廣湛高鐵湛江灣海底隧道方案比選與盾構機選型研究

唐國榮，齊 春

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司，北京 100038；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

隨著我國高速鐵路快速發展，跨越江河、湖(海)灣工程越來越多，水下隧道具有選線不受通航凈空條件限制、施工對地面環境和景觀影響小、運營不受惡劣氣候條件影響等優點，水下隧道日益成為高鐵跨江越海工程的優先選擇。盾構法掘進速度快、成洞質量高、作業環境好、安全性高、地層適應能力強，是目前大斷面水下隧道施工的主要工法，全世界70%的水下隧道均采用盾構法修建[1-3]。

國內大量專家和學者從設計、施工、裝備制造等方面開展研究，解決了大直徑水下盾構隧道修建中的諸多問題。以南京長江隧道、廣深港高鐵獅子洋隧道、武漢三陽路隧道、上海長江隧道等為代表的大直徑水下盾構隧道的建成運營表明我國在大直徑水下盾構隧道修建領域已處于世界領先水平。郭信君等[4]分析了南京長江隧道施工重難點問題，系統總結了大直徑泥水盾構始發與接收、淺覆土施工、帶壓換刀等施工關鍵技術；肖明清等[8]依托武漢三陽路長江隧道，結合公鐵交通方式不同的技術要求及防災疏散救援的相互影響，確定了合理的工程總體方案；肖明清等[9]結合佛莞城際鐵路獅子洋隧道對隧道采用單雙洞方案、防災疏散救援方案、盾構機類型選擇等方面進行了研究；陳健等[10]對南京長江隧道和揚州瘦西湖城市隧道穿越淤泥質粉質黏土、粉細砂等復雜地層的全斷面黏土地層高效環流及出渣、江中高水壓、超薄強透水地層長距離掘進等關鍵技術進行了系統總結；肖明清，洪開榮等[5-7]對國內典型水下隧道工程設計、施工中的關鍵技術進行了系統總結；王吉云[12]以實際工程為背景，對近十年來中國超大直徑盾構隧道的施工經驗進行了總結探討；陳仁東、吳金剛[12-13]依托媽灣跨海通道前海灣隧道提出了“水陸并重、綜合比選”的隧道工法比選原則，并提出隧道總體設計與工法分區方案；佘才高[14]以南京地鐵3號、10號線過長江隧道為背景，在國內地鐵行業首次提出采用單洞雙線大直徑盾構隧道的斷面形式；彭祖昭等[15]基于壓力拱理論研究了水下隧道合理覆巖厚度，并依托佛莞城際獅子洋隧道工程進行了驗證；晏啟祥等[16]以國內大型水下盾構隧道的構造設計為基礎，結合國外典型盾構工程實例，對我國水下盾構隧道襯砌構造設計現狀及主要設計參數的相關性進行了分析統計，為設計提供了借鑒和指導；陳昂等[17]結合水下盾構隧道技術發展現狀，梳理了瓊州海峽跨海隧道方案實施需要解決的主要問題并初步提出解決方法和路徑。

廣(州)至湛(江)高速鐵路長約401 km，起點廣州站，終點湛江北站，是國家“八縱八橫”高速鐵路網，350 km/h沿海鐵路客運通道的重要組成部分。湛江灣海底隧道是全線控制性工程，采用明挖法+盾構法施工，具有斷面大、掘進距離長、高水壓、鄰近建(構)筑物多、周圍環境復雜等特點，工程面臨工期緊張、第三方風險高、盾構開挖穩定性控制難、盾構設備長距離掘進耐高壓、耐腐蝕、可靠性要求高和刀盤結泥餅、糊刀問題突出等難題。如何合理確定設計方案，并明確大直徑、高水壓、長距離掘進條件下盾構機的選型與適應性，是亟待解決的問題。本文從越海通道位置選取、隧道分合修、不同盾構段長度和盾構臺數等方面綜合比選設計方案，并研究了大直徑、高水壓、長距離掘進等條件下盾構機的選型與適應性，研究結論可為類似跨江越海工程提供參考。

2 工程概況

湛江灣海底隧道位于廣湛高鐵湛江東站(預留)—湛江北站區間，長約8.3 km，拱頂最大埋深約31 m，最大水深約21 m，主要穿越粉質黏土地層，局部穿越中砂、粗砂。設計行車速度250 km/h，采用盾構法+明挖法施工。隧道中部水域段約2.5 km，其余為陸域段，下穿水域段左側60～260 m位置為湛江海灣大橋。隧道進口位于海東新區奮勇大道幸福五局小區前綠化帶，出口位于樂山路—椹川大道—湖光快線交叉口以西空地，進出口均順接路基U形槽。隧道平面位置和縱斷面如圖1、圖2所示，工程地質條件、水文與航道條件可參考文獻[18]。

圖1 湛江灣海底隧道總平面示意

圖2 湛江灣海底隧道地質縱斷

2 線路設計控制因素

2.1 平面控制因素

2.1.1 過海通道

湛江市城市空間結構規劃為“一灣兩岸、一核四軸、多組團”布局。目前，湛江海灣大橋為連接湛江市東西兩岸唯一的跨海陸上通道。考慮城市規劃干擾、既有建筑物拆遷、海灣航道影響等因素，線路盡量選擇沿既有道路通道敷設方式通過湛江海灣及主城區。

經多方案比選后采用隧道方案，于湛江海灣大橋北側穿越湛江灣后沿樂山路通道前進。

2.1.2 湛江海灣大橋匝道橋

隧道在海西側中澳友誼花園上岸后，與湛江海灣大橋—海濱大道匝道橋墩近接，如圖3所示。由于鐵路線路與匝道橋斜交，線路不可避免地從兩橋墩之間穿越。為避免線路一側距離橋墩過近，隧道盡量沿兩橋墩之間等距布置。

圖3 湛江海灣大橋匝道橋與線路平面位置關系

2.1.3 樂山路沿線建(構)筑物及管線

樂山路為湛江市主干道，兩旁建筑物密集。為盡量遠離道路兩側建筑物，減少施工和運營對既有建筑結構的影響，隧道沿道路中線敷設。

2.2 縱斷面控制因素

2.2.1 線路坡度要求

根據文獻[19]，線路縱坡不宜大于20‰，困難條件下不應大于30‰。

2.2.2 隧道覆土要求

施工階段覆土厚度主要受盾構掘進安全和抗浮要求控制。通過工程類比，按覆土厚度一般不小于1D(D為管片外徑)、特殊情況下不小于0.7D控制。運營階段覆土厚度需滿足300年一遇沖刷深度、航道通航要求和錨擊入土深度條件下的抗浮要求。

2.2.3 地下管線

沿線敷設的管線眾多，對本工程影響較大的主要是洞身電力管線和出口處給排水管線。

隧道在DK413+600和DK414+230附近分別與220 kV和110 kV電纜平面交叉。兩處電纜均采用頂管施工，根據物探資料，管頂埋深分別為12.8 m和13.8 m。

沿湖光快線—樂山路敷設的DN1800給水管在DK416+050附近與隧道結構有交叉，如圖4所示。

圖4 DN1800給水管與線路平面位置關系

2.2.4 隧道出口附近線路高程

線路出隧道后即引入湛江北站，由于車站范圍內在建湛江大道下穿鐵路，需在滿足立交凈空條件下確定車站高程，進而影響本隧縱斷面。

3 方案研究與比選

3.1 研究方案綜述

對隧道分合修、不同盾構段長度、不同盾構臺數等方案進行綜合比選。受專業接口和場地條件所限，各方案隧道進口里程DK407+850，出口里程DK416+130，隧道長8 280 m。

3.1.1 4 km盾構合修方案

隧道采用合修方案，盾構段長4 038 m，采用1臺盾構機從小里程向大里程掘進。盾構隧道管片外徑13.8 m，內徑12.6 m，斷面如圖5所示。

圖5 合修方案隧道斷面布置(單位：cm)

3.1.2 4 km盾構分修方案

盾構段分修，左線平面同合修方案，右線按結構凈距并行段不小于1.0D、盾構井處不小于0.5D設計，明挖段適應線間距采用分修或合修。盾構段長2×4 022 m，左右線各采用1臺盾構機從小里程向大里程掘進。盾構隧道管片外徑10.3 m，內徑9.3 m，左右線之間設置聯絡橫通道。

3.1.3 6.5 km盾構合修方案

隧道采用合修方案，盾構段長6 507 m，采用1臺盾構機從小里程向大里程掘進。

3.1.4 7.5 km盾構合修方案

隧道采用合修方案，盾構段長7 488 m，采用2臺盾構機分別從隧道兩端相向掘進至中間井后解體吊出，進、出口端盾構段分別長4 176 m和3 312 m。

3.2 隧道分/合修方案比選

以4 km盾構合修方案和4 km盾構分修方案為例進行對比。

3.2.1 合修方案

考慮盡量縮短盾構段長度以縮短隧道建設工期，因此隧道在穿越湛江灣后盡快爬升以滿足盾構接收井設井所需的覆土厚度要求。同時，盾構井平面上不能距離湛江海灣大橋臺尾過近，以免交通疏解困難。

本方案設置2座盾構井，始發井設置于湛江奧體中心停車場，如圖6所示；接收井設置于溢香國際酒店門前樂山路，如圖7所示。隧道進口明挖段長1 447 m，出口明挖段長2 795 m，中間盾構段長4 038 m。

圖6 盾構始發井位置

圖7 盾構接收井位置

3.2.2 分修方案

盾構井設置的考慮因素同合修方案。本方案設置2座盾構井，其中始發井設置于湛江奧體中心停車場，如圖8所示；接收井設置于溢香國際酒店門前樂山路，如圖9所示。隧道進口明挖段長1 424 m，出口明挖段長2 834 m，中間盾構段長4 022 m。

圖8 盾構始發井位置

圖9 盾構接收井位置

3.2.3 分合修方案綜合對比

(1)工期和投資：合修方案工期需34.19月，分修方案工期需35.12月，分修方案略短。分修投資較合修多6.42億元，合修方案投資方面優勢明顯。

(2)施工和運營安全性：合修方案斷面大，施工風險更高，但目前國內大斷面盾構隧道施工經驗豐富，施工風險可控；分修方案需設置多個聯絡橫通道，水下黏土和砂土中橫通道施工風險高，橫通道處運營期滲漏水風險高；分修方案基坑寬度達19～32 m，盾構井處更寬達42 m，且基坑位于中心城區，施工風險極高；隧道近接海灣大橋匝道橋3處橋墩，最近處結構凈距僅約0.9 m，施工風險極高。

(3)防災疏散救援：分修方案雙洞間設置聯絡通道，疏散和救援條件更好；合修方案也滿足疏散救援要求。

(4)交通疏解和施工場地條件：分合修方案盾構接收井均位于湛江海灣大橋臺尾附近，上下橋車流與樂山路車流交織，對交通影響非常大且施工場地緊張。合修方案占地少，相對而言影響更小。

(5)第三方影響及社會風險：分合修方案明挖段均較長，尤其是出口端長距離占用湛江市交通繁忙、高層建筑物林立的主干道樂山路，對建(構)筑物和交通影響大，社會風險高。相較而言，合修方案因占地更小，影響較分修小。

(6)綜上，推薦采用合修方案。

3.3 長/短盾構方案比選

延長盾構段長度可降低明挖施工對城市交通和沿線密集建筑物、地下管線的影響。因此以4 km盾構合修方案和6.5 km盾構合修方案為例，對長、短盾構段方案進行比較。

3.3.1 短盾構方案

方案即為4 km盾構合修方案。

3.3.2 長盾構方案

方案為6.5 km盾構合修方案。本方案共設置2座盾構井，其中始發井設置于湛江奧體中心停車場；接收井設置于椹川大道—樂山路—湖光快線交叉口以東，云逸酒店門前樂山路中央，如圖10所示。隧道進口明挖段長1 479 m，出口明挖段長294 m，中間盾構段長6 507 m。

圖10 盾構接收井位置

3.3.3 長/短盾構方案綜合對比

(1)隧道長度：長、短盾構方案盾構段分別長6 507，4 038 m。

(2)工期和投資：長盾構方案44.92月，短盾構方案34.19月，長盾構方案工期優勢明顯。短盾構方案投資較長盾構多2.07億元

(3)施工和運營安全性：短盾構方案明挖段落長且位于城市主干道樂山路，深基坑施工風險高；相比而言長盾構方案施工安全性更好。

(4)交通疏解和施工場地條件：短盾構方案盾構接收井均位于湛江海灣大橋臺尾附近，上下橋車流與樂山路車流交織，對交通影響非常大且施工場地緊張。

(5)第三方影響及社會風險：短盾構方案明挖段落長，尤其是出口端長距離占用湛江市交通繁忙、高層建筑物林立的主干道樂山路，對建(構)筑物和交通影響大，社會風險高。相較而言，長盾構方案的影響更小。

(6)綜上，推薦采用長盾構方案。

3.4 一/二臺盾構方案比選

結合全線施組、豎井條件和投資等，以6.5 km盾構合修方案和7.5 km盾構合修方案為例對一臺盾構方案和二臺盾構方案進行比較。

3.4.1 一臺盾構方案1

方案即為6.5 km盾構合修方案。

3.4.2 一臺盾構方案2

方案與7.5 km盾構合修方案基本相同，但不設置中間井，采用1臺盾構機從小里程向大里程掘進。

經研究，本方案工期49.29個月，總工期超出控制工期，方案不可行。

3.4.3 二臺盾構方案

方案為7.5 km盾構合修方案。本方案共設置3座盾構井，其中進口端始發井設置于湛江交投集團與東旺大道之間綠化帶，如圖11所示；出口端始發井設置于樂山路—椹川大道路口東側。中間接收井的位置應當盡量保證2臺盾構掘進長度均衡以縮短工期，同時應滿足施工場地條件。經比選后設置于中澳友誼花園內，如圖12所示。

圖11 進口端始發井位置

圖12 中間接收井位置

3.4.4 一/二臺盾構方案綜合對比

(1)隧道長度：一、二臺盾構方案盾構段分別長6 507、(4 176+3 312)m。

(2)工期和投資：一臺盾構方案44.92月，二臺盾構方案34.79月，二臺盾構方案工期優勢明顯。二臺盾構方案投資較一臺盾構多1.27億元，且前期投入盾構機的費用高，每臺盾構機掘進距離相對較短，盾構機利用率低，施工單位較難接受。

(3)施工和運營安全性：兩個方案下穿樂山路段均為盾構區段，安全性相同；進口明挖段長度不同，但沿線建(構)筑物分布少且距離線路較遠，風險較低；二臺盾構方案中間接收井基坑深達31.33 m，地下連續墻深達56 m。且接收井緊鄰湛江灣水域，地下水位高且與湛江灣存在水力聯通，且臨近湛江海灣大橋；施工風險極高。相比而言單盾構方案施工安全性更好。

(4)交通疏解和施工場地條件：二臺盾構方案多1個中間井，但該井位于公園內，周邊場地可滿足施工要求。二臺盾構方案的2號始發井與一臺盾構方案的接收井平面位置相同，但作為始發井對場地面積要求更高，此處難以滿足。進口端交通流量較小，兩個方案的交通疏解差異不大。

(5)綜上，推薦采用一臺盾構方案。

3.5 隧道推薦方案

根據以上分析，本隧道推薦采用6.5 km長盾構合修方案。隧道全長8 280 m，其中盾構段長6 507 m，管片外徑13.8 m，內徑12.6 m，采用1臺盾構由小里程向大里程掘進；盾構始發井位于湛江奧體中心停車場，接收井位于椹川大道—樂山路—湖光快線交叉口以東，云逸酒店門前樂山路中央。

4 盾構機選型與適應性研究

4.1 盾構機選型

根據本工程特點，結合以往類似工程的實施經驗，可供選擇的盾構機有土壓平衡盾構和泥水平衡盾構。

本隧盾構段主要穿越粉質黏土，部分段落夾中、粗砂，地層強度較低。從地層條件和設備適應能力分析，兩種類型的盾構均可采用。

根據地勘報告，隧道通過地層粉質黏土和砂土的滲透系數分別為5.8×10-7，1.8×10-4m/s。從地層滲透性角度，兩種類型的盾構均可采用。考慮到水域段中、粗砂層水量豐富，滲透性較好，與地表水體有水力聯系，采用泥水平衡盾構更為可靠、合理。

土壓平衡盾構采用螺旋輸送機排土，設備密閉性和止水性較差，一般適用于水壓較低的地層，若地層水壓過大則施工風險太高甚至無法施工；泥水平衡盾構采用泥漿管道出渣，設備密閉性和止水性較高，對水壓高的地層適應性好。相關規范[20]規定，當地下水水頭壓力大于0.3 MPa時，宜選用泥水平衡盾構。本隧最大水壓約0.6 MPa，宜選用泥水平衡盾構。

隧道兩側建(構)筑物密集，對隧道施工引起的地表變形控制要求高，選用泥水平衡盾構更適合。

此外，泥水平衡盾構是國內外軟土地層中修建大直徑水下隧道的主導機型，在超大直徑、超長距離、高水壓水(海)底隧道盾構方案選型中占有絕對優勢。

綜上，推薦本隧采用泥水平衡盾構施工。

4.2 盾構機適應性研究

本隧道盾構開挖斷面大于14 m，獨頭掘進約6.5 km，主要穿越粉質黏土地層，最大水壓約6 bar，對盾構設備適應性的要求主要為以下幾個方面：大直徑盾構開挖穩定性的控制；盾構設備長距離掘進的耐高壓、耐腐蝕、高可靠性；解決刀盤結泥餅、糊刀等問題。

4.2.1 大直徑泥水盾構適應性

目前國內外采用盾構法施工的大斷面水下隧道工程數量較多，尤其在公路、市政領域已建成多條大直徑隧道工程。大斷面、高水壓、長距離水下盾構隧道在裝備制造、設計施工等方面均有較豐富的經驗，有成功案例可供借鑒。

本隧道穿越地層主要為Q4m+al粉質黏土、粉砂、細砂、中砂、粗砂，Q1+2+3粉質黏土等地層，相對簡單，適合盾構法施工。通過選用泥水平衡盾構，控制開挖面水土壓力平衡，可解決大斷面引起的掌子面穩定等問題。

4.2.2 高水壓、長距離隧道施工適應性

盾構機的密封主要集中在主驅動和盾尾部位，高水壓、長距離海底隧道施工中主驅動和盾尾密封的高可靠性是隧道工程安全的關鍵。結合本隧道地質條件，盾構設備制造時應提高主驅動密封、盾尾密封的安全系數，留有適度的安全冗余，提高承壓能力。目前我國具有承受高水壓(10 bar)盾構設備制造能力。

刀盤刀具布置、主驅動密封和盾尾密封刷的材料及結構型式是延長主驅動和盾尾密封使用壽命的措施，以減少水下換刀頻次，并配備緊急情況下安全裝置，確保施工安全。

目前超大直徑盾構機設計使用壽命均大于10 km，設備關鍵部件均能滿足長距離掘進的需求。

4.2.3 本工程盾構機適應性設計建議

(1)高承壓主驅動及盾尾密封設計

高承壓主驅動密封現有兩種設計方案，如圖13所示。方案1為采用多道橡膠唇形密封，通過向每道密封腔內注入密封油脂，實現承壓能力需求，其中每道密封腔所需注入油脂的壓力可由電氣控制系統根據泥水艙內壓力進行實時調節，確保密封的可靠性；方案2為采用聚氨酯密封，實現承壓能力需求。

圖13 盾構主驅動的兩種密封方案

盾尾密封可按4道加強型密封刷+1道密封鋼板束設計，其中前3道密封刷采用螺栓連接的方式，方便更換，如圖14所示。通過向每道盾尾密封腔內注入盾尾油脂，滿足承壓能力需求。

圖14 盾尾密封布置

另外，盾尾密封應設計有應急措施，預留冷凍管路及聚氨酯注入管路，以實現緊急情況下的盾尾密封。

(2)刀盤選型及刀具配置

長距離隧道掘進施工中換刀不可避免，考慮本隧道水壓高，刀盤設計時應充分考慮加強刀具使用壽命，同時配置常壓換刀功能，以盡量減少換刀次數，降低換刀作業風險。由于本隧道地勘未揭示巖層，推薦采用常壓軟土刀盤設計，刀盤配置常壓可更換齒刀、切刀，如圖15所示。針對類似工程中出現的常壓刀盤在黏土地層中容易結泥餅的問題，要合理設計刀盤開口率，并加強刀盤、刀具沖刷措施。

圖15 常壓軟土刀盤及可更換切刀、齒刀

(3)長距離掘進耐磨性措施

盾構機長距離掘進時，刀盤、刀具及泥漿環流系統各部件的磨損不可避免，為降低因刀盤、刀具、泥漿環流系統部件磨損后更換造成工期延誤的風險，盾構機設計制造時應加強刀盤、刀具、泥漿環流系統的耐磨措施。

①刀盤耐磨措施

刀盤外周加焊鑲嵌合金耐磨環，同時在刀盤鋼結構上增加耐磨焊網格，如圖16所示。刀盤正面設計耐磨復合鋼板，增強其抗磨損能力，如圖17所示。

圖16 刀盤合金耐磨環及耐磨網格

圖17 刀盤復合耐磨鋼板

②刀具耐磨及刀座保護措施

切刀、邊緣刮刀采用大塊合金設計，同時設計刀座保護機構，增強切刀、邊緣刮刀的抗磨損能力及防脫落能力，如圖18所示。同時，配置連續式刀具磨損檢測裝置，以更準確地監測刀具磨損情況，減少無效進倉換刀作業。

圖18 刀具耐磨及刀座保護措施

③泥漿環流系統部件耐磨措施

泥漿管路應針對性加強耐磨措施，例如加大管道壁厚，管道內壁增設耐磨焊，管道內澆筑耐磨合金鋼等方法。泥漿泵、泥漿閥采用國內外知名品牌，易磨損部位采用特殊材料制作。

5 結論

本文提出了大斷面、長距離、高水壓、穿越城市密集建成區水下隧道工程設置方案的研究思路，得出以下結論。

(1)為避免在軟弱、透水地層中修建多處聯絡橫通道，降低施工風險和運營期滲漏水風險，并減小中心城區施工的影響，且降低投資，推薦本隧道采用單洞雙線合修方案。

(2)從減小明挖施工對城市主干道及周邊環境的影響、施工場地條件和安全性及投資角度，推薦本隧道采用6.5 km長盾構隧道方案。

(3)雙盾構方案工期優勢明顯，但一臺盾構也能滿足工期要求。二臺盾構方案較一臺盾構方案投資增加明顯，且設備前期投入大，盾構利用率低，施工單位較難接受。同時，雙盾構方案中間井基坑深度大，地下水位高且與湛江灣水力聯通，施工風險很高，推薦本隧道采用單臺盾構方案。

(4)推薦本工程采用泥水平衡盾構施工，并通過采取“加強盾構機主驅動及盾尾密封設計，配置常壓刀盤，加強刀盤、刀具、泥漿環流系統的耐磨措施，合理設計刀盤開口率，并加強刀盤、刀具沖刷措施，防止刀盤結泥餅和糊倉”等措施，以更好地適應大斷面、高水壓、長距離掘進粉質黏土地層的工程特點。