長沙地鐵3號線過湘江隧道方案研究

徐恒國

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

擬建阜埠河路站至書院路站越江隧道是長沙市軌道交通3號線的一段地下區間，該區間全長約2 663 m，越江部分長約1 400 m。越江隧道平面示意如圖1所示。

圖1 越江隧道平面

湘江在隧道區河道較為順直，河床起伏較大(17.5～26.4 m)，總體上西淺東深。江水漲落，變幅達14.01 m，水位為25.16～39.18 m。江水漲落，變幅達14.01 m，水位為25.16～39.18 m。以橘子洲為界，湘江被分為東、西兩汊:橘子洲寬約250 m;東汊寬約550 m、河床高程17.5～20.1 m、基巖面高程15.94～22.38 m;西汊寬約600 m、河床高程20.7～26.4 m、基巖面高程15.96～19.41 m。

2 工程地質及水文地質

區間隧道詳勘資料顯示，覆蓋層主要為填土(橘子洲)、圓礫、卵石、黏性土等，厚度差異較大;下伏基巖有砂巖、礫巖、白云質灰巖等。

溶洞主要發育在橘子洲及兩側的湘江東、西河汊，分布里程約為右AK15+000～右AK15+700，該范圍分布巖層為白云質灰巖，初步斷定該范圍為溶洞發育區。

溶洞發育區左線鉆孔共計19個，見洞率100%，右線鉆孔共計21個，見洞率70%。溶洞層數一般為1～6層，多數以串珠狀分布，溶洞頂板埋深最淺的為6.6 m，溶洞頂板埋深最深的為44 m，洞高最高達14.5 m。根據溶洞豎向分布規律顯示，左右線溶洞從西往東呈階梯狀分布，橘子洲西汊溶洞埋深較淺，橘子洲上埋深較深，橘子洲東汊溶洞埋深更深。溶洞多數有充填，充填物主要為砂、卵石及黏性土，部分為空洞。根據溶洞分布規律、發育特征以及充填物情況，初步推斷溶洞發育區溶洞會密集分布，溶洞與湘江有通道聯系，巖溶/裂隙水與江水互為連通，具有承壓性。詳見圖2。

3 隧道施工工法研究

3.1 水下隧道施工工法的簡介

目前修建越江隧道的基本方法有:圍堤明挖法、鉆爆法、沉管法、盾構法和掘進機法。除了這幾種施工方法外，還有一種正在實驗的跨越深水海域的較為經濟的隧道修建法—水中懸浮隧道，這種方法已有很多研究成果，許多國家準備將這種設想變為現實。

以上各施工方法各有其優缺點，對比分析詳見表1。

3.2 擬建3號線附近相關越江工程調研

對穿越湘江在建或已建的項目進行了調研，各穿江隧道調研情況如下。

圖2 越江隧道縱斷面

表1 水下隧道施工方法比較

(1)擬建3號線南側距離約850 m為南湖路隧道。南湖路湘江隧道目前正在施工，采用盾構法施工。隧道在湘江東、西兩岸覆土厚度最大15 m，最小8 m，普遍為10～11 m。湘江中央位置，江底以下41 m處探測到大型的溶洞和斷層。隧道主要穿越地層為粉細砂、卵石層、強風化礫巖、中風化礫巖等地層。

(2)長株潭城際鐵路湘江隧道目前正在施工，越江段采用盾構法施工。最小埋深12 m，最大埋深27 m，穿江段主要在砂質板巖中通過，湘江東側穿越強風化層，湘江西側穿越弱風化層，采用復合式土壓平衡盾構機施工。

(3)營盤路湘江隧道已經試運營，隧道越江段采用暗挖法施工，斷面采用馬蹄形斷面，最大開挖寬度約12 m，最大開挖高度約10 m，開挖斷面約95 m2。隧道結構頂最小巖層覆蓋厚度為10 m，普遍為13～14 m，江底段隧道結構頂覆蓋層(巖、土總厚度)厚度約13～16 m;穿越巖層為:全風化板巖(V級)、強風化板巖(V級)、中風化板巖(IV級)、微風化板巖(III級)。

(4)地鐵2號線過江隧道，采用盾構法施工，盾構機采用土壓平衡盾構，內徑為5.4 m，外徑為6.0 m。隧道頂覆土厚度最大13 m，最小9.0 m。區間隧道主要穿越11-3板巖、11-2板巖、6-3礫巖、6-2礫巖、5-3泥質砂巖等地層。

3.3 隧道工法選定

本工程區間隧道既是水下隧道，又穿越巖溶發育區，根據以上資料調研，沒有水下隧道穿越巖溶的工程實例可以參考，故本工程施工風險和難度極大，選擇一個相對合理的施工工法顯得尤為重要。

基于本工程的具體工程概況和水文地質條件，依據國內外類似工程調研，參照國內外類似工程的成功經驗和失敗教訓，本越江隧道適合盾構和暗挖2種工法，以下對2種工法進行比選。

(1)隧道采用暗挖法優缺點分析

①隧道大部分位于中風化巖層范圍內，地層條件有利;

②超前支護加固輔助工法多樣，溶洞處理措施相對靈活、方便;

③地質超前探測相對靈活、方便;

④采用暗挖法施工，強行穿越巖溶發育區，施工風險極大，一旦發生突水、涌水、淹洞現象，事故處理十分棘手;

⑤采用暗挖法施工，溶洞加固處理采取江面填充加固和洞內采用全斷面帷幕注漿、綜合利用大管棚、小導管相結合的超前支護方式進行加固處理，造價較高;

⑥采用暗挖法施工為保證上部覆蓋層及掌子面穩定，線路縱斷面埋深較大，導致書院路站及侯家塘站車站軌面埋深較大，增加了車站施工風險和工程投資。

(2)采用盾構法優缺點分析

①采用盾構法施工，較暗挖法施工風險相對較低;

②綜合比較溶洞加固處理和兩種工法的經濟指標等，盾構法施工造價較暗挖低;

③盾構法施工，對上部覆蓋層的厚度要求可以適當降低，較暗挖線路縱斷面埋深較淺，書院路站軌面埋深有所提高，對車站方案有利;

④盾構法施工只能采取江面填充注漿加固處理巖溶，處理措施單一，且可能存在處理盲點，溶洞處理方案依賴于地勘，對地勘要求較高。

綜合以上論述，對線路、地質、施工風險、工程造價綜合分析評價后，建議采用盾構法施工。

4 隧道埋深及縱斷面設置

圖4 溶洞加固處理示意(單位:mm)

隧道埋深及縱斷面設計需考慮隧道位于江底最大沖刷線下一定距離，使隧道不受江潮活動及沉船等外界影響，又能滿足隧道施工期間和使用期間的安全，同時考慮對兩岸線路、豎井，進而對相鄰車站的布局和埋深的影響，在方案可行的基礎上，盡量降低工程造價。

本項目隧道斷面采用單洞單線圓形斷面，外輪廓直徑為6.0 m，根據類似工程及臨近工程的調研，并結合本工程地質概況和溶洞分布情況，本次設計江中段隧道覆土，施工階段按歷史沖刷包絡線不小于1D(D為開挖洞徑)控制，困難地段不小于0.7D。運營階段按最大沖刷包絡線，滿足抗浮要求控制。具體見圖3。

圖3 隧道縱斷面

5 溶洞處理方案

5.1 運用多種勘查方法，探明溶洞情況

根據目前可行的勘測手段，為切實探明溶洞的分布與填充狀況，擬定以鉆探為主、多種方法綜合運用的探測方案。即:高密度電阻率法地面物探(總體探查溶洞分布情況)、加密鉆孔(直觀掌握溶洞及充填物狀況)、電磁波深孔CT(在鉆孔間加密剖切面勘查，判斷邊界)綜合判斷后結合注漿孔布置補孔探測。

5.2 溶洞加固處理方法

(1)溶、土洞處理順序為:溶、土洞處理與否判斷→溶、土洞處理→溶、土洞處理效果檢查。

(2)溶、土洞處理加固主要采用先填充再注漿加固的方法，詳見圖4。

①無充填溶、土洞和半充填溶、土洞

對洞高大于2 m且無填充或半填充溶、土洞，先進行投砂處理，后采用注漿加固的方法;投砂處理時在原鉆孔附近(約0.6 m)補鉆2個φ200 mm的投砂孔，兩投砂孔中心與原鉆孔中心需在同一連線上，兩投砂孔可相互作為出氣孔，投砂后，注漿加固的方法見后面的全充填溶、土洞的處理方法。投砂管要根據江上作業的特點適當選擇，投砂孔的大小也可由施工單位根據現場施工情況進行調整，達到填砂的目的即可。

②對全充填或洞高小于2 m的溶土洞，可直接進行注漿填充，采用壓力注漿的方法進行填充加固，注漿壓力從低到高，間歇，反復壓漿。

(3)注漿工藝

所有注漿管采用直徑48 mm的袖閥管，鉆孔需進入洞體下巖層0.5 m，由底部向上進行溶洞加固。注漿完成后要采用水泥砂漿對注漿孔進行封孔處理。

(4)注漿材料

周邊孔:純水泥漿+水玻璃。雙液漿現場配合比試驗時，應以初凝時間為指標進行控制，但應綜合考慮漿液的可泵性時間。雙液漿配比建議為水泥∶水∶水玻璃=1∶1.38∶0.29(質量比)，水玻璃模數 m=2.4～3.4(濃度=30～40Be')，但應進行現場配合比試驗確定。

中央孔:純水泥漿，水灰比建議為1∶1，具體應根據現場試驗確定。

(5)注漿間歇時間為每次間隔6～10 h。

(6)溶、土洞處理注漿孔平面布置

充填處理前，先進行溶、土洞平面范圍的試探測:以揭示到溶、土洞的鉆孔為基準點，沿垂直隧道方向間隔2.0 m施作1排注漿鉆孔，以基本找到洞體邊界為止;沿隧道方向施作1排注漿鉆孔，間隔2.0 m，以基本找到洞體邊界為止;然后從中心向其他方向探孔，以基本找到洞體邊界為止。若洞體為有限邊界，最外排孔未見洞，則該孔不需注漿，應向內收縮1孔最邊孔，注雙液漿。

5.3 溶洞加固檢測方法及標準

溶、土洞灌漿加固后的土體應該有良好的均勻性、自立性、密閉性。灌漿加固效果檢查方法是在灌漿固結體內鉆孔取芯，測得其無側限強度，以檢驗是否滿足灌漿固結體設計強度要求;也可用原位標貫法進行檢測，標貫擊數應大于16擊;現場做注水試驗，測試注漿后地層滲透系數;不滿足時重復上述施工。取芯數量不少于溶洞處理鉆孔個數的10%。具體指標如下:

(1)采用隨機原位標貫試驗，標貫擊數應不小于16擊;

(2)采用隨機鉆孔取芯，做抗壓試驗，無側限抗壓強度≥0.3 MPa;

(3)注漿后地層滲透系數不大于1.0×10-4cm/s。

6 盾構法施工風險分析及應對措施

水下隧道盾構法施工時，在不影響河流或周圍結構物的前提下，制定出相應的對策，確保施工安全可靠。

(1)地質、地下水調查。依據以往的工程施工經驗，一般河流部分，地質情況急劇變化，同時地質勘測難度較大，而且地下水的流動較快，所以應進行詳細勘查，提高勘察的精度。

(2)開挖面的穩定。由于地層和地下水狀況往往很復雜，特別是水底部分，水壓力比土壓力更大。因此，根據圍巖的水土壓力而設定適當的開挖面壓力，確保開挖面的穩定，防止泥漿泄露或噴涌。此外還得特別考慮隧道上浮和和管片的變形問題，同步注漿應采用具有一定早期強度的壁后注漿材料，確保管片的早期穩定性。

(3)盾構區間穿越巖溶發育區段前，需根據地勘提供的詳勘資料進行溶、土洞的加固處理，并充分論證江上作業的難度、風險及對環境的影響，加固施工完成后，需對加固效果進行檢測，確保巖溶處理效果達到設計要求，以保證施工安全。

(4)盾構穿江隧道，為減小對河堤的影響，需預測盾構施工對河堤的影響，根據需要考慮使用輔助工法。

(5)在穿越水下時，因為有時受施工工期的制約，或需要一些特別的設備，如防水設備，所以需要實現與河道管理單位協商。

(6)水下隧道施工，風險很大，注意盾構選型，注重盾構掘進參數優化，應考慮刀具檢查、更換事宜，必須對帶壓作業等輔助施工安全措施進行充分的安全風險技術準備。

7 結論及建議

依據長沙地鐵3號線越江段隧道的工程概況和水文地質條件，借鑒類似工程及臨近工程的實踐經驗，通過對越江隧道的施工工法、隧道埋深及縱斷面設置、溶洞處理方案等方面綜合性評價，提出合理意見和建議。

(1)隧址巖溶發育區，溶洞分布比較密集，而且成串珠狀發展，根據填充物等推測，溶洞與湘江有通道聯系，地下水與湘江水有水利聯系，隧址地質及水的賦存情況較為復雜，施工風險較大，設計施工中要加強風險規避，采取應對措施。

(2)根據地質資料，綜合分析評價溶洞分布規律、發育特征以及地下水賦存情況，參照國內外類似工程的實踐經驗，水下隧道強行穿越巖溶發育區，無論采用盾構法還是暗挖法技術理論上都是可行的，綜合評價兩種工法的施工風險和工程造價，推薦隧道采用盾構法施工。

(3)建議溶洞處理優先采用地面填充，注漿加固，并提前在現場做注漿加固試驗。

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