深切割丘陵地貌城市軌道交通隧道過江方案探討

阮國勇，彭寶富

(1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 610023； 2.成都軌道交通集團有限公司，四川成都 610041)

本次以重慶渝中區范圍軌道交通過江隧道為研究對象進行探討。水下隧道實施具有環境復雜性、工程動態性和時效性的特點，是一項風險高、綜合性強的地下工程。重慶目前沒有實施過水下軌道交通隧道的先例，本次工程對填補重慶該部分空白有著積極意義。通過充分比選、嚴密論證，做到方案可行、安全可靠、經濟合理、技術先進，在巖質地層水下隧道設計理念、工程施工工法選擇、結構健康監測系統和機電設備系統節能等方面加強技術創新，為隧道建設運營安全保駕護航，為該類地形地質條件下隧道技術進步增添動力。世界經濟社會發展的實踐充分表明，交通設施既是國民經濟重要的基礎設施，又是國民經濟的先導性產業。許多發達國家和地區的發展和振興，都是以加強交通建設為先導，從而帶動整個經濟社會的持續快速健康發展。隧道的建成對完善重慶市軌道交通的遠景線網起著關鍵的節點作用。

1 地形地貌對隧道過江方案影響研究

重慶以山城著稱，城區最突出的特點是地形起伏有致，立體感強，地面標高高差大。與中下游長江沿岸城市如武漢、南京等地不同長江枯水河寬一般為300～600m，汛期河寬一般為500～1 000m；嘉陵江枯水河寬300～400m，汛期河寬500m左右。河谷走向較平直，呈壯年期河谷地貌，兩江河谷形態呈不對稱“U”形，兩岸漫灘狹窄，岸坡陡峭、傾向江心。江底地形起伏，局部存在深槽。從圖1、圖2可以看到渝中片區的地形起伏情況。

圖1 地形平面

圖2 地形縱剖面

該地形地貌特點決定隧道過江方案線路特點如下，渝中區范圍內展線困難，平面上不可避免出現小半徑曲線；規劃站位一定的情況下，縱坡坡長有限，坡度較大。過江段隧道長度相對較短，可供展線的寬度有限，為保證軌道交通線路布設時車站埋深不要太深，在線路走向上可考慮展線因素。具體過江位置對線路布置不起控制作用，相對較為靈活，只需注意避開局部深槽。過江段區間兩端車站埋深相對較大，為提升車站服務功能，站位選擇時除應考慮規劃因素外，尚應結合地形特點，選擇標高相對較低的位置設站。在考慮線路展線及車站盡量布置在標高較低位置時，隧道工法選擇上應考慮覆土較小的工法，以盡量減少線路最低點與最高點的高差，減少線路坡度，控制展線長度。

因為地形地貌控制，在該區域布置軌道交通隧道時采取隧道方案過江，線路展線困難，車站埋深可能較大，線路坡度大。在確保過江段隧道安全實施的前提下，如何通過線站位選擇，優化車站服務功能，是該地區建設軌道交通過江隧道的難點。

2 規劃及建構筑物對隧道過江方案影響研究

2.1 城區規劃對線路布設影響

軌道交通線路周邊一般配套成區，建筑密集，過江區間隧道沿線區域用地以住宅、商業和綠化用地為主。以上特點要求本工程隧道工法的選擇、附屬設施及輔助坑道的設置應注意對周邊環境的影響。

2.2 既有建構筑物對過江隧道的影響

城區江面橋梁密集密，比如千廝門大橋、東水門大橋(圖3)、重慶長江大橋。在江巖的道路也存在較多構筑物，在長江北岸為渝中區長濱路，道路為路堤擋墻形式；南岸為南岸區南濱路，道路為路堤擋墻。嘉陵江北岸為江北嘴河漫灘；南岸為渝中區嘉濱路(圖4)，道路為橋梁形式。以上特點要求本工程線路選線時考慮功能及展線的同時，還應注意避開橋梁基礎，并注意與江堤及橋樁保持一定的安全距離，必要時應考慮采取一定的安全防護措施。

圖3 東水門大橋

圖4 嘉濱路

重慶主城港區碼頭主要分布在長江干線和嘉陵江上，其中長江上碼頭主要以貨運和客運為主，嘉陵江上碼頭主要是客運和公務碼頭為主，多集中在河口附近，城區碼頭分布詳見圖5。以上特點要求本工程隧道線路方案選擇時應注意對碼頭、港口及航運的影響。

圖5 城區碼頭分布

3 工程水文地質對隧道過江方案影響研究

3.1 工程地質對隧道過江方案影響

城區地質自上而下為第四系填土、砂卵石層或粉質黏土、侏羅系砂質泥巖為主、局部夾砂巖；其中，過長江段江底砂卵石層厚3～8m，強風化帶厚1.5～4.5m；過嘉陵江段江底砂卵石層厚0.0～2.6m，強風化帶厚1.5～2.2m。工程地質條件良好，適宜修建隧道；江底巖層埋深較淺，過江段隧道覆巖厚度確定的情況下，地質因素對隧道平面選線影響較小。

3.2 工程水文對隧道過江方案影響

隧址區水文條件具有如下特征：季節性特征明顯，枯水季節一般在11月至次年4月，最低水位一般出現在1～3月；最高水位多出現在6～9月，主要由汛期暴雨形成。洪枯水位落差大，長江達30m以上，嘉陵江約20m。擬建工程位于兩江匯合口處附近，彼此會受洪水漲水頂托影響；擬建工程位于三峽水庫上游，易受下游三峽水庫蓄水影響。隧址區地下水類型為基巖裂隙水，地下水補給為地表降雨及江水下滲。以上特點顯示本工程水文條件復雜；為確保過江段隧道安全順利施工，在確定過江段覆巖厚度、長度以及施工方法及設備選型時需慎重考慮。

3.3 河勢演變隧道過江方案影響

擬建工程河段河床及河岸邊界約束較強，河床沖淤變化不明顯，灘槽穩定。當長江遭遇100a一遇洪水時，局部最大沖刷深度為5m。嘉陵江：擬建工程附近河段整體河勢穩定，基本無單向性變化趨勢，平面形態變化很小，深度及斷面形態基本穩定，當嘉陵江遭遇100a一遇洪水時，局部最大沖刷深度約3m。以上特點要求本工程在確定過江段隧道覆巖厚度時應充分考慮江水沖刷深度的影響。

4 過江隧道方案工法選擇

4.1 明挖及沉管法過江隧道方案適應性

工程地處長江上游、水深變化大、江面狹窄、航道繁忙，圍堰明挖法不適合。

沉管浮運沉放需要較高的水位和較低的流速，經調查研究2011～2013年間兩江水文資料顯示，受三峽大壩蓄水影響，僅在每年11月至次年2月有相對穩定的流速(≤1m/s)，但與之匹配的水位太低，均低于沉管起浮水位175m，需降低設計浮運水位，引起干塢基坑和航道疏浚土方量增加較多。干塢及沉管隧道與岸上段隧道接口段均需施作圍堰，對臨近濱江路交通存在一定影響；由于防洪水位高，導致圍堰高度約25m，施工難度高且風險較大；單側圍堰伸入江面寬度約75m，侵占江面航道，對城市防洪影響大。在滿足沉管最小埋深要求下，局部基槽開挖深度達到30m，地層主要為中風化巖石，需水下爆破施工，開挖量大，施工期對兩江生態和通航存在一定影響，協調難度大。綜上，在上述建設條件下軌道交通過江隧道不推薦采用沉管法。但是沉管法由于埋深淺，若是市政道路與軌道交通合建時，其不因為行車道數增加而加大埋深的優勢會體現出來，所以超大斷面的市政道路與軌道交通合建的隧道根據具體邊界條件還有進一步研究的空間。

4.2 隧道斷面的選擇

由于明挖法及沉管法不適合該地形地貌條件下單純的軌道交通過江隧道工法，現在只有盾構法及礦山法兩種工法的選擇。在選擇該兩種工法前，需研究采用雙洞單線(小斷面隧道)還是單洞雙線(大斷面隧道)。現從下面幾點進行論述。

(1)斷面及線路布設方面：小斷面隧道開挖斷面小，總體施工風險低，線路布置靈活；大斷面隧道，開挖斷面大，總體施工風險高，線路布置受限，必須需與雙洞單線斷面組合以實現配線及島式站臺的布置。

(2)隧道埋深方面:深切割丘陵地貌城市的特點就是線路布設困難，隧道能盡量減少埋深對于功能改善大，同種工法下，小斷面隧道方案對線路埋深較大斷面隧道方案提高約5m。

(3)消防疏散方面：小斷面隧道聯絡通道土建工程量較大，橫向疏散距離較長，橫向疏散緩沖空間大；大斷面隧道土建結構形式相對簡單，橫向疏散距離短，但防火、隔煙性能相對較差；疏散緩沖空間小，易造成縱向疏散擁堵。

(4)投資方面：小斷面隧道較大斷面隧道稍大。

總體來說在該形地貌條件下，小斷面雙洞單線隧道更適合過江隧道方案。

4.3 盾構工法與礦山法工法的比選

目前國內過江隧道中，根據地質條件不同，盾構工法及礦山法均有成功案例，針對本次探討的深切割丘陵地貌巖石地層過江段現在從下述幾個方面進行比選。兩種工法的比選是基于軌道交通8節編組城市快線列車而進行。

(1)過江段埋深是考慮的一個重點因素，如果過江段埋深淺了，線路爬升高度小，坡度可以變小或者車站埋深可以變小，盾構過江，過長江段最小埋深13.5m，過嘉陵江段最小埋深11.5m，鉆爆法過江，過長江段最小埋深30.5m，過嘉陵江段最小埋深29m。由此可見盾構法過江隧道的覆土埋深是有較大優勢。

(2)對臨近車站影響實際上是與上述第(1)條是相關的，如果過江段埋深小了車站埋深相應的可以抬高，在這一點是盾構法隧道占優勢。

(3)輔助坑道設置方面：礦山法隧道要設置的輔助坑道數量要多。

(4)施工風險評價，盾構工法整體風險較小，過江段有一座聯絡通道，存在一定風險，需帶壓換刀；礦山法整體風險較大，過江段有一座聯絡通道，存在一定風險，風險可控，貫通段位于江底，存在一定風險，風險可控。

從上述論述看，盾構法較礦山法過江隧道均是可行的，主要在覆土及安全風險上有較大優勢。另外在實際實施過程中還應結合實際情況考慮工期、設備采用及投資的影響。

4.4 盾構法過江隧道選型

根據盾構選型的方法，本工程水壓為控制性因素，過江段水壓大于0.3MPa，應選用具有泥水加壓平衡模式的盾構機，采用泥水加壓平衡模式，施工安全，泥漿可對刀具潤滑和降溫，刀具壽命相對較長，但施工進度相對較慢，泥漿分離所需施工場地大、泥漿處理施工費用相對較高。根據本工程陸域段施工段落較長，選擇增加單護盾敞開掘進模式。

針對本工程，根據隧道斷面、工程地質條件、水文地質條件，考慮工程安全性第一的原則，并綜合考慮環境保護、 經濟性、工期，設備制造難度以及重慶地區盾構施工經驗等因素，本工程盾構機推薦采用雙模式復合盾構(具備泥水加壓平衡模式+單護盾敞開掘進模式)。

5 結論及建議

在深切割丘陵地貌城市軌道交通工程城區過江段采用隧道形式過江，方案可行。考慮環評、景觀、通航影響、國防等因素，可以考慮在過主城區軌道交通建設中采用隧道形式過江。結合線路、地質及地表建構筑物、工程施工風險、工期以及造價等因素分析，采用隧道形式過江，工程風險及施工工期可控，過江段推薦采用盾構法施工，該工法關鍵技術成熟，國內外可參考案例多，工程風險及施工工期可控。實施過程中可考慮如下建議：

(1)深切割丘陵地貌城市地區，采用隧道過江方案重點在于控制隧道最小埋深，優化線路走向保證線路爬升坡度，優化車站布置位置(主要是出入口位置)以提升軌道交通服務功能。

(2)具體項目中可以研究考慮加大車輛爬坡能力，通過車輛性能提升來減小兩岸車站的埋深。

(3)通過對過江段區間隧道建設條件的分析及線站位方案研究，可進一步探索采用隧道過江方案實現城軌快線線自身互聯互通、與鄰近軌道交通接駁換乘以及自身城軌快線兩端車站埋深適中等功能需求。

(4)過江段區間隧道推薦采用盾構法方案。其中，隧道斷面主要采用雙洞單線形式，過江段隧道最小覆巖厚度采用單倍洞徑；盾構隧道推薦采用復合式盾構機(具備敞開式+泥水加壓平衡式復合模式)。

(5)兩江段水文地質條件相對復雜，鉆探等工作實施起來較陸域段存在一定難度，但對過江段技術方案至關重要，建議根據項目實際情況適時開展兩江過江段地質勘察工作。

(6)過江隧道隧道最小覆巖厚度的確定與兩江河道百年沖刷深度密切相關。建議具體項目需開展針對本工程的推演分析以提供基礎數據支撐。