汕头苏埃隧道方案设计关键技术研究

汕头苏埃隧道方案设计关键技术研究

魏玉省

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)

摘要：根据汕头苏埃隧道的建设条件，对工程方案设计中的几个技术难点进行研究，并提出解决方案。通过采用“多级分流”理念，实现隧道与北岸4条城市主干道的交通衔接；选择 “抛石+排水板”方案解决海域深厚淤泥地层中的围堰设计；8度高烈度震区选择合理的抗震减震措施解决隧道结构抗震；采取双道密封垫和加大密封垫断面的防水设计，满足地震时管片接缝张开量大的防水要求；针对复杂地层，对盾构选型和配置提出建议；对海底凸起进入隧道内的硬岩进行爆破预处理，以降低盾构施工风险。

关键词：苏埃隧道； 围堰设计； 多级分流； 8度震区； 管片接缝防水； 盾构选型； 硬岩处理

0 引言

随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，大型水下隧道工程已进入快速发展期，盾构法隧道因其安全、快速等特点也得到了更为广泛的应用。目前，上海长江隧道[1]、南京长江隧道[2]、武汉长江隧道[3]等大直径盾构隧道已经建成，每条隧道均有其各自的特点，如直径大、水压高、埋深浅、距离长等，且针对这些特点参建单位进行了大量的研究，并取得了一定的设计和施工经验；但已有研究针对地震工况下的隧道结构、接缝防水设计研究还不够深入，需要进一步研究。

苏埃隧道工程是国内首条地处8度震区的超大直径盾构海底隧道工程，隧道抗震减震设计尤为重要。隧道穿越地层有淤泥、淤泥质土、粉细砂、中粗砂、硬岩和未风化球体。北岸隧道下穿龙湖沟和大直径雨污水管等地下管线，同时北岸交通需考虑与多条道路进行接线。苏埃隧道工程的地质复杂程度、施工难度和风险为国内同类型项目中最高之一，难度达到世界级水平。本工程建设将为国内超大直径过海盾构施工后续工程提供参考和借鉴。

1 工程概况[4]

苏埃隧道工程起点为天山南路，向南依次下穿长平路、中山东路、龙湖沟、华侨公园、苏埃湾海域，南接虎头山隧道。路线全长6.68 km，隧道长5.35 km，其中，海域段盾构隧道长3.05 km，外径14.5 m。南、北岸隧道接线采用明挖法[5]修建，南岸海堤以北450 m范围海域内设计有围堰。

苏埃隧道工程设计标准： 一级公路兼城市主干道、双向六车道，主线设计速度60 km/h。

隧道平面和纵断面如图1和图2所示。

图1 隧道平面图

Fig. 1 Plan of tunnel

图2 隧道纵断面图

Fig. 2 Longitudinal profile of tunnel

2 设计难点

根据工程建设条件，设计难点主要包括： 北岸空间狭小，路网密集，要与4条市政道路交通衔接，交通组织设计难度大；南岸450 m海域海底下有深厚的淤泥地层，围堰设计要充分保证其稳定性；8度震区复杂地质条件下盾构隧道的抗震减震措施设计可靠，确保隧道结构安全；地震时管片接缝张开量大，优化设计接缝防水保证隧道不漏水；超复杂地质条件的盾构设备选型和配置；海底凸起硬岩处理方案需可行、有效，减小凸起硬岩段盾构掘进的施工难度和风险。

3 关键技术研究

3.1 采用“多级分流”理念设计北岸立交方案

3.1.1 控制因素

1)立交方案设计与中山东路、长平东路、金砂东路、天山南路实现互通。

2)线型设计满足道路设计规范，运营期舒适度、安全性要求高。

3)施工期对工程周边碧霞庄、海滨花园小区、码头等影响尽量小。

4)征地拆迁范围尽量小。

3.1.2 交通量预测

通往汕头市区主线连接天山南路，北岸立交各路口2036年平均日交通量预测结果见图3，根据交通量预测确定进出口匝道均可以设置为单车道。

图3 北岸立交2036年平均日交通量预测结果(单位： pcu/d)

Fig. 3 AADT forecasting results of interchange at north bank in 2036 (pcu/d)

3.1.3 北岸立交设计

采用“多级分流”理念布设匝道，于中山东路设置一进一出匝道，于中山东路与长平东路之间的天山南路设一进一出平行匝道，于长平东路北侧设置隧道主线敞开段，通过多匝道的设置以疏解北岸交通。匝道设计速度均为40 km/h，最小曲线半径为75 m。敞开段匝道纵坡为6%，暗埋段最大纵坡为2%。

方案优点： 1)与4条城市主干道交通组织简单、方便，满足交通量要求。2)充分利用三角绿化带空间，征地少、无房屋拆迁，对周边住宅小区、码头影响小。3)无小半径回头曲线设计，运营时舒适度高、安全性好。

北岸立交设计方案见图4。

图4 北岸立交设计方案

Fig. 4 Design program of interchange at north bank

3.2 深厚淤泥地层中围堰设计

据勘察资料，南岸海堤以北450 m海域海底下有

20 m厚的淤泥地层，此地层中围堰设计方案的选择尤其重要。

3.2.1 工程等别与防洪标准

根据围堰使用功能和围堰级别划分标准[6]，本围堰级别确定为3级。

南岸既有海堤防洪级别为50年一遇，本围堰防洪标准与南岸海堤一致。

3.2.2 围堰结构设计方案

海底存在厚度达20 m的淤泥层，其平均含水率为67.6%，具有易流变、高压缩性特点。

考虑工程地材来源、围堰稳定性要求、工程地质、使用功能和工程造价等，并结合汕头类似工程设计经验，推荐采用外侧抛石结构+山皮土+内侧闭气土方的土石围堰结构，基础处理采用塑料排水板+土工格栅加筋垫层方案。围堰结构及基础处理设计见图5。

3.2.3 施工工序

施工工序为抛石棱体—铺碎石垫层并抛砂至设计高程—渗压计安装—插塑料排水板—铺设土工格栅—填砂至设计高程—堰身抛石、山皮土及闭气土方加载至设计高程—堰身土石方至设计顶高程—混凝土镇脚施工—外侧护坡施工—堰顶结构施工—内侧护坡施工等。

3.3 8度震区隧道抗震减震措施

工程位于8度高地震烈度区，设计地震加速度值为0.20g[7](g为重力加速度)，地震动反应谱特征周期0.45 s。抗震按相应于50年超越概率为2%的罕遇地震动设计，地震加速度峰值取基本地震动加速度的1.6～2.3倍，即(0.32～0.46)g[8]，设计取值0.4g。

图5 围堰结构及基础处理设计(单位： m)

Fig. 5 Cofferdam structure and foundation treatment design (m)

建筑设防类别为重点设防类[9]。工程场地类别为Ⅲ类。

3.3.1 抗震设计思路

结构设计首先考虑抗震，在采取措施后不能满足设计要求时，再考虑减震。

3.3.2 纵向抗震计算

盾构隧道纵向抗震[10]采用梁-弹簧模型进行计算，见图6。

计算模型按管环2 m分段，选用三维空间线性梁模拟；考虑隧道环缝，梁单元之间通过旋转弹簧和拉压异性弹簧连接；由于隧道周围土体属性差异，每个管环通过4个土弹簧分别考虑隧道上、下、左、右4个方向的土体刚度属性，土弹簧只承受压力；隧道盾构段两端采用梁单元模拟竖井，竖井周围有土弹簧约束，暗埋段对竖井作用通过连接弹簧实现。

图6 盾构隧道纵向梁-弹簧计算模型

Fig. 6 Longitudinal beam-spring calculation model of shield tunnel

3.3.3 抗震减震措施

根据专题研究计算成果和隧道纵断面，在海中硬岩凸起两侧设置消能减震节点，加强螺栓布置3段： 靠近南岸盾构井、海中硬岩凸起两侧和主航道下淤泥段，合计长度约1.5 km。罕遇地震情况下盾构隧道管片接头张开量包络图见图7。由图可知，张开量大于10 mm的有5段，大于15 mm的有1段。

在管片环缝张开量较大处设置消能减震节点，以确保地震时隧道不漏水，其特点是能适应较大变形、当张开量大时可有效防水。盾构隧道消能减震节点布置如图8所示。

图7 管片接头张开量包络图

Fig. 7 Envelope plot of segment joint’s opening values

图8 消能减震节点布置

Fig. 8 Arrangement of energy dissipation and seismic damping joints

3.4 管片在大张开量工况下的接缝防水

3.4.1 防水标准

盾构隧道管片最大埋深水头为39.81 m，水压值为0.398 MPa，设计取0.4 MPa。

正常工况下，按管片错位量8 mm、张开量10 mm设计，管片接缝密封垫抗水压能力应满足2～3倍[11]最大水压下不漏水要求，抗水压能力取1.2 MPa。

地震工况下，按管片错位量10 mm、张开量15 mm设计，管片接缝密封垫抗水压能力按照1.2倍水压设计，取0.48 MPa。

3.4.2 防水设计

为确保正常工况和地震工况下都能满足接缝防水要求，管片防水设计内、外2道截面相同的三元乙丙橡胶密封垫，并对密封垫进行一字型、T字型防水试验，满足大张开量下的防水设计要求，接缝防水如图9所示。

3.5 盾构选型

通过对盾构隧道穿越地层包括淤泥、淤泥质土、砂层、硬岩(饱和抗压强度123 MPa)的统计和分析以及考虑可能遇到的未风化球体等，并借鉴国内外大直径盾构隧道的盾构选型经验，结合苏埃隧道穿越的地层，推荐选择压力控制精度高、具备常压换刀[12]功能的复合型泥水盾构。

根据盾构掘进可能遇到的难题，盾构配置建议见图10。

图9 管片接缝防水(单位： mm)

Fig. 9 Waterproof of segment joints (mm)

图10 盾构配置建议

Fig. 10 Shield configuration suggestion

3.6 海底硬岩处理

勘察资料显示，海域主航道下方有3段硬岩凸起，沿线路方向侵入隧道内长度分别为45、70、67 m，合计182 m；硬岩侵入盾构隧道内的最大高度约6 m；硬岩上方到海底分别是中粗砂、粉细砂、淤泥混砂、淤泥等，总厚度约23 m；盾构隧道顶到海底距离约13 m。凸起硬岩分布见图11。

硬岩为微风化花岗岩，块状构造，裂隙较发育，岩石质量指标(RQD)为60%～100%，饱和抗压强度为123 MPa；微风化玢岩岩体完整，岩质坚硬，饱和抗压强度为190 MPa。

3.6.1 硬岩凸起段盾构掘进风险

1)盾构掘进凸起硬岩段软硬不均地层时，下部硬岩掘进困难，上部软土不断流失，拱顶地层易坍塌。

2)刀盘上下受力不均，刀盘易变形，刀具易偏磨。

3)常压下开舱，掌子面土体自稳能力差，易坍塌。

3.6.2 硬岩处理设计

借鉴广州[13]、深圳[14]和台山隧道[15]硬岩处理设计施工经验，硬岩处理设计参数如下。

1)从海面下套管向硬岩中钻孔，钻孔直径110 mm，钻孔完成后安放炸药，采用隔段放置、引爆，对爆破体缝隙采用袖阀管进行注浆填充，注浆材料采用水泥浆，注浆压力由大到小。海上爆破施工见图12，硬岩爆破示意见图13。

2)爆破后岩石粒径大小要求40～50 cm，爆破体缝隙采用袖阀管深孔注浆封堵。

3)爆破范围为隧道底下1 m，两侧各1 m，上部至硬岩顶部，钻孔平面布置间距1 m，采用梅花形布置。

4)对凸起硬岩上部软土采用水下旋喷加固，以降低盾构掘进上软下硬地层时发生上部地层坍塌的风险。加固范围如图11所示。

图11 凸起硬岩和软土地层加固(单位： m)

Fig. 11 Raised hard rock and soft ground reinforcement (m)

图12 海上爆破施工

Fig. 12 Blasting construction on sea

图13 硬岩爆破示意图(单位： m)

Fig. 13 Sketch diagram of hard rock blasting (m)

4 结论与建议

1)采用“多级分流”理念设计的北岸立交，与中山东路、长平东路、天山南路、金砂东路实现了互通，优化了北岸区域交通组织。

2)选择“抛石+排水板”方案，解决了海域深厚淤泥地层中的围堰设计，确保了围堰结构的稳定。

3)在管片环缝大张开量处，设置消能减震节点和选择合理的防水密封垫断面，确保地震发生时隧道不漏水和结构安全。

4)通过对盾构隧道穿越地层的统计和分析，合理推荐盾构选型和设备配置。

5)对侵入隧道内的凸起硬岩选择预处理爆破和上部软土加固方案，降低了上软下硬地层盾构掘进的施工难度和风险。

6)工程位于8度震区，抗震减震措施和管片接缝防水设计建议进行物理模型试验，进一步验证模拟地震时设计方案的可靠性和有效性。

7)对硬岩凸起段建议补充勘察，进一步确定盾构隧道与硬岩的位置关系，以便采取针对性措施，降低盾构通过硬岩段的施工难度和风险。

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Research on Key Technologies for Scheme Design of Su’ai Shield Tunnel in Shantou

WEI Yusheng

(China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300133, China)

Abstract： According to the construction conditions of Su’ai shield tunnel in Shantou, several technical difficulties in engineering scheme design are studied and the solutions are put forward. By adopting the concept of “multilevel shunting”, the traffic connection between the tunnel and the four main roads of the north bank is realized. The design scheme of “drainage board + riprap” is selected for the cofferdam design in the deep sea silt stratum. Rational seismic damping measures are chosen to solve the seismic problems of tunnel structure in 8-degree high-intensity seismic area. The waterproof design of dual gaskets and the gasket cross-section increasing is taken to meet the waterproof requirements of segment joints opening value when earthquake occurs. For complex strata, the suggestions of shield type selection and configuration are put forward. Exploding pretreatment is proposed for the submarine hard rock intruded into the tunnel so as to reduce shield tunneling risk.

Keywords： Su’ai Tunnel; cofferdam design; multilevel shunting; 8-degree seismic area; waterproof of segment joints; shield type selection; hard rock treatment

收稿日期：2016-11-14;

修回日期：2017-01-16

作者简介：魏玉省(1977—)，男，山东菏泽人，2002年毕业于西南交通大学，土木工程专业，本科，高级工程师，现从事隧道及地下工程设计工作。E-mail： [e-mail]。

DOI：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.012

中图分类号：U 459.5

文献标志码：A

文章编号： 1672-741X(2017)02-0200-07