城際鐵路隧道穿越水體方案分析

唐重平

(廣東珠三角城際軌道交通有限公司，廣東廣州 510000)

在城際鐵路建設(shè)過(guò)程中，受地面環(huán)境及線路選線因素的影響，不可避免的會(huì)出現(xiàn)以隧道方式穿越江河、湖泊等地表水體的情況。而水下隧道作為與地表水體相互影響最小的跨越方式，已經(jīng)逐漸被接受，并付諸建設(shè)。國(guó)內(nèi)已建的有青島膠州灣海底隧道、大連灣水下隧道、廈門翔安海底隧道、武漢長(zhǎng)江隧道、獅子洋鐵路水下隧道等多條過(guò)江(海)水下隧道。目前，國(guó)內(nèi)水下隧道較為常用的修建方法主要包括:明挖法、礦山法、盾構(gòu)法、TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)法、沉管法。

①明挖法:受隧道埋深限制較大，且需采取圍堰、斷流或河道臨時(shí)改道，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，但施工工期短，風(fēng)險(xiǎn)易于控制。

②礦山法:地質(zhì)勘測(cè)困難，施工中突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)大，安全措施要求高，需采用提前堵水措施，但礦山法隧道修建技術(shù)成熟且國(guó)內(nèi)外已有成功經(jīng)驗(yàn)。

③盾構(gòu)法:目前主要為泥水加壓式和土壓平衡式盾構(gòu)，掘進(jìn)設(shè)備及配套設(shè)施成本大，并且對(duì)地層地質(zhì)和水文情況敏感度高，在掘進(jìn)前方不良地質(zhì)、嚴(yán)重水害和障礙物難以探明的情況下，建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)較大。但盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)速度快、施工環(huán)境好、安全風(fēng)險(xiǎn)較低，國(guó)內(nèi)外已成功修建如英吉利海峽隧道、日本東京灣水下隧道、獅子洋鐵路隧道等一大批長(zhǎng)大水下盾構(gòu)隧道。

④沉管法:基槽開挖與基礎(chǔ)處理的施工技術(shù)非常復(fù)雜，斷面適應(yīng)性好，工程造價(jià)低，施工組織靈活，防水性能好，但施工難度大，管段制作工藝要求高，施工期間對(duì)水體航運(yùn)干擾大。

1 工程概述

莞惠城際鐵路作為珠三角城際軌道交通線網(wǎng)的一部分，由穗莞深城際麻涌站接軌，終點(diǎn)至惠州市惠州大道客運(yùn)北站。正線全長(zhǎng)99.81 km，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km，沿線經(jīng)過(guò)區(qū)域工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集。受地面空間和環(huán)境限制因素的影響，線路走行方案超過(guò)50%位于地下，地下段總長(zhǎng)達(dá)52.46 km。其中松山湖隧道長(zhǎng)38.8 km、東江隧道長(zhǎng)13.1 km，為城市雙洞單線鐵路隧道，包含明挖法、礦山法、盾構(gòu)法等區(qū)間隧道及地下明挖車站。如此大規(guī)模的城際鐵路隧道，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。受地下車站站位及規(guī)模的影響，區(qū)間隧道埋深較淺，一般段落埋深10～40 m。隧道沿線地質(zhì)情況復(fù)雜、地下水發(fā)育，下穿黃沙河、西南河、東江等地表水體。

2 礦山法區(qū)間隧道下穿水體

2.1 隧道下穿黃沙河

莞惠城際鐵路松山湖隧道東城南—寮步站區(qū)間GDK24+185～GDK24+905礦山法段，以66°斜角下穿黃沙河(圖1)，河床寬60 m，水量隨季節(jié)變化明顯，雨季較大。隧道頂部距離黃沙河河床底最小距離約13.5 m。

河床地層由上而下分布有:砂層、全風(fēng)化—弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、弱風(fēng)化花崗斑巖，其中花崗斑巖為侵入巖脈。隧道洞身位于弱風(fēng)化花崗斑巖，局部位于弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層(圖2)。地下水主要為孔隙水，局部為基巖裂隙水，滲透性弱—中等，水量較大，雨季河水對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給顯著。隧道下穿黃沙河段拱頂覆土較薄，且局部分布有較厚砂層，地下水與河水有水力聯(lián)系，施工過(guò)程中易發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，進(jìn)而造成河床底下沉、開裂，河水涌入隧道等災(zāi)難性后果。

圖2 隧道下穿黃沙河地質(zhì)縱斷面

2.2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道為馬蹄形結(jié)構(gòu)，內(nèi)輪廓凈寬7.87 m，凈高9.0 m。采用Ⅵ級(jí)淺埋復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)(圖3)，初支掛網(wǎng)噴混厚度30 cm，二襯厚度50 cm，初支型鋼鋼架間距0.5 m，邊墻部位設(shè)置φ22砂漿錨桿(L=3.5 m)，設(shè)計(jì)開挖工法為CD法。

圖3 下穿黃沙河復(fù)合式襯砌斷面

2.3 下穿處理措施

(1)洞外措施

根據(jù)隧道埋深、地表環(huán)境及地質(zhì)情況，于河面搭設(shè)臨時(shí)注漿加固平臺(tái)，對(duì)該段下穿隧道進(jìn)行洞外注漿止水加固。該段隧道線間距較小，約15.2 m，最小開挖凈距約5.5 m，因此采用左、右線隧道聯(lián)合加固方案:加固橫斷面范圍，水平方向?yàn)樽缶€隧道開挖輪廓外3.0 m至右線隧道開挖輪廓外3.0 m(圖1、圖4)，豎向范圍為拱頂以上8.0 m至W2弱風(fēng)化砂巖層底面(圖2、圖4)。

圖4 下穿黃沙河地面注漿橫斷面示意(單位:m)

加固地層與地表水存在水力聯(lián)系，為保證地表注漿加固止水效果，采用水泥-水玻璃雙液漿，后退式分段注漿。注漿孔按0.8 m間距，梅花形布置，按“先隧道兩邊后中間”的順序隔孔交替注漿。

(2)洞內(nèi)措施

超前小導(dǎo)管:隧道拱部180°范圍打設(shè)一排φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)，縱向間距1.0 m，環(huán)向間距0.33 m。小導(dǎo)管長(zhǎng)度3.0 m，外插角度15°，并采用水灰比1∶1的普通水泥漿對(duì)工作面前方拱部以上地層進(jìn)行注漿加固。

徑向注漿止水:根據(jù)隧道開挖后洞內(nèi)的地下水發(fā)育情況，在初期支護(hù)封閉后，采用單液漿對(duì)隧道周邊圍巖進(jìn)行進(jìn)行注漿堵水，注漿范圍為隧道開挖輪廓外3.0 m，注漿管按1.5 m×1.5 m，梅花形布置。

3 明挖法區(qū)間隧道穿越水體

3.1 隧道下穿西南河

莞惠城際鐵路松山湖隧道GDK26+515～GDK26+577明挖段，自西向東大角度橫穿西南河藥勒段(圖5)。西南河河面寬16 m，勘測(cè)期間水量較小，隨季節(jié)變化明顯，河水深約4.0 m。該段隧道大里程端與寮步站相接，為單層雙跨矩形結(jié)構(gòu)，隧道開挖寬度27.25 m，結(jié)構(gòu)高度為13.6 m，河床底與隧道頂板頂距離為2.1 m。河底地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂層、全—強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層(圖6)。

圖5 穿越西南河平面

圖6 穿越西南河地質(zhì)縱斷面

3.2 下穿方案選擇

該段隧道下穿西南河存在以下特點(diǎn):

①下穿西南河后與寮步站相接，埋深受車站控制，河床覆土僅2 m。

②西南河有雨季的防洪要求，不能斷流。

③常水位河道相對(duì)較窄，枯水季水量較小。

④所在場(chǎng)地開闊，均為農(nóng)田，有河道改變的可能。

受區(qū)間工法及隧道埋深的影響，下穿西南河隧道仍采用明挖法。為保證防洪安全，需對(duì)河道進(jìn)行臨時(shí)改移。根據(jù)水利部門意見，受水力流向限制，臨時(shí)河道僅能在河道東側(cè)即車站站址一側(cè)進(jìn)行改移。為配合河道改移計(jì)劃，并減小因河道改移占用站址對(duì)車站施工工期的影響，該段隧道采用蓋挖順筑法方案。

3.3 河道改移

西南河擔(dān)負(fù)著大嶺山、松山湖、寮步鎮(zhèn)等三鎮(zhèn)區(qū)的防洪安全任務(wù)，為保證河道行洪安全，臨時(shí)改移河道按原河道標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)模設(shè)計(jì)。隧道施工前將河道臨時(shí)改移至大里程一側(cè)，臨時(shí)河道寬20 m，兩側(cè)堤頂設(shè)寬3 m的防汛通道，改移的臨時(shí)河道長(zhǎng)度198 m。

3.4 蓋挖順筑法

蓋挖順筑法即采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)和蓋板形成河道下封閉空間，以圍護(hù)樁、立柱樁以及_蓋板作為施工期間的承載結(jié)構(gòu)，在蓋板施工完成后回填恢復(fù)河道，在其下方進(jìn)行土體開挖及主體結(jié)構(gòu)的澆筑。_

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采-用1 200@1 350 mm鉆孔灌注樁，樁間設(shè)置φ600 mm雙管旋噴樁止水，旋噴樁深度為基坑以下2.0 m，以鋼管作為內(nèi)支撐。蓋挖蓋板厚度1.1 m，臨時(shí)立柱處設(shè)置兩道1.2 m×1.5 m縱梁。蓋挖段隧道圍護(hù)及主體結(jié)構(gòu)剖面如圖7所示。

圖7 蓋挖順筑法橫斷面(單位:m)

(2)蓋挖順筑法施工

下穿段隧道蓋挖長(zhǎng)度62 m，基本施工工序?yàn)?

①河道改移完成后對(duì)蓋挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂土體進(jìn)行放坡開挖，掛鋼筋網(wǎng)噴射10 cm厚C20混凝土面層護(hù)坡，并設(shè)置間距1.2 m×1.2 m土釘。

②按一定工序施做鉆孔灌注樁(圍護(hù)樁和立柱樁)、樁間止水旋噴樁?；臃秶鷥?nèi)降水開挖，施做現(xiàn)澆鋼筋混凝土蓋板及縱梁，待蓋板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，回填覆土恢復(fù)原河道。

③在蓋板保護(hù)下對(duì)下部基坑進(jìn)行開挖，隨挖隨-設(shè)置鋼支撐，至基坑底設(shè)計(jì)高程。

④鋪設(shè)防水層，回筑主體結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)封頂前，臨時(shí)立柱仍發(fā)揮作用，因此在回筑主體結(jié)構(gòu)頂、底板過(guò)程中需在立柱處預(yù)留孔洞，待頂板澆筑完成后鑿除臨時(shí)立柱，對(duì)頂、底板孔洞進(jìn)行封堵。

4 盾構(gòu)法區(qū)間隧道穿越水體

4.1 盾構(gòu)隧道下穿東江

東江隧道西湖～云山西路站區(qū)間為雙洞盾構(gòu)隧道，GDK99+150～GDK99+650段穿越東江(圖8)，兩線隧道凈距7.5 m，盾構(gòu)管片內(nèi)徑7.7 m，隧道頂部與河底最小距離為17 m，采用德國(guó)進(jìn)口的兩臺(tái)直徑8.8 m的海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

圖8 盾構(gòu)隧道下穿東江平面

圖9 盾構(gòu)隧道下穿東江地質(zhì)縱斷

東江系珠江支流，江面寬度約500 m，江水深5～15 m，流量800 m3/s，雨季江水水位隨降雨量增加而升高。下穿段地下水主要為孔隙水和裂隙水，其中裂隙水主要分布于下層基巖中，節(jié)理裂隙發(fā)育;裂隙水含水量較大并略具承壓性，受大氣降水和東江直接滲入補(bǔ)給。

3.2 施工重點(diǎn)難點(diǎn)分析

下穿東江段是西湖—云山西路站區(qū)間的關(guān)鍵，直接影響到盾構(gòu)施工的成敗。根據(jù)工程水文地質(zhì)情況，盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)東江有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

①盾構(gòu)掘進(jìn)下穿東江水體，關(guān)鍵是控制地層變形，防止東江河床結(jié)構(gòu)開裂，造成涌水、涌砂風(fēng)險(xiǎn)事件。

②盾構(gòu)隧道穿越東江段處于線路緩和曲線及圓曲線范圍，盾構(gòu)糾偏控制難度大，對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)控制要求高，掘進(jìn)參數(shù)需精確。

③左線盾構(gòu)近100 m段落通過(guò)上軟下硬地層，盾構(gòu)在該類地層中掘進(jìn)極易造成地表較大沉降，甚至坍塌。

④江底換刀位置選擇及換刀作業(yè)。

4.3 主要技術(shù)措施

為了保證盾構(gòu)機(jī)順利穿越東江，在盾構(gòu)機(jī)過(guò)東江之前，選擇一開挖面自穩(wěn)性較好的地段進(jìn)行全面檢修，包括刀具更換、盾尾密封的檢修等，確保盾構(gòu)機(jī)以良好的狀態(tài)進(jìn)入東江，減小下穿掘進(jìn)過(guò)程中停機(jī)檢修的風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)施工過(guò)程中必須運(yùn)用信息化施工、控制隧道變形和河床沉降，并對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)中的各類施工參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

(1)土倉(cāng)土壓控制

土倉(cāng)土壓力設(shè)定是土壓平衡掘進(jìn)最重要的參數(shù)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)土倉(cāng)壓力控制不好，就會(huì)導(dǎo)致東江水與掘進(jìn)開挖面連通，易引起噴涌、大面積塌方等，造成重大工程事故。受江水潮汐及隧道埋深的影響，土倉(cāng)土壓力值的設(shè)定需充分考慮水頭壓力、水土壓力。根據(jù)潮水潮差的監(jiān)測(cè)情況，合理設(shè)定和適時(shí)、動(dòng)態(tài)的調(diào)整土倉(cāng)壓力，所要建立的土壓需要克服上部土體坍塌狀況下的壓力和周圍水壓。掘進(jìn)前，按照地質(zhì)及水文情況、隧道的埋深測(cè)算出理論土壓值，以理論土壓值控制土倉(cāng)內(nèi)的壓力，隨著推進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的地層沉降、排土狀況、刀盤扭矩等情況及時(shí)修正土壓值。

(2)曲線段掘進(jìn)施工

盾構(gòu)在曲線上掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)軸線控制困難，需放慢掘進(jìn)速度，小幅度糾偏，減小超挖，加大注漿量及加強(qiáng)糾偏測(cè)量工作，保證隧道中心線與設(shè)計(jì)軸線偏差在合理范圍內(nèi)。

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)盡量將盾構(gòu)機(jī)的位置控制在施工設(shè)計(jì)曲線的內(nèi)側(cè)，這樣有利于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制和糾偏。

曲線段施工時(shí)，為保持設(shè)計(jì)曲線線形，要合理使用千斤頂，在掘進(jìn)時(shí)盡量維持施工參數(shù)的平穩(wěn)，盡量利用盾構(gòu)機(jī)本身能力進(jìn)行糾偏。

曲線段推進(jìn)時(shí)，管片結(jié)構(gòu)單側(cè)偏壓受力，容易造成管片結(jié)構(gòu)變形，此時(shí)壁后充填注漿質(zhì)量顯得尤其重要。

(3)同步注漿

同步注漿的作用是在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，管片與地層之間的間隙將隨著盾構(gòu)推進(jìn)不斷地被漿液填充，以保證管片脫離盾尾時(shí)有一定的約束，同時(shí)也避免在地層不穩(wěn)定時(shí)地層坍塌及地層變形過(guò)大。采用普通水泥砂漿作為同步注漿材料，注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.3～1.5倍作為控制，注漿量還應(yīng)根據(jù)江底隆陷監(jiān)測(cè)情況，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整和動(dòng)態(tài)管理。

(4)二次注漿

盾構(gòu)同步注漿結(jié)束后，因江底地層水壓大，注漿材料流失，造成注漿不充分或無(wú)法實(shí)施同步注漿時(shí)，將導(dǎo)致管片與地層之間仍留空隙，并且盾構(gòu)推力也會(huì)造成管片和地層間會(huì)相互分離，從而加劇地層后期沉降。因此，施工中適當(dāng)采用1∶1配比的水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行二次注漿，充實(shí)管片背后空隙和提高止水能力，進(jìn)一步控制地層后期沉降。

(5)碴土改良

在復(fù)雜地層盾構(gòu)施工中，碴土改良是保證盾構(gòu)施工安全、順利、快速的一項(xiàng)不可缺少的重要技術(shù)手段，有利于穩(wěn)定工作面，

控制地表沉降。根據(jù)東江地質(zhì)條件，在全、強(qiáng)、中風(fēng)化含砂礫巖地層的掘進(jìn)，采用分別向刀盤面和土倉(cāng)內(nèi)注入泡沫的方法進(jìn)行碴土改良，必要時(shí)可向螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入泡沫。

(6)刀具配置

盾構(gòu)下穿東江段范圍內(nèi)地層風(fēng)化程度不同，地層對(duì)刀具有較強(qiáng)的磨損。含礫砂巖強(qiáng)度不大，巖石的礫質(zhì)和主體巖質(zhì)之間存在較大的強(qiáng)度差異，在掘進(jìn)過(guò)程中，刀具容易出現(xiàn)磕碰現(xiàn)象。根據(jù)該類地層的特點(diǎn)，刀具配置為全斷面滾刀，刀具配置為:中心雙刃滾刀+周邊單刃滾刀+貝殼刀。同時(shí)合理使用外加劑，提高碴土的和易性和流動(dòng)性，減少碴土與刀具刀盤的摩擦，降低刀具的磨損。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)對(duì)下穿水體隧道方案的選取，應(yīng)根據(jù)水體規(guī)模、工程水文地質(zhì)、安全風(fēng)險(xiǎn)、工期及造價(jià)等因素綜合考慮。對(duì)長(zhǎng)距離穿越經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集區(qū)域的城際鐵路隧道，還應(yīng)整體考慮區(qū)間工法及地下車站設(shè)置的影響。

(2)較一般段落相比，下穿地表水體段落必須加強(qiáng)前期地勘工作，有針對(duì)性的選取方案、采取措施，減小后期因地質(zhì)不明而引起的施工風(fēng)險(xiǎn)。

(3)莞惠城際鐵路下穿黃沙河、西南河、東江等地表水體，作為全線隧道高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，方案合理、措施到位，目前均已順利通過(guò)并完成襯砌澆筑和管片拼裝。

［1］侯學(xué)淵．盾構(gòu)法隧道［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1991

［2］蔡森豪，等．新店溪過(guò)河隧道工程案例探討［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999(8)

［3］王夢(mèng)?。陆煌ㄋ淼腊l(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)難題—兼論“臺(tái)灣海峽海底鐵路隧道建設(shè)方案”［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(11):2161-2172

［4］陽(yáng)習(xí)豐．瀏陽(yáng)河隧道過(guò)河段設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(4)

［5］汪國(guó)鋒，等．北京地鐵10號(hào)線盾構(gòu)下穿昆玉河關(guān)鍵施工技術(shù)［J］．市政技術(shù)，2011(8)

［6］曹晶珍，等．過(guò)江隧道盾構(gòu)法施工風(fēng)險(xiǎn)分析及控制［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012(8)