基于工程技術措施下的水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法
——以長沙市營盤路湘江隧道為例

陳海軍

（中鐵隧道勘測設計研究院，河南洛陽 471009）

基于工程技術措施下的水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法
——以長沙市營盤路湘江隧道為例

陳海軍

（中鐵隧道勘測設計研究院，河南洛陽 471009）

為了保證隧道的交通功能，實現水下隧道與陸域道路的對接，解決隧道水下段最小覆蓋層厚度問題，通過對國內外水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法的討論，針對長沙營盤路湘江隧道水下段最小覆蓋層厚度，提出一種更為經濟合理的確定方法。該方法通過采用工程技術措施，以風險分析、數值計算、監控量測為手段，確定施工風險大小，結合交通功能、經濟分析、社會效益，確定最小覆蓋層的優選方案。最后，對提出的確定方法進行總結。

水下隧道；最小覆蓋層厚度；施工風險；數值計算

0 引言

進入21世紀以來，我國水下隧道建設蓬勃發展。近年來，國內修建了一大批穿越江河湖海的水下隧道，而在這些隧道的設計與施工過程中，如何確定水中段隧道的最小覆蓋層厚度、確保隧道的功能實現、施工安全與運營穩定，一直是建設人員的困擾，也對修建水下隧道工程構成嚴峻挑戰［1］。為此，國內眾多專家、學者做了大量研究工作。王夢恕等［2］通過對水下隧道最小巖石覆蓋層厚度的研究，提出了應從圍巖穩定性和隧道涌水量的大小綜合考慮的方法；李術才等［3］就廈門翔安隧道設計過程中應用工程類比和數值計算方法對其最小覆蓋層厚度做了專項研究；王培勇等［4］就水下隧道合理覆蓋層厚度進行了有限元模擬研究。而本文結合長沙營盤路湘江隧道工程的交通功能需求、陸域道路接線條件、建設風險及工程投資，提出基于工程技術措施下的水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法，并以工程實踐證明其可行性。

1 工程簡介

1.1 工程概況

長沙營盤路湘江隧道處于橘子洲大橋和銀盆嶺大橋之間，主線西起咸嘉湖路，下穿瀟湘大道、傅家洲、橘子洲和湘江大道，東接營盤路。隧道主線設計車速50km/h，匝道設計車速40 km/h。西岸設一進一出2匝道，接主線北側的瀟湘大道；東岸設一進一出2匝道，分別在主隧道南、北兩側接入湘江中路。

主線隧道為雙向4車道，采用淺埋暗挖法施工，標準段斷面凈寬10.1 m，開挖面積平均97 m2；主隧道與匝道交叉段最大寬度25 m，最大開挖面積約370 m2；主線設計最大縱坡5.95%，匝道設計最大縱坡6.98%。隧道自東向西長距離穿越圓礫層、淤泥層、江中斷裂帶、全-強風化板巖、回填新土，洞身所處地層透水性強、自穩能力差，開挖易坍塌涌水，沿線各地層的物理力學指標見表1。湘江江水深度隨季節變化較大，最大水深約20 m。

表1 巖（土）體物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

1.2 交通功能需求

結合城市既有路網及規劃方案，西岸主隧道出入口宜設置在咸嘉湖路與濱湖路交叉口附近。為降低對咸嘉湖路既有交通的影響，更好地發揮瀟湘大道的交通功能，需利用進出口匝道將主隧道部分交通流引至瀟湘大道，以使隧道的服務范圍及交通集散功能得到最大程度的發揮。

在湘江東岸，隧道主線接入營盤路后，受黃興北路地下商業街的影響，隧道不具備在黃興北路西側出地的條件。為充份利用既有道路的吸引與疏散能力，隧道東側主線出入口應在既有的蔡鍔路西側出地，并應預留足夠的蓄車長度。為減小主隧道車流全部引入營盤路后對蔡鍔路、芙蓉路及中心城區的影響，需考慮通過匝道將部分過江交通流引入湘江中路；且匝道隧道出入口應在中山路及湘春路之前接地，以便于利用周邊東西向路網，形成一級分流，達到均衡整個路網交通壓力的目的。

綜上，本隧道“兩主線、四匝道”的整體布局，可實現湘江兩岸4個象限的互通。通過匝道隧道與主線隧道的合理銜接，形成東西為主、南北為輔的交通格局，隧道的交通功能可得到極大拓展。隧道總體布置如圖1所示。

圖1 隧道總體布置圖Fig.1 General layout of the tunnel

2 影響最小覆蓋層厚度的因素

水下隧道的最小覆蓋厚度是影響施工安全和工程造價最重要的設計參數之一。在保證施工安全的前提下，隧道的覆蓋層厚度越小，隧道埋置深度就越小，作用在隧道結構上靜水壓力就越小［5］，隧道結構尺寸也可以越小。同時，隧道埋深越小，在隧道坡度一定的前提下，隧道長度就越短，與兩端的接線就越容易，因而隧道的工程造價也越低。

另一方面，水下隧道覆蓋層越薄，河水（海水）與隧道之間的滲流通道就越短，隧道施工過程中發生突水、塌方的概率就越大［5］。因此，設計水下隧道，要綜合考慮功能需求、工程造價和風險等因素來確定合理的最小覆蓋層厚度。

從國內外已建的各種類型水下隧道工程來看，影響其最小覆蓋層厚度的主要因素有以下幾點。

1）所確定的覆蓋層厚度能否滿足水下隧道的施工安全。

2）水下隧道的功能需求。

3）隧道兩端陸域的接線條件。

4）隧址處水域段工程地質與水文地質條件。

5）滿足隧道使用功能所確定的隧道斷面尺寸。

6）水域基床控制條件（如規劃航道標高、沖刷線等）。

3 現有方法分析

從國內外規范來看，對于水下隧道最小覆蓋層厚度，并沒有明確限制，各國確定最小覆蓋厚度也主要是采用經驗統計與工程類比方法。日本和挪威是世界上水下隧道鉆爆法實踐最多的國家，通過對許多成功和失敗的經驗總結，各自歸納了一套經驗公式。我國水下隧道的最小覆蓋層厚度也基本是根據經驗來確定，同時參考類似工程和行業經驗進行對比。國內外的主要方法可總結為以下幾種（關于現有方法，國內有較多文獻提及，本文僅略述）。

3.1 挪威經驗法

挪威的水下隧道大部分位于火成巖和變質巖等比較堅硬的巖層中。Z.D.Eisenstein根據挪威已建的海底隧道經驗，統計得出如圖2所示的經驗曲線［6］。分別對比了較好的圍巖和較差的圍巖，確定了水下隧道最小巖石覆蓋層厚度與海水深度的關系。

圖2 威海底隧道巖石覆蓋層厚度與海床水深的經驗曲線Fig.2 Empirical curves of rock cover thickness varying with depth of sea water（Norway undersea tunnels）

3.2 日本最小涌水量法［7-10］

日本在過去幾十年，修建了很多水下隧道，如青函隧道、關門隧道、長島海峽隧道及早崎瀨戶隧道等，在確定水下隧道最小覆蓋厚度方面積累了較多經驗。在確定圍巖滲透系數、水深及隧道開挖斷面后，給出了隧道涌水量最小時所對應的覆巖厚度計算經驗公式，由此計算出的覆巖厚度即為經濟安全的最小值。具體公式為

式中：k為滲透系數；L為隧道長度；h為巖石覆蓋層厚度；H為水深；r為隧道等效半徑；e為孔隙率。

3.3 國內頂水采煤的經驗公式

頂水采煤時，既要考慮安全開采上限，即安全因素，防止水淹礦井，又要考慮經濟因素，避免預留的煤柱過大，造成浪費。海底隧道最小埋深的確定與煤礦安全開采上限的確定大致相同。開采上限高度計算經驗公式為：

式中：H為開采上限高度；a為表面裂隙深度，基巖經驗值取10～15 m；h為爆破引起的擾動高度（導水裂隙帶高度），一般取2 m；s為水力與巖層影響深度，為水頭高度；h2為坑道寬度；c為巖層風化帶厚度，一般取5 m；f為普氏系數）。

3.4 工程類比法

除按上述方法確定鉆爆法水下隧道最小覆蓋層厚度外，工程類比也是較常用的一種方法。采用工程類比法時一定要注意可比性，應主要從工程地質與水文地質情況、隧道斷面尺寸及隧道的使用功能等條件進行確認。國內外具有比較多的工程案例，在此不再列舉。

4 營盤路湘江隧道最小覆蓋層厚度的確定

4.1 按經驗曲線、公式及工程類比確定的最小覆蓋層厚度

根據挪威經驗曲線，該隧道最小覆蓋層厚度應為42 m左右；按日本最小涌水量法計算，本隧道最小覆蓋層厚度應為18.7～31.5 m（從正常段到大跨段）；按簡易公式計算，應為6.67～13.33 m（該法應用較少，計算結果不作為參考）；按國內頂水采煤的經驗公式計算，最小覆蓋層厚度應為20.7～27.5m（從正常段到大跨段）；類比國內同類型隧道，最小覆蓋層厚度為15～33 m。基本為隧道開挖寬度的1.5～2.0倍。

4.2 滿足功能需求所需的覆蓋層厚度

根據批復的技術標準，營盤路湘江隧道主線縱坡不應大于6%，匝道縱坡不應大于7%。根據交通功能需求，主線隧道西出口應在咸嘉湖路與濱湖路交叉口附近接地，東出口必須在蔡鍔路以西接地，西岸進口匝道應在銀盆南路與瀟湘中路交叉口以南接地，東岸進出匝道隧道接地點應設置在中山路及湘春路之前。這樣，經擬合隧道縱剖面，滿足隧道交通功能后所確定的隧道與匝道交匯區水下最小覆蓋層厚度為11.5 m，拱頂覆土主要為5～7 m厚的全風化板巖層和4.5 m厚的強風化板巖層，隧道覆跨比僅為0.46，建設風險與難度較大。

4.3 基于工程技術措施下的最小覆蓋層厚度

從4.1及4.2節所確定的隧道最小覆蓋層厚度來看，二者相差較大。因此，首先對滿足功能需求的覆蓋層厚度條件下采用常規支護與施工參數時，隧道施工過程中的安全性進行分析，確定風險源；然后針對各風險點采取工程技術措施，重新進行分析，判定設計加強后的風險；最后在對采取工程控制措施所增加的費用、隧道埋深減小導致隧道長度縮短所減少的費用以及由于隧道埋深改變引起的隧道兩端接線位置變化所造成的交通功能影響進行綜合比較的基礎上，確定水下隧道的最小埋深。

4.3.1 按常規支護與施工參數的安全性分析

對于大斷面隧道，通常采用單層300 mm厚初期支護，分部開挖施工，根據地質情況，建立三維模型，通過數值計算進行分析。結果如圖3所示。從圖3可看出：

1）整個分析區域豎向應力以壓應力為主，應力重分布范圍大于隧道1倍洞徑，隧道邊墻墻腳處出現應力集中，拱頂處圍巖拉應力較大，加之強風化板巖破碎、遇水崩解易坍塌、自穩性差的特性，施工時若不采取措施，隧道拱頂塌陷風險極大。

2）從塑性區分布圖（3（b））可知，圍巖塑性區分布范圍大約位于洞周5 m以內，拱頂上方塑性區有向河床頂發展貫通的趨勢。

3）在支護結構受力方面，內力在拱墻墻腳處出現最大值，達600 kN·m，隧道仰拱與拱頂處出現較大拉應力，將導致初期支護開裂，拱頂不能滿足安全要求。

4）從圍巖豎向位移來看，隧道拱頂沉降最大，沉降槽寬度在40～50 m，為2～3倍開挖寬度，隧道拱頂出現大變形情況。

通過上述分析，在常規支護與施工參數下，施工期間存在塌方、涌水、支護結構破壞及大變形等風險。4.3.2 擬定的工程技術措施

結合上述風險點，設計擬定如下措施及計算參數。

1）隧道周邊設置6 m厚帷幕注漿止水加固圈。計算分析時按提高既有圍巖力學指標考慮，根據現場實驗成果，黏聚力取300 kPa，內摩擦角取30°，彈性模量取600 MPa。

2）增強初期支護強度和剛度，采用雙層合計550 mm厚初期支護，采用殼單元模擬，按C25鋼筋混凝土考慮計算參數。

圖3 安全性分析結果（1）Fig.3 Safety analysis results（1）

3）分段采用六步CRD及九步雙側壁導坑法施工，各施工步保證初期支護封閉成環，單循環進尺不超過3 m，控制收斂變形，計算時根據工法確定施工步。

4）采取φ108超前大管棚和φ42超前小導管等預支護措施，分別采用桿單元按管徑確定參數模擬。

5）加強監控量測，實施信息化施工，當拱頂下沉、水平收斂速率達5 mm/d或位移累計達100 mm時，停止開挖，進行補強與加固處理。

4.3.3 工程技術措施條件下隧道施工風險分析

采用工程控制措施后，分析結果如圖4所示。

圖4 安全性分析結果（2）Fig.4 Safety analysis results（2）

從計算分析結果來看，經地層改良、初期加強、超前支護及控制施工分步，隧道周邊圍巖力應力集中、塑性區發展都得以控制，支護結構內力在300 kN·m以內，圍巖變形（特別是拱頂沉降）較不采取工程技術措施條件下得到了極大改善。

4.3.4 隧道施工監測情況分析

工程施工階段，對本隧道大跨斷面拱頂沉降、水平收斂、初期支護鋼架應力及臨時支撐軸力進行了全過程監測。大跨斷面采用九步雙側壁導坑法施工，結構變形與內力發展歷時較長，從穩定結果來看，最大沉降量為35.3 mm，最大水平收斂為18.32 mm，初期支護鋼架全環呈對稱分布，最大應力位于拱墻交界處，達150 MPa，而臨時支撐軸力也達到200 kN。具體數據如圖5所示。

實測結果與理論分析相比，結構內力較為吻合，但實測的變形量約是理論分析的4倍，分析原因應該是數值計算時初期支護是及時封閉的，而實施階段需要施工時間。此外，拱架基礎形式、施工時拱架基礎軟化、各臺階之間的實控距離等也是影響實測值的因素。

從變形與內力發展來看，在施作支護結構初期，增長速率較大，初期支護全部施作完畢之后，測點變形很快趨于穩定，這一量測結果說明初期支護結構在早期承擔了較大的荷載。從安全施工的角度考慮，應重視初期支護的施工質量和封閉時間，這對整體結構的安全與穩定有著至關重要的作用。

綜上所述，通過理論分析與現場實測（實測結果均在規范控制的范圍以內），在采取特定的工程技術措施后，營盤路湘江隧道按滿足交通功能需求所確定的最小覆蓋層厚度，能滿足施工階段圍巖穩定和支護結構安全的要求。

4.3.5 最小覆蓋層厚度的確定

根據4.3.3節的分析結果，該隧道大跨段最小覆蓋層厚度為11.5 m，同理，可確定正常段約為15 m。與挪威經驗曲線法相比，本工程水下隧道洞頂覆蓋層厚度減小27～30.5 m；與日本最小涌水量法相比，覆蓋層厚度減小3.7～20 m；與國內頂水采煤的經驗相比，覆蓋層厚度減小5.7～16 m；與工程類比法相比，覆蓋層厚度最大減小約21.5 m。按覆蓋層厚度減小最少的5 m計算，在相同接地點高程和縱坡情況下，隧道長度縮短了近400 m，按照水下隧道18萬元/m造價指標估算，直接工程費減少7 200萬元；隧道采用雙層初期支護、超前支護、超前注漿加固等工程技術措施所增加的費用為877萬元。綜合比較，工程造價降低約6 323萬元。此外，按該法確定的隧道最小覆蓋層厚度，能夠滿足隧道兩岸的接線要求，并能充分發揮隧道的跨越和分流功能，其所產生的經濟效益和社會環境效益也是非常顯著的。

圖5 監測結果Fig.5 Monitoring results

5 結論與建議

本文結合營盤路湘江隧道所處的實際條件，按目前國內外常用的水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法推算的覆蓋層厚度將無法滿足隧道的接線要求，難以發揮隧道的交通疏解功能；在進行充分的調研和理論分析的基礎上，提出了基于工程技術措施的水下隧道最小埋深確定方法。

該方法的具體步驟如下：

1）根據水下隧道工程兩岸的接線條件以及線路的坡度初步確定隧道的最小覆蓋層厚度。

2）采用數值計算方法分析該覆蓋層厚度條件下采用常規支護與施工參數時隧道施工過程的安全性。

3）當常規支護參數不能滿足施工安全要求時，采取工程技術措施，具體措施包括超前注漿預加固、超前管棚預支護、加強初期支護、分部分塊開挖、嚴格控制開挖步長等；進一步采用數值計算方法進行分析，確定采取不同工程技術措施時保證隧道施工安全的最小埋深。

4）在以上分析的基礎上，計算隧道埋深減小時為保證施工安全所增加的工程措施費用，隧道埋深增加造成的隧道長度加長所增加的費用，隧道埋深改變引起的隧道兩端接線位置的變化所造成的環境影響，在綜合比較的基礎上，確定水下隧道的最小覆蓋層厚度。

5）在工程實施階段，除按上述要求采用具體的工程技術措施外，應特別加強超前地質預報與實時監控量測工作，相對普通鉆爆法隧道，應加密監測斷面，運用信息化施工技術，全面掌控各類構件的施作時機。

長沙市營盤路湘江隧道工程的順利實施是基于豐富的設計與施工經驗基礎上完成的，本文提出的水下隧道最小覆蓋層確定方法，是在成功案例上的一種提煉，類似工程能否直接采用本工程的相關參數，應經認真斟酌分析后確定。本文提出的確定水下隧道最小埋深的思路，首次在營盤路湘江隧道中應用，尚存在諸多不足，需要在以后的工程中與業界同仁共同完善。

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A Method to Determine the Minimum Cover Thickness of Underwater Tunnel Based on Engineering Measures：Case Study on Yingpanlu Xiangjian River Crossing Tunnel in Changsha

CHEN Haijun

（Survey，Design and Research Institute，China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China）

In the paper，the determination of the minimum cover thickness of Yingpanlu Xiangjiang River Crossing Tunnel in Changsha is studied，so as to ensure the traffic functions of the tunnel and to achieve smooth connection between the underwater tunnel and the ground surface roads.The existing method at home and abroad to determine the minimum cover thickness of underwater tunnels are discussed，and a more economic and rational minimum cover thickness determination method is proposed for the tunnel.According to the method proposed，the magnitude of the construction risks is determined based on the engineering measures taken and by means of risk analysis，numerical calculation，monitoring and measurement，and the minimum cover thickness of the tunnel is optimized by considering the traffic functions，economic analysis results and social significance.Finally，the method proposed is summarized.

underwater tunnel；minimum cover thickness；construction risk；numerical calculation

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.004

U 459.5

A

1672-741X（2015）11-1134-07

2015-05-15；

2015-07-31

陳海軍（1978—），男，河南鄢陵人，2001年畢業于西南交通大學，土木工程專業，本科，高級工程師，從事隧道與地下工程設計研究工作。