大直径水下盾构隧道合理埋置深度分析

宋元平 骆俊晖 黄华康

摘要：文章论述了软弱地层及复合地层大直径水下盾构隧道合理埋置深度的拟定方法，分析了河床冲刷深槽、船舶下锚及隧道抗浮稳定等因素对水下盾构隧道合理埋置深度及纵断面线形的影响，并以武汉三阳路长江隧道为实例，阐述了水下盾构隧道合理埋置深度拟定的方法。

关键词：水下盾构隧道;隧道合理埋置深度;公铁合建隧道;复合地层;冲刷深槽

This article discusses the method for judging the reasonable buried depth of largediameter underwater shield tunnels in weak stratum and composite stratum，analyzes the influence of factors such as riverbed scouring deep trough，ship anchor and tunnel antifloating stability on the reasonable buried depth and profile line shape of underwater shield tunnel，then，with Yangtze River Tunnel of Sanyang Road in Wuhan as the example，it describes the method for judging the reasonable buried depth of underwater shield tunnel

Underwater shield tunnel;Reasonable buried depth of tunnel;Highwayrailway combined tunnel;Composite stratum;Scouring deep trough

0 引言

大直徑水下盾构隧道处于水下围岩或软土地层中，因此在隧道施工过程中要承受较大的水、土压力作用，而河（海）底岩土稳定性一般较差，且处于水域环境中，这进一步限制了各种预处理措施的实施。合理选取隧道埋置深度将是工程顺利实施的关键。

一般水域环境复杂，对盾构设计方案及施工作业的制约因素多。河流的水位、流速一般有季节性变化，河（海）床面高程一般会随水文条件（冲刷）、上下游新建工程、采砂情况等而变化。通航水域经常存在河道疏浚、船舶抛锚等问题，水域两岸一般分布有码头，大江大河的防洪要求非常高，这些因素对盾构隧道埋深均会产生很大影响和制约。盾构隧道穿越水下段后两端斜坡段类型有时也较为复杂，水下段两端一般为人工岛、海堤或河堤、城市道路、地下车站、地面建筑等，也需选取与之相适应的埋深下穿或顺接。此外，水下盾构隧道埋深还应满足抗浮整体稳定性的要求。

鉴于大直径水下盾构隧道埋置深度会极大影响工程造价及施工、运营安全，隧道总体设计过程中需要对隧道埋置深度进行详尽研究。

1 大直径水下盾构隧道合理埋置深度分析

水下盾构段合理埋置深度问题影响因素多，较为复杂，是隧道建设成功与否的关键性技术问题，需要进行综合分析确定。

1.1 软弱地层水下段隧道最小覆土厚度

对于施工安全最小覆土厚度应综合考虑开挖面稳定性、施工阶段抗浮稳定两个因素来确定，对运营期还应考虑运营期间抗浮稳定的影响。

1.1.1 从施工开挖面稳定性分析最小覆土厚度

计算软弱地层水下段隧道的最小埋深时应对相应水域进行冲刷深度分析，同时考虑船舶下锚深度的影响。隧道最小覆土厚度必须同时满足施工期和运营期的安全要求，按其较大者取值。

1.2 复合地层水下段隧道最小覆土厚度

1.2.1 复合地层隧道纵断面设计方案

复合地层指隧道穿越区域的岩土强度差异显著，且盾构掘进参数会发生显著变化的地层。常见的复合地层一般上部为软弱地层（如淤泥、软黏土、粉细砂等），下部为基岩。复合地层隧道埋置深度需要进行浅埋与深埋方案的比选。浅埋方案即是将隧道完全置于上部软弱地层的方案，如能实现，宜优先采用。如浅埋方案中隧道需要长距离穿越上软下硬地层，则应进行深埋方案比选。此时线路入地后，将以较大坡度下穿，尽快穿越上部软弱地层即土岩分界段，然后在基岩中掘进通过。

1.2.2 合理基岩覆盖厚度

当采用深埋方案时，合理的覆岩厚度应综合考虑施工安全、结构受力、防水设计等因素，不宜过大，也不宜过小。

从施工安全角度分析，需要考虑换刀作业安全和掘进过程中开挖面稳定两个方面的问题。盾构在基岩中长距离掘进对刀具磨损大，不可避免地需要进行刀具更换，如盾构装备没有采用常压换刀技术，则需要人员进入开挖面作业。此时即使采用压缩空气，由于岩石节理裂隙较大而经常漏气进而失去对开挖面的稳定作用，但气压对减少开挖面的渗水量是有利的。因此，换刀作业所需的覆岩厚度应根据刀盘与开挖面的接触关系、水压大小、基岩物理力学性能、上覆土层厚度等情况并根据力学原理计算确定。

1.3 国内外大直径水下隧道埋置深度统计

根据国内外水下盾构隧道埋深调查情况（如下页图3所示），盾构法水下隧道的平均埋置深度并未随着隧道外径的加大而显著增加，而是基本保持在20～30 m之间。水下隧道的最小覆盖层厚度（除去水底松散沉积物厚度）与隧道外径的大小密切相关，尤其是对外径超过10 m的盾构隧道而言，更是如此，一般控制在0.5～1.0 D之间。

2 武汉三阳路长江隧道江中盾构段埋置深度及纵断面线形

武汉市三阳路长江隧道拟规划为城市道路和地铁7号线合建，是世界上首座公铁两用盾构隧道。隧道在汉口岸沿城市主干道三阳路敷设，武昌岸沿城市主干道秦园路敷设，如图4所示。

道路隧道全长4 650 m，其中江中盾构段长2 590 m，汉口岸及武昌岸两端为明挖暗埋段及敞口段，并分别与两岸城市道路及地铁7号线接驳。江中盾构段为双层盾构隧道，上层为双向六车道城市道路，设计时速为60 km/h;下层为地铁7号线，设计行车速度为100 km/h。越江盾构隧道外径15.2 m，内径13.9 m，如图5所示。穿越的地层主要为淤泥质黏土、粉细砂和基岩，其中江中段切入基岩的长度为1 200 m，切入最大深度为9 m。[KH-*3D]

江中段隧道的埋置深度主要结合了河段水文、河势条件和地质条件进行综合研究。

2.1 江底河床冲刷深度的研究和试验

长江武汉河段的河床具有洪水冲刷、枯水淤积的特点，且历史上深槽位置出现过多次变动。自20世纪70年代陆续采取多次护岸措施以后，河势才基本趋于稳定。为保证隧道的施工和运营安全，对百年一遇、三百年一遇洪水条件下隧道的最大冲刷深度进行了研究和试验。研究和试验方法包括河床演变分析、河工模型试验和冲刷数值模拟研究。根据研究结果，河工模型试验和数值模拟研究得出的冲刷最大位置、最大冲刷深度均不同。为安全起见，采用兩者的下包络线作为冲刷深度控制线（见图6）。[KH-*3D]

2.2 最小覆土厚度按施工安全和运营安全双控方法确定

针对长江武汉河段河床冲淤变化幅度大的特点，采用施工安全和运营安全双控制的方法确定最小覆土厚度。其中，施工期最小安全覆土厚度按现状河床≥0.7 D（D为隧道外径）控制;运营期最小覆土厚度按照抗浮整体稳定安全系数计算确定，即必须在发生最大冲刷后确保抗浮稳定安全系数≥1.05。经综合计算，埋深0.7 D可满足要求，即最小埋深10.65 m，位于冲刷深槽的下方。该方法保证了施工和运营安全，也最大限度减小了隧道埋置深度，减小了切入基岩的长度，同时降低了造价和施工难度。

3 结语

大直径水下盾构隧道埋置深度应按照包络取值的原则进行，对于施工期所需的最小覆土厚度，可以不考虑冲刷深度的影响（因为冲刷对应的是一些极端水沙条件），但一般≥1.0 D，深槽等局部地段应≥0.7 D;对于运营期所需的最小覆土厚度，应考虑河床冲刷、规划航道水深的影响，且覆土厚度宜大于船舶锚击深度1～2 m;隧道埋深应满足施工与运营期抗浮整体稳定性要求。

参考文献：

[1]王树理.地下建筑结构设计（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]肖明清.南京纬三路长江隧道总体设计的关键技术研究[J].现代隧道技术，2009，46（5）：1-5，12.

[3]陆 明，雷震宇，张 勇.上海长江隧道衬砌接缝和连接通道的防水试验研究[J].地下工程与隧道，2008（4）：12-16，67.