大斷面地鐵越江隧道施工難點分析及其應對措施

王 偉

(浙江省軌道交通運營管理集團有限公司， 310020， 杭州∥高級工程師)

近年來，我國已建成多條跨江越海的隧道工程。以上海長江隧道[1]、南京長江隧道[2]、南京地鐵過江隧道[3]、武漢長江隧道[4]、杭州錢江通道[5]等為代表的大斷面水下盾構隧道已建成通車，我國大斷面水下盾構隧道修建技術已處于世界領先水平。本文以杭州地鐵1號線大斷面盾構隧道穿越錢塘江區間工程為背景，闡述該線下穿錢塘江及兩岸大堤、下穿江底高壓輸油管、高水壓情況下管片接縫防水等工程難點，并介紹了相應的設計、施工應對措施。

1 工程概況及地質條件

杭州地鐵1號線下沙江濱站—濱江一路站區間在下穿錢塘江時采用了大斷面盾構隧道施工技術。該區間長度約3.0 km，盾構隧道混凝土管片外徑為11.3 m，內徑為10.3 m，管片厚度為0.5 m，管片環寬2.0 m。該越江隧道平面圖如圖1所示。

隧道穿越的地層以③5層粉砂、③6層砂質粉土、③7層砂質粉土夾淤泥質粉質黏土、⑥2層淤泥質粉質黏土夾粉土、⑥31層淤泥質粉質黏土、⑨2層粉質黏土、⑨3層黏質粉土為主。隧道區間局部穿越3粉質黏土混礫石層：礫石含量約為20%～40%，以棱角狀為主，粒徑多為2～4 cm，有少部分礫石的粒徑超過6 cm。區間穿越范圍內⑥層淤泥質土層呈灰色流塑狀，富含有機質殘骸，該層土具有低強度、高壓縮性的特征，且有較明顯的蠕變、觸變特性。

區間沿線的地下水主要為賦存于淺(中)部填土層、砂性土土層中的孔隙潛水，水位在地面下0.3～2.0 m。此外，區間沿線發現存在帶壓有害氣體，其埋深位于地面下26.0～33.0 m，呈蜂窩狀不連續分布。從勘測報告可知，江北段儲氣量和氣壓均較大。

該越江隧道下穿段錢塘江300年一遇最大沖刷高程為-16.0 m[6]，呈槽形形態。隧道頂距沖刷線的最小距離為6.4 m，最大距離為12.1 m。

2 工程關鍵技術難點分析

本工程的關鍵技術難點如下：

圖1 杭州地鐵1號線下穿錢塘江隧道工程的平面示意圖

1) 越江隧道下穿錢塘江及南北兩岸大堤，施工風險大。錢塘江管理局要求大堤沉降變形控制標準不得超過20 mm，這對施工引起的大堤沉降變形控制要求非常高。

2) 越江隧道下穿江底正在運營的高壓成品油輸油管道。該管道采用定向鉆施工，材質為D273鋼管，油壓為2.5 MPa，標高-16.229 m，和區間隧道平面夾角為8.7°，平面疊交范圍約90 m，豎向凈距約10.5m。輸油管道目前處于滿負荷運轉狀態，盾構施工對管道的沉降變形控制要求極高。

3) 基于錢塘江“洪沖潮淤”的特點，考慮最大設計洪水位高度，成型隧道最大水頭壓力約為0.5 MPa。這對隧道管片接縫防水的設計和施工都是極大的考驗。

3 隧道斷面及結構設計

3.1 隧道橫斷面設計

該越江隧道采用單洞雙線大斷面盾構隧道方案，建筑限界為9.9 m，管片內徑為10.3 m，管片外徑為11.3 m，管片厚度為0.5 m，左線隧道和右線隧道在直線段處的線間距為5.2 m。

該隧道的橫斷面分為3個部分：上部為縱向排煙道，中間部分為地鐵線路的軌道結構，下部設置排水泵房。軌道結構下部空間口子件采用預制結構，兩側回填混凝土，在最低點設置泵房。口子件、中隔墻、風道板采用預制結構進行施工。

3.2 隧道縱斷面設計

該過江隧道縱斷面采用V字坡，施工階段隧道的覆土厚度一般不小于1倍洞徑。為保證隧道結構使用階段的抗浮能力和穩定性要求，根據錢塘江300年一遇河床最低沖刷線的影響深度確定其最小覆土厚度。

抗浮安全系數γF的計算公式為：

γF≤γG(G+Q+G1)/(λF)

(1)

式中：

γG——荷載分項系數；

λ——浮力折減系數；

G——單位長度隧道管片的自重；

Q——隧道上部的有效靜荷載；

G1——單位長度隧道內部的靜荷載；

F——單位長度管片所受到的浮力。

G、Q、F的計算公式分別為：

G=π(R2-r2)γC

(2)

Q=γs[2Rd+(2-π/2)R2]

(3)

F=πR2γg

(4)

式中：

R——管片外徑；

r——管片內徑；

γC——管片重度；

γs——土體浮重度；

d——隧道覆土層厚度；

γg——水的重度。

考慮盾構管片自重和內部隔墻的自重等抗浮有利荷載，該越江隧道在運營期間的γF取1.1。考慮荷載效應對結構抗浮的有利作用，γG取1.0；水浮力考慮按全水頭作用在隧道結構上，λ取1.0；G1主要為口子件和內隔墻的自重，根據其布置斷向進行計算，該隧道單位長度內部的靜荷載取值為321.1 kN；R取11.3 m；r取10.3 m；γC取26 kN/m3；γs取8 kN/m3；γg取10 kN/m3。由上述式(1)～式(4)，可計算得到隧道覆土層厚度d為4.36 m。考慮到錢塘江底沖刷和深泓擺幅影響，d的最終取值為4.5 m。

3.3 隧道襯砌結構設計

根據該隧道工程的覆土埋深、工程地質水文條件以及周圍環境，對上海、南京、武漢等地的類似工程進行充分的研究比對，并結合隧道結構理論計算分析、結構的耐久性要求等方面因素，最終確定了該工程的管片設計參數，如表1所示。

表1 杭州地鐵1號線下穿錢塘江的隧道工程管片設計參數

4 設計、施工難點的應對措施

4.1 盾構下穿錢塘江大堤的施工保障措施

錢塘江北岸大堤為下沙標準塘，堤頂高程為9.97～10.17 m，擋浪墻高程為10.67～10.97 m，瀝青路面，頂寬9.30 m。盾構隧道與錢塘江北岸大堤夾角70.71°，與大堤底部鋼筋混凝土沉井最小凈距約8.90 m，距北岸堤頂最大覆土為21.80 m。

錢塘江南岸大堤為九烏大堤，堤頂高程為9.87 m，擋浪墻高程為10.87 m，瀝青路面，頂部寬度為8.00 m。盾構隧道與錢塘江南岸大堤的夾角為78.46°，與大堤底部鋼筋混凝土沉井的凈距約為23.40 m，距南岸堤頂的最大覆土為34.60 m。

該越江隧道下穿錢塘江大堤所采取的保護措施如下：

1) 精細控制盾構軸線偏差、推進速度等關鍵施工參數，將掘進速度控制在10～20 mm/min內，有效降低了盾構掘進施工期間的地層擾動和建構筑物沉降速率。

2) 嚴格控制土倉壓力和出土量，保持刀盤土倉的密實和穩定。施工期間優化施工參數、嚴格控制盾構姿態，一旦發現出現偏離及時緩慢糾偏，將偏差始終保持在±40 mm以內。

3) 同步注漿漿液采用早強型可硬性漿液，按照注漿量和注漿壓力雙重控制標準嚴格控制同步注漿壓力和飽滿程度，有效控制了錢塘江大堤沉降變形。

4) 管片螺栓強度等級提高至8.8級。及時通過洞內二次注漿加固技術補償開挖造成的地層損失，將隧道施工后的大堤沉降控制在20 mm范圍內 。

在上述措施的有力保障下，該施工引起錢塘江北岸大堤的沉降變形在盾構穿越后6個月后漸趨穩定，沉降值維持在17 mm左右，滿足錢塘江管理局的大堤沉降變形控制要求。錢塘江北岸大堤的實測沉降曲線如圖2所示。

注：大壩測點1、大壩測點2位于錢塘江北岸大堤的堤頂處。

4.2 盾構下穿江底輸油管的施工保障措施

該越江隧道在靠近錢塘江南岸大堤處下穿江底高壓成品油輸油管，隧道與輸油管的平面夾角為8.7°，平面疊交范圍約90.0 m。根據江底輸油管道專項精確勘探實測資料[7]顯示，江底段輸油管與盾構頂的最小凈距約為11.1 m。為進一步確保輸油管道的運營安全，該工程的關鍵技術安全措施如下：

1) 盾構下穿施工控制技術措施。嚴格控制隧道軸線偏差，允許偏差量不大于±40 mm，發現偏離及時緩慢糾偏，不得猛糾硬調。在盾構下穿過程中，通過采取放慢施工速度、控制盾構掘進姿態、控制土倉出土量、加強同步注漿及二次注漿管理等施工技術措施，控制油管的隆起量和沉降量，并及時對隧道周邊進行二次雙液漿補充注漿，有效控制了輸油管道的沉降變形累計值及其沉降變化速率。

2) 軌道結構采取高等減振措施。考慮到地鐵列車在運行過程中會產生一定的振動，過江區間下穿輸油管區段的軌道結構采用高等減振措施，以減小因振動產生的影響。

通過以上關鍵技術措施的實施，該項目在施工期間江底輸油管的最大沉降量為12.3 mm，小于產權單位(中石化)要求的控制值(15 mm)。

4.3 高水壓情況下管片接縫防水的施工保障措施

考慮錢塘江最大設計洪水位高度，管片所承受的最大水頭壓力高達0.5 MPa，成型隧道需重點考慮管片的接縫防水問題。該工程的襯砌防水設計以管片結構自防水為主，以管片接縫防水為重點，遵循多道防線、綜合治理的防水設計原則，從襯砌結構、接頭構造、接縫設計、施工監測等方面制定措施，以有效控制隧道沉降，防止結構開裂及接縫滲漏，保證地鐵線路在正常運營階段隧道結構無滲漏、接頭不滲水。所采取的措施主要包括：

1) 管片混凝土結構自防水。管片混凝土強度的等級為C55，抗滲等級為P12，裂縫寬度≤0.2 mm。

2) 盾尾同步注漿。同步注漿采用水泥砂漿，盾構掘進過程中確保同步飽滿注漿、填充密實。二次注漿主要采用水泥漿，均勻、少量、多次進行跟蹤注漿，對錢塘江大堤、江底油管等變形控制嚴格的地段采用速凝型的雙液漿。

3) 襯砌接縫防水。管片接縫防水采用雙道三元乙丙橡膠彈性密封墊，管片接縫構造如圖3所示。管片的外弧面、內弧面處的彈性密封墊應滿足在接縫張開量為8 mm、錯臺6 mm時能長期分別抵抗1.25 MPa、0.75 MPa的水壓下不滲漏的要求，密封墊的構造如圖4所示。

尺寸單位：mm

a) 外弧面

b) 內弧面

4) 襯砌嵌縫防水。在盾構進洞端、出洞端各30環范圍內和錢塘江大堤下方的襯砌環、縱縫均采用高模量聚氨酯密封膠進行整環嵌縫處理；其余區段在拱頂120°范圍內的環縱縫采用高模量聚氨酯嵌填；道床面以下范圍內的環縱縫采用聚合物水泥進行嵌縫。

5 結論

1) 該工程在應對下穿錢塘江大堤、下穿江底輸油管、高水壓下管片接縫防水等難點上采取了積極的應對措施，有效控制了周邊環境風險和自身施工風險，確保了杭州地鐵1號線大斷面盾構隧道穿越錢塘江工程的順利實施。

2) 盾構襯砌管片采用通用襯砌環，管片拼裝方式為錯縫拼裝，采用均分9塊模式。管片接縫采用雙道彈性密封墊防水，能有效抵抗高水頭壓力，確保成型隧道接縫無滲漏。

3) 嚴格控制掘進參數及同步注漿參數，在“均勻、少量、多次”注漿的前提下，錢塘江大堤的沉降量控制在20 mm內，沉降控制措施安全、有效。

4) 結合成型隧道的整體外觀及監測數據等手段，可以驗證本工程為大斷面地鐵盾構隧道首次穿越錢塘江的成功案例，可為后續類似工程的設計、施工提供借鑒。