金塘海底鐵路隧道縱斷面方案選型分析

收稿日期：2024-02-26

作者簡介：李俊杰（1991—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：鐵道工程。

摘要 金塘海底隧道是舟山融入國家快速鐵路網絡的重要紐帶，對于加快舟山地區社會經濟快速發展，支撐舟山經濟發展具有重要意義。金塘海底隧道線路平縱斷面外部控制因素多，文章對影響隧道縱斷面選型的各因素進行詳細分析，針對各外部影響因素與隧道之間的關系，優化海底隧道縱斷面方案選型設計，研究方案和指標控制可為類似工程方案設計提供參考。

關鍵詞 海底隧道；外部環境條件；縱斷面；方案選型

中圖分類號 U212.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0078-04

0 引言

交通路網互聯、互通建設是制約我國沿海地區經濟發展的重要因素，為縮短交通物流運輸路徑、減小海上惡劣天氣的影響，海底隧道已成為跨海交通的重要選擇方式[1-2]。海底隧道所處地質條件復雜，外部環境條件制約因素多，其具有施工難度大、風險高、工程投資大等特點，故合理的平縱斷面規劃、選型設計，是影響整個隧道工程建設規模、經濟、安全的關鍵因素[3-4]。該文以金塘海底鐵路隧道為例，詳細分析了鐵路隧道所處地質及外部環境條件，研究了不同隧道縱斷方案，提出了最優方案設計。

1 工程概況

新建鐵路金塘海底隧道總長16 180 m，為單洞雙線隧道，隧道采用盾構法下穿金塘水道，盾構段長11 210 m，盾構隧道外徑14 m，內徑12.8 m，管片厚0.6 m。盾構兩端兩岸陸域部分采用礦山法施工。

金塘海底隧道外部環境制約因素多，地質條件復雜，受隧道自身最大、最小坡度限制，隧道縱斷面方案選型困難。金塘海底隧道縱斷面控制因素分布詳見圖1。

2 隧道縱斷面控制因素分析

2.1 隧道縱坡及覆土厚度

根據規范要求，隧道最大坡度不宜大于20‰，困難條件下經技術經濟比選后不應大于25‰；隧道內最小坡度值不應小于3‰。

盾構隧道覆土厚度采用雙控制，施工期覆土厚度距離現狀海床面不小于0.7倍隧道外徑，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后滿足抗浮安全系數不小于1.1的要求。

2.2 地形、地質條件

隧道沿線穿越低山丘陵區、海積平原、金塘海域等地貌單元，山嶺段地形起伏較大，穿越區最高標高約234 m，最低標高15 m，相對高差219 m。

金塘水道海域海底地形總體上為東低西高，金塘水道窄而深，狹窄處寬度約為3 km，平均高程?50 m，底部剖面呈中部低、兩端高的馬鞍形態，中部最低高程為?110 m。

2.3 外部環境制約條件

（1）林家大山灰管隧道為北侖電廠出灰所用隧道，該隧道與林家大山隧道平面交角約74 °，兩者最小凈距按不小于4 m進行控制。

（2）海底隧道與在建黃山西路平面交角約46 °，兩者結構最小凈距按不小于10 m進行控制。

（3）規劃杭甬高速公路復線為雙向六車道高速公路，海底隧道與高速公路交叉，平面交角90 °，兩者結構最小凈距按不小于10 m進行控制。

（4）寧波側S320駱霞公路下方分布有數十條成品油管道，管道最大埋深約9.2 m。參照《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術及管理規定》第十四條規定，隧道頂部與埋地管道底部的垂直高度按不小于10 m進行控制。

2.4 船舶拋錨入土深度

根據隧道選址地區通航船只發展趨勢，大黃蟒島—金塘島間水道通航為8萬噸油船和10萬噸級集裝箱船舶，蛟門水道1 000 t級及以下船舶。

根據金塘隧道錨擊風險及響應分析研究專題報告，船舶落錨深度為5萬噸級船舶2.29 m，8萬噸級船舶2.69 m，10萬噸級集裝箱船3.15 m；落錨沖擊力為5萬噸級船舶0.65 MN，8萬噸級船舶0.83 MN，10萬噸級集裝箱船0.92 MN。隧道縱斷覆土埋深需滿足錨擊入土的安全深度及隧道結構承載力的要求。

3 隧道穿越暠峰渣土消納場縱斷方案研究

為縮減山嶺隧道長度，減小整個金塘海底隧道工程規模，在滿足海域段隧道埋深要求的前提下，結合寧波陸域地形地貌及其他控制因素的分布，研究了金塘海底隧道暠峰渣土消納場深埋方案和暠峰渣土消納場露頭方案，具體縱斷布置詳見圖2。

3.1 暠峰渣土消納場深埋方案

該方案線路出北侖西站后以6.6‰的上坡上跨泰山西路，之后進入隧道以長1 750 m的20‰下坡下穿林家大山隧道和在建黃山西路隧道，以長2 200 m的14.36‰下坡繼續下壓穿越鎮海煉化石油管道及預留甬舟高速公路復線。該方案金塘海底隧道總長16.06 km，線路在暠峰渣土消納場處埋深大于39.6 m。

如表1所示，深埋方案與控制因素位置關系可知，金塘海底隧道暠峰渣土消納場深埋方案與各項控制因素結構凈距均大于控制值，滿足結構安全要求。

3.2 暠峰渣土消納場露頭方案

線路出北侖西站后以11.1‰的上坡前行2 550 m至小港暠峰建筑消納場并露頭，同時，上跨林家大山隧道和在建黃山西路隧道，之后采用29.9‰的下坡前行3 150 m，依次下穿杭甬復線、鎮海煉化石油管道以及甬舟高速公路復線。該方案金塘海底隧道總長14.663 km，渣土消納場棄渣堆積厚度約18 m。

渣土消納場需人工棄渣后施工該線路基及橋涵工程，清運土方量共計250 000 m3。該方案鐵路周邊地勢高，隧道洞口地勢低，周邊大量匯水需經隧道排出，存在水淹安全隱患。

如表2所示，露頭方案與控制因素位置關系可知，金塘海底隧道暠峰渣土消納場露頭方案線路下穿鎮海煉化石油管道結構凈距為10 m，可滿足《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術及管理規定》要求；下穿甬舟高速公路復線隧道結構凈距僅3.697 m，不滿足最小1倍洞徑的交叉要求。若選擇公路下穿鐵路，控制凈距按照1倍洞徑設計，因交叉處緊鄰戚家山樞紐，公路線路需要采用?4.472%坡度，不滿足《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）[5]中橋梁、隧道縱坡不大于4%的要求；由于變坡點已經伸入戚家山樞紐范圍內，導致樞紐內橋梁縱坡為4.472%，不滿足《公路路線設計規范》中關于樞紐內橋梁縱坡不大于2%的規定。綜上分析，金塘海底隧道暠峰渣土消納場露頭方案無法預留甬舟高速公路復線通道。

表2 露頭方案與控制因素位置關系表

控制因素 控制值/m 設計值/m

控制標高 控制凈距 設計軌面高 設計凈距

林家大山隧道 30.678 3 36.823 9.145

黃山西路隧道 32.98 4 38.733 9.753

杭甬高速公路復線 11.21 10 11.225 10.0

鎮海煉化石油管道 ?33.2 20 ?23.771 10.571

甬舟高速公路復線 ?45.68 14 ?35.377 3.697

寧波側最低沖刷點 ?69.9 5 ?70.159 5.259

金塘側最低沖刷點 ?58.8 5 ?59.058 5.258

3.3 方案比選

暠峰渣土消納場深埋方案最大坡度20‰，鐵路隧道預留甬舟高速公路復線盾構隧道建設條件，與各項控制因素結構凈距均大于控制值，滿足結構安全要求。暠峰渣土消納場露頭方案無法預留甬舟高速公路復線通道，需清運人工棄土約250 000 m3，運營期存在水害隱患。綜合分析，選擇金塘海底隧道深埋穿越暠峰渣土消納場方案。

4 隧道與規劃甬舟高速復線位置關系研究

規劃甬舟高速公路復線項目與該線存在交叉關系，海底隧道縱斷面設計需預留遠期甬舟高速公路復線以盾構隧道方式穿越鐵路的條件。根據公路隧道與鐵路隧道上下位置關系的不同，研究了公路隧道上跨、下穿鐵路隧道的兩種方案，穿越示意圖詳見圖3。

（a）方案一 公路隧道上跨鐵路隧道方案

（b）方案二 公路隧道下穿鐵路隧道方案

圖3 公路隧道穿越鐵路隧道方案示意圖

4.1 隧道縱斷方案

（1）方案一：公路隧道上跨鐵路隧道。公路隧道在交叉處采用盾構法上跨鐵路隧道，交叉處兩者結構垂直凈距約14.3 m。鐵路隧道縱斷面受公路隧道交叉部位控制，軌面標高約?45.68 m。

（2）方案二：公路隧道下穿鐵路隧道。公路隧道在交叉處采用盾構法下穿鐵路隧道，交叉處兩者結構垂直凈距約14 m。鐵路隧道縱斷面受石油管線標高控制，軌面標高約?23.2 m。

4.2 方案比選

方案一公路隧道位于鐵路隧道上方，后期施工對鐵路隧道影響相對較小，不影響戚家山互通樞紐的設置。同時，鐵路隧道埋深大，對沿線建構筑物影響相對較小。

（下轉第84頁）

（上接第80頁）

方案二公路隧道位于鐵路隧道下方，后期施工對鐵路隧道影響相對較大，因公路隧道無法在戚家山互通接地，甬舟高速復線不能與杭甬復線二期進行互通設計；鐵路隧道埋深較小，對沿線建構筑物影響相對較大；公路隧道采用盾構隧道下方穿越石油管線后在通途路上設U形槽，對沿線道路及建構筑物影響較大。

如表3所示，由兩種穿越方案規模表可見，方案一相比方案二鐵路隧道斜井規模、寧波側工作井規模、盾構段穿越的軟硬不均段規模均較大，但在公路隧道規模、公路復線與杭甬復線二期戚家山互通的設置以及公鐵隧道對沿線建構筑物的影響方面均具有明顯優勢。因此，選擇方案一公路隧道上跨鐵路隧道方案設計。

表3 兩種穿越方案規模表 /m

項目 方案一 方案二

鐵路隧道 斜井長度 586 420

寧波工作井基坑深度 57.7 36.5

主線隧道長度 16 180 16 180

盾構穿越地層 全斷面巖層 1 414 1 130

全斷面土層 833 1 240

軟硬不均地層 703 580

公路隧道長度 11 920 13 330

5 結語

金塘海底隧道所處地質條件、外部環境條件復雜，從海底隧道坡度、最小覆土厚度、船舶錨擊入土安全深度、外部結構安全距離等多因素研究分析隧道縱斷面設計。通過對海底隧道穿越暠峰渣土消納場、規劃甬舟高速復線方案的詳細分析，綜合選擇工程風險小、施工難度小、工程投資低、規劃設計合理的縱斷面方案。該文研究方案和指標控制可為類似工程設計提供參考。

參考文獻

[1]張頂立， 李兵， 房倩， 等. 基于風險系數的海底隧道縱斷面確定方法[J]. 巖石力學與工程學報， 2009（1）： 9-19.

[2]涂鵬， 王星華. 基于GA理論的海底隧道縱斷面優化設計[J]. 工業建筑， 2011（S1）： 418-421+387.

[3]龔尚國. 南京緯三路長江隧道工程縱斷面設計技術研究[J]. 交通科技， 2010（1）： 46-48.

[4]丁萬濤， 李術才， 朱維申. 某海底隧道巖石覆蓋厚度及選線方案優化研究[J]. 地下空間與工程學報， 2007（3）： 463-469.

[5]公路路線設計規范： JTG D20—2017[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2017.