甬舟鐵路金塘海底隧道總體設計與關鍵技術研究

唐雄俊，肖明清，焦齊柱，毛 升

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心，武漢 430063)

引言

21世紀以來，我國水下隧道進入快速發展階段，其建設逐漸由江、河、湖底向海底發展。一大批已建成水下隧道成功實施的經驗表明，我國水下隧道修建技術已達到了新的高度。隨著隧道施工裝備的不斷革新，新工藝、新技術不斷推廣和應用，水下盾構隧道逐漸向大斷面、大埋深、高水壓、長距離方向發展[1-4]。

甬舟鐵路金塘海底隧道具有大直徑(外徑14.0 m)、高水壓(最大水壓0.843 MPa)、長距離、地中對接、復合地層及海床演變復雜等特點，國內類似工程可借鑒的經驗少，涉及到的關鍵技術及難點問題多，工程建設技術難度大。以金塘海底隧道為工程實例，對隧道平、縱、橫斷面總體設計、盾構設備選型、管片接縫防水、防災疏散救援及地中對接等關鍵設計方案進行闡述，以期為其他類似水下隧道工程設計提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道位置與規模

甬舟鐵路西起寧波東站，經寧波市北侖區、舟山市金塘島、冊子島、富翅島，終于舟山本島白泉站，線路全長76.774 km，采用設計速度250 km/h高速鐵路建設標準。

金塘海底隧道位于寧波北侖西站與舟山金塘站之間，如圖1所示，采用單洞雙線盾構法隧道下穿水深流急、水文和地質條件極為復雜的金塘水道，兩岸采用礦山法施工。隧道全長16.18 km，其中，盾構隧道長11.21 km，礦山法隧道長4.93 km，明挖工作井長0.04 km。

圖1 金塘海底隧道平面位置示意

1.2 工程建設條件

(1)地形地貌

隧道陸域沿線跨越丘陵與海積平原地貌單元，穿越區高程最高約234 m，最低5 m，相對高差229 m，自然坡度10°～40°，山體連綿起伏，山間沖溝較發育，溝谷切割較淺，為山間洪水和地下水的排泄通道，海積平原區地勢平坦開闊。

隧道海域穿越的地形地貌主要有潮流沖刷槽、水道邊坡、水下淺灘，沖淤變換的潮流脊槽及沙波群，總體北淺南深，北側淺海區水深30～40 m，南側深海區水深50～80 m，如圖2所示。

圖2 工程區域海域水下地形

(2)海床演變與極限沖刷

受海洋潮流作用，金塘水道1928年～2002年工程海域總體上呈東側沖刷、西側淤積、甬江口有沖有淤的態勢；2002年～2017年，工程海域呈離岸大面積沖刷、邊灘淤積的態勢，隧址附近沖淤并存。

隧址處金塘主水道段平均沖刷約2 m，年均沖刷約0.13 m，受長江來沙減少和圍墾固沙導致的長期、緩慢影響，金塘主水道段的沖刷趨勢將持續存在。

綜合隧道整體物模試驗沖刷預測、數模極限沖刷預測、水槽物模試驗及縱向地質分布，隧道極限沖刷最深點高程北侖側-55.7 m(海床面以下20.58 m)，金塘側-44.6 m(海床面以下19.54 m)。隧道縱向最大沖刷預測35 m，最大淤積15 m。

(3)工程地質條件

隧道上覆土層主要為第四系人工填筑土，海積淤泥質粉質黏土、粉砂、粉土、粉質黏土，沖積層、沖湖積、沖海積粉砂、細砂、中砂、圓礫土、含黏性土碎石層。下伏基巖主要為侏羅系凝灰巖、凝灰熔巖、英安巖、安山巖，巖石飽和抗壓強度最大值191 MPa，最小值為31.4 MPa，平均值52 MPa，巖石強度差異大[5]。

(4)水文地質條件

地下水類型為孔隙潛水、基巖裂隙水、構造裂隙水。環境作用等級[6]：海域及近海盾構隧道段具有硫酸鹽侵蝕性和鎂鹽侵蝕性，化學環境作用等級為H2，鹽類結晶破壞環境等級為Y3，氯鹽環境作用等級為L3，其他段為T2。

2 工程總體設計

2.1 隧道平面設計

隧道平面設計需要考慮以下2個主要因素。

(1)隧道海中穿越區域水深及兩側登陸條件。

(2)與規劃甬舟高速公路復線的相對位置關系。

2.1.1 越海隧道線位方案

根據隧道海中線位穿越情況，主要研究北側淺水隧道方案、經大黃蟒島隧道方案以及南側深水隧道方案，如圖3所示。

圖3 隧道越海段線位方案

方案1：北側淺水隧道方案穿越的海域潮汐流速較小，水文條件相對簡單，水深較淺，最大水壓0.843 MPa，兩側登陸點為規劃冠保碼頭與木岙作業區，通過調整規劃，對碼頭影響較小。

方案2：經大黃蟒島隧道方案穿越的海域潮汐流速大，水文條件相對復雜，水深大，最大水壓1.25 MPa，兩側登陸位置下穿既有海越化工、新僑化工、中國石油天然氣股份有限公司東北銷售寧波分公司北側儲罐及碼頭，對碼頭及危化企業影響較大。

方案3：南側深水隧道方案同樣存在穿越的海域潮汐流速大、水文條件相對復雜、水深大等特點，最大水壓1.05 MPa，北侖側登陸位置穿越鎮海煉化算山碼頭，對碼頭影響大。

經對比分析，方案一隧道埋深淺、水壓小、水文條件相對簡單，且登陸點附近對規劃碼頭基本無影響，推薦采用。

2.1.2 公鐵隧道線位方案

由于北侖側跨海通道資源有限，規劃甬舟高速公路復線跨金塘水道線位北侖側與鐵路隧道同通道敷設。根據兩者相對位置關系，主要考慮鐵路北側公路隧道方案(圖4(a))及鐵路南側公路隧道方案(圖4(b))。

因鐵路北側公路隧道方案需采用大直徑雙洞隧道穿越北侖側企業地塊，對相關企業及規劃碼頭影響大，且該方案公鐵隧道需在海中進行交叉跨越，施工風險大；而鐵路南側公路隧道方案可在北侖陸域側實現公鐵隧道交叉跨越。經綜合分析比較，推薦采用鐵路南側公路隧道方案。兩者平面線位方案如圖4所示。

圖4 北侖側公鐵隧道線位方案

2.1.3 隧道平面布置

線路出北侖西站上跨泰山西路，下穿四顧山、規劃預留的甬舟高速公路復線隧道后，沿青峙河西側地塊內與預留的甬舟高速公路復線平行敷設；下穿亞洲紙管紙箱、恒逸物流、冠保地塊后于規劃的冠保碼頭附近進入金塘水道；隨后沿淺水區敷設，依次下穿七里錨地、金塘錨地后至規劃木岙作業區南側，折向北進入金塘站。隧道洞身共3段平曲線，最小曲線半徑3500 m，如圖5所示。

圖5 隧道平面布置示意

為便于盾構施工運輸、運營期防災疏散救援與維護，兩岸靠近工作井礦山法主線隧道段各設置斜井1座，其中，北侖斜井長0.64 km，金塘斜井長0.264 km。

2.2 隧道縱斷面設計

隧道縱斷面設計考慮的主要因素如下。

(1)下穿既有建筑物的結構凈距。礦山法隧道北侖側下穿既有林家大山隧道凈距按不小于4 m控制，下穿在建黃山西路公路隧道按不小于10 m控制；盾構隧道北侖側下穿既有石油管道參照國能油氣〔2015〕392號《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術及管理規定》要求，凈距按不小于10 m控制。

(2)海床最低沖刷深度預測高程。隧道運營期在預測沖刷控制線下考慮船舶錨擊深度和上覆液化地層最小覆土厚度，滿足抗浮安全系數不小于1.1要求。

(3)海域船舶拋錨入土深度。10萬噸級集裝箱船落錨深度3.15 m。

(4)與規劃甬舟高速公路復線隧道交叉部位凈距。考慮到先建鐵路隧道，后建公路隧道的時序，兩者結構垂直凈距按不小于14 m控制。

綜合上述因素，隧道兩端采用20‰縱坡，北侖陸域側在滿足下穿建筑物最小凈距要求下，采用14.36‰和7.9‰坡入海，海中段采用3.3‰與6.5‰緩坡，如圖6所示。

圖6 金塘海底隧道縱斷面(單位：m)

海中盾構段主要穿越土巖復合地層，隧址處最大水深39 m，最大埋深47 m，最小埋深17.7 m，最大水壓0.843 MPa。海中極限沖刷控制線以下最小覆土厚度為北侖側5.3 m，金塘側5.2 m。

2.3 隧道橫斷面設計

盾構隧道采用單洞雙線不設隔墻橫斷面，兩側各設置寬1.25 m、高2.2 m的縱向貫通救援通道，通道邊距同側線路中線均為2.3 m，救援通道走行面高出軌面30 cm。為滿足逃生、救援與消防要求，沿隧道縱向每隔150 m設置1處寬0.8 m樓梯道，連接車行區和軌下逃生通道。樓梯道盡頭設置防護隔離門，以分隔車道層與逃生通道層。為補強一次管片襯砌結構，加強襯砌結構的防水、防火、防撞及耐腐性能，隧道設置300 mm厚二次襯砌。

隧道結構內徑12.8 m，管片結構厚0.6 m，隧道結構外徑14.0 m，軌面以上內凈空有效面積83.79 m2。盾構橫斷面如圖7所示。

圖7 盾構隧道橫斷面(單位：mm)

礦山法隧道襯砌內輪廓采用通用參考圖，軌面以上內凈空有效面積92 m2，如圖8所示。

圖8 礦山隧道橫斷面(單位：mm)

3 工程關鍵技術

3.1 盾構設備選型

本工程穿越強透水粉土粉砂層，采用土壓平衡盾構螺旋輸送機難以形成有效的土塞效應，從而有可能在螺旋輸送機排土閘門處發生水、土砂噴涌現象，引起土倉中土壓力下降，導致開挖面坍塌，施工風險大。目前，國內外隧道工程中采用承受較高水壓的盾構隧道有：土耳其歐亞隧道(常壓換刀工作壓力1.3 MPa)，美國米德湖取水隧道(盾構設計工作壓力達到1.7 MPa)及佛莞城際鐵路獅子洋隧道，均為泥水平衡盾構隧道[7-8]。因此，推薦采用復合式泥水平衡盾構施工。

考慮到北侖側盾構機長距離穿越復合地層，換刀次數頻繁，金塘側雖長距離穿越土層，但在陸域與對接位置穿越軟硬不均與巖層，如采用普通復合刀盤則存在較高的帶壓進倉換刀風險。因此，推薦兩側采用全斷面滾齒刀可互換、可常壓換刀的復合刀盤[9-10]。

為應對高水壓長距離掘進盾尾失效風險，盾構機除加強盾尾刷設計外，同時要求盾尾設置冷凍管路，并兼備聚氨酯注入功能，確保應急密封和尾刷更換的安全[11]。

3.2 盾構隧道接縫防水設計

本隧道盾構段最大水壓高達0.843 MPa，水壓力較高，管片接縫防水設計至關重要[12-13]。

國內已建大直徑盾構隧道普遍采用雙道密封墊防水方案，其主要布置方式有內外分開布置型(代表性工程有武漢長江隧道和南京長江隧道，見圖9)和雙道并排外主內輔型(代表性工程有武漢三陽路長江公鐵隧道與南京和燕路長江隧道，見圖10)。上述兩種布置型式由于內道遇水膨脹橡膠密封墊的防水能力較弱，管片接縫總防水能力與外側單道密封墊基本相同[14]；而對于內道采用彈性密封墊的內外分開布置型(圖9(b))一旦外側密封墊失效后，地下水將在兩道密封墊之間串流，進而沿螺栓手孔等薄弱位置流出。

圖9 管片接縫防水內外分開布置型密封墊

圖10 雙道并排外主內輔型密封墊

為此，本隧道管片接縫采用外側雙道并排布置型密封墊防水，即在管片外側采用集中式雙道多孔EPDM彈性密封墊+中部遇水膨脹止水條防水，如圖11所示。

圖11 金塘海底隧道接縫防水設計(單位：mm)

3.3 防災疏散救援設計

本隧道總長16.18 km，屬特長隧道，按照列車在隧道內發生火災盡量控制列車駛出隧道的原則進行疏散[15]。對于非火災工況下的停車疏散，列車停車時，人員下車后至行車道的救援通道，沿救援通道繞過事故列車后跨過軌道進入隧道中間的疏散樓梯口，通過疏散樓梯下至疏散廊道內。

因隧道海中段長約8.3 km，未設置緊急出口條件，隧道運營面臨防災救援難度大、維修進出耗時長等問題。為此，利用盾構隧道軌下廊道空間設置適用于機動車輛行駛的縱向貫通疏散通道，并通過設置斜井及疏散通道將盾構底部疏散通道與地面連通(圖12)。在為隧道運維人員提供便利的同時，極大地提高了隧道防災疏散救援效率。

圖12 北侖側主線隧道與斜井及疏散通道連接示意

3.4 地中對接設計

3.4.1 對接位置選擇

盾構地中對接位置的選取主要考慮以下原則。

(1)應盡量選擇隧道平面直線段、縱向坡度小的位置，以降低地中對接施工風險。

(2)需兼顧兩側盾構掘進工期的平衡。

(3)選擇地質條件好與透水性低的區段。

根據上述原則，結合海中盾構隧道的地質情況，將海中隧頂基巖覆蓋層厚度最大的DK23+110作為首選對接點(圖6)。該斷面弱風化巖層覆蓋厚約24.8 m，基巖覆蓋厚度不小于1倍洞徑的縱向長度約210 m，且距北侖工作井4 940 m、金塘工作井6 270 m。

3.4.2 地中對接設計

地中對接包括土木式對接法和機械式對接法[16]。機械式對接法通過在盾構機前部采用特殊設計，2臺盾構可直接進行插入對接。在日本有部分案例，多為輸水、電力管道工程，盾構直徑相對較小，最大直徑為10.3 m，多數直徑在5 m以下，且盾構推進距離較短，普遍在3.5 km以下。土木式對接法通過對接地點將地層進行加固處理，達到止水和防止地層失穩的效果后，完成盾構拆卸并施作隧道襯砌。

本隧道掘進距離長，水壓高，穿越土巖復合地層，盾構刀盤本身較為復雜，為減少盾構設備制造難度，不宜采用機械式對接法。且由于對接地點處于巖層，地層穩定性較好，參考廣深港高鐵獅子洋隧道成功經驗[17-19]，推薦采用注漿法加固的土木式對接方式。

4 結語

甬舟鐵路為舟山群島與大陸的第二條陸域通道，它的建成將結束舟山目前未通鐵路的歷史，并構建義甬舟鐵路大通道，實現浙江省1小時交通圈目標，同時也是加快舟山及寧波融入“一帶一路”國家經濟發展戰略的需要。金塘海底隧道作為其重要控制性工程，涉及到的關鍵技術及難點問題多，工程建設技術難度大。通過對金塘海底隧道工程總體設計及關鍵技術進行研究，得到如下結論。

(1)對于復合地層高水壓長距離掘進可采用全斷面滾齒刀可互換、可常壓換刀復合刀盤的泥水平衡盾構，盾尾應具備應急密封和尾刷更換條件。

(2)大直徑高水壓盾構隧道宜采用外側雙道并排布置型密封墊防水型式。

(3)設置適用于機動車輛行駛的縱向貫通疏散通道，可提高單洞雙線特長盾構隧道的防災疏散救援與運維效率。

(4)大直徑長距離盾構地中對接宜選用地層穩定性較好的土木式對接法。