 m，如圖5所示。穿越的地層主要為淤泥質黏土、粉細砂和基巖，其中江中段切入基巖的長度為1 200 m，切入最大深度為9 m。[KH-*3D]

江中段隧道的埋置深度主要結合了河段水文、河勢條件和地質條件進行綜合研究。

2.1 江底河床沖刷深度的研究和試驗

長江武漢河段的河床具有洪水沖刷、枯水淤積的特點，且歷史上深槽位置出現過多次變動。自20世紀70年代陸續采取多次護岸措施以后，河勢才基本趨于穩定。為保證隧道的施工和運營安全，對百年一遇、三百年一遇洪水條件下隧道的最大沖刷深度進行了研究和試驗。研究和試驗方法包括河床演變分析、河工模型試驗和沖刷數值模擬研究。根據研究結果，河工模型試驗和數值模擬研究得出的沖刷最大位置、最大沖刷深度均不同。為安全起見，采用兩者的下包絡線作為沖刷深度控制線（見圖6）。[KH-*3D]

2.2 最小覆土厚度按施工安全和運營安全雙控方法確定

針對長江武漢河段河床沖淤變化幅度大的特點，采用施工安全和運營安全雙控制的方法確定最小覆土厚度。其中，施工期最小安全覆土厚度按現狀河床≥0.7 D（D為隧道外徑）控制;運營期最小覆土厚度按照抗浮整體穩定安全系數計算確定，即必須在發生最大沖刷后確保抗浮穩定安全系數≥1.05。經綜合計算，埋深0.7 D可滿足要求，即最小埋深10.65 m，位于沖刷深槽的下方。該方法保證了施工和運營安全，也最大限度減小了隧道埋置深度，減小了切入基巖的長度，同時降低了造價和施工難度。

3 結語

大直徑水下盾構隧道埋置深度應按照包絡取值的原則進行，對于施工期所需的最小覆土厚度，可以不考慮沖刷深度的影響（因為沖刷對應的是一些極端水沙條件），但一般≥1.0 D，深槽等局部地段應≥0.7 D;對于運營期所需的最小覆土厚度，應考慮河床沖刷、規劃航道水深的影響，且覆土厚度宜大于船舶錨擊深度1～2 m;隧道埋深應滿足施工與運營期抗浮整體穩定性要求。

參考文獻：

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