廣佛環(huán)線東環(huán)城際隧道工程關(guān)鍵施工技術(shù)研究

杜麗輝

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210019）

0 引言

近年來，以武漢長江隧道、南京長江隧道、杭州錢江隧道的建成運(yùn)營為代表，標(biāo)志著我國設(shè)計(jì)、修建大直徑水下盾構(gòu)隧道達(dá)到了國際先進(jìn)水平[1]。同樣，在大埋深隧道方面，新關(guān)角鐵路隧道、西秦嶺隧道、京廣鐵路復(fù)線大瑤山隧道以及錦屏二級水電站大埋深長隧道群等的修建使我國大埋深隧道修建技術(shù)邁向了新的高度[2]。大量研究分析總結(jié)了水下隧道、大埋深隧道的工程重難點(diǎn)，并針對相關(guān)問題提出了設(shè)計(jì)、施工中相應(yīng)的解決措施。如孫文昊[3]基于杭州錢江隧道的總體方案設(shè)計(jì)，研究了超大直徑盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)及防水、防災(zāi)系統(tǒng)，淺埋下穿河流等關(guān)鍵技術(shù)；肖明清等[4]對武漢三陽路長江隧道的地質(zhì)條件、建設(shè)條件進(jìn)行了介紹，并研究了隧道平面、縱斷面及疏散救援等關(guān)鍵技術(shù)。

此外，在大埋深隧道研究方面，卿三惠等[5]對烏鞘嶺特長深埋隧道設(shè)計(jì)與施工中存在的問題進(jìn)行了分析，探討了隧洞大變形防止措施；李紅中等[6]對廣東省花崗巖地區(qū)某隧道進(jìn)行了地質(zhì)測量、遙感、水文等系統(tǒng)分析研究，并分析了偏壓段大變形、硬巖巖爆、高壓突（涌）水等災(zāi)害相應(yīng)的防治應(yīng)對措施；吳存興[7]對泰寧隧道施工過程中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，并研究了高壓涌水處治、不良地質(zhì)體處理等關(guān)鍵技術(shù)。以上工程研究局限于水下隧道或大埋深工況下的關(guān)鍵技術(shù)，對于大埋深、高水壓、圍巖條件復(fù)雜的耦合工況研究較少。因此研究在此類復(fù)雜耦合工況下施工的關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

廣佛環(huán)線東環(huán)隧道大源站～太和站區(qū)間隧道具有大埋深、高水壓、圍巖條件極為復(fù)雜等顯著特點(diǎn)。本文以東環(huán)隧道為例，對大埋深、高水壓盾構(gòu)隧道襯砌類型及防水、大埋深復(fù)雜圍巖條件襯砌結(jié)構(gòu)形變控制、盾構(gòu)機(jī)選型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期為類似工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

珠三角城際軌道交通廣佛環(huán)線廣州南站至白云機(jī)場段廣佛東環(huán)隧道大源站～太和站區(qū)間工程位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)，南起點(diǎn)為白云區(qū)太和鎮(zhèn)大源村大源站，以南北方向進(jìn)入太和鎮(zhèn)沙亭崗村東側(cè)太和站，區(qū)間長約6816m，采用地下敷設(shè)方式，見圖1。

圖1 東環(huán)隧道大源站～太和站區(qū)間盾構(gòu)隧道平面圖

大源站～太和站區(qū)間里程范圍為DK35+771.00～DK42+587.00，采用明挖法、盾構(gòu)法施工，隧道規(guī)模一覽見表1。

表1 隧道規(guī)模一覽表

1.1 隧址地形地貌

廣佛環(huán)線東環(huán)隧道大源站～太和站區(qū)間地處珠江三角洲中部，地面高程21～135m，相對高差2～86m，地勢起伏較大，沿線多為丘陵與丘間谷地，為丘陵地貌。左線從大源站即廣州市泰邦物流信息中心穿過山丘北上，橫穿太和鎮(zhèn)涉外村、茶山村和多座山丘，下穿北二環(huán)高速公路，橫穿謝莊村進(jìn)入太和站。沿線公路多為雙向二車道，車流量大，交通繁忙，公路兩側(cè)多為民宅、商店、物流園等，樓層為2～10 層。地下管線較密集，尤其人行道及綠化帶各類管線密布，埋深為1.0～4.0m 不等。

1.2 工程地質(zhì)和水文特征

工程沿線穿越中風(fēng)化片麻巖、中風(fēng)化炭質(zhì)板巖及風(fēng)化砂巖層，巖石飽和抗壓強(qiáng)度分別為104.55MPa、37.35MPa、73.8MPa，摩氏硬度最高達(dá)5.63，隧道將穿越珠三角地區(qū)典型的復(fù)合地層，土層強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，下伏基巖以片麻巖、炭質(zhì)板巖、粉砂巖為主，基巖軟硬差異較大，大多為軟質(zhì)巖，遇水易軟化，自穩(wěn)能力相對較差。

隧址區(qū)地面高程21～135m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超過130m，其中盾構(gòu)隧道長距離下穿不同風(fēng)化程度的片麻巖、炭質(zhì)板巖、粉砂巖，圍巖風(fēng)化程度高、強(qiáng)度差異較大、滲透性差異顯著，為目前國內(nèi)首次采用盾構(gòu)隧道的方式長距離穿越大埋深巖層，設(shè)計(jì)與施工難度極大。加之區(qū)域內(nèi)水系發(fā)育，地下水豐富，施工和運(yùn)營期間最大水壓力超過1.2MPa，為目前國內(nèi)水壓力之最，工程條件非常復(fù)雜。

地下水按賦存方式分為第四系松散土層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶裂隙水。第四系松散土層孔隙水主要為承壓水，部分為潛水；基巖裂隙水中地下水以承壓水為主，含水層主要為呈碎塊狀的強(qiáng)風(fēng)化巖帶及節(jié)理裂隙發(fā)育的中等風(fēng)巖帶，含水層透水性、富水性中等；場區(qū)屬覆蓋型巖溶區(qū)，溶洞層數(shù)1～3 層，洞高0.3～11.70m，巖溶裂隙水貯存于灰?guī)r發(fā)育的溶隙、溶洞中，具有一定承壓性。地下水具有化學(xué)侵蝕及氯鹽侵蝕，化學(xué)侵蝕為無鹽類結(jié)晶破壞，作用環(huán)境作用等級H1，氯鹽作用等級L1，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，對結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）鐵路等級：城際鐵路。

（2）正線數(shù)目：雙線。

（3）速度目標(biāo)值：160km/h。

（4）正線線間距：4.0m。

（5）最小曲線半徑：一般1500m，困難1300m，限速地段結(jié)合運(yùn)行速度確定。

（6）最大坡度：30‰。

（7）到發(fā)線有效長度：400m。

（8）牽引種類：電力。

（9）機(jī)車類型：CRH6 城際動車組。

（10）行車指揮系統(tǒng)：調(diào)度集中。

（11）列車運(yùn)行控制方式：采用CTCS-2+ATO 自動控制系統(tǒng)。

3 工程總體設(shè)計(jì)

3.1 工程總體布置

區(qū)間隧道總建筑長度為6816m，其中區(qū)間盾構(gòu)總長6144m。該區(qū)間隧道主要穿越花崗片麻巖、炭質(zhì)板巖、泥質(zhì)砂巖及灰?guī)r層，采用兩臺雙模盾構(gòu)（單護(hù)盾TBM+土壓平衡盾構(gòu)）組織施工，盾構(gòu)從太和站小里程端頭工作井始發(fā)，大源站接收。隧道工作井及明挖段盡量布置在空曠場地，若必須在道路下方，也應(yīng)布置在車流量小、便于交通疏解地段。

3.2 線路平面與縱斷面

3.2.1 線路平面

正線線間距為滿足雙洞單線盾構(gòu)法隧道施工的需要，線間距不小于1D（D 為盾構(gòu)法隧道外徑）。為避開既有建構(gòu)筑物，減小線間距時(shí)，應(yīng)充分考慮地層條件對隧道凈距的影響：當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件好時(shí)，可適當(dāng)減小線間距，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

3.2.2 線路縱斷面

對于高水壓隧道，一般縱斷面宜采用淺埋方案，高水壓情況下盾構(gòu)法隧道施工換刀的次數(shù)應(yīng)盡可能減少，如南京緯三路隧道設(shè)計(jì)中采用壓重方案優(yōu)化隧道縱斷面[8]，對于大埋深、高水壓隧道通常采取施做內(nèi)襯方式提高安全性，隧道縱斷面分為敞開段及暗埋段[9]，廣深港高鐵獅子洋隧道主要考慮了結(jié)構(gòu)荷載、防水難度等因素，在隧道縱向上覆巖厚度不小于15m[10]。該工程設(shè)計(jì)主要考慮隧道埋深一般不小于1D，在盾構(gòu)始發(fā)段一般不小于0.7D。此外，從減少隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的角度，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件及施工工法，考慮隧道縱斷面設(shè)置；對于盾構(gòu)法隧道，應(yīng)盡量避免上軟下硬地層，對于存在球狀風(fēng)化的花崗巖全風(fēng)化層，有條件時(shí)也應(yīng)盡量避免。最后應(yīng)考慮列車運(yùn)行節(jié)能需要，按車站布置盡量設(shè)置V/W型節(jié)能坡。

4 工程關(guān)鍵技術(shù)

4.1 大埋深高水壓盾構(gòu)隧道襯砌類型及防水

4.1.1 盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)類型

管片分為平板形、箱形、特殊的異形結(jié)構(gòu)等多種形式。在相等厚度的條件下，箱形管片具有重量輕、材料省的優(yōu)點(diǎn)，但抗彎剛度及抗壓條件均不及平板形管片，在盾構(gòu)千斤頂頂力作用下容易開裂。平板形管片具有較大的抗彎、抗壓剛度，尤其在較大直徑盾構(gòu)隧道工程中或高水壓條件下，采用平板型管片，其抗浮、結(jié)構(gòu)剛度均具有較大的優(yōu)越性。工程隧道最大埋深達(dá)150m，運(yùn)營期間最大水壓力約1.22MPa，要求管片具有較大的抗彎剛度和良好的抗壓、抗?jié)B能力，故該工程襯砌管片形式采用平板形管片。已有管片分塊型式中，大埋深污水盾構(gòu)隧道采用“5 等分分塊方案”，使結(jié)構(gòu)受力更為均勻[11]。項(xiàng)目考慮施工的便利性、管片的力學(xué)特征、對盾構(gòu)機(jī)拼裝設(shè)備的要求及防水，管片拼裝采用通用楔形環(huán)管片、錯(cuò)縫拼裝，襯砌環(huán)采用“6+1”的分塊方式，環(huán)寬1.8m。

4.1.2 盾構(gòu)隧道防水

借鑒相關(guān)研究[12]結(jié)合武漢長江隧道對管片接縫防水設(shè)計(jì)進(jìn)行的研究，本文針對盾構(gòu)隧道防水設(shè)計(jì)從管片材料、接縫防水等多方面進(jìn)行了綜合考慮，隧道管片采用強(qiáng)度等級為C50/C60 的高性能混凝土，抗?jié)B等級P12，管片混凝土中摻加網(wǎng)狀聚丙烯纖維，添加量為1.5kg/m3。襯砌接縫設(shè)置包括彈性橡膠密封墊、最外側(cè)的海綿橡膠條以及內(nèi)側(cè)嵌縫；在變形縫處，環(huán)縫彈性密封墊外側(cè)加貼3mm 厚遇水膨脹橡膠止水條，環(huán)縫遇水膨脹橡膠密封墊外側(cè)加貼3mm 同材料止水條；盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)時(shí)，為防止地層中水土進(jìn)入隧道，采用一道特制簾布橡膠板和鋼制翻板以及密封油脂進(jìn)行臨時(shí)防水處理。

4.2 大埋深復(fù)雜圍巖條件襯砌結(jié)構(gòu)形變控制

工程沿線穿越地層包括第四系的沖洪積層和殘坡積層，石炭系的粉砂巖、石英砂巖、砂礫巖、灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)板巖，震旦系的片麻巖和燕山期的花崗巖，其中盾構(gòu)隧道大量穿越的全風(fēng)化片麻巖、炭質(zhì)板巖區(qū)段圍巖壓縮模量低、遇水易軟化，屬軟巖范疇，在大埋深條件下圍巖變形持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)變形量大，管片襯砌結(jié)構(gòu)施作后圍巖的變形并不會停止，圍巖變形將進(jìn)一步引起襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生變形甚至破壞。在這種條件下，可在圍巖與管片的空隙中吹填具有一定的流動性和可壓縮性的豆粒石，從而“預(yù)留可壓縮層”以減緩圍巖形變荷載向襯砌結(jié)構(gòu)的傳遞，見圖2。

圖2 管片結(jié)構(gòu)配合“可壓縮層”的聯(lián)合支護(hù)體系

4.3 復(fù)合地層雙模式盾構(gòu)施工技術(shù)

隧道工程將穿越珠三角地區(qū)的復(fù)合地層，全風(fēng)化～中風(fēng)化的基巖、斷層等，所穿越的地層軟硬差別大，滲透性差別大、地層穩(wěn)定性差別大，特別是斷層破碎帶對盾構(gòu)施工安全影響巨大，在該類地層中不管采用土壓平衡盾構(gòu)還是護(hù)盾式TBM，均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，且均存在難度與風(fēng)險(xiǎn)，故擬采用雙模式盾構(gòu)施工技術(shù)。

4.3.1 盾構(gòu)機(jī)選型

從珠三角城際及廣州地鐵建設(shè)情況來看，類似工程盾構(gòu)機(jī)一般可以選擇泥水加壓式及土壓平衡式等兩種盾構(gòu)，基于兩種盾構(gòu)機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮該項(xiàng)目盾構(gòu)穿越區(qū)段的地質(zhì)及環(huán)境條件，結(jié)合珠三角城際軌道交通在建項(xiàng)目及其他城際鐵路類似直徑盾構(gòu)隧道的成功經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目盾構(gòu)隧道優(yōu)先選用土壓平衡盾構(gòu)。兩種盾構(gòu)特點(diǎn)的對比如表2 所示。

4.3.2 TBM 選型

TBM 一般可分為敞開式、雙護(hù)盾、單護(hù)盾TBM 三種型式。根據(jù)實(shí)際隧址的工程地質(zhì)條件，結(jié)合三種TBM 在該地質(zhì)條件下的適應(yīng)性、性能、施工速度等方面的優(yōu)劣，項(xiàng)目擬選用單護(hù)盾TBM。各形式TBM 對比見表3。

表3 各形式TBM對比表

綜上所述，隧道穿越珠三角地區(qū)典型的復(fù)合地層，土層強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，下伏基巖以片麻巖、炭質(zhì)板巖、粉砂巖為主，基巖軟硬差異較大，大多為軟質(zhì)巖，遇水易軟化，自穩(wěn)能力相對較差，經(jīng)盾構(gòu)及TBM 選型后采用單護(hù)盾TBM+土壓平衡雙模混合掘進(jìn)施工。

4.4 端頭加固設(shè)計(jì)

從該工程所處的工程地質(zhì)條件來看，盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)段風(fēng)險(xiǎn)較高，始發(fā)及到達(dá)前，應(yīng)對地層進(jìn)行加固。始發(fā)端頭位于軟弱地層，采用地面旋噴樁端頭加固，加固長度14m，到達(dá)端頭位于強(qiáng)風(fēng)化巖層，采用洞內(nèi)注漿加固，加固長度6m，加固示意圖如圖3、圖4 所示。

圖3 盾構(gòu)始發(fā)端頭地面加固

圖4 盾構(gòu)到達(dá)端頭洞內(nèi)加固

5 結(jié)語

廣佛環(huán)線東環(huán)隧道大源站～太和站屬于大埋深、高水壓、圍巖條件復(fù)雜的復(fù)合地層盾構(gòu)隧道，國內(nèi)相同類型工程少，可參照經(jīng)驗(yàn)少，涉及到的施工問題、關(guān)鍵技術(shù)多。本文對東環(huán)隧道大源站～太和站段工程的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，其中大埋深高水壓盾構(gòu)隧道襯砌類型及防水、大埋深復(fù)雜圍巖條件襯砌結(jié)構(gòu)形變控制、盾構(gòu)機(jī)選型等關(guān)鍵技術(shù)，可為類似工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

設(shè)計(jì)中考慮到隧址穿越地層軟硬差異大，結(jié)合土壓平衡盾構(gòu)施工場地占用小、對環(huán)境影響小、經(jīng)濟(jì)性好，單護(hù)盾TBM 地質(zhì)條件適應(yīng)性、掘進(jìn)性、靈活性好等特點(diǎn)，選用單護(hù)盾TBM+土壓平衡雙?；旌暇蜻M(jìn)施工。

傳統(tǒng)的高壓富水地段主要采用超前注漿進(jìn)行分區(qū)隔斷排水，通過泄壓式管片襯砌進(jìn)行排水，對于大埋深隧道，排出高壓水將加速滲流場與應(yīng)力場的耦合作用，故需要對泄壓式管片襯砌結(jié)構(gòu)的受力原理、適應(yīng)性、可行性進(jìn)行深入研究。下一步研究方向?yàn)槌咚畨捍舐裆畹囟味軜?gòu)隧道防水分析。