武汉地铁8号线越江隧道总体设计及关键技术

2021-02-25吕延豪

铁道标准设计 2021年2期

吕延豪

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

随着我国隧道修建水平的不断提高，出现越来越多的越江隧道工程[1-2]，如广深港狮子洋隧道[3]、武汉长江隧道[4]、南京长江隧道[5]、南京纬三路过江通道[6]等。而以上大直径盾构多为铁路隧道、市政隧道，在地铁工程中，越江隧道以单洞单线小直径盾构隧道[7-8]为主。武汉地铁8号线越江隧道由于工程建设环境限制和工程需要，采用单洞双线设计。作为国内大直径单洞双线地铁盾构隧道，首次采用双层衬砌结构，其具有隧道断面大、距离长、水压高、地层复杂和周边敏感风险源多等特点，国内相关设计经验较少，总体设计难度大。因此，以武汉地铁8号线越江隧道为工程实例，针对其工程特点，对隧道平面、纵断面、横断面设计等总体方案和双层衬砌结构、结构防水设计、高水压下复合地层长距离掘进、刀盘结泥饼、下穿敏感建(构)筑物、强透水地层浅覆土盾构接收等关键技术进行总结和分析。

1 工程概况

1.1 工程特点

武汉市轨道交通8号线黄浦路站—徐家棚站越江隧道作为全线重要控制性工程，采用盾构法施工，隧道全长3 186 m，越江段长约1 750 m，隧址江面宽1 500 m，位于长江二桥上游450 m。区间隧道从汉口解放大道附近布置的黄浦路站出发，下穿轨道交通1号线，沿卢沟桥路经省级文物建筑新四军旧址后，下穿长江大堤穿越长江，至武昌岸后依次下穿长江大堤、武九铁路、徐家棚棚户区后，进入和平大道附近布置的徐家棚站(图1)。

图1 武汉地铁8号线越江隧道线路平面示意

作为武汉地铁8号线控制性工程的越江隧道具有以下特点。

(1)大直径地铁隧道：盾构管片外径12.1 m、内径11.1 m，为国内大直径单洞双线地铁盾构隧道。

(2)地质复杂：区间穿越强透水粉细砂地层、粉质黏土层、风化胶结岩层，同时穿越上软下硬地层不均匀的复合地层距离达1.4 km。

(3)高水压、大冲刷：本工程下穿长江段水压高，最大水压为0.62 MPa，隧址河床最大冲淤变幅超过16 m，冲刷大，300年一遇最不利冲刷线下隧道最小覆土深度为4.4 m。

(4)双层叠合衬砌结构：首次在地铁盾构隧道中采用预制管片与现浇二衬叠合的双层衬砌结构。

(5)风险源多而敏感：隧道下穿敏感建(构)筑物众多，下穿武昌徐家棚棚户区700多座房屋、武九铁路、长江大堤、新四军旧址(省级保护文物)等建(构)筑物。

1.2 地形地貌

本工程位于江汉平原东部，属平原边缘隆起带。隧道穿越地段分属长江河床、长江一级阶地两个地貌单元。区段内长江河道顺直，河床宽约1 500 m，江底地形总体平顺，高程在-6.0～3.9 m，主河槽偏右(南)岸。长江Ⅰ级阶地前缘地形平坦、开阔，总体向长江倾斜，地面高程25.1～26.6 m，其中，左岸岸坡较平缓，平均坡度8°～10°，右岸岸坡稍陡，坡度22°～25°。

1.3 工程地质和水文地质

工程场区第四纪地层主要为第四系全新统～上更新统冲积层，基岩为白垩系～第三系的东湖群砾岩、粉砂质泥岩。隧道穿越地层主要为粉质黏土、粉细砂、圆砾土、强风化砾岩、弱(中)胶结砾岩等(图2)，穿越范围含有1.4 km上软下硬复合地层，上部为高透水性的粉细砂，局部夹粉质黏土及中粗砂透镜体，承载力特征值为215 kPa；下部由强风化砾岩、弱胶结砾岩、中等胶结砾岩组成。其中，圆砾土层及砾岩含有粒径较大的硬质岩卵石(最大粒径达40 cm左右)，最高抗压强度超过80 MPa，承载力标准值为1 600 kPa。

隧道沿线地表水主要为长江水，长江武汉河段的水、砂主要来源于上游干流和汉江支流，其水沙变化受水文年的随机影响，没有明显的变化趋势。据武汉关所测，历年最高水位29.73 m，历年最低水位10.08 m，多年平均水位18.97 m。

图2 地质纵断面示意

2 主要技术标准

(1)设计速度：80 km/h

(2)正线数目：双线

(3)最小曲线半径：700 m

(4)最大坡度：≯30‰

(5)最小坡度：≮3‰

(6)车辆选型：初期6 A编组，远期8 A编组

(7)设计使用年限：100年

(8)防水等级：二级

(9)耐火等级：一级

3 越江隧道总体设计

3.1 隧道平面设计

隧道线路出黄浦路站后直行沿芦沟桥路至汉口江滩，以右线R=800 m、左线R=805.3 m半径右偏在二桥上游约450 m处下穿长江，隧道穿越处江面宽1 500 m；线路进入武昌后沿团结路在接近和平大道时，以右线R=705.3 m、左线R=700 m半径左偏斜穿和平大道至733地块内的徐家棚站。左、右线线间距为5.3 m，平面最小曲线半径R=700 m。

3.2 隧道纵断面设计

隧道线路出黄浦路站后，以坡度-24‰、坡长1 000 m下坡，然后以-11.001‰、坡长689.968 m的纵坡下坡至江中线路最低点，后以+4.098‰，坡长为450 m的缓坡上坡，然后以+27‰，坡长为940 m上坡至徐家棚站。隧道纵断面在综合冲刷最大包络线下，最小覆土约为4.4 m。

3.3 隧道横断面设计

3.3.1 单洞双线与单洞单线方案比选

本线隧道长3 186 m，隧道总体设计时需满足行车通风、排烟要求[9]。根据行车通风排烟要求，若采用如武汉地铁2号线、4号线双洞双线常规小盾构过江隧道方案，选用纵向排烟方案，经计算需在不超过1 800 m长区间内设置中间风井以保证同一通风区段只有1列车。根据《武汉市市区河道堤防管理条例》规定，长江大堤外100 m范围内，地下不得施工任何永久构筑物。由于隧址两岸江堤间距离为1 750 m，两风井间距离至少为1 950 m，超出1 800 m的最大距离要求(图3)。若在江堤以内施工风井，开挖深度超过40 m，施工风险巨大，且严重影响长江防洪防灾。综合考虑，推荐不需设置风井的单洞双线方案。

图3 越江隧道区间纵断面示意

单洞双线方案充分利用大直径圆形隧道断面上部拱顶空间作为风道通风排烟，下部拱底空间排水，避免了常规双洞双线方案需在江中高水压砂层施工联络通道[10]和江堤附近超深基坑施工区间风井的巨大风险，直接取消2座超深风井及5处江底联络通道，降低工程造价约6 000万元，同时单洞双线方案充分利用武汉市区稀缺的过江通道资源，减小了用地和施工影响范围，最大限度地降低了对周边环境的影响。

3.3.2 越江隧道横断面设计

根据行车、通风排烟及长江大堤保护等要求，确定了8号线越江隧道采用单洞双线方案。考虑行车、通风、疏散等功能需要，圆形横断面由车道板、烟道板分为上中下三部分：上部分为排烟道，中间部分主要用于行车，下部为服务层，设置区间废水泵房(图4)。

图4 隧道横断面布置示意

行车道层左右线间设置中隔墙，并设置连接左右的疏散专用防火门，同时在墙两侧各设置1条800 mm宽疏散通道，以满足疏散救援要求。上部排烟道过风面积按≮13 m2考虑。轨道下部空间因结构分成三部分，中间部分主要考虑作为排水沟槽和江中泵房，并保证必要的检修空间。盾构隧道内径11.1 m，外径12.1 m，采用管片衬砌与局部内衬的双层衬砌结构方案，即500 mm厚管片衬砌和300 mm厚现浇钢筋混凝土二衬。

4 越江隧道关键技术

4.1 越江隧道双层叠合衬砌结构设计

4.1.1 双层衬砌结构设计的必要性

越江隧道涉及长江防洪安全，同时根据相关部门要求，大直径地铁越江隧道需要考虑内部防爆、防撞要求，因此，8号线越江隧道需要更高的安全性、可靠性和耐久性。根据8号线越江隧道多年实测隧址断面包络线、数值计算和物理模型试验隧址最大冲深断面研究成果，隧址河床最大冲淤变幅超过16 m，断面深槽一直位于右岸，隧道覆土的变化范围为7.56～32.47 m，需解决运营期河床不断冲淤变化引起的隧道结构纵向不均匀沉降问题。通过研究发现，双层衬砌结构在耐火[11]、防爆、防撞[12]、抗沉降[13]、防侵蚀、抗震[14]等方面相对单层管片衬砌安全性更高，同时内衬结构的增加有利于越江隧道在河床冲淤变化条件下结构长期稳定性，确保工程100年设计年限内的结构安全性和可靠性。

另外，文献[15]通过对不同衬砌结构形式受力变形特性研究，表明“管片+底部非封闭内衬”这一双层衬砌能最大程度减少结构受力，且对比全断面内衬，底部非封闭内衬还具备施工难度小、工期较短、造价较低等优势。基于以上考虑，隧道管片内侧增加现浇钢筋混凝土内衬作为安全储备，采用管片衬砌与底部非封闭内衬的双层衬砌方案。

4.1.2 管片结构设计

考虑纵向是否设置剪力销，越江隧道管片设计分为环面设置剪力销的衬砌环[RS]和环面无剪力销的衬砌环[R]两种类型。两种衬砌环的基本设计参数相同：管片外径12.1 m，内径11.1 m，厚500 mm；环宽2 m，采用“5+2+1”分块模式的通用楔形环，楔形量为52 mm，混凝土强度等级为C50，抗渗等级P12，预制而成。衬砌环[R]之间通过纵向均布的22个M36斜螺栓连接；同时环内块与块间采用2个M36斜螺栓连接，与衬砌环[R]相比，衬砌环[RS]纵向增加了22个剪力销连接。

通过设置剪力销，可起到快速定位，加快管片拼装，尽快成环的效果；且剪力销在受力方面可传递管片环间的剪力，平衡管片环间错动，具有抗纵向不均匀沉降、抗变形的作用[16]。因此，[RS]环主要用于盾构进出洞段、穿越长江大堤段、河床冲淤变化大等地段，其余地段采用[R]环。

4.1.3 内部结构设计

越江隧道内部结构主要包括下部预制口形构件、现浇二次衬砌、现浇烟道板、中隔墙、疏散平台以及联络通道、泵房等结构。二衬、烟道板及中隔墙厚度均为300 mm，车道板厚度为200 mm；二次衬砌、口形预制构件、中隔墙、江中泵房、烟道板、车道板等内部结构混凝土强度等级为C40；口形构件两侧现浇混凝土强度等级为C30。

圆形隧道内部结构设计采用同步施工工艺，主要施工步骤如下：①在盾构机推进的同时，安装预制口形构件；②相隔掘进面一定距离后，现浇口形构件两侧混凝土结构；③施工侧墙二衬及烟道板；④施工顶部二衬；⑤施工中隔墙、疏散平台等结构。

4.1.4 叠合结构设计

隧道车道板以上部分设置300 mm厚内衬，内衬与管片衬砌之间不设防水板，通过设置钢筋接驳器及适当的锚筋形成叠合结构。外层管片衬砌承受施工期外部水土荷载，运营期外部水土压力变化荷载由双层衬砌共同承受。双层叠合衬砌结构可提高衬砌整体刚度，增强抗变形能力[17]，同时在防火、防爆、防水、防撞、防侵蚀、防震等方面效果优于单层管片衬砌，安全性高。

4.2 结构防水设计

根据越江区间地层条件，穿越处以砂质地层为主，渗透性强，与长江水力联系密切，且水压高，最大水压力约为0.62 MPa。因此，为保证8号线越江隧道高水压下的防水效果，结构防水采用“以防为主，多道设防，因地制宜，综合治理”的设计原则，采用管片外侧环形防水层、管片自防水、接缝防水、内衬防水等多道防水措施综合治理。

首先，在管片壁后通过同步注浆及二次注浆填充背后间隙，形成一道环形外围防水层。为减少注浆材料硬化收缩，同步注浆、二次注浆的注浆材料皆宜掺加一定量的微膨胀剂，且注浆材料具有较好的抗水分散性和可注性，保证良好的注浆效果。其次，管片采用抗渗等级P12的C50高性能混凝土，接缝外侧设置海绵橡胶条、三元乙丙弹性橡胶密封垫、聚醚聚氨酯遇水膨胀橡胶密封垫及内侧嵌缝共4道防水措施(图5)，以上防水材料均有一定的耐久性和防水要求[18-20]，接缝防水最强的一道防线三元乙丙弹性密封垫要求其在设计使用年限内能够抵抗1.0 MPa的水压，保证在高水压下长期不渗漏。在管片衬砌无渗漏、变形稳定后现浇施工内衬，进一步增加防水性能。内衬防排水采取以下措施。①采用抗渗等级P12的C40钢筋混凝土结构，内表面涂抹1.5 mm厚水泥基渗透结晶型防水涂料。②纵向施工缝处设置镀锌止水钢板和遇水膨胀橡胶止水条(图6)。③变形缝处全环设置中埋式钢边橡胶止水带、外贴式橡胶止水带。背水侧3 cm内空隙采用聚硫密封胶填塞密实，其余空隙采用填缝料、沥青木丝板填塞。变形缝宽20 mm，内衬变形缝与管片环缝相对应(图7)。④隧道内衬施工完成后，进行拱部衬砌背后回填注浆。

图5 管片接缝防水

图6 纵向施工缝防水

图7 内衬变形缝防水

采用以上多道防水措施后，隧道运营期间成功通过了汛期高水位的考验，衬砌未见任何渗漏，防水质量可靠。

4.3 高水压下复合地层长距离掘进技术措施

盾构穿越上软下硬复合地层距离长达1.4 km，岩层最高强度超过80 MPa，其中，包含430 m中等胶结砾岩，盾构机姿态控制难度大，掘进速度缓慢，刀具磨损严重。为解决高水压下复合地层长距离掘进的技术难题，提出以下解决措施。

(1)盾构选型

隧道主要穿越高透水性的粉砂层、风化胶结岩石及上软下硬复合地层，地质条件复杂，对盾构机选型及掘进速度影响较大。选择可承受高水压、地层沉降控制精度高的气垫式复合泥水平衡盾构，可快速可靠地建立盾构泥水平衡，盾构机直径12.51 m，并针对高水压设计盾体及主驱、盾尾等密封系统。

(2)研发改进型刀盘、刀具，增强对地层的适应性

针对上软下硬复合地层特点，研发改进型刀具，采用贝壳形先行刀和刮刀搭配的刀具体系，合理布置双刃滚刀、先行刀、刮刀间距及数量(图8)。刀盘采用6臂辐条面板式，开口率约28.5%，设置12个高压冲刷口，保证了盾构机在复合地层的掘进效果。

图8 改进型刀盘、刀具

(3)采用常压换刀技术，确保掘进效率

针对长距离掘进软土和硬岩复合地层存在换刀和可能遇到地下障碍物，盾构机采用先进的常压条件下滚刀齿刀互换技术，并配备伸缩式主驱动等设备，有效延长了刀具使用寿命，保证了施工中高效率、低风险及时更换磨损刀具。

(4)精细化施工控制，确保盾构稳步推进

从切口泥水压力、推进速度等掘进参数、泥浆配置、壁后同步注浆、盾构掘进轴线控制等进行多方位控制。针对复合地层，在掘进参数控制上采取低贯入度、低速度的掘进参数进行掘进；通过精细化施工控制，确保盾构姿态安全，稳步推进。

4.4 解决刀盘结泥饼技术

盾构穿越粉质黏土、粉砂质泥岩、胶结砾岩地层时，因其含有大量黏土颗粒，盾构掘进时发现掘进速度降低，扭矩持续增大，频繁造成刀盘结泥饼状况(图9)。为此采取以下技术措施：①出仓清理泥饼、更换固定刀具、割除不影响刀盘结构安全的辅助肋板，提高刀盘开口的进土效率；②增加面板上的刀桶冲洗及内循环改造；③采用刀桶进行高压旋喷面板泥饼清理；④加注双氧水浸泡、瓦解刀盘表面泥饼；⑤通过进行改进型刮刀更换全盘刮刀，改进刀具形式及加高刀具。

图9 刀盘结泥饼

通过以上技术措施，盾构掘进速度恢复正常，扭矩恢复到正常水平，成功地解决了刀盘结泥饼的难题。

4.5 下穿沿线敏感密集建(构)筑物技术措施

隧道下穿敏感建(构)筑物众多，下穿武昌徐家棚棚户区700多幢房屋、武九铁路、新四军旧址(省级保护文物)等建(构)筑物，环境保护控制要求高，施工风险大。

针对以上风险点，盾构通过时加强地表监测、动态管理，严格控制切口压力、刀盘转速、掘进速度等参数，重点把控同步注浆量及浆液质量，及时进行二次注浆，通过设置试验段，选取最优的掘进参数和泥浆配置及壁后注浆参数，应用于穿越敏感建(构)筑物中。另外，增加二次注浆孔的数量，对穿越段进行多次注浆，确保穿越后的地面房屋稳定。穿越过程中，盾构壳体外同步采用新型注浆材料注浆，有效控制盾构通过时上方土体和结构的下沉量。通过以上一系列措施的实施，各建(构)筑物基本实现了“零”沉降，确保了建筑物安全。

4.6 强透水地层浅覆土大盾构接收技术

越江隧道在黄浦路站东端接收，邻近运营地铁1号线黄浦路站，侧穿1号线高架桥桩基；隧道主要位于粉细砂层，覆土仅10 m，且距离1号线、8号线换乘通道结构仅2 m，接收端头地面还存在污水、给水、燃气、高压电力等重要管线，盾构接收难度大。

考虑以上因素，采取加强黄浦路站端头加固设计，对加固区进行素混凝土墙封闭及三轴搅拌桩和高压旋喷桩的地基加固。由于周边环境敏感，无法进行大范围降水，盾构采用水中到达接收方案，盾构接收基座采用砂浆基座，在盾构机到达接收加固区前进行洞门破除，并在封闭接收井内灌入水、砂充填物(图10)，盾构机保持洞门内外水土压力平衡及有效反力下安全到达接收。