廣深港高鐵獅子洋隧道科技創(chuàng)新與應(yīng)用

獅子洋隧道是廣深港高鐵穿越獅子洋海域的關(guān)鍵工程，被譽(yù)為“中國(guó)世紀(jì)鐵路隧道”。工程面臨行車速度快、掘進(jìn)距離長(zhǎng)、地層復(fù)雜多變、盾構(gòu)地中對(duì)接、水壓力大、安全標(biāo)準(zhǔn)高等6大世界級(jí)技術(shù)挑戰(zhàn)。通過(guò)系統(tǒng)創(chuàng)新，成功解決了多項(xiàng)難題，總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。主要技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)特征：（1）是世界行車速度最高的水下隧道。（2）是國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的水下隧道和世界長(zhǎng)度第二的水下盾構(gòu)隧道。（3）是國(guó)內(nèi)首座鐵路水下隧道。（4）在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行盾構(gòu)地中對(duì)接。（5）世界上首次采用大直徑復(fù)合式泥水盾構(gòu)穿越水下全斷面基巖及風(fēng)化槽。（6）是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)水壓力最高的盾構(gòu)隧道。（7）開發(fā)了世界首個(gè)雙孔單線高鐵隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)。（8）建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)水下隧道緊急救援站。（9）單臺(tái)盾構(gòu)最大掘進(jìn)長(zhǎng)度5200m，是國(guó)內(nèi)在復(fù)合地層中一次掘進(jìn)最長(zhǎng)的隧道。

該隧道獲2011年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲得中國(guó)鐵道建筑總公司和中國(guó)鐵道工程總公司科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)各1項(xiàng)、省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)7項(xiàng)、省部級(jí)優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；各類知識(shí)產(chǎn)權(quán)25項(xiàng)（發(fā)明專利11項(xiàng)、省部級(jí)工法10項(xiàng)），并獲2015年國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)和菲迪克（FIDIC）2015年優(yōu)秀工程獎(jiǎng)。

本項(xiàng)目從2004年開始研究，歷經(jīng)數(shù)年聯(lián)合攻關(guān)，系統(tǒng)解決了盾構(gòu)地中對(duì)接、隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、隧道埋深、防災(zāi)疏散、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土巖復(fù)合地層盾構(gòu)裝備與長(zhǎng)距離掘進(jìn)、同步施工等一系列技術(shù)難題，形成了成套創(chuàng)新技術(shù)。

獅子洋隧道工程平面圖

獅子洋隧道工程縱斷面圖

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)一：開發(fā)了盾構(gòu)地中對(duì)接技術(shù)、高速鐵路雙孔單線隧道凈空面積優(yōu)化與氣動(dòng)效應(yīng)緩解技術(shù)、基巖覆蓋厚度設(shè)計(jì)技術(shù)、特長(zhǎng)水下鐵路隧道緊急救援站技術(shù)，解決了深水、寬海域下特長(zhǎng)隧道的總體設(shè)計(jì)難題，實(shí)現(xiàn)了工程施工與運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)、工期風(fēng)險(xiǎn)、造價(jià)等因素的合理平衡與綜合優(yōu)化。

1．盾構(gòu)地中對(duì)接技術(shù)

盾構(gòu)隧道一般采用從一個(gè)工作井始發(fā)到另外一個(gè)工作井接收的施工方式，特長(zhǎng)隧道需設(shè)置多個(gè)工作井分段掘進(jìn)。獅子洋隧道最大水深27m，水域?qū)挾?100m，采用4臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)，在國(guó)內(nèi)首次開發(fā)了盾構(gòu)地中對(duì)接技術(shù)，取消了隧道洞身二處臨水超深豎井，降低了造價(jià)，顯著提高了工期可靠性：當(dāng)一臺(tái)盾構(gòu)發(fā)生故障停止掘進(jìn)時(shí)，可利用另一臺(tái)盾構(gòu)完成剩余段施工（實(shí)際施工中也確實(shí)發(fā)生了此類事件）。

在對(duì)接技術(shù)方面，世界首次采用兩臺(tái)盾構(gòu)刀盤直接接觸的對(duì)接方式，重點(diǎn)解決了對(duì)接段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)接測(cè)量、圍巖注漿止水、無(wú)盾殼段止水、管片防松弛、小空間大構(gòu)件拆除作業(yè)等難題。實(shí)現(xiàn)了貫通誤差橫向小于25mm、高程小于20mm的良好指標(biāo)，保證了高速鐵路線型。

盾構(gòu)地中對(duì)接圖

2．隧道凈空面積優(yōu)化與洞口緩沖結(jié)構(gòu)技術(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范，時(shí)速350km的單線隧道凈空有效面積不小于70m2。這是針對(duì)最不利隧道長(zhǎng)度提出的。本項(xiàng)目首次對(duì)時(shí)速350km雙孔單線特長(zhǎng)高速鐵路隧道進(jìn)行了系統(tǒng)的氣動(dòng)效應(yīng)研究，提出了隧道凈空有效面積不小于65m2、局部雙層襯砌段不小于60m2的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，有效減少了隧道凈空面積與隧道直徑；開發(fā)了世界首個(gè)雙孔單線隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)，有效控制了微壓波對(duì)洞口環(huán)境的影響。所開發(fā)的緩沖結(jié)構(gòu)為：在列車入口段和出口段分別設(shè)置8個(gè)和6個(gè)大小、間距各不相同的開口，緩沖段長(zhǎng)分別為100m和220m。聯(lián)調(diào)聯(lián)試結(jié)果表明，列車以320km/h速度通過(guò)時(shí)，各項(xiàng)氣動(dòng)效應(yīng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

三維網(wǎng)格劃分

洞口緩沖結(jié)構(gòu)

3．基巖覆蓋厚度設(shè)計(jì)技術(shù)

獅子洋主河床段軟弱地層覆蓋厚度較薄，無(wú)法滿足隧道埋置要求，需將隧道埋置于基巖內(nèi)。對(duì)于水下盾構(gòu)隧道在基巖中的合理埋置深度，世界上不僅案例極少，也沒(méi)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。英法海峽隧道選擇在透水性極弱的泥灰?guī)r中穿越，避免了地下水對(duì)施工安全的不利影響。本工程主河床段主要穿越風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、砂礫巖，基巖面起伏大，透水性中等～強(qiáng)，合理選擇埋深與施工安全、結(jié)構(gòu)受力、防水設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)能耗等密切相關(guān)。

與礦山法隧道不同，盾構(gòu)法隧道管片一旦脫出盾尾，即可對(duì)地層形成“剛性”支護(hù)，埋深越大，圍巖松弛荷載趨于穩(wěn)定，但水壓力和形變壓力隨之增大（或需要更大的超挖），且不利于運(yùn)營(yíng)節(jié)能；而埋深減小，則對(duì)進(jìn)艙作業(yè)（如刀具更換）的安全極為不利。本項(xiàng)目提出了基于隧道荷載與施工安全控制要求的盾構(gòu)法水下隧道基巖覆蓋厚度的選擇原則與計(jì)算方法，保證了施工安全，減少了隧道埋深和水壓力，利于運(yùn)營(yíng)節(jié)能。所提出的基巖合理覆蓋厚度選擇原則是：滿足“施工進(jìn)艙作業(yè)安全”，且松弛壓力與形變壓力之和相對(duì)較小。經(jīng)分析計(jì)算，本項(xiàng)目合理的基巖覆蓋厚度為15m。

4．特長(zhǎng)水下高速鐵路隧道火災(zāi)煙氣導(dǎo)流與緊急救援站技術(shù)

我國(guó)缺少高速鐵路隧道火災(zāi)規(guī)模和水下鐵路隧道防災(zāi)疏散的相關(guān)規(guī)定。本項(xiàng)目在對(duì)動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝材料、旅客行李調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型試驗(yàn)，首次提出了“動(dòng)車組火災(zāi)熱釋放功率為15MW”的結(jié)論。首次針對(duì)動(dòng)車組開展了人員疏散數(shù)值模擬、問(wèn)卷調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得了不同的火源位置、人員載荷、疏散口間距等情況下人員疏散速率及疏散時(shí)間等參數(shù)，構(gòu)建了基于火場(chǎng)環(huán)境人員行為特征和動(dòng)車組人員疏散模型，獲得了橫通道設(shè)計(jì)參數(shù)及安全疏散時(shí)間，為火災(zāi)疏散設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。由于水下隧道為凹形縱坡，如著火列車失去動(dòng)力，在重力作用下滑行至最低點(diǎn)段停靠的概率最大。據(jù)此，設(shè)置了國(guó)內(nèi)第一個(gè)水下隧道緊急救援站，救援站內(nèi)的橫通道間距為300m（其余地段橫通道間距為500m），并設(shè)置水消防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)地段重點(diǎn)設(shè)防和防災(zāi)措施效率的最大化。這些技術(shù)成果已納入正在全面修編的《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。

水下疏散救援站

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)二：研制了我國(guó)首臺(tái)大直徑盾構(gòu)機(jī)，建立了復(fù)合式盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)體系，開發(fā)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步施工技術(shù)，攻克了大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離連續(xù)穿越軟土、砂層、巖石風(fēng)化層、破碎帶和硬巖地層的技術(shù)難題和同步施工難題，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)水下盾構(gòu)隧道修建長(zhǎng)度的大幅突破。

1．復(fù)合式刀盤與刀具配置技術(shù)

獅子洋隧道是我國(guó)首次采用大直徑盾構(gòu)在高水壓下穿越土巖復(fù)合地層，結(jié)合其特點(diǎn)，研究了不同刀具組合方式的地層適應(yīng)性及風(fēng)險(xiǎn)，研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)大直徑復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)及復(fù)合式刀盤與刀具配置方案：采用開挖直徑11.182m的復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)，面板式刀盤（開口率31%），軟弱地層以刮刀和重型撕裂刀開挖為主、基巖地層以滾刀開挖為主（滾刀間距88mm），可根據(jù)地質(zhì)條件變化進(jìn)行重型撕裂刀與滾刀互換。實(shí)踐表明，該技術(shù)方案合理可行，4臺(tái)盾構(gòu)平均進(jìn)度指標(biāo)達(dá)到了138.9米/月。

2．復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)

我國(guó)采用盾構(gòu)機(jī)穿越全斷面軟弱地層的經(jīng)驗(yàn)多，但缺少大直徑盾構(gòu)穿越軟硬不均地層和巖層的經(jīng)驗(yàn)。在軟硬不均（上軟下硬、左軟右硬等）地層段，刀盤受力不均，刀具偏磨，容易偏離設(shè)計(jì)軸線；在巖層破碎帶，盾構(gòu)機(jī)容易受困；在全斷面巖層段，泥水艙內(nèi)泥水容易與盾尾地下水貫通，嚴(yán)重影響注漿質(zhì)量與管片拼裝成型質(zhì)量。為此，通過(guò)合理進(jìn)行地層加固、動(dòng)態(tài)控制千斤頂推力與盾尾間隙、組合使用惰性砂漿與雙液漿等措施，建立了復(fù)合式盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)體系，保證了掘進(jìn)安全與質(zhì)量。

3．長(zhǎng)距離掘進(jìn)盾構(gòu)設(shè)備維護(hù)技術(shù)

獅子洋隧道單臺(tái)盾構(gòu)最大掘進(jìn)長(zhǎng)度為5200m，是國(guó)內(nèi)大直徑盾構(gòu)首次穿越土巖復(fù)合地層。在復(fù)合地層中進(jìn)行長(zhǎng)距離掘進(jìn)，必須解決盾尾刷更換、刀盤磨損修復(fù)和刀具更換難題。

施工中對(duì)盾尾刷磨損原因進(jìn)行了分析，提出了“控姿態(tài)，防意外，管油脂，重注漿，備應(yīng)急”盾尾管理方針，減少了盾尾刷更換次數(shù)，并開發(fā)了高水壓條件下盾尾刷更換技術(shù)。

與軟弱地層中掘進(jìn)不同，在巖石地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤刀具磨損快，進(jìn)艙作業(yè)量大，但開挖面的穩(wěn)定性較好，為此首次開發(fā)了“減壓限排進(jìn)艙作業(yè)”技術(shù)（用于巖層穩(wěn)定性較差的地段）和“常壓開艙作業(yè)”技術(shù)。該技術(shù)顯著降低了進(jìn)艙作業(yè)的壓力。

4．內(nèi)部結(jié)構(gòu)、橫通道與盾構(gòu)掘進(jìn)同步施工技術(shù)

對(duì)于直徑11m級(jí)的盾構(gòu)隧道，受空間制約，國(guó)內(nèi)外均是隧道貫通后再施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)和橫通道。獅子洋隧道長(zhǎng)度大、工期緊，為保證工期，開發(fā)了大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)與二襯平行施工、盾構(gòu)隧道破碎地層橫通道施工、盾構(gòu)掘進(jìn)與底縱梁同步施工等多種專利、工法，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、橫通道的同步施工，縮短工期約6個(gè)月。

盾構(gòu)機(jī)刀盤照片

排水進(jìn)艙照片

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)三：創(chuàng)立了復(fù)合地層水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)選型方法和結(jié)構(gòu)空間化設(shè)計(jì)方法，解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟弱地層列車振動(dòng)響應(yīng)控制等難題，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路高平順和舒適穩(wěn)定運(yùn)行。

1．結(jié)構(gòu)選型方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

高速鐵路水下盾構(gòu)隧道需考慮火災(zāi)、撞擊、爆炸等意外荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在基巖段，圍巖具有一定自穩(wěn)性，局部結(jié)構(gòu)破壞不會(huì)引發(fā)整體垮塌事故；而在軟弱地層段，局部結(jié)構(gòu)破壞則可能引發(fā)砂土大量涌入隧道甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)整體垮塌事故。本項(xiàng)目首次提出了基于圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)抗災(zāi)可靠性相匹配的結(jié)構(gòu)選型方法，并采用風(fēng)險(xiǎn)分析的方法，提出隧道結(jié)構(gòu)選型方案為：在軟弱地層段采用“管片+混凝土內(nèi)襯”的雙層襯砌結(jié)構(gòu)，基巖段采用單層管片襯砌。

結(jié)構(gòu)原型試驗(yàn)圖

雙層結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

綜合減振計(jì)算模型

針對(duì)國(guó)內(nèi)交通盾構(gòu)隧道首次采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論分析、模型試驗(yàn)、原型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，探明了其受力特征，提出了其計(jì)算模式，并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)。雙層襯砌采用半疊合結(jié)構(gòu)方式，管片厚50cm，內(nèi)襯厚25cm（僅內(nèi)側(cè)配置鋼筋網(wǎng)），通過(guò)螺栓手孔設(shè)置內(nèi)襯與管片的連接鋼筋。該方式可以保證后期變化荷載作用下，管片與內(nèi)襯共同受力，且用鋼量少。

2．結(jié)構(gòu)空間化設(shè)計(jì)方法與列車振動(dòng)響應(yīng)控制技術(shù)

盾構(gòu)隧道采用管片拼裝式襯砌，一般按平面應(yīng)變問(wèn)題處理。在軟弱及軟硬不均地層段，列車振動(dòng)作用容易導(dǎo)致不均勻沉降，影響行車安全。所開發(fā)的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)空間化設(shè)計(jì)方法為：采用雙層襯砌，并利用隧底填充混凝土設(shè)置鋼筋混凝土縱梁，形成“管片+內(nèi)襯+隧底縱梁”的空間結(jié)構(gòu)體系，從而提高結(jié)構(gòu)剛度，減少地層動(dòng)應(yīng)力與軟土沉陷。該空間結(jié)構(gòu)與常規(guī)單層襯砌結(jié)構(gòu)相比，將隧底地層動(dòng)剪應(yīng)力與抗液化剪應(yīng)力的比值從0.74降低到0.42，并降低豎向振動(dòng)加速度35%以上，因動(dòng)循環(huán)荷載產(chǎn)生的軟土塑性變形小于20mm，保證了地層穩(wěn)定性與軌道平順性。

綜合對(duì)比表明，獅子洋隧道建設(shè)條件復(fù)雜，技術(shù)難度大。本項(xiàng)目成果在諸多方面取得重大突破，總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，所建成的獅子洋隧道被稱為“高鐵技術(shù)與現(xiàn)代盾構(gòu)技術(shù)完美結(jié)合的代表作”，極大推進(jìn)了本領(lǐng)域科技進(jìn)步，并為今后隧道向更長(zhǎng)更大水深發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。