蔣 超

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

佛莞城際鐵路獅子洋隧道設(shè)計(jì)綜述

蔣 超

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

在建的佛莞城際鐵路獅子洋隧道是第2條下穿珠江口獅子洋海域的盾構(gòu)隧道，具有大直徑(13.1 m)、高水壓(最大水壓0.78 MPa)、地質(zhì)條件復(fù)雜(全斷面土巖復(fù)合地層、穿越3處破碎帶和2處水下斷層)、獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(長4.9 km)、行車速度高(時(shí)速200 km/h)等顯著特點(diǎn)。本文以該隧道工程為背景,采用工程類比、資料調(diào)研、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等方法，通過對工程總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的闡述，解決了基巖地層水下盾構(gòu)隧道合理埋深選擇、管片環(huán)向錯(cuò)臺控制、高水壓管片接縫防水、循環(huán)荷載下基底軟弱地層沉降控制、內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步施工等技術(shù)問題，提出了鐵路盾構(gòu)隧道管片雙摻鋼纖維及聚丙烯纖維以提高耐火性的方法，同時(shí)對復(fù)合地層(尤其是破碎地層)盾構(gòu)選型、高水壓條件下開艙技術(shù)進(jìn)行了探討。

佛莞城際鐵路； 獅子洋隧道； 盾構(gòu)； 復(fù)合地層； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 防水； 盾構(gòu)選型； 盾構(gòu)開艙； 耐火設(shè)計(jì)

0 引言

近十年來，以武漢長江隧道、南京長江隧道、杭州錢江隧道等為代表的大直徑水下盾構(gòu)隧道建成運(yùn)營，上海沿江通道、武漢三陽路隧道等項(xiàng)目的順利推進(jìn)代表我國在大直徑水下盾構(gòu)隧道修建領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。大量研究人員對類似大直徑水下盾構(gòu)隧道的工程重難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并有針對性地提出了設(shè)計(jì)、施工中的解決措施。如郭信君等[1]從分析南京長江隧道施工中面臨的工程難點(diǎn)出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)了施工中泥漿成膜、帶壓開艙等關(guān)鍵技術(shù)；孫文昊[2]對杭州錢江隧道工程的總體設(shè)計(jì)方案予以了闡述，并著重研究了超大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)及防水、軟土地層深基坑、盾構(gòu)段立體化平行作業(yè)及防災(zāi)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)；肖明清等[3]對武漢三陽路隧道(世界首座城市道路與地鐵合建盾構(gòu)隧道)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，研究了2種不同交通方式的技術(shù)要求及在運(yùn)營防災(zāi)救援方面的相互影響、隧道埋深、橫斷面設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步現(xiàn)澆等關(guān)鍵技術(shù)；拓勇飛等[4]對南京緯三路越江隧道的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。此類大直徑水下盾構(gòu)隧道均位于華東及華中地區(qū)，隧道主要穿越強(qiáng)滲透性砂礫層或淤泥、軟土等第四系地層(或僅少量段落隧道掌子面半斷面入巖)，其工程難度具有類似性，關(guān)鍵技術(shù)具有可參考性。但全斷面復(fù)合地層(即隧道穿越地層中含全斷面軟土、全斷面基巖及上軟下硬地層等3種截然不同性質(zhì)的地層)中大直徑水下盾構(gòu)隧道的工程實(shí)例相對較少(目前僅廣深港高鐵獅子洋隧道建成通車)，相對于均一地層盾構(gòu)隧道而言，在全斷面復(fù)合地層施工過程中極易出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、地表塌陷、工期滯后等問題[5-7]；運(yùn)營過程中由于基底地層性質(zhì)的顯著差異，也會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的縱向變形及不均勻沉降。如何在設(shè)計(jì)中規(guī)避上述工程風(fēng)險(xiǎn)，是急需解決的問題。

佛莞城際鐵路獅子洋隧道是第2條下穿獅子洋海域的大直徑盾構(gòu)隧道，具有典型的大直徑、高水壓、復(fù)合地層、獨(dú)頭掘進(jìn)距離長等特點(diǎn)。本文以佛莞城際鐵路獅子洋隧道為工程實(shí)例，對隧道平面、埋深選擇、橫斷面比選、盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)、防水、軟土抗振陷、盾構(gòu)設(shè)備選型、高水壓盾構(gòu)開艙、耐火、救援疏散等關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期為其他類似全斷面復(fù)合地層水下隧道的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程特點(diǎn)

佛莞城際鐵路獅子洋隧道是珠三角城際東西主軸線的重要控制性工程，隧道全長6.15 km，水域?qū)挾燃s1.8 km(見圖1)，采用盾構(gòu)法施工。該隧道具有大直徑(13.1 m)、高水壓(最大水壓0.78 MPa)、地質(zhì)條件復(fù)雜(全斷面土巖復(fù)合地層、穿越3處破碎帶和2處水下斷層)、獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(長4.9 km)、行車速度高(時(shí)速200 km/h)等顯著特點(diǎn)，是繼廣深港高鐵獅子洋隧道之后修建的第2條下穿獅子洋海域的水下盾構(gòu)隧道，是目前國內(nèi)最大直徑鐵路盾構(gòu)隧道，也是目前國內(nèi)最大水壓的水下盾構(gòu)交通隧道。

1.2 隧址地形地貌

獅子洋隧道工程西側(cè)位于蓮花山北側(cè)，地塊現(xiàn)狀為農(nóng)田、水塘及民居，現(xiàn)狀控制點(diǎn)主要為蓮花山省級風(fēng)景名勝區(qū)及茭塘村；東側(cè)位于東莞市麻涌鎮(zhèn)，地塊現(xiàn)狀為港口、工廠及農(nóng)田，現(xiàn)狀控制點(diǎn)主要為廣州新沙港一期、海昌碼頭及沿港口分布的廠礦企業(yè)，該地塊規(guī)劃有廣州新沙港二期及麻涌鎮(zhèn)港口產(chǎn)業(yè)園。

越江通道所在河段基本為順直型河段，兩岸均有海堤約束河床，左岸為東莞市的四鄉(xiāng)聯(lián)圍，右岸為廣州番禺區(qū)的蓮花圍。在徑潮2種動力作用下，新沙港附近河段的2處深槽并存，河道深槽兼做廣州出海航道，每年都要進(jìn)行疏浚維護(hù)。在新沙港建港前，線位所在河道斷面寬約2.3 km，建港后現(xiàn)寬約1.8 km，深槽水深10～15 m。其中東槽比西槽深，東槽深約15 m，西槽深約10 m。新沙港區(qū)一期工程已建成的10個(gè)泊位占用岸線2 km，陸域縱深600 m。新沙港區(qū)碼頭主體結(jié)構(gòu)為直腹式格形鋼板樁滿堂式圓形格倉，格倉內(nèi)和格倉后回填砂，格倉基礎(chǔ)為換填密實(shí)中粗砂，碼頭面為現(xiàn)澆混凝土大板結(jié)構(gòu)。

1.3 水文條件

隧址位置海域水文具有以下主要特點(diǎn)： 1)獅子洋水域多水道匯流，徑潮交匯，既有徑流型河口，又有潮流型河口，動力十分復(fù)雜； 2)徑流量大，含沙量小，總輸沙量大，潮流二次搬沙作用對塑造河床形態(tài)起著重要作用； 3)河槽容積大，潮差雖小，進(jìn)潮量、潮汐作用十分顯著，漲潮流勢強(qiáng)勁； 4)受臺風(fēng)影響，水域增水明顯，在灣口地形影響下，增水由伶仃洋至上游獅子洋呈逐漸遞增。

經(jīng)洪、中、枯、風(fēng)暴潮實(shí)測潮型分析，獅子洋水域洪水期水位明顯抬高，受徑流影響明顯，臺風(fēng)期增水明顯，300年一遇設(shè)計(jì)洪潮高水位為3.37 m，設(shè)計(jì)低水位為-2.26 m。

1.4 河床演變特征

根據(jù)獅子洋水域二維數(shù)值模擬與河工模型試驗(yàn)專題報(bào)告，河床平面形態(tài)穩(wěn)定，河道深泓線走向相對穩(wěn)定，沖刷后河道深泓往河道中心靠攏，但擺幅不大，河道灘槽格局基本不變。隧址區(qū)極限沖刷成果如下： 300年一遇頻率洪水條件下，最大河床沖刷深度為2.49 m，沖刷后最低河床標(biāo)高為-16.90 m。

1.5 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

結(jié)合獅子洋水域的詳勘及物探成果，越江工程范圍內(nèi)上覆第四系土層。其中： 岸邊段第四系土層厚30 m 左右，以淤泥及砂層為主；水下段第四系地層厚10～30 m，以淤泥、砂層及細(xì)圓礫土為主。下伏基巖以泥質(zhì)粉砂巖和砂巖、石英砂巖、泥巖為主，航道下存在3處破碎帶及2處斷層。巖層特征見表1。

表1 獅子洋隧道巖層主要特征

地下水可劃分為2大基本類型： 第四系松散巖類孔隙水和白堊系—第三系碎屑巖類裂隙水。地下水具有侵蝕性，其化學(xué)侵蝕環(huán)境作用等級為H1～H3級，鹽類結(jié)晶作用等級為Y1級，氯鹽環(huán)境作用等級為L2～L3級。第四系地層中，砂層、圓礫土的滲透系數(shù)分別為12 m/d和35 m/d，基巖段滲透系數(shù)小于10 m/d，但破碎帶和斷層的滲透系數(shù)可達(dá)50 m/d。

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： 200 km/h；

4)正線線間距： 4.4 m；

5)最小曲線半徑： 一般2 200 m，困難2 000 m；

6)最大坡度： 30‰；

7)車輛選型： 8輛編組CRH6動車組；

8)設(shè)計(jì)使用年限： 100年；

9)防水等級： 二級；

10)耐火等級： 一級。

3 工程總體設(shè)計(jì)

3.1 平面設(shè)計(jì)

線路出番禺側(cè)蓮花地面站后迅速入地，向東下穿獅子洋海域及廣州港新沙港區(qū)，后沿東莞西部干道下方穿行，向南偏出西部干道，在中紡糧油公司和沿江高速之間的空地出地面，接入麻涌高架站。隧道段最小曲線半徑2 200 m。

3.2 縱斷面設(shè)計(jì)

為了避免高水壓對隧道結(jié)構(gòu)、防水及施工的影響，一般水下隧道縱斷面宜采用淺埋方案，并盡可能減少隧道入巖以減少刀具磨損及高水壓下的換刀次數(shù)，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]。受隧道兩端接線條件、水域航道通行要求及巖面線分布等限制，獅子洋隧道無法采用淺埋置于第四系土層的方案。為了減少穿越軟硬不均地層的長度，隧道采用深埋方案。根據(jù)廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道[9]及益田路隧道盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，大直徑泥水盾構(gòu)在破碎巖層中掘進(jìn)時(shí)由于巖層較破碎，常常出現(xiàn)巖體局部掉塊現(xiàn)象，會嚴(yán)重影響施工速度，甚至導(dǎo)致掌子面出現(xiàn)塌方。故本隧道應(yīng)盡可能埋置在中風(fēng)化基巖(W2地層)中。

對于水下盾構(gòu)隧道在基巖中的合理埋置深度，目前世界上案例極少，且沒有技術(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，避免地下水對施工安全的不利影響。廣深港高鐵獅子洋隧道考慮橫通道施工、盾構(gòu)地中對接的安全性、結(jié)構(gòu)荷載大小、防水難度等因素，選擇的隧道覆巖厚度一般不小于15 m[10]。

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)，不僅結(jié)構(gòu)需承受較大的荷載，而且施工過程中盾構(gòu)設(shè)備也需承受更大的荷載及更大的推力與扭矩。此外，埋深加大還會增加防水難度，不利于運(yùn)營節(jié)能，而埋深減小，則對施工進(jìn)艙作業(yè)(如刀具更換)的安全極為不利[11]。經(jīng)綜合分析研究，提出基巖合理覆蓋厚度的選擇原則： 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較小。

在基巖地層中掘進(jìn)，刀盤磨損檢查和刀具更換等進(jìn)艙作業(yè)是不可避免的。對于基巖地層，只要巖層完整性相對較好，即使覆巖厚度小，由于刀盤對開挖面的支護(hù)作用，進(jìn)艙作業(yè)時(shí)的開挖面穩(wěn)定性也容易得到保證，一般希望在常壓或帶壓不超過0.3 MPa的條件下進(jìn)艙作業(yè)，此時(shí)滲水量成為進(jìn)艙作業(yè)時(shí)間長短的控制因素。日本京都大學(xué)小林芳正博士對海底隧道部分滲漏水量進(jìn)行了預(yù)測，并推導(dǎo)出

式中：Q為隧道預(yù)測涌水量，m3/d；k為巖層滲透系數(shù),m/d；pb為上覆海水水頭；p0為隧道襯砌壁面水頭；r為隧道有效開挖半徑，m。

按照公式表達(dá)，在相同覆巖厚度情況下，增加進(jìn)艙壓力可以顯著減少艙內(nèi)滲水量。如采用相同的滲水量，隨著進(jìn)艙壓力的提高，則可以減少覆巖厚度。

根據(jù)佛莞城際鐵路獅子洋隧道的地質(zhì)詳勘報(bào)告，弱風(fēng)化基巖滲透系數(shù)為0.47 m/d，經(jīng)過計(jì)算，滿足滲水量需要，且進(jìn)艙壓力不大于0.3 MPa時(shí)，對應(yīng)的覆巖厚度約為13 m。據(jù)此確定W2基巖的覆巖厚度一般不小于13 m，對于風(fēng)化槽底部覆巖厚度一般按照不小于2 m考慮，而對于較深的風(fēng)化槽和斷層，由于無法從其底部通過，因此采用穿越的方式處理。

以此確定隧道縱斷面： 兩端采用30‰的大縱坡快速進(jìn)入基巖，在獅子洋水道下設(shè)置12.3‰的緩坡連接兩端大縱坡。隧道縱斷面見圖2。

圖2 隧道縱斷面

3.3 橫斷面設(shè)計(jì)

3.3.1 盾構(gòu)段橫斷面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程中分別研究了單洞雙線及雙洞單線方案。其中： 單洞雙線隧道內(nèi)徑12 m，外徑13.1 m；雙洞單線方案內(nèi)徑8.7 m，外徑9.6 m。經(jīng)比選，從節(jié)省投資、減少下穿建筑物、避免在軟土或水下修建橫通道帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)等角度，采用單洞雙線方案(如圖3所示)，軌面以上有效凈空面積80.09 m2。在軌行區(qū)兩側(cè)設(shè)置寬為1.5 m的疏散通道，在軌道板下方設(shè)置封閉的縱向救援疏散廊道，該廊道通過縱向間隔80 m設(shè)置的疏散樓梯與軌行區(qū)連接。

圖3 盾構(gòu)隧道橫斷面布置

3.3.2 明挖段橫斷面設(shè)計(jì)

隧道進(jìn)出口采用明挖法施工，分為明挖U型槽段和明挖段暗埋段2種結(jié)構(gòu)形式，暗埋段采用單跨矩形結(jié)構(gòu)，局部段落采用側(cè)墻外擴(kuò)的方式設(shè)置射流風(fēng)機(jī)。

3.3.3 執(zhí)行新規(guī)范情況說明

佛莞城際鐵路獅子洋隧道在設(shè)計(jì)中，軌面以上有效凈空面積是按照滿足《新建時(shí)速200～250 km/h客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]140號)的有關(guān)要求執(zhí)行的。而根據(jù)2015年3月1日實(shí)施的TB 10623—2014 《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，軌面以上有效凈空面積只需不小于72 m2即可。經(jīng)研究，盾構(gòu)隧道橫斷面可優(yōu)化為內(nèi)徑11.3 m、外徑12.4 m。由于項(xiàng)目已于2014年年底完成施工招標(biāo)，盾構(gòu)設(shè)備已在設(shè)計(jì)過程中，且采用隧道外徑13.1 m方案，在執(zhí)行《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》情況下，可預(yù)留運(yùn)營期出現(xiàn)病害等情況下施作內(nèi)襯的空間，故未進(jìn)行盾構(gòu)斷面優(yōu)化變更。

4 工程關(guān)鍵技術(shù)

4.1 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)及防水設(shè)計(jì)

4.1.1 管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

獅子洋隧道盾構(gòu)段采用單層襯砌結(jié)構(gòu)，管片結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)為管片外徑13.1 m、內(nèi)徑12 m、環(huán)寬2 m；采用通用楔形環(huán)，雙面楔形，楔形量30 mm；采用6+2+1/2的分塊模式，錯(cuò)縫拼裝。管片采用C50高性能耐腐蝕混凝土，混凝土抗?jié)B等級為P12。

考慮到抗震和列車振動等要求，管片接縫均采用斜螺栓連接。襯砌環(huán)環(huán)縫采用34只M36縱向斜螺栓連接，以承受隧道縱向彎矩。襯砌縱縫內(nèi)設(shè)有27只M36環(huán)向斜螺栓連接，使縱縫成為具有一定抗彎剛度的彈性鉸。

本項(xiàng)目盾構(gòu)段地質(zhì)條件復(fù)雜，隧底地層差異性大，為了控制管片環(huán)縫錯(cuò)臺，減小縱向不均勻沉降，提高隧道縱向剛度，在管片環(huán)縫設(shè)置了分布式圓端形凹凸榫[12](見圖4)。該結(jié)構(gòu)相對于全環(huán)凹凸榫結(jié)構(gòu)，在出現(xiàn)錯(cuò)臺時(shí)凹凸榫的接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)明顯增多，避免了在管片襯砌環(huán)間產(chǎn)生剪切錯(cuò)動時(shí)形成很大的集中荷載和局部應(yīng)力，造成局部混凝土破壞，進(jìn)而失去抗剪能力。

(a) 凸榫面

(b) 凹榫面

4.1.2 防水設(shè)計(jì)

從本工程所處的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來看，隧道周邊地層主要為中等透水泥巖或石英砂巖地層，隧道最大埋深約78 m，位于獅子洋海床以下，隧道承受最大水壓力按照0.8 MPa考慮。

為了確保高水壓情況下管片接縫處的防水效果，接縫處設(shè)置雙道密封墊。具體防水構(gòu)造如下： 管片接縫自外向內(nèi)分別設(shè)置海綿橡膠條、三元乙丙彈性密封墊、聚醚型聚氨酯彈性密封墊，對于軌面以上外露的嵌縫采用聚硫密封膠封堵(見圖5)。其中雙道密封墊集中設(shè)置，可避免分離式布置時(shí)外側(cè)密封墊防水失效，使地下水沿管片螺栓手孔串流現(xiàn)象。

圖5 設(shè)置凹凸榫的管片環(huán)縫止水構(gòu)造圖

4.2 循環(huán)荷載作用下低承載力淤泥層變形沉降問題

在出番禺側(cè)盾構(gòu)工作井后約420 m范圍隧底分布近10 m厚淤泥層，承載力40 kPa，高速列車運(yùn)營產(chǎn)生的循環(huán)荷載將使低承載力的淤泥層出現(xiàn)變形沉降，該沉降包括淤泥層累積塑性變形導(dǎo)致的沉降及累積孔壓消散導(dǎo)致的固結(jié)沉降。設(shè)計(jì)中對軟土隧道進(jìn)行行車動力學(xué)分析，基于破壞接近度理論，比較了不同地基處理方案的效果，最終采用隧底6 m深三軸攪拌樁加固方案(見圖6)，可明顯降低土體動應(yīng)力峰值，顯著減小振陷，避免出現(xiàn)淤泥層塑性變形，從而提高地基穩(wěn)定性。加固體強(qiáng)度要求大于1 MPa。

4.3 軟土地層深基坑設(shè)計(jì)

獅子洋隧道兩岸工作井運(yùn)營期作為疏散井使用。

番禺側(cè)工作井基坑深24 m，穿越地層以淤泥為主，砂層少量夾層狀分布，坑底位于淤泥層。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚連續(xù)墻，深度36 m，墻底嵌入基巖約6 m。支撐系統(tǒng)采用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐的組合體系?？拥子倌鄬硬捎萌S攪拌樁滿堂加固，加固深度2.5 m。連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)底板下設(shè)置抗拔樁，順作法施工。

圖6 盾構(gòu)隧道基底淤泥層加固示意圖

東莞側(cè)工作井基坑深21 m。工作井穿越地層為淤泥、砂層，坑底位于砂層中，坑底以下砂層厚度12 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚連續(xù)墻，深度34 m。支撐系統(tǒng)同番禺側(cè)工作井?？拥咨皩硬捎眯龂姌陡駯偶庸?，加固深度3 m。

4.4 盾構(gòu)選型

4.4.1 設(shè)計(jì)推薦方案

獅子洋隧道盾構(gòu)掘進(jìn)不同地層的長度及占總掘進(jìn)長度的比例見表2。

表2 盾構(gòu)掘進(jìn)不同地層和長度統(tǒng)計(jì)

注： 1)表中基巖包括強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化層； 2)軟硬巖的軟硬不均層指同一掘進(jìn)斷面地層雖全為基巖，但風(fēng)化程度不同。

上述地層條件與廣深港高鐵獅子洋隧道類似，均為長距離穿越全斷面復(fù)合地層。結(jié)合廣深港獅子洋隧道的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目采用氣墊式泥水平衡盾構(gòu)同時(shí)配備普通刀盤的方案以滿足施工安全需要。在廣深港高鐵獅子洋隧道施工過程中，存在大塊巖體滯排影響施工進(jìn)度，進(jìn)而導(dǎo)致地表大面積塌陷的問題[6]。對此，基于土壓平衡盾構(gòu)螺旋出土器攜渣能力強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)推薦本項(xiàng)目采用土壓-泥水雙模盾構(gòu)施工(該類型盾構(gòu)已在巴黎A86西線公路隧道及廣州地鐵9號線中運(yùn)用，盾構(gòu)工作原理見圖7)。具體掘進(jìn)方式為： 在破碎巖層地段和軟硬巖軟硬不均段采用土壓模式掘進(jìn)，在軟弱土層、砂層、土巖軟硬不均段以及裂隙水發(fā)育的基巖地層采用泥水模式掘進(jìn)。此外，為減少地下水對土壓掘進(jìn)模式的不利影響(高水壓導(dǎo)致螺旋出土器噴涌)，盾構(gòu)需配備與土壓模式相適應(yīng)的排水減壓裝置。

(a) 泥水模式

(b) 土壓模式

Fig. 7 Sketch diagrams of earth pressure balance-slurry dual mode shield

盾構(gòu)應(yīng)具備以下主要功能： 1)盾構(gòu)需具備正面和四周超前鉆孔與超前注漿功能； 2)需具備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)功能； 3)應(yīng)具備滾刀與切削刀互換功能； 4)宜具備常壓換刀功能； 5)需具備刀盤刀具磨損自動監(jiān)測功能； 6)在軟巖與斷層破碎帶地段建議具備超挖功能； 7)采用泥水模式掘進(jìn)時(shí)，泥水分離系統(tǒng)需具備壓濾功能，實(shí)現(xiàn)“零污染”排放。

4.4.2 實(shí)施方案

本項(xiàng)目施工招標(biāo)后，承包商與相關(guān)設(shè)備廠商之間進(jìn)行了廣泛溝通，設(shè)備廠商出于土壓模式情況下常壓刀盤對設(shè)備扭矩的極高要求的考慮，認(rèn)為土壓-泥水雙模盾構(gòu)與常壓刀盤存在一定的不兼容性，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難度大。承包商從設(shè)備成熟、降低換刀風(fēng)險(xiǎn)、提高換刀效率等方面綜合考慮，對設(shè)計(jì)推薦盾構(gòu)選型方案予以變更，最終采用普通的氣墊式泥水平衡盾構(gòu)，同時(shí)配備常壓刀盤。該選型方案能有效降低換刀風(fēng)險(xiǎn)，提高換刀效率，但需重點(diǎn)解決破碎巖體滯排問題。可從在破碎機(jī)和排漿泵之間增設(shè)采石箱、超前注漿固結(jié)破碎巖體、經(jīng)常性開艙清理滯排等方面著手處理。

4.5 高水壓情況下盾構(gòu)長距離掘進(jìn)過程中開艙問題

佛莞城際獅子洋隧道盾構(gòu)需長距離穿越全斷面復(fù)合地層，刀盤刀具的檢查及更換、破碎機(jī)及出漿泵等設(shè)備的維修均需要多次進(jìn)艙處理，尤其是滾刀更換頻率必將很高。本項(xiàng)目水頭高達(dá)78 m，高水壓下進(jìn)艙風(fēng)險(xiǎn)高、效率低、難度大。

設(shè)計(jì)推薦盾構(gòu)宜配備常壓刀盤，但常壓刀盤僅能實(shí)現(xiàn)全部滾刀以及輻條艙內(nèi)部分刮刀的常壓更換，而對于大部分刮刀的更換、滯排巖體的清理、刀盤及其他設(shè)備檢修仍需要在開挖艙暴露環(huán)境中進(jìn)行。

本隧道土巖軟硬不均地層均位于岸邊段，場地條件較好，推薦采用地表加固后常壓開艙方案。設(shè)計(jì)中根據(jù)類似項(xiàng)目的刀具磨損經(jīng)驗(yàn)及本項(xiàng)目軟硬不均地層的分布情況，對換刀點(diǎn)進(jìn)行了預(yù)判，共設(shè)置9處換刀加固區(qū)，刀具、刀盤及其他設(shè)備檢修可在預(yù)先設(shè)置的換刀點(diǎn)進(jìn)行。在實(shí)際施工過程中，預(yù)加固點(diǎn)可根據(jù)具體情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

隧道在基巖及破碎帶段施工時(shí)，地表不具備加固條件，但掌子面具有自穩(wěn)能力，根據(jù)前文所述，可采用欠壓進(jìn)艙方案以低壓控制滲漏水，滿足開艙作業(yè)時(shí)間。

由于需要在高水頭情況下穿越破碎帶地層，應(yīng)將飽和帶壓開艙作為后備手段，以滿足開艙施工安全需要。

4.6 考慮同步施工的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)施工組織研究，如盾構(gòu)段隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)不采用同步施工方案，則隧道工期至少需延長10個(gè)月(按4套模板臺車計(jì))，無法滿足全線總工期要求；因此，采用同步施工方案。

所謂內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步施工，就是在掘進(jìn)的同時(shí)施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工不得影響正常掘進(jìn)。對于泥水平衡盾構(gòu)，一般采用預(yù)制中間箱涵的方式，利用中間箱涵頂面作為管片、盾尾注漿砂漿、油脂等物料的進(jìn)料運(yùn)輸通道，一般采用無軌運(yùn)輸。土壓-泥水雙模盾構(gòu)中的土壓模式出渣可在預(yù)制箱涵內(nèi)采用有軌運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)。

具體的同步施工方案為： 中間箱涵為預(yù)制件，隨盾構(gòu)掘進(jìn)滯后開挖面一定距離采用拼裝式前行，實(shí)現(xiàn)中間箱涵拼裝與隧道管片拼裝同步施工，兩側(cè)的邊箱涵再滯后中間箱涵一段距離采用現(xiàn)澆施工。

4.7 結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)

鐵路水下盾構(gòu)隧道需考慮火災(zāi)、撞擊、爆炸等意外荷載對結(jié)構(gòu)的影響。佛莞城際鐵路獅子洋隧道設(shè)計(jì)耐火等級為一級，需滿足RABT升溫曲線的要求。

《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定： 在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可保持足夠的承載力；發(fā)生爆炸、撞擊等偶然事件時(shí)，結(jié)構(gòu)能保持必需的整體穩(wěn)固性，防止出現(xiàn)連續(xù)倒塌。本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道在基巖中即使管片結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，也不會導(dǎo)致連續(xù)性垮塌，故僅需考慮在軟弱地層、土巖軟硬不均地層及破碎帶中管片結(jié)構(gòu)的耐火性。常見的提高結(jié)構(gòu)耐火性的做法是在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)涂刷2～3 cm厚防火涂料或掛設(shè)防火板(公路及市政隧道中運(yùn)用較多)，但考慮到其在列車振動下可能會發(fā)生脫落，導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷電進(jìn)而影響列車運(yùn)營，故在鐵路隧道中一般不予運(yùn)用。廣深港高鐵獅子洋隧道在軟弱地層及軟硬不均地層中采用管片+混凝土內(nèi)襯的雙層襯砌形式[13]，保證了在火災(zāi)等極端情況下管片結(jié)構(gòu)的安全；但如本隧道設(shè)置混凝土內(nèi)襯，則需要擴(kuò)大斷面以滿足空氣動力學(xué)需要，施工風(fēng)險(xiǎn)及投資均有增加。參考國外相關(guān)研究成果，在管片內(nèi)雙摻鋼纖維和聚丙烯纖維，在RABT火災(zāi)曲線的作用下，管片混凝土損傷深度僅數(shù)mm，耐火效果極好，同時(shí)鋼纖維-鋼筋混凝土可以顯著提高結(jié)構(gòu)的韌性，利于抵抗撞擊和爆炸等偶然荷載作用。因此，本隧道不設(shè)置內(nèi)襯，而采用在管片內(nèi)雙摻鋼纖維和聚丙烯纖維的方式(具體摻量為: 鋼纖維50 kg/m3、聚丙烯纖維1.8 kg/m3)。

4.8 疏散救援設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)設(shè)置貫通的疏散通道，疏散通道寬1.5 m，距離線路中線1.8 m，盾構(gòu)段軌道層縱向間隔80 m設(shè)置1處豎向疏散樓梯，利用隧道軌下空間設(shè)置縱向疏散通道。盾構(gòu)隧道內(nèi)如發(fā)生火災(zāi)等意外情況，司乘人員可以從豎向樓梯進(jìn)入軌下疏散通道進(jìn)行疏散，從盾構(gòu)段兩端工作井(疏散井)出地面。明挖隧道可根據(jù)火災(zāi)位置，選擇從U型槽洞口或者工作井(疏散井)疏散。

5 結(jié)論與討論

1)佛莞城際獅子洋隧道屬于大直徑、高水壓、長距離、全斷面復(fù)合地層水下盾構(gòu)隧道，國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)少，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)問題多。本文對佛莞城際鐵路獅子洋隧道工程的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，其中基巖地層水下盾構(gòu)隧道合理埋深選擇、大直徑盾構(gòu)管片環(huán)間抗剪技術(shù)、循環(huán)荷載下基底軟土地層抗振陷設(shè)計(jì)方法、復(fù)合地層(尤其是基巖破碎地層)盾構(gòu)選型、高水壓情況下盾構(gòu)開艙技術(shù)、雙摻纖維提高結(jié)構(gòu)耐火性等關(guān)鍵技術(shù)，可為類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供借鑒。

2)設(shè)計(jì)中利用螺旋出土器攜渣能力強(qiáng)的特點(diǎn)，推薦采用土壓-泥水雙模盾構(gòu)掘進(jìn)施工，同時(shí)配備常壓刀盤，以提高換刀效率，降低換刀風(fēng)險(xiǎn)；但盾構(gòu)設(shè)備廠商認(rèn)為土壓-泥水雙模盾構(gòu)與常壓刀盤存在一定的不兼容性。為了充分利用螺旋出土器攜渣能力強(qiáng)的特點(diǎn)，下一步建議對高水壓情況下在普通泥水平衡盾構(gòu)中設(shè)置螺旋出土器出漿，并對破碎機(jī)后置于螺旋出土器和排漿管之間的方案進(jìn)行充分研究。該方案既能發(fā)揮螺旋出土器攜渣能力強(qiáng)的特點(diǎn)，也能解決土壓盾構(gòu)設(shè)置常壓刀盤的高扭矩問題，但需要防止出現(xiàn)螺旋出土器后部大直徑渣土大量長時(shí)間堵塞、管路出現(xiàn)磨損導(dǎo)致的爆管現(xiàn)象等問題。

下一步結(jié)合正在開展的管片雙摻鋼纖維及聚丙烯纖維耐火性能的相關(guān)試驗(yàn)研究工作，以驗(yàn)證滿足耐火要求的纖維最優(yōu)摻量。

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Summary of Design of Shiziyang Tunnel on Foshan-Dongguan Intercity Railway

JIANG Chao

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

Shiziyang Tunnel under construction on Foshan-Dongguan Intercity Railway, which has the significant characteristics of large diameter (13.1 m), high hydraulic pressure (0.78 MPa max.), complex geological conditions (full cross-section of composite strata, three fracture zones and two underwater faults), long distance of blind heading of shield (4.9 km) and high running speed of train (200 km/h), etc, is the 2nd shield tunnel crosses underneath Pearl River Estuary Shiziyang Sea. In this paper, the engineering comparison, data research and experience summary are carried out, and the overall design and key technologies for Sizhiyang Tunnel are introduced. And then, a series of problems, i.e. selection of depth of underwater shield tunnel in bedrock strata, segment circular dislocation control, segment joint waterproof under high hydraulic pressure, settlement control of weak base soil under cyclic load and synchronous construction of internal structure, are proposed and solved. Finally, the double-doping steel fiber and polypropylene fiber which can improve fire resistance capacity of shield tunnel segment are proposed; and the shield type selection in composite strata (especially in fracture formation) and shied chamber opening technology under high hydraulic pressure are discussed.

Foshan-Dongguan Intercity Railway; Shiziyang Tunnel; shield; composite strata; structural design; waterproof; shield type selection; shield chamber opening; fire resistance design

2016-09-02；

2016-11-10

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2014G004-0)

蔣超(1980—)，男，湖北武漢人，2005年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，巖土工程專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)及科研工作。E-mail: tsysdsjc@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.013

U 455

B

1672-741X(2017)02-0207-08