甬舟鐵路金塘海底隧道總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

唐雄俊，肖明清，焦齊柱，毛 升

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，武漢 430063)

引言

21世紀(jì)以來，我國水下隧道進(jìn)入快速發(fā)展階段，其建設(shè)逐漸由江、河、湖底向海底發(fā)展。一大批已建成水下隧道成功實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)表明，我國水下隧道修建技術(shù)已達(dá)到了新的高度。隨著隧道施工裝備的不斷革新，新工藝、新技術(shù)不斷推廣和應(yīng)用，水下盾構(gòu)隧道逐漸向大斷面、大埋深、高水壓、長距離方向發(fā)展[1-4]。

甬舟鐵路金塘海底隧道具有大直徑(外徑14.0 m)、高水壓(最大水壓0.843 MPa)、長距離、地中對(duì)接、復(fù)合地層及海床演變復(fù)雜等特點(diǎn)，國內(nèi)類似工程可借鑒的經(jīng)驗(yàn)少，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)問題多，工程建設(shè)技術(shù)難度大。以金塘海底隧道為工程實(shí)例，對(duì)隧道平、縱、橫斷面總體設(shè)計(jì)、盾構(gòu)設(shè)備選型、管片接縫防水、防災(zāi)疏散救援及地中對(duì)接等關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，以期為其他類似水下隧道工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道位置與規(guī)模

甬舟鐵路西起寧波東站，經(jīng)寧波市北侖區(qū)、舟山市金塘島、冊(cè)子島、富翅島，終于舟山本島白泉站，線路全長76.774 km，采用設(shè)計(jì)速度250 km/h高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

金塘海底隧道位于寧波北侖西站與舟山金塘站之間，如圖1所示，采用單洞雙線盾構(gòu)法隧道下穿水深流急、水文和地質(zhì)條件極為復(fù)雜的金塘水道，兩岸采用礦山法施工。隧道全長16.18 km，其中，盾構(gòu)隧道長11.21 km，礦山法隧道長4.93 km，明挖工作井長0.04 km。

圖1 金塘海底隧道平面位置示意

1.2 工程建設(shè)條件

(1)地形地貌

隧道陸域沿線跨越丘陵與海積平原地貌單元，穿越區(qū)高程最高約234 m，最低5 m，相對(duì)高差229 m，自然坡度10°～40°，山體連綿起伏，山間沖溝較發(fā)育，溝谷切割較淺，為山間洪水和地下水的排泄通道，海積平原區(qū)地勢(shì)平坦開闊。

隧道海域穿越的地形地貌主要有潮流沖刷槽、水道邊坡、水下淺灘，沖淤變換的潮流脊槽及沙波群，總體北淺南深，北側(cè)淺海區(qū)水深30～40 m，南側(cè)深海區(qū)水深50～80 m，如圖2所示。

圖2 工程區(qū)域海域水下地形

(2)海床演變與極限沖刷

受海洋潮流作用，金塘水道1928年～2002年工程海域總體上呈東側(cè)沖刷、西側(cè)淤積、甬江口有沖有淤的態(tài)勢(shì)；2002年～2017年，工程海域呈離岸大面積沖刷、邊灘淤積的態(tài)勢(shì)，隧址附近沖淤并存。

隧址處金塘主水道段平均沖刷約2 m，年均沖刷約0.13 m，受長江來沙減少和圍墾固沙導(dǎo)致的長期、緩慢影響，金塘主水道段的沖刷趨勢(shì)將持續(xù)存在。

綜合隧道整體物模試驗(yàn)沖刷預(yù)測(cè)、數(shù)模極限沖刷預(yù)測(cè)、水槽物模試驗(yàn)及縱向地質(zhì)分布，隧道極限沖刷最深點(diǎn)高程北侖側(cè)-55.7 m(海床面以下20.58 m)，金塘側(cè)-44.6 m(海床面以下19.54 m)。隧道縱向最大沖刷預(yù)測(cè)35 m，最大淤積15 m。

(3)工程地質(zhì)條件

隧道上覆土層主要為第四系人工填筑土，海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土，沖積層、沖湖積、沖海積粉砂、細(xì)砂、中砂、圓礫土、含黏性土碎石層。下伏基巖主要為侏羅系凝灰?guī)r、凝灰熔巖、英安巖、安山巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度最大值191 MPa，最小值為31.4 MPa，平均值52 MPa，巖石強(qiáng)度差異大[5]。

(4)水文地質(zhì)條件

地下水類型為孔隙潛水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水。環(huán)境作用等級(jí)[6]：海域及近海盾構(gòu)隧道段具有硫酸鹽侵蝕性和鎂鹽侵蝕性，化學(xué)環(huán)境作用等級(jí)為H2，鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境等級(jí)為Y3，氯鹽環(huán)境作用等級(jí)為L3，其他段為T2。

2 工程總體設(shè)計(jì)

2.1 隧道平面設(shè)計(jì)

隧道平面設(shè)計(jì)需要考慮以下2個(gè)主要因素。

(1)隧道海中穿越區(qū)域水深及兩側(cè)登陸條件。

(2)與規(guī)劃甬舟高速公路復(fù)線的相對(duì)位置關(guān)系。

2.1.1 越海隧道線位方案

根據(jù)隧道海中線位穿越情況，主要研究北側(cè)淺水隧道方案、經(jīng)大黃蟒島隧道方案以及南側(cè)深水隧道方案，如圖3所示。

圖3 隧道越海段線位方案

方案1：北側(cè)淺水隧道方案穿越的海域潮汐流速較小，水文條件相對(duì)簡單，水深較淺，最大水壓0.843 MPa，兩側(cè)登陸點(diǎn)為規(guī)劃冠保碼頭與木岙作業(yè)區(qū)，通過調(diào)整規(guī)劃，對(duì)碼頭影響較小。

方案2：經(jīng)大黃蟒島隧道方案穿越的海域潮汐流速大，水文條件相對(duì)復(fù)雜，水深大，最大水壓1.25 MPa，兩側(cè)登陸位置下穿既有海越化工、新僑化工、中國石油天然氣股份有限公司東北銷售寧波分公司北側(cè)儲(chǔ)罐及碼頭，對(duì)碼頭及危化企業(yè)影響較大。

方案3：南側(cè)深水隧道方案同樣存在穿越的海域潮汐流速大、水文條件相對(duì)復(fù)雜、水深大等特點(diǎn)，最大水壓1.05 MPa，北侖側(cè)登陸位置穿越鎮(zhèn)海煉化算山碼頭，對(duì)碼頭影響大。

經(jīng)對(duì)比分析，方案一隧道埋深淺、水壓小、水文條件相對(duì)簡單，且登陸點(diǎn)附近對(duì)規(guī)劃碼頭基本無影響，推薦采用。

2.1.2 公鐵隧道線位方案

由于北侖側(cè)跨海通道資源有限，規(guī)劃甬舟高速公路復(fù)線跨金塘水道線位北侖側(cè)與鐵路隧道同通道敷設(shè)。根據(jù)兩者相對(duì)位置關(guān)系，主要考慮鐵路北側(cè)公路隧道方案(圖4(a))及鐵路南側(cè)公路隧道方案(圖4(b))。

因鐵路北側(cè)公路隧道方案需采用大直徑雙洞隧道穿越北侖側(cè)企業(yè)地塊，對(duì)相關(guān)企業(yè)及規(guī)劃碼頭影響大，且該方案公鐵隧道需在海中進(jìn)行交叉跨越，施工風(fēng)險(xiǎn)大；而鐵路南側(cè)公路隧道方案可在北侖陸域側(cè)實(shí)現(xiàn)公鐵隧道交叉跨越。經(jīng)綜合分析比較，推薦采用鐵路南側(cè)公路隧道方案。兩者平面線位方案如圖4所示。

圖4 北侖側(cè)公鐵隧道線位方案

2.1.3 隧道平面布置

線路出北侖西站上跨泰山西路，下穿四顧山、規(guī)劃預(yù)留的甬舟高速公路復(fù)線隧道后，沿青峙河西側(cè)地塊內(nèi)與預(yù)留的甬舟高速公路復(fù)線平行敷設(shè)；下穿亞洲紙管紙箱、恒逸物流、冠保地塊后于規(guī)劃的冠保碼頭附近進(jìn)入金塘水道；隨后沿淺水區(qū)敷設(shè)，依次下穿七里錨地、金塘錨地后至規(guī)劃木岙作業(yè)區(qū)南側(cè)，折向北進(jìn)入金塘站。隧道洞身共3段平曲線，最小曲線半徑3500 m，如圖5所示。

圖5 隧道平面布置示意

為便于盾構(gòu)施工運(yùn)輸、運(yùn)營期防災(zāi)疏散救援與維護(hù)，兩岸靠近工作井礦山法主線隧道段各設(shè)置斜井1座，其中，北侖斜井長0.64 km，金塘斜井長0.264 km。

2.2 隧道縱斷面設(shè)計(jì)

隧道縱斷面設(shè)計(jì)考慮的主要因素如下。

(1)下穿既有建筑物的結(jié)構(gòu)凈距。礦山法隧道北侖側(cè)下穿既有林家大山隧道凈距按不小于4 m控制，下穿在建黃山西路公路隧道按不小于10 m控制；盾構(gòu)隧道北侖側(cè)下穿既有石油管道參照國能油氣〔2015〕392號(hào)《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術(shù)及管理規(guī)定》要求，凈距按不小于10 m控制。

(2)海床最低沖刷深度預(yù)測(cè)高程。隧道運(yùn)營期在預(yù)測(cè)沖刷控制線下考慮船舶錨擊深度和上覆液化地層最小覆土厚度，滿足抗浮安全系數(shù)不小于1.1要求。

(3)海域船舶拋錨入土深度。10萬噸級(jí)集裝箱船落錨深度3.15 m。

(4)與規(guī)劃甬舟高速公路復(fù)線隧道交叉部位凈距?？紤]到先建鐵路隧道，后建公路隧道的時(shí)序，兩者結(jié)構(gòu)垂直凈距按不小于14 m控制。

綜合上述因素，隧道兩端采用20‰縱坡，北侖陸域側(cè)在滿足下穿建筑物最小凈距要求下，采用14.36‰和7.9‰坡入海，海中段采用3.3‰與6.5‰緩坡，如圖6所示。

圖6 金塘海底隧道縱斷面(單位：m)

海中盾構(gòu)段主要穿越土巖復(fù)合地層，隧址處最大水深39 m，最大埋深47 m，最小埋深17.7 m，最大水壓0.843 MPa。海中極限沖刷控制線以下最小覆土厚度為北侖側(cè)5.3 m，金塘側(cè)5.2 m。

2.3 隧道橫斷面設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道采用單洞雙線不設(shè)隔墻橫斷面，兩側(cè)各設(shè)置寬1.25 m、高2.2 m的縱向貫通救援通道，通道邊距同側(cè)線路中線均為2.3 m，救援通道走行面高出軌面30 cm。為滿足逃生、救援與消防要求，沿隧道縱向每隔150 m設(shè)置1處寬0.8 m樓梯道，連接車行區(qū)和軌下逃生通道。樓梯道盡頭設(shè)置防護(hù)隔離門，以分隔車道層與逃生通道層。為補(bǔ)強(qiáng)一次管片襯砌結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的防水、防火、防撞及耐腐性能，隧道設(shè)置300 mm厚二次襯砌。

隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑12.8 m，管片結(jié)構(gòu)厚0.6 m，隧道結(jié)構(gòu)外徑14.0 m，軌面以上內(nèi)凈空有效面積83.79 m2。盾構(gòu)橫斷面如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)隧道橫斷面(單位：mm)

礦山法隧道襯砌內(nèi)輪廓采用通用參考圖，軌面以上內(nèi)凈空有效面積92 m2，如圖8所示。

圖8 礦山隧道橫斷面(單位：mm)

3 工程關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾構(gòu)設(shè)備選型

本工程穿越強(qiáng)透水粉土粉砂層，采用土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)難以形成有效的土塞效應(yīng)，從而有可能在螺旋輸送機(jī)排土閘門處發(fā)生水、土砂噴涌現(xiàn)象，引起土倉中土壓力下降，導(dǎo)致開挖面坍塌，施工風(fēng)險(xiǎn)大。目前，國內(nèi)外隧道工程中采用承受較高水壓的盾構(gòu)隧道有：土耳其歐亞隧道(常壓換刀工作壓力1.3 MPa)，美國米德湖取水隧道(盾構(gòu)設(shè)計(jì)工作壓力達(dá)到1.7 MPa)及佛莞城際鐵路獅子洋隧道，均為泥水平衡盾構(gòu)隧道[7-8]。因此，推薦采用復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)施工。

考慮到北侖側(cè)盾構(gòu)機(jī)長距離穿越復(fù)合地層，換刀次數(shù)頻繁，金塘側(cè)雖長距離穿越土層，但在陸域與對(duì)接位置穿越軟硬不均與巖層，如采用普通復(fù)合刀盤則存在較高的帶壓進(jìn)倉換刀風(fēng)險(xiǎn)。因此，推薦兩側(cè)采用全斷面滾齒刀可互換、可常壓換刀的復(fù)合刀盤[9-10]。

為應(yīng)對(duì)高水壓長距離掘進(jìn)盾尾失效風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)機(jī)除加強(qiáng)盾尾刷設(shè)計(jì)外，同時(shí)要求盾尾設(shè)置冷凍管路，并兼?zhèn)渚郯滨プ⑷牍δ埽_保應(yīng)急密封和尾刷更換的安全[11]。

3.2 盾構(gòu)隧道接縫防水設(shè)計(jì)

本隧道盾構(gòu)段最大水壓高達(dá)0.843 MPa，水壓力較高，管片接縫防水設(shè)計(jì)至關(guān)重要[12-13]。

國內(nèi)已建大直徑盾構(gòu)隧道普遍采用雙道密封墊防水方案，其主要布置方式有內(nèi)外分開布置型(代表性工程有武漢長江隧道和南京長江隧道，見圖9)和雙道并排外主內(nèi)輔型(代表性工程有武漢三陽路長江公鐵隧道與南京和燕路長江隧道，見圖10)。上述兩種布置型式由于內(nèi)道遇水膨脹橡膠密封墊的防水能力較弱，管片接縫總防水能力與外側(cè)單道密封墊基本相同[14]；而對(duì)于內(nèi)道采用彈性密封墊的內(nèi)外分開布置型(圖9(b))一旦外側(cè)密封墊失效后，地下水將在兩道密封墊之間串流，進(jìn)而沿螺栓手孔等薄弱位置流出。

圖9 管片接縫防水內(nèi)外分開布置型密封墊

圖10 雙道并排外主內(nèi)輔型密封墊

為此，本隧道管片接縫采用外側(cè)雙道并排布置型密封墊防水，即在管片外側(cè)采用集中式雙道多孔EPDM彈性密封墊+中部遇水膨脹止水條防水，如圖11所示。

圖11 金塘海底隧道接縫防水設(shè)計(jì)(單位：mm)

3.3 防災(zāi)疏散救援設(shè)計(jì)

本隧道總長16.18 km，屬特長隧道，按照列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)盡量控制列車駛出隧道的原則進(jìn)行疏散[15]。對(duì)于非火災(zāi)工況下的停車疏散，列車停車時(shí)，人員下車后至行車道的救援通道，沿救援通道繞過事故列車后跨過軌道進(jìn)入隧道中間的疏散樓梯口，通過疏散樓梯下至疏散廊道內(nèi)。

因隧道海中段長約8.3 km，未設(shè)置緊急出口條件，隧道運(yùn)營面臨防災(zāi)救援難度大、維修進(jìn)出耗時(shí)長等問題。為此，利用盾構(gòu)隧道軌下廊道空間設(shè)置適用于機(jī)動(dòng)車輛行駛的縱向貫通疏散通道，并通過設(shè)置斜井及疏散通道將盾構(gòu)底部疏散通道與地面連通(圖12)。在為隧道運(yùn)維人員提供便利的同時(shí)，極大地提高了隧道防災(zāi)疏散救援效率。

圖12 北侖側(cè)主線隧道與斜井及疏散通道連接示意

3.4 地中對(duì)接設(shè)計(jì)

3.4.1 對(duì)接位置選擇

盾構(gòu)地中對(duì)接位置的選取主要考慮以下原則。

(1)應(yīng)盡量選擇隧道平面直線段、縱向坡度小的位置，以降低地中對(duì)接施工風(fēng)險(xiǎn)。

(2)需兼顧兩側(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)工期的平衡。

(3)選擇地質(zhì)條件好與透水性低的區(qū)段。

根據(jù)上述原則，結(jié)合海中盾構(gòu)隧道的地質(zhì)情況，將海中隧頂基巖覆蓋層厚度最大的DK23+110作為首選對(duì)接點(diǎn)(圖6)。該斷面弱風(fēng)化巖層覆蓋厚約24.8 m，基巖覆蓋厚度不小于1倍洞徑的縱向長度約210 m，且距北侖工作井4 940 m、金塘工作井6 270 m。

3.4.2 地中對(duì)接設(shè)計(jì)

地中對(duì)接包括土木式對(duì)接法和機(jī)械式對(duì)接法[16]。機(jī)械式對(duì)接法通過在盾構(gòu)機(jī)前部采用特殊設(shè)計(jì)，2臺(tái)盾構(gòu)可直接進(jìn)行插入對(duì)接。在日本有部分案例，多為輸水、電力管道工程，盾構(gòu)直徑相對(duì)較小，最大直徑為10.3 m，多數(shù)直徑在5 m以下，且盾構(gòu)推進(jìn)距離較短，普遍在3.5 km以下。土木式對(duì)接法通過對(duì)接地點(diǎn)將地層進(jìn)行加固處理，達(dá)到止水和防止地層失穩(wěn)的效果后，完成盾構(gòu)拆卸并施作隧道襯砌。

本隧道掘進(jìn)距離長，水壓高，穿越土巖復(fù)合地層，盾構(gòu)刀盤本身較為復(fù)雜，為減少盾構(gòu)設(shè)備制造難度，不宜采用機(jī)械式對(duì)接法。且由于對(duì)接地點(diǎn)處于巖層，地層穩(wěn)定性較好，參考廣深港高鐵獅子洋隧道成功經(jīng)驗(yàn)[17-19]，推薦采用注漿法加固的土木式對(duì)接方式。

4 結(jié)語

甬舟鐵路為舟山群島與大陸的第二條陸域通道，它的建成將結(jié)束舟山目前未通鐵路的歷史，并構(gòu)建義甬舟鐵路大通道，實(shí)現(xiàn)浙江省1小時(shí)交通圈目標(biāo)，同時(shí)也是加快舟山及寧波融入“一帶一路”國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。金塘海底隧道作為其重要控制性工程，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)問題多，工程建設(shè)技術(shù)難度大。通過對(duì)金塘海底隧道工程總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論。

(1)對(duì)于復(fù)合地層高水壓長距離掘進(jìn)可采用全斷面滾齒刀可互換、可常壓換刀復(fù)合刀盤的泥水平衡盾構(gòu)，盾尾應(yīng)具備應(yīng)急密封和尾刷更換條件。

(2)大直徑高水壓盾構(gòu)隧道宜采用外側(cè)雙道并排布置型密封墊防水型式。

(3)設(shè)置適用于機(jī)動(dòng)車輛行駛的縱向貫通疏散通道，可提高單洞雙線特長盾構(gòu)隧道的防災(zāi)疏散救援與運(yùn)維效率。

(4)大直徑長距離盾構(gòu)地中對(duì)接宜選用地層穩(wěn)定性較好的土木式對(duì)接法。