苏通GIL综合管廊长江隧道工程设计

喻新强，肖明清，袁 骏，刘 浩，张晓阳，谢 俊，陆东生，段松涛

(1.国家电网有限公司，北京 100031；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；3.湖北省水下隧道技术工程实验室，湖北 武汉 430063；4.国网江苏电力有限公司，江苏 南京 210024；5.电力规划设计总院，北京 100120)

0 引言

淮南－南京－上海1 000 kV交流特高压输变电工程是国务院大气污染防治行动计划重点建设的12条输电通道之一，是华东特高压主网架的重要组成部分，与已建成的皖电东送淮南－浙北－上海工程一起，形成贯穿皖、苏、浙、沪负荷中心的华东特高压环网，见图1。苏通气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulted metalenclosed transmission lines，GIL)综合管廊工程是穿越长江、连接南北半环、形成特高压交流环网合环运行的控制性单体工程。工程建成后，将在华东地区形成世界首个特高压交流双环网，大幅提高华东电网接纳区外来电能力，对于促进华东地区经济社会可持续发展、进一步提升我国电网和电工装备领域的技术水平和核心竞争力具有重要意义。

苏通GIL综合管廊工程在苏通大桥上游1 km处采用隧道方式穿越长江，见图2，隧道长度为5 468.545 m，管廊外径11.6 m，内径10.5 m，最大水压0.8 MPa，是目前国内埋深最深、水压最高的超长过江隧道，具有大直径、长距离掘进、高水压、地质及河势条件复杂等特点[1-3]。

1 工程建设条件

1.1 工程地质

工程位于长江下游三角洲平原近前缘地带，具河口段沉积物特点。松散层巨厚，隧道深度范围内地层具体划分如下：

第四系全新统冲洪积地层(Q4al+pl)：共分4个地质层组(①～④层)，为冲洪积及静水沉积，①1粉细砂、①2粉砂混粉土、①2-1粉质黏土夹粉土、①3粉砂、②粉质黏土、③1淤泥质粉质黏土、③2粉砂、③3淤泥质粉质黏土、③4粉质黏土与粉土互层、③5淤泥质粉质黏土、③6粉质黏土、④1粉质黏土混粉土、④2粉土。

第四系上更新统冲洪积地层(Q3al+pl)：共分为4个地质层组(⑤～⑧层)，主要为砂土，呈细－粗－细－粗的沉积韵律，由上到下依次为⑤1粉细砂、⑤2细砂、⑥1中粗砂、⑥1-1粉砂、⑦粉细砂、⑧1中粗砂、⑧1-1粉质黏土、⑧2粉细砂、⑧4中粗砂。

1.2 水文地质

工程区地表水主要为长江水体徐六泾段。徐六泾节点段处于通州沙汊道水流的汇流段，也是长江进口段到河口段的一个节点性过渡段。

地下水主要为松散岩类孔隙水，可分为孔隙潜水和孔隙承压水。

孔隙潜水，主要赋存于浅部地层中的粉砂、粉砂混粉土地层中，主要含水段岩性为全新统①1粉砂或①2粉砂夹粉土。

孔隙承压水，该承压水含水层为粉细砂及中粗砂，普遍分布，富水性好，渗透强。其补给模式有潜水渗入或跨流补给，开采条件下长江水激化补给，上游长江切割深度达到该含水层，以侧向径流的形式补给地下水。

1.3 地震与区域稳定性

拟建场地不存在发生强震的地质构造环境和条件，场地及周边未发现全新活动断裂。根据GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》，场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组位于第一组。场地土类型为软弱土，综合建筑场地类别为Ⅳ类。

1.4 水文条件

该河段的潮水位变化为非正规半日潮混合型，历史最高潮位4.83 m，最低潮位－1.24 m，多年平均潮位0.83 m，100 a一遇最高潮位4.89 m，300 a一遇最高潮位5.21 m。

2 总体设计

2.1 工程建设规模

苏通GIL综合管廊工程采用单管盾构隧道方案，包括两岸工作井在内隧道总长度为5 530.545 m，其中盾构段为5 468.545 m。工程采用一台气垫式泥水平衡盾构机，由南岸工作井始发，穿越长江至北岸工作井接收吊出。

2.2 技术标准

主要技术标准的拟定主要参考了类似交通隧道的相关标准结合设计经验，同时考虑工程作为电力隧道的特殊性及机械设备的装备能力综合确定。

1)几何技术标准

① 平面最小曲线半径3 000 m，最小竖曲线半径2 000 m。

② 线路纵坡不大于5%，不小于0.5%，坡长不小于200 m。

2)结构技术标准

① 设计使用年限：隧道主体结构100 a。

②设计洪水标准：按100 a一遇设计，按300 a一遇校核。

③ 抗震设防标准：地震基本烈度为7度，按8度采取抗震措施。

④ 环境作用等级：管片I-C。

⑤ 防火设计标准：当采用阻燃电缆时，电缆隧道的火灾危险性类别为戊类，最低耐火等级为二级。

⑥ 防水设计标准：防水等级二级。

⑦ 变形控制标准：圆形衬砌结构计算直径变形不大于0.3%D (D为隧道外径)。

⑧ 裂缝控制标准：隧道结构最大允许裂缝开展宽度0.2 mm，内部结构最大允许裂缝开展宽度0.3 mm。

⑨ 江中段隧道覆土按施工阶段不小于1.0D，且考虑抗浮稳定安全系数≥1.1；使用阶段应满足应急抛锚贯穿深度及抗浮要求，运营期设计工况(100 a一遇冲刷)隧道抗浮稳定安全系数≥1.2，运营期校核工况(300 a一遇冲刷)隧道抗浮稳定安全系数≥1.1。

2.3 线路平面设计

线路自南岸(常熟)始发工作井向北走行，见图3，在苏通大桥展览馆东侧(水平净距38.94 m)避让展览馆，随后下穿南岸长江大堤进入长江河道，下穿常熟港专用航道后在江中下穿既有－40 m深槽区向北走行(距－50 m深槽约320 m)，依次下穿长江主航道及营船港专用航道，再下穿北岸大堤抵达北岸(南通)工作井，盾构段总长度5 468.545 m。

2.4 线路纵断面设计

如图4所示，线路出南端始发工作井以5.0%的大坡度下行420 m，后接2.3457%的坡度继续下坡852.618 m，后继续以5.0%、0.5%的坡度下行，坡长分别为360 m、300 m至隧道最低点(最低点位置隧道结构顶面标高－63.23 m；底面标高－74.83 m)，随之以0.5%、3.1%的坡度连续上坡300 m、580 m后接0.5%的上坡，坡长2 215.03 m，最后以5%的上坡，坡长440.897 m到达北岸接收井。

2.5 隧道横断面设计

管廊横断面采用圆形布置，分上下两个部分，见图5，考虑到GIL运输安装和检修维护，两回GIL管道分别垂直布置在管廊上层两侧，同时在管廊下层两侧预留两回500 kV电缆廊道，下层中间箱涵设置人员巡视通道。根据特高压GIL设备外形尺寸，考虑安装维修，结合远景500 kV电缆布置、管廊结构和通风等辅助设施等要求，确定隧道内径为10.5 m、外径为11.6 m，见图6。

3 隧道结构设计

3.1 管片结构设计

结合管片所处的地质及水文条件，考虑结构安全性，通过计算确定管片采用C60单层钢筋混凝土平板形管片，内径10.5 m，外径11.6 m，管片厚度0.55 m，幅宽2.0 m。管片分块采用“7+1，1/3封顶”分块方式，通用楔形环，楔形量36 mm。管片结构采用错缝拼装方式，环缝设置22根M40斜螺栓，纵缝设置24根M36斜螺栓。为增强环间的抗剪能力，减少环间变形，在衬砌环缝设置22个分布式凹凸榫。

3.2 内部结构设计

管片内部结构采用“中间预制箱涵+两侧现浇车道板”形式。中间箱涵高度4.15 m，顶宽4.0 m，纵向长度1.33 m，箱涵纵向采用螺栓连接。为增强结构整体刚度同时提高防水效果，在管片下半部富余空间设置200 mm厚非封闭内衬，见图7。

3.3 工作井设计

南岸工作井为盾构始发井，平面外包尺寸为32 m×22.8 m，深20.85 m，地下三层结构。围护结构采用1.0 m厚地下连续墙，共设置4道混凝土支撑。北岸工作井为盾构接收井，平面外包尺寸为30 m×23.5 m，深29.25 m，地下四层结构。围护结构采用1.2 m厚地下连续墙，共设置5道混凝土支撑，为控制地表变形，同时确保施工期安全，工作井均采用逆作法施工[3-8]。

3.4 附属工程

南岸配套辅助建筑位于南岸工作井上方，以工作井围护地连墙作为基础，平面尺寸为34 m×24.8 m，地上4层，建筑面积2 380 m2，建筑高度23.35 m。

北岸配套辅助建筑位于北岸工作井上方，以工作井围护地连墙作为基础，平面尺寸为32.4 m×25.9 m，地上3层，建筑面积2 296 m2，建筑高度19.0 m。

3.5 防水设计

考虑到防水体系需即时抵抗2.0 MPa水压，设计使用年限内能够抵抗0.80 MPa的水压(设计时穿长江隧道最高)要求，管片接缝采用双道多孔型三元乙丙弹性密封垫加一道遇水膨胀密封垫防水形式，见图8。防水体系设计满足在接缝张开8 mm、错位15 mm条件下极端工况下的防水要求，同时满足盾构机装配性能要求[3-8]。

4 工程特殊地段设计

4.1 有害气体处理

在长江深槽以南隧道段(DK0+000～DK1+780)下部地层存在生物成因浅地层天然气(沼气)，主要成分甲烷(CH4) (占比85%～88%)，储气层为下部第四系粉质黏土混粉土、砂层，盖层为淤泥质黏土层，钻探测得关井气体压力0.25～0.30 MPa，静探孔有害气体压力0.1～0.2 MPa。

1)施工期处理措施

① 建议采取提前排气措施

在隧道结构边线两侧3～5 m处各设置一排排气孔，排气孔纵向间距约10 m，孔深为隧道拱底以下5 m。排气过程中注意均衡放气，且采取防火、防喷措施。排气完成后，排气孔应做好密封处理，密封材料强度注意与土层匹配，防止施工时泥水喷发引发事故[9-10]。

② 控制好施工时泥水压力，泥水压力最低值应高于周边沼气气体压力。

③ 加强盾尾间隙的漏气检测，保证足够的盾尾放气能力，防止沼气从盾尾喷出引发事故。

④ 保证管片结构气密性要求。

⑤ 提高管片拼装质量。

⑥ 对盾构机进行必要的防爆改装处理。

⑦ 加强对盾尾密封的保护及检查。

⑧ 加强施工期间的监测(自动监测加人工平行监测)。

⑨ 加强施工期间施工通风，原则上不可进行开舱作业，如必须进行常压换刀或刀盘检查等进舱作业时，应采取措施控制沼气危害。

⑩ 严格施工区管理，加强人员培训并制定应急预案及成立应急小组。

2)运营阶段有害气体防范

① 为便于运营期间有害气体监测，在隧道内每隔约200 m在管片侧壁上设置自动监测探头，自动监测装置应具有超限报警、通风机自动控制等功能，系统可采用洞口或远程计算机集中控制。当隧道内有害气体的浓度达到0.4%时，必须启动风机进行通风，保证隧道内有害气体浓度不大于0.5%[11]。

②有害气体分布地段，加强底部二次衬砌与管片的连接及纵向钢筋，防止运营期因外部原因引起的沼气排放对结构安全的影响。

4.2 始发到达加固方案

1)始发加固方案

盾构始发采用Φ850@600三轴搅拌桩加固，在搅拌桩与连续墙接缝位置采用旋喷桩进行填充，同时在靠洞口侧墙外侧设置2.0 m冻结体，加固范围为盾构隧道上下及左右两侧各5 m，总体加固区纵向长度18 m[10-12]，见图9。

2)接收加固方案

盾构接收端头采用800 mm素混凝土连续墙外包，素墙内部采用Φ850@600三轴搅拌桩加固，在搅拌桩与连续墙接缝位置采用旋喷桩进行填充，加固范围为盾构隧道上下及左右两侧各5 m，纵向长度18 m[10-12]，见图10。

5 结语

苏通GIL综合管廊工程是世界上首次将特高压输电工程和隧道管廊结合的重大创新工程，本文对工程总体设计线位的平纵断面设计、横断面布置、隧道结构及特殊地段设计等关键技术问题进行了分析研究。随着我国经济社会的持续进步，类似苏通GIL综合管廊工程为解决电网线路越江过河需求的水下隧道必然增多，本项目的设计思路、创新理念、建设经验等可为类似工程提供参考。