蘇通GIL綜合管廊長江隧道工程設計

喻新強，肖明清，袁 駿，劉 浩，張曉陽，謝 俊，陸東生，段松濤

(1.國家電網有限公司，北京 100031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；3.湖北省水下隧道技術工程實驗室，湖北 武漢 430063；4.國網江蘇電力有限公司，江蘇 南京 210024；5.電力規劃設計總院，北京 100120)

0 引言

淮南－南京－上海1 000 kV交流特高壓輸變電工程是國務院大氣污染防治行動計劃重點建設的12條輸電通道之一，是華東特高壓主網架的重要組成部分，與已建成的皖電東送淮南－浙北－上海工程一起，形成貫穿皖、蘇、浙、滬負荷中心的華東特高壓環網，見圖1。蘇通氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas-insulted metalenclosed transmission lines，GIL)綜合管廊工程是穿越長江、連接南北半環、形成特高壓交流環網合環運行的控制性單體工程。工程建成后，將在華東地區形成世界首個特高壓交流雙環網，大幅提高華東電網接納區外來電能力，對于促進華東地區經濟社會可持續發展、進一步提升我國電網和電工裝備領域的技術水平和核心競爭力具有重要意義。

蘇通GIL綜合管廊工程在蘇通大橋上游1 km處采用隧道方式穿越長江，見圖2，隧道長度為5 468.545 m，管廊外徑11.6 m，內徑10.5 m，最大水壓0.8 MPa，是目前國內埋深最深、水壓最高的超長過江隧道，具有大直徑、長距離掘進、高水壓、地質及河勢條件復雜等特點[1-3]。

1 工程建設條件

1.1 工程地質

工程位于長江下游三角洲平原近前緣地帶，具河口段沉積物特點。松散層巨厚，隧道深度范圍內地層具體劃分如下：

第四系全新統沖洪積地層(Q4al+pl)：共分4個地質層組(①～④層)，為沖洪積及靜水沉積，①1粉細砂、①2粉砂混粉土、①2-1粉質黏土夾粉土、①3粉砂、②粉質黏土、③1淤泥質粉質黏土、③2粉砂、③3淤泥質粉質黏土、③4粉質黏土與粉土互層、③5淤泥質粉質黏土、③6粉質黏土、④1粉質黏土混粉土、④2粉土。

第四系上更新統沖洪積地層(Q3al+pl)：共分為4個地質層組(⑤～⑧層)，主要為砂土，呈細－粗－細－粗的沉積韻律，由上到下依次為⑤1粉細砂、⑤2細砂、⑥1中粗砂、⑥1-1粉砂、⑦粉細砂、⑧1中粗砂、⑧1-1粉質黏土、⑧2粉細砂、⑧4中粗砂。

1.2 水文地質

工程區地表水主要為長江水體徐六涇段。徐六涇節點段處于通州沙汊道水流的匯流段，也是長江進口段到河口段的一個節點性過渡段。

地下水主要為松散巖類孔隙水，可分為孔隙潛水和孔隙承壓水。

孔隙潛水，主要賦存于淺部地層中的粉砂、粉砂混粉土地層中，主要含水段巖性為全新統①1粉砂或①2粉砂夾粉土。

孔隙承壓水，該承壓水含水層為粉細砂及中粗砂，普遍分布，富水性好，滲透強。其補給模式有潛水滲入或跨流補給，開采條件下長江水激化補給，上游長江切割深度達到該含水層，以側向徑流的形式補給地下水。

1.3 地震與區域穩定性

擬建場地不存在發生強震的地質構造環境和條件，場地及周邊未發現全新活動斷裂。根據GB 50011－2010《建筑抗震設計規范》，場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組位于第一組。場地土類型為軟弱土，綜合建筑場地類別為Ⅳ類。

1.4 水文條件

該河段的潮水位變化為非正規半日潮混合型，歷史最高潮位4.83 m，最低潮位－1.24 m，多年平均潮位0.83 m，100 a一遇最高潮位4.89 m，300 a一遇最高潮位5.21 m。

2 總體設計

2.1 工程建設規模

蘇通GIL綜合管廊工程采用單管盾構隧道方案，包括兩岸工作井在內隧道總長度為5 530.545 m，其中盾構段為5 468.545 m。工程采用一臺氣墊式泥水平衡盾構機，由南岸工作井始發，穿越長江至北岸工作井接收吊出。

2.2 技術標準

主要技術標準的擬定主要參考了類似交通隧道的相關標準結合設計經驗，同時考慮工程作為電力隧道的特殊性及機械設備的裝備能力綜合確定。

1)幾何技術標準

① 平面最小曲線半徑3 000 m，最小豎曲線半徑2 000 m。

② 線路縱坡不大于5%，不小于0.5%，坡長不小于200 m。

2)結構技術標準

① 設計使用年限：隧道主體結構100 a。

②設計洪水標準：按100 a一遇設計，按300 a一遇校核。

③ 抗震設防標準：地震基本烈度為7度，按8度采取抗震措施。

④ 環境作用等級：管片I-C。

⑤ 防火設計標準：當采用阻燃電纜時，電纜隧道的火災危險性類別為戊類，最低耐火等級為二級。

⑥ 防水設計標準：防水等級二級。

⑦ 變形控制標準：圓形襯砌結構計算直徑變形不大于0.3%D (D為隧道外徑)。

⑧ 裂縫控制標準：隧道結構最大允許裂縫開展寬度0.2 mm，內部結構最大允許裂縫開展寬度0.3 mm。

⑨ 江中段隧道覆土按施工階段不小于1.0D，且考慮抗浮穩定安全系數≥1.1；使用階段應滿足應急拋錨貫穿深度及抗浮要求，運營期設計工況(100 a一遇沖刷)隧道抗浮穩定安全系數≥1.2，運營期校核工況(300 a一遇沖刷)隧道抗浮穩定安全系數≥1.1。

2.3 線路平面設計

線路自南岸(常熟)始發工作井向北走行，見圖3，在蘇通大橋展覽館東側(水平凈距38.94 m)避讓展覽館，隨后下穿南岸長江大堤進入長江河道，下穿常熟港專用航道后在江中下穿既有－40 m深槽區向北走行(距－50 m深槽約320 m)，依次下穿長江主航道及營船港專用航道，再下穿北岸大堤抵達北岸(南通)工作井，盾構段總長度5 468.545 m。

2.4 線路縱斷面設計

如圖4所示，線路出南端始發工作井以5.0%的大坡度下行420 m，后接2.3457%的坡度繼續下坡852.618 m，后繼續以5.0%、0.5%的坡度下行，坡長分別為360 m、300 m至隧道最低點(最低點位置隧道結構頂面標高－63.23 m；底面標高－74.83 m)，隨之以0.5%、3.1%的坡度連續上坡300 m、580 m后接0.5%的上坡，坡長2 215.03 m，最后以5%的上坡，坡長440.897 m到達北岸接收井。

2.5 隧道橫斷面設計

管廊橫斷面采用圓形布置，分上下兩個部分，見圖5，考慮到GIL運輸安裝和檢修維護，兩回GIL管道分別垂直布置在管廊上層兩側，同時在管廊下層兩側預留兩回500 kV電纜廊道，下層中間箱涵設置人員巡視通道。根據特高壓GIL設備外形尺寸，考慮安裝維修，結合遠景500 kV電纜布置、管廊結構和通風等輔助設施等要求，確定隧道內徑為10.5 m、外徑為11.6 m，見圖6。

3 隧道結構設計

3.1 管片結構設計

結合管片所處的地質及水文條件，考慮結構安全性，通過計算確定管片采用C60單層鋼筋混凝土平板形管片，內徑10.5 m，外徑11.6 m，管片厚度0.55 m，幅寬2.0 m。管片分塊采用“7+1，1/3封頂”分塊方式，通用楔形環，楔形量36 mm。管片結構采用錯縫拼裝方式，環縫設置22根M40斜螺栓，縱縫設置24根M36斜螺栓。為增強環間的抗剪能力，減少環間變形，在襯砌環縫設置22個分布式凹凸榫。

3.2 內部結構設計

管片內部結構采用“中間預制箱涵+兩側現澆車道板”形式。中間箱涵高度4.15 m，頂寬4.0 m，縱向長度1.33 m，箱涵縱向采用螺栓連接。為增強結構整體剛度同時提高防水效果，在管片下半部富余空間設置200 mm厚非封閉內襯，見圖7。

3.3 工作井設計

南岸工作井為盾構始發井，平面外包尺寸為32 m×22.8 m，深20.85 m，地下三層結構。圍護結構采用1.0 m厚地下連續墻，共設置4道混凝土支撐。北岸工作井為盾構接收井，平面外包尺寸為30 m×23.5 m，深29.25 m，地下四層結構。圍護結構采用1.2 m厚地下連續墻，共設置5道混凝土支撐，為控制地表變形，同時確保施工期安全，工作井均采用逆作法施工[3-8]。

3.4 附屬工程

南岸配套輔助建筑位于南岸工作井上方，以工作井圍護地連墻作為基礎，平面尺寸為34 m×24.8 m，地上4層，建筑面積2 380 m2，建筑高度23.35 m。

北岸配套輔助建筑位于北岸工作井上方，以工作井圍護地連墻作為基礎，平面尺寸為32.4 m×25.9 m，地上3層，建筑面積2 296 m2，建筑高度19.0 m。

3.5 防水設計

考慮到防水體系需即時抵抗2.0 MPa水壓，設計使用年限內能夠抵抗0.80 MPa的水壓(設計時穿長江隧道最高)要求，管片接縫采用雙道多孔型三元乙丙彈性密封墊加一道遇水膨脹密封墊防水形式，見圖8。防水體系設計滿足在接縫張開8 mm、錯位15 mm條件下極端工況下的防水要求，同時滿足盾構機裝配性能要求[3-8]。

4 工程特殊地段設計

4.1 有害氣體處理

在長江深槽以南隧道段(DK0+000～DK1+780)下部地層存在生物成因淺地層天然氣(沼氣)，主要成分甲烷(CH4) (占比85%～88%)，儲氣層為下部第四系粉質黏土混粉土、砂層，蓋層為淤泥質黏土層，鉆探測得關井氣體壓力0.25～0.30 MPa，靜探孔有害氣體壓力0.1～0.2 MPa。

1)施工期處理措施

① 建議采取提前排氣措施

在隧道結構邊線兩側3～5 m處各設置一排排氣孔，排氣孔縱向間距約10 m，孔深為隧道拱底以下5 m。排氣過程中注意均衡放氣，且采取防火、防噴措施。排氣完成后，排氣孔應做好密封處理，密封材料強度注意與土層匹配，防止施工時泥水噴發引發事故[9-10]。

② 控制好施工時泥水壓力，泥水壓力最低值應高于周邊沼氣氣體壓力。

③ 加強盾尾間隙的漏氣檢測，保證足夠的盾尾放氣能力，防止沼氣從盾尾噴出引發事故。

④ 保證管片結構氣密性要求。

⑤ 提高管片拼裝質量。

⑥ 對盾構機進行必要的防爆改裝處理。

⑦ 加強對盾尾密封的保護及檢查。

⑧ 加強施工期間的監測(自動監測加人工平行監測)。

⑨ 加強施工期間施工通風，原則上不可進行開艙作業，如必須進行常壓換刀或刀盤檢查等進艙作業時，應采取措施控制沼氣危害。

⑩ 嚴格施工區管理，加強人員培訓并制定應急預案及成立應急小組。

2)運營階段有害氣體防范

① 為便于運營期間有害氣體監測，在隧道內每隔約200 m在管片側壁上設置自動監測探頭，自動監測裝置應具有超限報警、通風機自動控制等功能，系統可采用洞口或遠程計算機集中控制。當隧道內有害氣體的濃度達到0.4%時，必須啟動風機進行通風，保證隧道內有害氣體濃度不大于0.5%[11]。

②有害氣體分布地段，加強底部二次襯砌與管片的連接及縱向鋼筋，防止運營期因外部原因引起的沼氣排放對結構安全的影響。

4.2 始發到達加固方案

1)始發加固方案

盾構始發采用Φ850@600三軸攪拌樁加固，在攪拌樁與連續墻接縫位置采用旋噴樁進行填充，同時在靠洞口側墻外側設置2.0 m凍結體，加固范圍為盾構隧道上下及左右兩側各5 m，總體加固區縱向長度18 m[10-12]，見圖9。

2)接收加固方案

盾構接收端頭采用800 mm素混凝土連續墻外包，素墻內部采用Φ850@600三軸攪拌樁加固，在攪拌樁與連續墻接縫位置采用旋噴樁進行填充，加固范圍為盾構隧道上下及左右兩側各5 m，縱向長度18 m[10-12]，見圖10。

5 結語

蘇通GIL綜合管廊工程是世界上首次將特高壓輸電工程和隧道管廊結合的重大創新工程，本文對工程總體設計線位的平縱斷面設計、橫斷面布置、隧道結構及特殊地段設計等關鍵技術問題進行了分析研究。隨著我國經濟社會的持續進步，類似蘇通GIL綜合管廊工程為解決電網線路越江過河需求的水下隧道必然增多，本項目的設計思路、創新理念、建設經驗等可為類似工程提供參考。