滬渝蓉高速鐵路崇太長江隧道關鍵技術探討

馬志富

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

隨著我國隧道工程技術的快速發展，越江隧道建設數量越來越多，肖明清[1-3]等對武漢長江隧道盾構段結構形式、武漢三陽路公鐵合建長江隧道，以及淮南—南京—上海1 000 kV交流特高壓蘇通GIL管廊工程隧道進行了專題研究；曹文紅等[4]對超大特長盾構法施工的上海長江公路隧道工程進行了系統研究。上述穿越長江的隧道工程涉及市政道路、地鐵、公路及管廊等不同功能的隧道。但截至目前，長江中下游尚無高速鐵路越江隧道的實際工程案例，由于高速鐵路對土建結構的平順性和穩定性要求高，在長江下游寬闊水域松軟地層中修建高速鐵路隧道，進行隧道結構變形、結構可靠性、超長距離獨頭施工和特長水下隧道防災疏散救援等系統研究，是十分必要的。

1 工程條件

1.1 地形地貌

隧址地貌為長江三角洲沖積平原，洞身下穿長江南支喇叭地段，江面寬約10.5 km，隧道南端太倉側為濱海平原地貌，北端崇明島側為河口沙咀地貌。隧道平面如圖1所示。

圖1 崇太長江隧道平面示意

1.2 地層條件

擬建工程位于長江口口門海陸交互地帶，地層沉積環境獨特，由長江三角洲古河谷經海平面上升后充填后而成，沉積成因包括河流沉積相、濱海湖沼相、河口灣-淺海相和水下汊道相等，其中，第四系全新統(Q4)厚度在17～50 m，最厚處位于河床上扁擔沙范圍，屬于全新統地層沉積中心，以下為上更新統(Q3)地層，是越江隧道洞身通過的主要地層，相關研究表明[5-7]，末次冰盛期長江下切河谷低于當今海平面50～70 m，河谷呈喇叭狀，在鎮江寬15 km，河口處寬120 km，其空間規模是冰后期沉積物得以良好保存的條件，冰后期海平面上升，河谷內高速沉積，沉積速率在8 000 aBP前約1.2 cm/a，8 000 aBP后驟減為0.15 cm/a；大部分沉積層形成于15 000～8 000 aBP，沉積速率高達8～15 m/1 000 a。

隧道高程大約在海拔-70 m以上，自上而下分布有全新統沖積粉砂層(河床表層)、全新統海陸交互沉積淤泥質粉質黏土、粉土、粉砂和中粗砂，上更新統沖積粉砂、中粗砂，-50 m以下則基本為上更新統沖積粉細砂、中粗砂、粉質黏土和黏土層[8]，如圖2所示。不同時期形成的地層層面呈明顯波浪狀，表明長江口潮流和徑流影響了地層的形成。

圖2 隧道縱斷面示意

隧址土質粒徑均勻、粒徑小，黏土平均含量高，砂土包含粉砂、細砂、中砂及粗砂。主沖槽以南地層自下而上韻律規則，以黏土、粉土為主，上有淤泥層，下有砂層，主沖槽以北地層則以砂為主，局部呈砂泥互層狀。

1.3 水文條件

地表水水樣水質分析顯示均為淡水；地下水類型為第四系孔隙潛水。水體平均含沙量[9]三峽蓄水前約0.47 kg/m3；三峽蓄水后約0.16 kg/m3。

1.4 不良地質

河床表層分布有新近沉積的②76粉砂，存在地震液化問題。場區有形成并局部富集淺層氣的條件，個別鉆孔也揭示到了淺層氣外溢現象。

1.5 河道沖刷

經長期自然演變和人工治理，河道平面形態、灘槽格局趨于穩定，隧道線位河道斷面沖刷深槽低點根據數模、物模及河演分析確定[10-11]，流速20年、100年和300年一遇條件分別按2.6 m/s、2.7 m/s和2.75 m/s左右考慮；枯季大潮漲急條件下，七丫口線位斷面深槽流速一般在1.0～2.0 m/s。據此推算河床沖刷斷面包絡線，并按照3個低點進行控制：北側新橋水道-27.0 m，南側主槽左側低點-49.4 m，南側主槽右側低點-58.2 m。江面按照300年重現期的水位高程為5.01 m[12]，南側主槽右側低點無沖刷時水深為29.3 m，地下埋深約為33.9 m，河流沖刷對隧道影響如圖3所示。

圖3 河流沖刷對隧道影響示意(單位：m)

1.6 航運設施

隧址區范圍段的長江干線航道，航道尺度為12.5 m×200 m×1 050 m[13-14]，全天候雙向通航5萬噸級海船。南岸為太倉港區，隧道下穿停泊區和過駁作業區，其上下游各約2.0 km處分布有海輪錨地，錨地計算錨擊入土深度約7.5 m。

1.7 自然保護

隧址水域為長江刀鱭國家級水產種質資源保護區核心區，分別列入上海市、太倉市生態紅線。

2 主要技術標準

2.1 設計標準[15]

鐵路設計標準為時速350 km高速鐵路，建筑限界采用高速鐵路建筑限界，接觸網采用彈性懸掛，疏散救援通道寬度≮1.25 m，接觸網下錨等局部地段≮0.75 m，鋪設雙塊式無砟軌道。隧道擬采用單洞雙線，隧道內輪廓軌面以上內凈空有效面積標準值為100 m2。

2.2 運營維護管理標準[16]

根據鐵運[2012]83號《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》，高速鐵路線路軌道靜態幾何尺寸容許值偏差管理值見表1。

表1 高速鐵路線路軌道靜態幾何尺寸容許值偏差管理值

2.3 防災疏散救援[17]

依據現行TB10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》，長度>10 km隧道，應設置不少于1處緊急出口或避難所。盾構隧道宜利用底部空間設置疏散廊道。

3 關鍵技術

3.1 長江口段復雜環境河床地層動態變化對隧道工程影響

(1)隧址處地層壓實及運移對隧道工程影響

有研究認為[18]，長江三角洲沉降主要受基底構造控制，河口沉積中心由松散沉積物壓實引起的沉降也是一個不容忽視的因素，它對局部產生的沉降作用非常明顯。三角洲基底構造沉降是全線的、整體的，越江隧道可不單獨研究，但其穿越了1.7萬年以來形成的高沉積速率沉積層，沉積時間短、速度快，且土層壓縮性隨埋深增加明顯增大，同高程淤泥質黏土、粉質黏土壓縮性顯著低于粉土與砂土。工程百年時間跨度的地層壓實沉降值及沉降速率情況，是本隧道結構設計和運營條件的控制因素，亦是本隧道需要重點研究的內容。

同時，由于全新統地層不斷沉積與壓實，河床下高含水量的軟泥向海洋方向不斷運移[18]。對本項目而言，重力作用下淤泥層等軟塑-流塑狀地層的橫向位移，對隧道結構穩定性也會產生一定影響。

因此，研究在工程所在地層在使用期亦即100年時間尺度下動態變形規律，對評價隧道工程長期安全性具有重要意義，具體包括以下3個方面：

①隧道所處地層的壓實沉降及橫向位移規律特征；

②沿隧道縱向黏性土與砂類土(含粉土)的差異沉降；

③沿隧道縱向同一地層不同埋深的沉降特點。

(2)沖淤往復作用對隧道結構穩定性影響

隧址的沖刷深度大，水域段河床高程在-25 m～0，控制點處河床高程與極限沖刷深度對應見表2。

表2 隧道線位控制點位高程及極限沖刷深度

在長江漲水漲潮沖淤過程中，水位變動、沖淤作用變化，必將導致河床下方地層及隧道結構應力產生變化，應力變化對隧道結構縱向穩定性產生的影響，需進行專題研究分析與評估。

(3)河床表層大厚度沉積砂層液化對隧道結構變形影響

隧道水域段河床表層分布有新近沉積的粉砂層，砂層厚度在0～20 m，縱向覆蓋范圍約占隧道長度的80%。一方面，粉細砂層在7度以上地震作用下，可能產生液化現象；另一方面，在長江口波浪動力作用下，沉積砂層表面也有液化可能。而大范圍厚層粉細砂地震液化后，對隧道結構整體變形的影響，需進行研究與評價。

3.2 水下軟土地層隧道變形控制

(1)軟土地層盾構掘進隧道基底變形與結構變形控制

前文已述，本隧道穿越地層為新近沉積土，表層的粉砂及粉土均為飽和松散層，流塑狀淤泥質粉質黏土，隧道通過了大段落的粉土、粉質黏土及砂層，其中，砂層包括粉砂、細砂、中砂及粗砂層，砂層及粉土的密實度隨著深度增加而明顯增大，粉質黏土則為軟塑狀。同一地層深度每加深10 m，標貫錘擊數增加5～6擊，隧道工程范圍土層基本屬于高壓縮性土層。

盾構段隧道覆土深度10～34 m。兩端洞口段隧道處于黏性土中，埋深小、壓縮性高；隧道中部為Q3砂類土，埋深較大，壓縮性相對較低。在長期高速列車荷載作用下，根據不同地層的動力響應特征，制定隧道結構變形控制措施，保證隧道內軌道結構平順性與穩定性。

盾構推進過程中，機頭部位自重大，對不同深度地層必然產生局部不同的壓實，管片環推進后，由于大直徑結構自重明顯小于土體自重，因此，不同深度地層的壓實沉降及回彈不同，結構承受的地層壓力與抗力也不同，引起的結構變形必然有差異。研究盾構機掘進及拼裝技術，局部地層力學性質差異明顯段的結構設計，減小掘進引起不同地層的壓密沉降差，對控制地層變化引起的隧道結構變形十分必要。

(2)高水壓下結構變形控制

盾構隧道位于水下20～87 m，隧道結構承受的最大外水壓力約為0.97 MPa，擬采用盾構隧道直徑約15 m，管片厚60 cm，環寬2 m，標準管片弧長約5 m。在高水土壓力作用下，管片因拼裝位置及同步注漿效果的差異，加之接縫安裝誤差，管片間連接錯臺，管片環橢圓度偏差，必然產生非對稱變形。上述非對稱變形在隧道建成后，可能隨著越江隧道工程條件變化而變化。因此，研究越江隧道結構形式[19]，對控制結構變形，提高結構安全度十分必要。

3.3 超大直徑水下隧道超長距離安全施工

越江隧道盾構段長約13.2 km，其中水域段約10.5 km，長江江面在自然保護區紅線范圍，且航道尺度大，航運繁忙，水面臨時圍護筑島作業不可行。針對上述情況，可選擇的工程方案有2臺盾構機相向施工采取水下對接方案和單臺盾構機獨頭掘進施工方案，而在飽和松軟地層水下環境，盾構對接面臨的工程風險極高，需解決設備制造和施工工藝水平兩大難題，國內尚無類似條件的工程案例，不建議推薦。因此，水下超長距離安全施工是本項目主要技術攻關方向。

(1)超長距離掘進盾構主機設備

盾構隧道通過了長約8 km的砂層段，主要包括細砂、中砂，局部有粉砂、粗砂。砂層密實，砂粒石英含量高，因此，掘進推力和扭矩大，刀具及密封系統易磨損[20]。盾構一旦下井推進后，需持續掘進11.5 km，且不具備來自地面的檢修作業，除正常作業外，所有的設備檢查、維修、更換和調試均在隧道內進行。研制高可靠性主機設備和常壓換刀刀盤，做到少換甚至不換設備，是隧道順利掘進的關鍵。

(2)超長距離掘進運輸系統

隨著盾構掘進不斷向前，洞內泥水管路跟進和運輸車輛走行的距離不斷加大，需進行嚴密的泥水系統和運輸組織設計，滿足盾構隧道超長距離運輸系統體系的正常運轉。

(3)超長距離掘進施工通風

直徑約15 m的超大直徑盾構隧道，最大獨頭施工通風長度達11.5 km，在盾構機掘進施工過程中，機器散發熱量高，運輸車輛在洞內運行時間長，單位時間內洞內車輛數量多，煙氣排放量大，加之局部地層賦存有害氣體，專門研究施工通風保障技術，是工程順利實施的重要支撐。

3.4 越江特長隧道防災疏散救援

現行防災疏散救援規范認為，隧道內行駛的列車發生火災事故時，應控制列車到隧道外進行停車疏散與救援，本隧道長約14.2 km，按規范要求單洞隧道應在洞身設置不少于1處緊急出口或避難所，滿足非火災事故列車停車疏散與救援。

理想的緊急出口和避難所設置點，應該是將隧道縱向基本等分的位置，這樣在隧道內任意點停車時，能做到最不利點的疏散路徑短和疏散時間最短。

越江隧道單洞方案，顯然不具備中間設緊急出口或避難所的條件，但其下口型結構內空間，如何科學利用于疏散和救援，是本項目需要重點研究的內容。

同時，越江隧道工程的重要性和特殊性，除了預防列車火災事故，還要預防洪水，預防船只自身及攜帶危險品爆炸沖擊等對隧道造成的影響。

3.5 其他

隧道和航道呈立交關系，航船停泊設施條件復雜[21]，為保障隧道建成后高速鐵路的運營安全，需就航運設施對隧道影響進行安全評估，當評估為危險的范圍時，應進一步協商調整。

4 結論與建議

4.1 結論

滬渝蓉高鐵崇太長江隧道屬于特長水下隧道，水壓高，地層松軟，自然環境保護要求高，盾構隧道越江段工作井之間獨頭掘進的距離超長，隧道工程技術難度極高，需研究解決的主要技術難題如下。

(1)長江河口段復雜環境隧道穩定性分析包括：新近沉積地層壓實及運移對百年工程期變化特征；沖淤往復作用對隧道結構縱向穩定影響；地震作用下江底表層大厚度沉積砂層液化對隧道結構變形影響。

(2)水下軟土地層隧道變形控制包括：軟土地層盾構掘進隧道基底變形與結構變形控制；高水壓下超大斷面隧道結構差異變形控制。

(3)超大直徑水下隧道超長距離安全施工包括：超長距離掘進盾構機的可靠；超長距離掘進運輸系統的配套；超長距離掘進施工通風的保障。

(4)特長越江隧道防災疏散救援包括：盾構隧道底部空間的利用；其他災害的預防與控制。

4.2 建議

長江是我國經濟最活躍的水道，自江陰至入海口長約220 km的河口段，處于長江社會經濟發展十分突出的地區，按照國家發改委《長江干線過江通道布局規劃(2020—2035年)》，該地區越江通道建設主要以隧道工程為主。崇太長江隧道關鍵技術問題的研究，對保障高速鐵路越江隧道建設及運營安全具有重要的技術支撐作用，對促進該地區鐵路工程發展具有重要意義。