東莞至惠州城際軌道交通東江隧道下穿東江段技術方案研究

徐慧宇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通是國內首批真正意義上的城際軌道交通，從其建設環境、站間距和后期服務模式來看，相當于貫通多個城鎮的地鐵，但由于本線行車速度為200 km/h，局部地段限速為160 km/h，因此隧道斷面形式等一些技術標準需根據新的設備要求及施工要求重新研究制定。東江隧道位于惠州境內，總長15 073 m，為東莞至惠州城際軌道交通第二長的隧道，該隧道包括4座車站4個區間，其中600 m長的下穿東江段介于西湖站至云山西路站區間內，該區間段隧道先后下穿西湖老城區、東江、市民廣場。由于周邊環境復雜加上重新制定部分標準，隧道設計中要考慮埋深、工法、斷面擬定，結構受力、專業要求、施工安全等因素。

下穿東江范圍地形地貌為東江沖積平原區地貌，地形平坦、開闊，東江兩岸地形起伏略大。地層巖性依次為:

第四系全新統沖積層(Q4al):

③3粉砂 淺灰、灰黃色，級配差，松散 ～稍密，飽和。

③4細砂 淺灰、灰黃色，級配差，稍密，飽和，局部變為中-粗砂。

③6粗砂 灰黃、褐黃色，級配一般，稍密，飽和，局部變為礫砂或中砂。

③7礫砂 灰黃、褐黃色，級配一般，稍密，飽和，局部變為粗砂或中砂。

③8圓礫土(細)灰黃、褐黃色，級配好，稍密，飽和，不均勻含黏粒。

下第三系含礫砂巖(E):

場地下伏基巖為下第三系含礫砂巖，泥質膠結，砂狀結構，層狀構造，按風化程度可分為(11)1全風化含礫砂巖(巖芯呈土狀、土夾砂礫狀)、(11)2強風化含礫砂巖(巖芯呈碎塊狀，局部柱狀)和(11)3弱風化含礫砂巖(巖芯呈柱狀及少量碎塊狀)3個亞層。

2 工法的選定

下穿水域的隧道常見的施工方法有盾構、暗挖、圍堰后明挖、沉管等施工方法，受東江通航的控制圍堰后明挖和沉管法施工占用航道時間過長，無法滿足通航的要求，因此占用水面的施工方法不選用。盾構法和暗挖法不受通航的限制，從地質情況上來看，只要隧道埋深合適，2種工法皆適用，但東江南岸以南為大量房屋，暗挖施工豎井的施工場地難以布置，東江北岸也存在一定范圍的砂層，暗挖施工豎井開挖風險較大，再考慮到下穿房屋及東江水域盾構法施工對于沉降控制、人員安全、施工進度等因素，因此在西湖站至云山西路站區間全部采用盾構法施工，因場地原因盾構機從云山西路站始發，在西湖站接收，推進長度為2 900 m，推進工期為18個月。

下穿水域的隧道為了運營期間防災疏散，一般要設置逃生的通道，因此本段隧道設計成雙洞單線的隧道，從環控通風的角度考慮雙洞單線也較為有利，2條隧洞互為逃生通道，二者之間通過聯絡通道互通。

3 襯砌內輪廓設計

隧道襯砌內輪廓的擬定主要考慮以下因素。

(1)限界要求

受曲線半徑及站間距的限制，西湖站至云山西路站區間列車運行速度站站停不超過140 km/h，過站車不超過160 km/h，考慮《鐵路技術管理規程》(鐵道部令第29號)中“基本建筑限界(v≤160 km/h)”高度5 500 mm，同時考慮接觸網安裝高度要求800 mm、盾構推進施工誤差100 mm，隧道軌面以上高度按不小于6 400 mm控制，隧道在曲線段加寬要結合最終隧道襯砌內輪廓來確定加寬值。

(2)專業設備空間布置的要求

隧道內需走行各專業管線、管道，在隧道線路外側設置2個電纜槽走行通信、信號等弱電電纜，在隧道線路內側布置1個電纜槽走行電力、動照電纜，消防、給排水管道通過支架安裝固定在隧道側壁上。線路內側電纜槽蓋板上通長設置救援通道，救援通道寬1 m，高2.2 m，距離線路中心 1.8 m。

(3)空氣動力學效應對隧道斷面面積的要求

列車在隧道內高速運行會在車頭產生壓縮波及車后產生膨脹波，各種波在隧道兩端和列車兩端處多次反射、傳遞、疊加，形成了隧道內空氣壓力隨時間變化而產生的波動，從而造成乘客耳膜的疼痛不適，因此必須采用一定的標準，保證列車在進入隧道時車廂內壓力的變化不能超過一定的限度。

壓力變化限值的選定要受多種因素的影響，這不僅因為不同的人對壓力變化的感覺不同(這種差異可以通過統計分析來處理)，同時還與列車線路特征(隧線比等)、車體密封情況、車輛等級，還與乘車人員的體質等因素有一定關系。因此在制定乘客舒適性標準時，需要綜合考慮各種因素，制定出適合不同車型、車輛等級、不同線路特征的舒適度標準。本線列車采用“CRH6動車組”，且本段隧道限速為160 km/h，經計算分析后，隧道軌面以上有效凈空面積借鑒《時速160公里客貨共線鐵路單線隧道復合式襯砌(普通貨物運輸)》(通隧(2008)1002)要求，按不小于42 m2設計。

綜合以上最終確定隧道內輪廓如圖1所示，襯砌內輪廓斷面大小受空氣動力學因素控制，在曲線段隧道不需加寬。

圖1 隧道內輪廓(單位:cm)

4 隧道埋深確定

隧道的埋深主要由以下幾個方面來確定。

(1)下穿建筑物基礎的深度

東江南岸下穿大量的房屋，基礎形式分為樁基、條形基礎、筏板基礎等，同時在北岸既有一戰備碼頭，基礎形式為樁基，深25 m，戰備碼頭在隧道下穿建筑物中基礎最深，為了避免或減少施工當中盾構隧道與建筑基礎發生空間上的沖突和干擾，隧道在平面上和埋深上應盡量避開建筑基礎，同時在盾構能夠正常掘進的情況下盡量進入開挖沉降較小的地層。

(2)地層分布情況及施工安全

本段隧道從地層分布上來看，當隧道全部躲開建筑物基礎時，設計的隧道縱段在江心處覆土最淺，厚度為15.5 m，水深為16.5 m，在東江兩岸處覆土最厚，厚度為32.5 m。此時隧道大部處在弱風化的含礫砂巖中，少部分拱頂處在強風化的含礫砂巖中。隧道掘進范圍內含礫砂巖屬泥、鈣質膠結，飽和抗壓強度一般不超過30 MPa，最大為56.6 MPa，同時含礫砂巖一般分布較為均勻，最大粒徑不超過5 cm，基本不會出現孤石、軟硬不均，在該埋深下能夠保證盾構的連續、安全掘進，不易出現卡機、進出土失衡的現象，對房屋的變形控制也能夠有效保證。

(3)極限沖刷深度下的抗浮要求

水下隧道在后期運營過程中受水壓作用存在上浮的現象，在不采取特殊的抗浮措施情況下，其覆土厚度加上結構自重應能抵抗浮力，抗浮安全系數不小于1.15。作為抵抗浮力的覆土自重應只統計極限沖刷后的厚度。在隧道下穿段落的東江上游，將修建一水庫，因此從水利單位收集的資料分析來看，本段隧道抗浮計算可不考慮沖刷帶來的不利影響。

(4)防洪要求

水下隧道在下穿水域的起始一般要下穿江河的堤壩，在施工過程中要考慮對堤壩的破壞，因而要采取一定的措施保證施工期間的堤壩安全，后期運營中也要考慮在東江兩側堤壩外設置防淹門防止水下隧道因偶然原因破壞后，江水通過隧道突破堤壩的攔截。本段隧道在東江兩端掘進時所處的地層為弱風化含礫砂巖，距離堤壩的基底超過15 m以上的距離，距離水底超過20 m以上的距離，經過水利管理部門論證后，隧道施工從防洪角度不存在安全隱患，后期運營隧道內設置了防淹門也能夠滿足防洪要求。

5 管片設計

(1)管片的厚度及寬度

管片厚度應根據隧道所處地層的條件、覆土厚度、水壓、斷面大小、接頭剛度、經濟等因素綜合考慮確定，并應滿足襯砌構造(如手孔大小等)及拼裝施工(如千斤頂作用等)的要求。一般情況下，管片的厚度為隧道直徑的5%左右，本線管片厚度初定為400 mm。從國內外已建中等直徑盾構隧道管片寬度的選擇情況來看，管片寬度有逐漸增大的趨勢，加寬管片對水下隧道防水、加快施工進度、節省造價是有利的，但管片過寬，對于施工管理、后配套系統有了更高的要求。考慮國內現有施工技術水平，本線采用1 600 mm寬的管片。

(2)管片分塊、拼裝及連接

管片分塊數量和大小應考慮管片預制、運輸、拼裝等施工因素，同時也要考慮管片襯砌結構受力情況和防水效果。分塊過少，每塊管片質量大，弧長偏長，吊裝運輸及拼裝不方便，分塊過多，襯砌受力及防水效果較差，根據國內的施工實踐，本線盾構管片采用7分塊:4個標準塊、2個鄰接塊和1個封頂塊。為加強結構的整體性，改善接縫的防水性能，環向管片采用錯縫拼裝，封頂塊采用徑向插入和縱向插入相結合的插入方式，管片間連接采用對截面削弱最小的斜螺栓連接。

(3)管片接觸面構造形式及襯砌環組合形式

從提高接縫剛度、控制管片拼裝精度考慮，本線盾構管片接觸面縱縫設凸凹榫，環縫不設凸凹榫。同時在技術條件及施工水平允許的情況下，襯砌環類型越少，施工管理越方便，模具利用率越高，因此襯砌環采用通用管片進行組合。

(4)管片受力檢算

盾構下穿東江段隧道所處環境為V-D，按《混凝土結構耐久性設計規范》(GB50476—2008)規定，盾構管片混凝土強度等級為C55。選取最不利處斷面進行檢算，此處盾構下穿強風化地層，土壓力按塌落拱高度計算，水壓按全部作用于襯砌計算。計算模型采用修正慣用設計法，考慮管片接頭影響，進行剛度折減后按均質圓環進行計算。水平地層抗力按三角形抗力考慮，計算結果考慮管片環間錯縫拼裝效應的影響進行內力調整。彎曲剛度有效率 η=0.8，彎矩增大系數ξ=0.3，計算簡圖如圖2所示。

圖2 盾構隧道計算簡圖

基本組合的結構重要性系數為1.1，其他組合結構重要性系數為1.0，程序選用ANSYS有限元程序。經檢算，結構配筋為裂縫檢算控制，最不利斷面處管片的單面配筋率為0.49%，符合《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002)規定，本段隧道管片厚度選取400 mm能夠滿足結構受力要求。

計算結果如圖3～圖5所示。

圖3 彎矩圖(單位:N·m)

圖4 軸力圖(單位:N)

圖5 剪力圖(單位:N)

6 盾構機的選型

在有水壓的情況下，一般采用密封式盾構機，密封式又有泥水式和土壓式兩種。

土壓式盾構主要有兩類，一類是將開挖的土體充填在土艙內，用螺旋輸送機調整土壓，保持工作面的穩定，這種盾構機僅適用于可用切削刀開挖且含砂量小的塑性流動性軟黏土。另一類是向開挖面注入水、泡沫、膨潤土、CMC等添加劑，通過強制攪拌使土砂具有良好的塑性流動性和止水性，較好地傳遞土壓，保持開挖面的穩定和土砂的順暢排出。這種盾構機適用范圍較廣，可用于沖積黏土、洪積黏土、砂質土、砂礫、卵石等土層，以及這些土層的互層。對土壓式盾構，會出現砂性土排土困難，掘進機刀頭、刀盤的磨損，以及在含水砂層透水系數大、孔隙水壓高時土艙頂部產生空隙的危險。

泥水式盾構是將泥漿送入泥水室內，在開挖面上用泥漿形成不透水的泥膜來對抗作用于開挖面的土水壓力。泥水式盾構機適用的地層范圍很大，從軟弱砂質土層到砂礫層。泥水式盾構由于采用管道輸送，工作面全密封，安全性高，在軟弱互層地段也適用。通過泥漿施加合適壓力，控制排土量，可使地層變形小，對環境幾乎不產生影響。泥水式盾構適用于沖積洪積的砂礫、砂、亞黏土、黏土層或多水互層的土層，有涌水工作面不穩定的土層，上部有河川、湖沼、海洋等水壓高、水量大的地層。泥水式盾構的泥漿處理設備設在地面，需占用較大的面積，這成為在城市密集區應用的不利因素。

根據本段隧道周邊施工場地情況及隧道下穿地層情況，本段隧道覆土較厚，下穿地層透水系數強風化地層為5 m/d，弱風化地層為1 m/d，開挖地層內水量不大，加之土壓盾構比泥水盾構節省投資，占用場地面積小，對環境影響小，本段隧道采用第二類土壓式盾構機。在前面分析中，隧道襯砌內輪廓直徑為7.7 m，管片厚度為0.4 m，則隧道外直徑為8.5 m，盾體壁厚為0.1 m，再考慮盾尾的間隙，盾構機外直徑確定為8.8 m。

7 盾構掘進中應注意的問題

本段下穿東江采用盾構法施工，所處地層為弱風化或強風化含礫砂巖，地質情況良好，圍巖微裂縫少，基本為不透水層，但為了保證盾構施工在安全上萬無一失，采取以下控制措施。

(1)對穿越東江地段做詳盡地下勘探，徹底摸清地下障礙物情況，排除意外因素。在進入風險源范圍前需進行試驗段，根據實測監測數據調整與開挖地層相適應的掘進參數、同步注漿、二次注漿、外加劑的材料及壓力。

(2)認真對盾構機刀盤、注漿系統、密封系統、推進千斤頂及監控系統等設備檢查，確保穿越過程中設備無故障，進行連續施工。嚴禁在下穿東江時發生停機調試、開倉換刀等現象。

(3)在盾構機進入影響區之前，盡量將盾構機的姿態調整至最佳，注意不要向上抬頭，嚴禁超量糾偏，蛇行擺動。嚴格控制盾構的軸線和糾偏量。

(4)嚴格控制掘進速度，同時控制盾構姿態，確保盾構比較勻速地穿越過軌段，同時保證刀盤對土體進行充分切削。加注發泡劑或水等潤滑劑，減少刀盤所受扭矩，降低總推力。

(5)嚴格控制出土量，出土量控制在理論值的95%左右，保證土倉內的壓力略大于外部壓力，控制滲水量。

(6)嚴格控制注漿量，為了減少和防止裂隙漏水，在盾構掘進過程中，要盡快在脫出盾尾后的襯砌面形成的建筑空隙中充填足量的漿液材料，必要時可采取二次或多次壓漿。

8 結語

東江隧道具有建設規模大、技術標準新、周邊環境復雜、施工風險高等特點，通過對隧道周邊建設環境的分析，斷面的計算和研究，下穿風險源因素的考慮，提出了水下盾構隧道具體的設計思路和控制風險的方法，為將來類似水下盾構隧道的設計積累了經驗，對類似工程有一定的參考價值。

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