重慶主城區快軌過江隧道埋深設計標準的研究

代坤

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

0 引言

過江隧道縱斷面關鍵剖面的最小巖石覆蓋層厚度控制著整條過江線路的最低點標高， 直接影響江底隧道的安全與造價，同時對線路的坡度、兩側車站的埋深及后期運營的使用功能影響很大。重慶過江隧道的線路標高主要受行車允許坡度及隧道洞頂覆巖層厚度影響， 覆巖厚度過小會增加隧道涌水及隧道失穩的概率，從而增加相關措施費用。 增大隧道覆巖厚度則需要增大隧道埋深，使兩側車站埋深加大，出入口長度被動增長，服務水平降低，運營費用增高。由此可知，過江隧道巖石覆蓋厚度的確定是同時兼顧安全性與經濟性的優選問題，是水下隧道設計的一個重要控制指標。

關于水下隧道的研究中，宋超業等[1]、張克強等[2]、陳心茹等[3]分別采用地質分析、工程類比和綜合比選的方法，對長大過海地鐵區間的設計關鍵技術，包括工法選擇、斷面設計、防排水設計、海域復雜地質應對、耐久性設計、防災通風及疏散等進行研究分析，總結了一定的設計經驗。陳飛[4]針對長沙營盤路隧道湘江隧道特殊的地層，采用超前預注漿加固技術確保了開挖的安全，并分析總結了強風化板巖、卵石地層注漿堵水技術。翁賢杰等[5]通過對隧道開挖過程中滲流場、應力場、隧道涌水量、塑性區分布等災害前兆突變信息的演化規律進行分析，總結了斷層帶突水突泥臨災預警的相關技術。本文結合重慶快軌一橫線過江隧道具體工程進行研究，對重慶過江隧道的最小覆巖厚度進行了分析研究，以期對后期工程設計提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

重慶快軌一橫線線路出站下穿菜園壩立交后向東延伸，于重慶長江大橋東側約680～830m 左右穿越長江（線路走向與重慶長江大橋基本平行），位于在建重慶軌道10 號線南紀門大橋東側約350m，總圖如圖1 所示。

圖1 總平面圖

1.2 工程地形、水文地質條件

隧址區長江地段場地地貌屬構造剝蝕淺丘地貌及堆積～侵蝕河谷地貌。 河谷寬約840～880m，地面高程152～169m。 河床寬緩，地形坡角約0°～5°。兩岸階地平緩，地形坡角0°～3°。擬建隧道過長江段兩處工程構造部位地處重慶弧形褶皺束之南溫泉背斜西翼，巖層走向北北西～南南東，巖層傾向105°～125°，傾角一般為5°～10°，層面結合差，貫通性好，為硬性結構面。 隧址區的主要地層為砂質泥巖，巖體較完整，巖體單軸飽和抗壓強度5.3～7.1MPa，為軟巖，結合當地相應經驗，根據江底穩定性水源及透水情況進行適當折減，巖體基本質量等級可考慮為V 級。

長江是重慶市主城區的過境河流，在該工程擬建區由北西向南東發育，河面寬300～850m，三峽水庫完全投入運營后，防洪限制水位145m（吳淞高程），枯水季低水位155m（吳淞高程）。

根據相關勘察鉆孔水位觀測、注水試驗和壓水試驗試驗成果可知：工程位于河谷地貌單元中，上部砂卵石層為強透水層，含豐富的孔隙水，滲透系數K=23.17m/d。沿線素填土層為中等透水層，滲透系數2.0m/d。 沿線粉質黏土層為微透水層， 滲透系數可取0.16m/d。 中風化～微風化砂巖為弱透水層， 砂巖的滲透系數0.095～0.114m/d。 中風化砂質泥巖為弱透水層， 滲透系數可取0.087m/d，微風化砂質泥巖為微透水層，其滲透系數可取0.050m/d。 雖然根據此次勘察水文試驗結果，巖體為弱透水巖體，但由于基巖裂隙發育程度不均勻，裂隙貫通性差異也很大，基巖的富水性和透水性規律難以把握。

1.3 河床演變

（1） 河道條件

工程河段上起菜園壩，下至朝天門，長約7km。 枯水河寬一般為300～600m，主汛期洪水河寬一般為500～1000m，其中工程部位枯水河寬約400m（Q=2000m3/s），汛期河寬約900m（Q=54500m3/s）。

（2） 河道演變

穿江段位于長江上游干流， 河段深泓線沿程變化呈鋸齒狀，起伏較大， 多年來河底高程最高點與最低點差值基本在17m 左右，年際間深泓縱剖面有一定沖淤變化，除部分時段個別斷面沖淤變化較大外， 一般在1.0m 以內， 斷面深泓刷深和淤厚現象并存，該部位近期深泓線變化不大。

綜上所述， 擬建工程部位受河床及河岸邊界的約束較強，河床沖淤變化不明顯，灘槽穩定。 根據Lacey 與謝鑒衡公式計算結果，得出當長江遭遇P=0.33%洪水時，河床最大沖刷深度為3.9m。

1.4 工程特點與重難點

（1） 本地可供借鑒的工程經驗較少，如何選擇安全合理的隧道工法及配套的機械施工設備是該工程研究的重點。

（2） 水文條件復雜，如何確定合理的隧道埋深是該工程研究的重點。

（3） 沿線邊界條件復雜，隧道工程方案的可實施性及其對環境的影響是該工程研究的重點。

（4） 采取隧道過江，線路展線困難，車站埋深可能較大。 在確保過江段隧道安全施工的前提下，如何通過線站位選擇，優化車站服務功能，是該工程研究的難點。

2 埋深影響因素

與公路、高鐵等過江隧道相比，重慶快軌過江隧道對其埋深的影響因素有以下幾個特性：

（1） 隧道斷面

公路過江隧道斷面由于規劃車道、通風及疏散的要求，斷面一般較大；高鐵過江隧道受運營速度較快、車輛密封、區間較長等因素控制，區間斷面一般比快軌斷面要大。

（2） 縱斷面坡度

最大縱斷面允許坡度不同。 高鐵允許坡度最小，公路與快軌相近，但公路過江段在滿足一定條件下，可適當突破規范要求。

（3） 區間兩端接點限制

公路隧道過江段兩側需要與地面順接，對線路最低點及展線會有較高的要求；高鐵由于區間較長，兩側車站一般距江邊較遠，擁有足夠的展線長度；快軌由于站間距較近，受限于車站埋深，對過江段隧道的埋深有較大影響。

結合以上幾個關注點，發現影響重慶快軌水下隧道最小覆土埋深的因素主要有以下兩方面：

（1） 外因：施工區地質條件、圍巖物理力學性質、巖體構造、裂隙發育情況、巖層隔水性能、水體深度、沖刷深度、抗浮要求、泊錨深度等。

（2） 內因：隧道施工方法（主要涉及鉆爆法與盾構法，沉管與圍堰由于周邊環境及水文條件等本次不作研究）、 隧道結構形式及跨度等。

3 重慶一橫線過江隧道最優覆巖（土）厚度分析研究

3.1 鉆爆法水下隧道最小覆巖（土）厚度分析研究

江底隧道地質調查較為困難，影響隧道巖石覆蓋厚度取值的不確定因素較多。 由于相關理論還不成熟，目前常用的設計方法主要有工程類比（挪威圖表法、日本經驗公式、國內頂水采煤經驗法、隔水巖柱經驗法）與數值模擬計算等方法[6-8]，由于每種方法都有其獨特的理論和前提條件，使用時具有一定的局限性，因此應根據隧道地質的實際情況，結合上述方法，通過綜合比選來確定合適的過江隧道最小覆巖（土）厚度。

（1） 挪威圖表法

挪威積累了大量修建海底隧道的經驗， 主要根據巖層性質與水深來初步判定隧道的覆巖厚度。 水深與巖石覆蓋厚度大致成正相關趨勢 （圖2）。 巖體性質的好壞對巖石覆蓋厚度的影響也較大。

圖2 最小巖石覆蓋厚度與海水深度經驗曲線

通過比選，可以得到挪威經驗建議的重慶過江隧道巖石覆蓋厚度：

①基巖巖性分析建議值

比較所選剖面的的基巖巖性與挪威已建海底隧道基巖巖性，根據水深與巖石覆蓋厚度經驗曲線，得到重慶過江隧道巖石覆蓋厚度值。

②縱波波速分析建議值

比較所選剖面巖性的縱波波速與挪威已建海底隧道的縱波波速，分析得到重慶過江隧道所選剖面的巖石覆蓋厚度。

③基巖埋深經驗曲線建議值

根據挪威海底隧道基巖埋深與最小巖石覆蓋厚度經驗曲線（圖3）， 得到重慶過江隧道所選剖面的最小巖石覆蓋厚度。

圖3 挪威1990年前與2001年前竣工海底隧道最小巖石厚度與基巖深度關系曲線

（2） 最小涌水量法

在確定的水位下， 結合實際的地質條件和隧道開挖斷面形狀， 一定區域涌水量最小時所對應的覆巖厚度即為經濟安全的最小覆巖厚度。

具體公式如下：

式中：k——透水系數 （m/s）；L——隧道計算長度（m）；h——巖石厚度（m）；H——水深（m）；r——隧道半徑（m）。

針對該工程準備修建的過江隧道， 式中隧道半徑r、 水深H和隧道計算長度L是給定的值。因此可以得出最小覆巖厚度的范圍值：

（3） 國內頂水采煤法

過江隧道最小埋深的確定與煤礦安全開采上限的確定相似。 最小覆巖層厚度應該大于裂隙帶的厚度和保護層厚度之和（圖4），具體公式如下：

式中：H——最小覆巖厚度；a——表面裂隙深度（巖層經驗值取10～15m）；s——保護層厚度；h——爆破擾動厚度 （導水裂隙帶厚度， 可取100R，R 為炮孔半徑）。

圖4 頂水采煤法剖面示意圖

保護層厚度經驗公式如下：

式中：h1——水頭高度（m）；h2——坑道寬度（m）；f——普氏強度。

（4）隔水巖柱法

根據國內水下隧道實測數據回歸分析， 總結了相關經驗公式：

式中：hr——隔水巖柱高（m）；hp——保護層厚度（m），一般大于10m；f——巖石硬度系數；B——隧道開挖寬度；H——隧道開挖高度；θ——巖石內摩擦角。

其中需要注意的是，不能將江底的強風化帶及裂隙沖積層視作隔水層。 在探明地質條件后，該計算值可作為一定的參考依據。

結合重慶快軌一橫線過江隧道的斷面形式、周邊實際水文地質情況等因素，根據以上工程經驗法，計算得出了不同水深情況下鉆爆法過江隧道最小覆巖（土）厚度比選結果，如表1 所示。

表1 鉆爆法過江隧道最小覆巖（土）厚度比選

綜合比較各種方法的特點及其適用性， 并考慮相應工程特有的水文地質情況，初步擬定采用日本最小涌水量法，得出的結果作為重慶一橫線鉆爆法隧道過江時的最小覆巖（土）厚度。

3.2 盾構法水下隧道最小覆巖（土）厚度的確定方法

目前國際上對水下盾構隧道合理覆蓋層厚度的選取上，并沒有統一的準則。 通常做法是在工程類比的基礎上，采用數值模擬的方式對其埋深的可行性進行論證。

從目前成功的工程實踐來看， 去除江底松散透水層厚度，隧道覆蓋層厚度多控制在1～2D 以上（D 為復合式TBM 直徑），最小的覆蓋層厚度可以在0.6D 左右，甚至更小[9-10]。該工程綜合考慮線位、坡度、江底地形、地質、水文條件等因素，最小覆巖（土）厚度初步擬采用1 倍盾構直徑。

3.3 抗浮工況對隧道最小覆巖（土）厚度影響

在考慮最大沖刷深度的前提下，過江隧道覆蓋層厚度應同時滿足施工階段和運營階段抗浮的安全要求，具體結果詳見表2。

表2 抗浮計算結果

具體公式如下：

式中：G——單位長度管片自重；G′——內部靜荷載；λ——浮力折減系數；P——隧道側壁與地層之間的有效摩阻力； Q——隧道上部的荷載：F——每延米隧道結構所受浮力；γF——抗浮安全系數；R——管片外徑；r——隧道內徑；d——隧道覆蓋層厚度；γc——襯砌重度；γ's——土體的浮重度；γg——水的重度。

3.4 其他因素對隧道最小覆巖（土）厚度影響

（1） 河床沖刷深度

為了確保在河床沖刷深度的最不利條件下，隧道的抗浮和結構穩定滿足要求，需對河道的沖淤演變進行分析。 根據當地水文資料，河床沖刷深度按長江沖刷深度3.9m 考慮。

（2） 規劃航道深度和錨擊入土安全深度

根據相關規劃資料可知， 隧道頂部錨擊安全深度為1.5～2.0m，錨擊深入土安全深度不是控制項。

3.5 初步工法與埋深的選定

在初步確定了不同工法、斷面過江隧道的覆巖（土）埋深后，結合兩端車站及線路的協調優化，通過對比分析，推薦采用雙洞單線盾構法進行重慶一橫線過江隧道施工， 埋深按沖刷深度下1D 考慮。

3.6 數值模型分析驗算

根據初步擬定的過江隧道結構形式及合理埋深，利用數值模擬分析的方法，同時考慮水下隧道滲流應力場與圍巖應力場耦合作用的情況， 通過對隧道施工過程中與運營期間多個斷面的應力、位移、塑性區等進行分析[11]，從而對前面初步選定的隧道最小巖石覆蓋厚度做進一步的校驗和調整。

由于開挖導致二次應力重分布，過江隧道改變了初始地應力場的分布及地下水滲流場的分布。 應力重分布導致巖體結構變化，引起巖體中地下水性態的改變，而水的滲透力主要以靜水壓力（表面力）和動水壓力（體積力）兩種形式表現，兩種力疊加作用的結果則使局部巖體引起劈裂擴展、剪切變形和位移，增加巖體的孔隙度和連通性，進一步改變巖體的滲透性能，最終影響巖體的穩定性。 該工程過江隧道穿越地層主要為中風化泥巖和中風化砂巖， 地下水賦存于砂巖層的裂隙之中， 滲透性以中等透水和弱透水為主， 結合周邊軌道橋的相關資料， 對過江盾構隧道進行整體建模分析， 模型如圖5 所示。

圖5 過江隧道與周邊橋樁模型圖

由模型分析結果可以看出：（1）在隧道開挖之前，地下水保持平衡狀態， 主要以靜水壓力的形式存在。開挖過程中，由于隧道洞周產生新的透水邊界，理論水壓力值為0，地下水開始向開挖邊界處流動， 隨著開挖工序全部完成及滲流時間的增加，地下水的狀態發生較大的變化，在隧道周圍較大范圍內形成新的水壓力區，洞周水壓力逐漸穩定。 經過與開挖引起的巖體應力重分布區比較，水壓力變化引起的應力重分布區比開挖導致的圍巖二次應力重分布區范圍大，由此可知，滲流效應引起的隧道承受水壓力的變化對水下隧道結構受力影響較大，設計時應注意該方面的影響。 （2）水壓力在隧道結構的受力荷載中占比較大，對隧道結構彎矩、壓力、剪力值影響十分明顯，由于隧道結構按壓彎構件考慮，因此隨著水壓力的增大，結構配筋不一定線型增大，其并不一定是控制值，但是要注意，水壓力的增大對結構抗剪強度的影響是十分明顯的，不容忽視。 （3）根據計算結果顯示，按前文分析選取的結合抗沖刷深度等各因素選取的盾構法隧道埋深，能夠滿足其結構受力要求，施工風險可控。

4 結論與建議

（1） 過江隧道設計的最小埋深要根據隧址區巖體的性質、隧道施工工法、隧道斷面形式、水體深度、沖刷深度、抗浮要求、泊錨深度等因素綜合分析研究，并最終通過考慮滲流應力等因素的數值模擬驗算方能確定。

（2） 過江隧道的縱剖面設計應在不突破隧道最小埋深的前提下，綜合考慮兩端車站的埋深及線路縱剖極限值等情況，對線路縱斷面進行擬合調整，并最終確定軌道過江隧道的覆巖（土）埋深。

目前，重慶主城沒有交通過江隧道的實施案例，水文、地質以及河床沖刷專題研究成果等基礎性研究資料不完善，工程實施安全風險較大，埋深選取問題還需在后期的工程實踐中不斷積累與總結經驗。