周華貴， 王 麗

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300308)

0 引言

近年來，隨著城市發(fā)展，越來越多的跨海越江通道建設提上日程，現代化的盾構工法已經成為跨海越江通道修建最主要的施工工法之一。國內已建或在建的多條水下大直徑盾構隧道，如上海長江隧道[1]、南京長江隧道[2]、武漢長江隧道[3]、佛莞城際鐵路獅子洋隧道[4]、武漢三陽路隧道[5]等，這些隧道有的位于軟土地層、有的處于巖石地層，地質構造情況相對單一，易于處理；但隧址位于8度抗震設防烈度區(qū)，隧道范圍內存在高強度硬巖、軟弱地層、碼頭、規(guī)劃主航道，同時伴有孤石群的隧道，在國內已建或在建工程中較為罕見，汕頭市蘇埃通道工程即為這種情況的典型案例。該通道工程是我國華南地區(qū)第1條采用大直徑盾構法施工的跨海通道，位于東南沿海地震帶的北部，靠近地震活動強度較高的臺灣海峽，屬于8度抗震設防烈度區(qū)；隧址南岸海域存在大量花崗巖球狀風化體(孤石)，主航道下存在200 MPa以上的硬巖段；隧址附近是繁忙的碼頭，以及港池、錨地和規(guī)劃主航道。

為了解決上述技術難題，最大限度地減小施工難度、降低工程風險及提高抗震能力，本文針對海域段盾構隧道平縱橫方案進行研究。

1 工程概況

1.1 設計概況

汕頭市蘇埃通道工程連接汕頭市新老城區(qū)，位于汕頭市北岸龍湖區(qū)天山南路與金砂東路平交口。路線自北向南，下穿長平東路，沿天山南路西側綠化帶敷設，下穿龍湖溝水閘、電排站、龍湖溝及華僑公園，進入蘇埃灣海域，至本項目研究終點處，與規(guī)劃路相接。隧道總平面見圖1。本工程線路全長6.68 km，全程采用雙向6車道標準設計，工程總投資約60億元，工期4.5年。

圖1 隧道總平面Fig. 1 Plan of tunnel

1.2 地震

根據規(guī)范[6]，場地抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組位于第1組。

1.3 航道、錨地與碼頭

1.3.1 航道現狀及規(guī)劃

隧址處的航道目前按通航5 000噸級設計，航道寬120 m，底標高為-8.884 m。該航道規(guī)劃按通航3萬噸級設計，航道底寬為150 m，底標高為-11.884 m。

1.3.2 錨地現狀及規(guī)劃

隧址處的汕頭港內現有錨地12處，其中引航錨地1處。船舶應急拋錨時錨體的入土深度最大約4 m。汕頭港錨地現狀見圖2。

圖2 汕頭港錨地現狀Fig. 2 Present situation of anchorage in Shantou Port

1.3.3 隧址附近碼頭

隧址北岸附近為汕頭市國際集裝箱碼頭，具有9個(1～2.5)萬噸級泊位，碼頭岸線長2 159 m，陸域縱深900 m，碼頭前沿是水深-11.7 m的珠江港池，該港池外邊緣距離碼頭沿岸約480 m。

1.4 工程地質及水文地質

工程地質及水文地質條件極為復雜。隧道地質縱斷面見圖3。

圖3 隧道地質縱斷面Fig. 3 Geological profile of tunnel

1)工程范圍內存在大量海相②1淤泥地層，承載力僅50 kPa，重度僅15 kN/m3。

2)本工程共有180個鉆孔揭露基巖，其中有33個鉆孔揭露了共45個花崗巖球狀風化體，主要分布在南段海域；花崗巖球狀風化核大小不一，最大5.6 m，最小0.5 m，一般1～3 m；球狀風化發(fā)育深度不一，在2.6～-50.89 m均有發(fā)育，部分球狀風化呈串珠狀。

3)海域主航道下有3段花崗巖突起段，中、微風化平均強度達到98.5 MPa和127.4 MPa，最高達203.0 MPa。

1.5 河勢演變

100年一遇洪水下，現狀河床下工程斷面的最大極限沖深為4.014 m，沖刷最深處距北岸約800 m；規(guī)劃航道疏浚后非主航道處極限沖深為3.363 m(主航道處為2.8 m)，沖刷最深處距北岸約860 m，疏浚后河床極限沖深減小了0.651 m。隧道線位河床沖刷結果見圖4。

2 主要技術標準

2.1 幾何設計標準

根據規(guī)范[7-8]相關規(guī)定，汕頭蘇埃通道工程主線主要技術指標如下。

1)公路等級： 一級公路。

2)設計行車速度： 60 km/h。

3)建筑限界： 行車道寬3.5 m，限界高5.0 m，側向左側寬0.5 m，側向右側寬0.75 m，余寬每側0.25 m。

4)最大縱坡： 3.0%。

圖4 隧道線位河床沖刷結果Fig. 4 Riverbed scouring result of tunnel alignment

2.2 其他標準

1)抗震設防： 結構設防烈度為8度，按9度地震采用抗震措施。

2)盾構段結構抗浮安全系數： 施工階段及運營階段隧道抗浮穩(wěn)定安全系數≥1.1。

3)航道等級： 3萬噸級集裝箱船舶。

3 工程海域段平縱橫方案研究

3.1 橫斷面方案研究

3.1.1 橫斷面尺寸大小研究

工程地質、水文地質及周邊環(huán)境復雜，選擇合適的橫斷面尺寸尤為重要。小直徑盾構隧道斷面小，埋深小，施工風險小，造價低；大直徑盾構隧道斷面大，埋深大，施工風險大，造價高。特別是8度抗震設防烈度地區(qū)，海底大直徑盾構隧道設計要求更高，需認真研究。研究過程中，提出了2種方案，即三管盾構法方案和兩管盾構法方案。

1)三管方案。即一個洞內設置2個車道，雙向6車道需3個通道。該方案線路全長6.8 km，隧道總長5 010 m，盾構隧道長4 050 m，隧道內輪廓直徑為10.2 m、外徑為11.2 m，管片厚0.5 m。三管盾構法方案橫斷面見圖5。

圖5 三管盾構法方案橫斷面Fig. 5 Cross-section sketch of triple-tube shield tunneling

2)兩管方案。即一個洞內設置3個車道，雙向6車道需2個通道。該方案線路全長6.8 km，隧道總長5 110 m，盾構隧道長 4 030 m，隧道內輪廓直徑為13 m、盾構外徑為14.2 m，管片厚0.6 m。兩管盾構法方案橫斷面見圖6。

圖6 兩管盾構法方案橫斷面Fig. 6 Cross-section sketch of twin-tube shield tunneling

結合詳勘地質資料，對三管、兩管方案進行深入研究，主要結論如下。

1)三管方案埋深小，海域硬巖侵入隧道深度三管方案為4～5 m、兩管方案為8～9 m，三管方案比兩管方案少約4 m；但侵入隧道長度三管方案為1 782 m、兩管方案為1 518 m，三管方案比兩管方案長264 m。通過比較，三管方案仍然無法避開硬巖，雖然埋深小，但硬巖侵入隧道長度反而增加了，2個方案施工難度及風險沒有本質的變化，基本相當。

2)根據現行較為成熟的做法，國內類似水下公路隧道通常約800 m設置1處聯絡通道[8]。本工程盾構段約4 000 m，若設聯絡通道的話，三管方案需設置約8處聯絡通道，兩管方案則只需設置約4處聯絡通道。盾構段大部分下穿淤泥、砂層，聯絡通道施工風險極大；加之本工程地處8度抗震設防地區(qū)，在隧道之間設置聯絡通道，則會約束隧道變形，地震過程中在連接處很容易出現裂縫滲漏水甚至受力破壞。因此，聯絡通道設置的數量越少越好。通過研究，本工程取消聯絡通道設置。兩管方案隧道是獨立的，在地震過程可以自由變形，抗震能力大大提高。

3)三管方案隧道車道板下中間空間(兩側用于設備管線及下滑通道使用)只有1.8 m×2.0 m，無法設置消防車或救援車通道，難以滿足消防防災問題；而兩管方案車道板下中間空間約4 m×2.8 m，采取小型消防車或救援車，用于隧道內消防及救援通道使用，完全能夠滿足消防防災要求。

基于以上研究，本工程最終采用兩管盾構法方案。

3.1.2 橫斷面是否設置二次襯砌研究

日本東京灣海底隧道屬于8度抗震區(qū)，雙向6車道標準設計，隧道內徑為12.9 m，外徑為13.9 m，該隧道是世界上第1個設置二次襯砌結構的盾構隧道[9]。國內獅子洋海底隧道部分地段也設置了二次襯砌結構；廈門地鐵3號線海底隧道預留了設置二次襯砌結構的空間；大連地鐵5號線海底11.8 m單洞雙線大直徑盾構隧道初步設計也設置了二次襯砌結構，施工圖階段正在討論設置的合理性；何川等[10]進行了鐵路盾構隧道單、雙層結構力學試驗研究。綜上所述，國內對海底盾構隧道設置二次襯砌結構沒有統一的標準，文章將針對本工程是否設置二次襯砌結構進行深入研究。

1)本工程盾構管片外徑為14.2 m，如果設置二次襯砌結構，盾構管片外徑至少增加到14.7 m，會大大增加盾構制造費用以及增加下穿主航道硬巖處理的難度及風險。

2)本工程屬于8度抗震區(qū)，對抗震要求極高。盾構隧道屬于柔性構件，在地震作用下，能夠吸收一部分地震作用；若施作二次襯砌結構，由于二次襯砌結構為剛性結構，地震時則會約束盾構管片的變形，對抗震不利。另外，施作二次襯砌結構會增加結構自重，抗震過程中水平力隨之增大，在硬巖突起段、盾構井段對結構抗震不利。

3)施作二次襯砌結構，會增加后期運維等相關工作難度，如管片滲透點不易檢查、管片螺栓等構件腐蝕難以維修及大變形環(huán)破壞后難以更換。

4)管片結構內設置二次襯砌結構，2種結構疊加在一起，結構受力體系難以確定。

5)二次襯砌結構一般200～300 mm，為了便于施工二次襯砌結構，需等盾構隧道貫通后才可施工，這樣大大增加施工工期。

6)二次襯砌結構的作用大多是防止螺栓被腐蝕以及防止火災引起的安全事故，但以上問題均可以通過其他工程措施加以解決。

綜合以上各種因素，本工程不再考慮設置二次襯砌結構，僅采用單層預制盾構管片。

3.2 平面方案研究

通過前期多線位方案比選研究，最終確定B1、B2線位方案。

1)B1線位在汕頭國際集裝箱碼頭西南角龍湖溝入?？谔庍M入海域，以R5 000 m與R3 000 m的反向曲線穿越蘇埃灣海域。路線全長約6.8 km，該軸線穿越海域寬度約3.5 km。

2)B2線位避開碼頭，穿龍湖溝后以R1 500 m轉入華僑公園，于華僑公園東南角處進入海域，以直線形式穿越蘇埃灣海域，避開珠池港區(qū)，南岸順接規(guī)劃線位。路線全長約6.68 km，該軸線穿越海域寬度約3.35 km。B1、B2線位平面見圖7。

圖7 B1、B2 線位平面Fig. 7 Plan of Lines B1 and B2

初勘階段，在隧址附近進行了大量的物探，發(fā)現水下硬巖主要分布在南岸及主航道下，之后進行了相應的鉆探。詳勘階段，在南岸及主航道附近進行了大量補勘，特別是發(fā)現了主航道附近B2線位巖面整體較低，而B1線位整體較高。具體而言，B1線位隧道入巖長度為436 m，侵入隧道內8～12 m，南岸下伏基巖突起范圍為700 m； B2線位隧道入巖長度為182 m，侵入隧道內4～6 m，南岸下伏基巖突起范圍為300 m。B1線位局部加密地質縱斷面見圖8。B2線位局部加密地質縱斷面見圖9。

圖8 B1 線位局部加密地質縱斷面Fig. 8 Densely-processed geological profile of local Line B1

圖9 B2 線位局部加密地質縱斷面Fig. 9 Densely-processed geological profile of local Line B2

通過比較，B2線位在航道處基巖突起高度有所降低，入巖長度由436 m減少到182 m；南岸下伏基巖突起范圍有所減少，由700 m減少到300 m；盾構段隧道底部不存在淤泥質土。

就平面結構而言，B2線位線路長度為6.68 km，B1線位線路長度為6.8 km，B2線位比B1線位海域段減少150 m；B2線位隧道埋深控制范圍由1 120 m(珠池港區(qū)水深影響)減少到708.54 m，更有利于隧道縱斷面設計；B2線位也避開了碼頭珠池港區(qū)及主航道錨地。

基于對隧道長度、隧道入巖長度及深度、隧址處孤石、主航道、港池及錨地等因素的綜合考慮，本工程最終選擇B2線位方案。

3.3 縱斷面設計研究

本工程隧道縱斷面設計不同于陸域一般隧道，由于受南岸海域內孤石、海域內規(guī)劃3萬噸級主航道、水下硬巖、北岸碼頭及珠江港池等諸多條件限制，需充分研究縱斷面。

1)海域段隧道最大縱坡問題。本工程為一級公路項目，又兼具城市隧道功能，經研究最終確定海域段隧道主線最大縱坡為3%、最小縱坡為0.3%，其他段采用城市道路標準執(zhí)行。

2)南岸孤石處理問題。通過對勘察及詳勘報告的研究，孤石集中分布在南岸海域，主要分布在強風化花崗巖地層中，且埋深大，淤泥地層中基本未發(fā)現。通過分析孤石分布規(guī)律，為了有效避開孤石，在南岸海域段沿隧道方向設置1座300 m臨時圍堰，盾構豎井設置在臨時圍堰上，直接在臨時圍堰上始發(fā)，盾構掘進段避開孤石，大大減小了孤石引起的施工難度及風險。同時，隧道能盡早爬出地面，縮短了隧道伸入南岸岸上的長度。

3)海域主航道、硬巖段隧道埋深控制問題。主航道下硬巖突起，且存在規(guī)劃航道問題。根據規(guī)范[11]相關要求： ①當穿越的航道為人工開挖時，其埋深應包括航道設計水深、疏浚施工的允許誤差和船舶應急拋錨時錨體的入土深度； ②在海床(河床)不穩(wěn)定的水域，尚應考慮航道可能沖刷的最大深度。

主航道現狀標高為-8.884 m，規(guī)劃標高為-11.884 m。規(guī)劃后主航道百年一遇沖刷極限深度為2.8 m，船舶應急拋錨時錨體的入土深度取值為4.0 m，疏浚施工的允許誤差取1.2 m，隧道頂部至規(guī)劃主航道覆土厚度不小于2.8+4.0+1.2=8.0 m。海域主航道段隧道埋深按規(guī)劃主航道下8.0 m控制(施工階段隧道頂至現狀海床面為11 m，基本滿足施工要求)。

在規(guī)劃主航道位置，百年一遇極限沖刷下，隧道埋深僅約5 m，隧道抗浮不夠，在隧道內設置了特殊抗浮措施——仰拱鋪設鉛塊加以抗浮。國內典型水下盾構隧道覆蓋層厚度統計見表1。

由于規(guī)劃航道未完全穩(wěn)定，隧道埋深按規(guī)劃航道3～4倍寬度考慮，目前本工程與主航道斜交長約236.18 m。海域段隧道埋深范圍按3倍控制(約708.54 m)考慮，即708.54 m范圍內隧道埋深按規(guī)劃主航道下8 m控制。

表1 國內典型水下盾構隧道覆蓋層厚度統計表

4)盾構始發(fā)及接收井隧道埋深控制問題。本工程南北兩岸盾構始發(fā)及接收端全是淤泥地層，且淤泥地層自重小，盾構淺覆土掘進極容易發(fā)生劈裂現象，甚至會發(fā)生冒頂安全事故[12]，權衡主航道下硬巖段埋深影響，本工程盾構始發(fā)及接收端按9 m控制。

通過分析，海域段隧道縱斷面設計見圖10。

圖10 海域段隧道縱斷面Fig. 10 Longitudinal profile of tunnel in seawater section

4 結論與建議

本工程是我國第1條位于8度抗震地區(qū)的大直徑海底盾構隧道，海域段隧址存在碼頭、港池、主航道、錨地、孤石群、海底硬巖段、軟弱地層且?guī)r石強度高，給設計、施工及運營帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文從隧道橫斷面、平面及縱斷面進行了多方案的深入研究，旨在盡量節(jié)約工程造價、減小施工風險及運營難度。

1)在橫斷面方案設計過程中，本工程進行了三管方案與兩管方案的比較。三管方案斷面小、隧道埋深小，但根據隧址詳勘結果，采用三管方案隧道仍然無法避開海底硬巖段。因此，2種方案施工風險沒有本質的區(qū)別。但是，兩管方案利用車道板下空間解決消防防災問題，而且可以取消隧道聯絡通道設置以降低施工及抗震風險，優(yōu)于三管方案。

2)關于二次襯砌結構設計問題，國內外已有海底隧道工程無統一的標準。本工程位于8度抗震區(qū)，抗震等級極高，不施加二次襯砌結構的柔性盾構結構更有利于抗震；同時，無二次襯砌結構便于隧道螺栓更換、大變形環(huán)維修等。因此，本工程采用單層預制管片結構形式。

3)在平面方案設計過程中，需考慮碼頭、港池、錨地、海底硬巖段及孤石群等限制因素的影響，前期應加強物探及勘察工作，選擇合理的平面方案。

4)在縱斷面方案設計過程中，本工程對最小覆土厚度、港池、規(guī)劃主航道、孤石群及海底硬巖段等因素加以綜合考慮，以尋求最佳方案。本工程南岸設置300 m臨時圍堰，更好地避開孤石群；通過縱斷面的調整，成功避開主航道與南岸之間海域硬巖段，減小施工難度、降低施工風險；主航道處隧道應上抬，盡量避開硬巖段，但其埋深需滿足施工階段掘進覆土厚度，同時滿足規(guī)劃主航道底標高及運營階段的抗浮安全。

5)海底硬巖段的隧道盾構結構設計，是本工程的重點和難點。設計過程中，隧道縱斷面應盡可能上抬，同時，建議隧道頂增加抗浮及抗沖刷等措施，且可以不考慮極限沖刷及抗浮覆土等問題，這樣可以大大減小海底硬巖侵入隧道的規(guī)模，甚至可以完全避開海底硬巖，提高結構可靠性。