大断面地铁越江隧道施工难点分析及其应对措施

2021-03-21王伟

城市轨道交通研究 2021年3期

王伟

(浙江省轨道交通运营管理集团有限公司， 310020，杭州∥高级工程师)

近年来，我国已建成多条跨江越海的隧道工程。以上海长江隧道[1]、南京长江隧道[2]、南京地铁过江隧道[3]、武汉长江隧道[4]、杭州钱江通道[5]等为代表的大断面水下盾构隧道已建成通车，我国大断面水下盾构隧道修建技术已处于世界领先水平。本文以杭州地铁1号线大断面盾构隧道穿越钱塘江区间工程为背景，阐述该线下穿钱塘江及两岸大堤、下穿江底高压输油管、高水压情况下管片接缝防水等工程难点，并介绍了相应的设计、施工应对措施。

1 工程概况及地质条件

杭州地铁1号线下沙江滨站—滨江一路站区间在下穿钱塘江时采用了大断面盾构隧道施工技术。该区间长度约3.0 km，盾构隧道混凝土管片外径为11.3 m，内径为10.3 m，管片厚度为0.5 m，管片环宽2.0 m。该越江隧道平面图如图1所示。

隧道穿越的地层以③5层粉砂、③6层砂质粉土、③7层砂质粉土夹淤泥质粉质黏土、⑥2层淤泥质粉质黏土夹粉土、⑥31层淤泥质粉质黏土、⑨2层粉质黏土、⑨3层黏质粉土为主。隧道区间局部穿越3粉质黏土混砾石层：砾石含量约为20%～40%，以棱角状为主，粒径多为2～4 cm，有少部分砾石的粒径超过6 cm。区间穿越范围内⑥层淤泥质土层呈灰色流塑状，富含有机质残骸，该层土具有低强度、高压缩性的特征，且有较明显的蠕变、触变特性。

区间沿线的地下水主要为赋存于浅(中)部填土层、砂性土土层中的孔隙潜水，水位在地面下0.3～2.0 m。此外，区间沿线发现存在带压有害气体，其埋深位于地面下26.0～33.0 m，呈蜂窝状不连续分布。从勘测报告可知，江北段储气量和气压均较大。

该越江隧道下穿段钱塘江300年一遇最大冲刷高程为-16.0 m[6]，呈槽形形态。隧道顶距冲刷线的最小距离为6.4 m，最大距离为12.1 m。

2 工程关键技术难点分析

本工程的关键技术难点如下：

图1 杭州地铁1号线下穿钱塘江隧道工程的平面示意图

1) 越江隧道下穿钱塘江及南北两岸大堤，施工风险大。钱塘江管理局要求大堤沉降变形控制标准不得超过20 mm，这对施工引起的大堤沉降变形控制要求非常高。

2) 越江隧道下穿江底正在运营的高压成品油输油管道。该管道采用定向钻施工，材质为D273钢管，油压为2.5 MPa，标高-16.229 m，和区间隧道平面夹角为8.7°，平面叠交范围约90 m，竖向净距约10.5m。输油管道目前处于满负荷运转状态，盾构施工对管道的沉降变形控制要求极高。

3) 基于钱塘江“洪冲潮淤”的特点，考虑最大设计洪水位高度，成型隧道最大水头压力约为0.5 MPa。这对隧道管片接缝防水的设计和施工都是极大的考验。

3 隧道断面及结构设计

3.1 隧道横断面设计

该越江隧道采用单洞双线大断面盾构隧道方案，建筑限界为9.9 m，管片内径为10.3 m，管片外径为11.3 m，管片厚度为0.5 m，左线隧道和右线隧道在直线段处的线间距为5.2 m。

该隧道的横断面分为3个部分：上部为纵向排烟道，中间部分为地铁线路的轨道结构，下部设置排水泵房。轨道结构下部空间口子件采用预制结构，两侧回填混凝土，在最低点设置泵房。口子件、中隔墙、风道板采用预制结构进行施工。

3.2 隧道纵断面设计

该过江隧道纵断面采用V字坡，施工阶段隧道的覆土厚度一般不小于1倍洞径。为保证隧道结构使用阶段的抗浮能力和稳定性要求，根据钱塘江300年一遇河床最低冲刷线的影响深度确定其最小覆土厚度。

抗浮安全系数γF的计算公式为：

γF≤γG(G+Q+G1)/(λF)

(1)

式中：

γG——荷载分项系数；

λ——浮力折减系数；

G——单位长度隧道管片的自重；

Q——隧道上部的有效静荷载；

G1——单位长度隧道内部的静荷载；

F——单位长度管片所受到的浮力。

G、Q、F的计算公式分别为：

G=π(R2-r2)γC

(2)

Q=γs[2Rd+(2-π/2)R2]

(3)

F=πR2γg

(4)

式中：

R——管片外径；

r——管片内径；

γC——管片重度；

γs——土体浮重度；

d——隧道覆土层厚度；

γg——水的重度。

考虑盾构管片自重和内部隔墙的自重等抗浮有利荷载，该越江隧道在运营期间的γF取1.1。考虑荷载效应对结构抗浮的有利作用，γG取1.0；水浮力考虑按全水头作用在隧道结构上，λ取1.0；G1主要为口子件和内隔墙的自重，根据其布置断向进行计算，该隧道单位长度内部的静荷载取值为321.1 kN；R取11.3 m；r取10.3 m；γC取26 kN/m3；γs取8 kN/m3；γg取10 kN/m3。由上述式(1)～式(4)，可计算得到隧道覆土层厚度d为4.36 m。考虑到钱塘江底冲刷和深泓摆幅影响，d的最终取值为4.5 m。

3.3 隧道衬砌结构设计

根据该隧道工程的覆土埋深、工程地质水文条件以及周围环境，对上海、南京、武汉等地的类似工程进行充分的研究比对，并结合隧道结构理论计算分析、结构的耐久性要求等方面因素，最终确定了该工程的管片设计参数，如表1所示。

表1 杭州地铁1号线下穿钱塘江的隧道工程管片设计参数

4 设计、施工难点的应对措施

4.1 盾构下穿钱塘江大堤的施工保障措施

钱塘江北岸大堤为下沙标准塘，堤顶高程为9.97～10.17 m，挡浪墙高程为10.67～10.97 m，沥青路面，顶宽9.30 m。盾构隧道与钱塘江北岸大堤夹角70.71°，与大堤底部钢筋混凝土沉井最小净距约8.90 m，距北岸堤顶最大覆土为21.80 m。

钱塘江南岸大堤为九乌大堤，堤顶高程为9.87 m，挡浪墙高程为10.87 m，沥青路面，顶部宽度为8.00 m。盾构隧道与钱塘江南岸大堤的夹角为78.46°，与大堤底部钢筋混凝土沉井的净距约为23.40 m，距南岸堤顶的最大覆土为34.60 m。

该越江隧道下穿钱塘江大堤所采取的保护措施如下：

1) 精细控制盾构轴线偏差、推进速度等关键施工参数，将掘进速度控制在10～20 mm/min内，有效降低了盾构掘进施工期间的地层扰动和建构筑物沉降速率。

2) 严格控制土仓压力和出土量，保持刀盘土仓的密实和稳定。施工期间优化施工参数、严格控制盾构姿态，一旦发现出现偏离及时缓慢纠偏，将偏差始终保持在±40 mm以内。

3) 同步注浆浆液采用早强型可硬性浆液，按照注浆量和注浆压力双重控制标准严格控制同步注浆压力和饱满程度，有效控制了钱塘江大堤沉降变形。

4) 管片螺栓强度等级提高至8.8级。及时通过洞内二次注浆加固技术补偿开挖造成的地层损失，将隧道施工后的大堤沉降控制在20 mm范围内。

在上述措施的有力保障下，该施工引起钱塘江北岸大堤的沉降变形在盾构穿越后6个月后渐趋稳定，沉降值维持在17 mm左右，满足钱塘江管理局的大堤沉降变形控制要求。钱塘江北岸大堤的实测沉降曲线如图2所示。

注：大坝测点1、大坝测点2位于钱塘江北岸大堤的堤顶处。

4.2 盾构下穿江底输油管的施工保障措施

该越江隧道在靠近钱塘江南岸大堤处下穿江底高压成品油输油管，隧道与输油管的平面夹角为8.7°，平面叠交范围约90.0 m。根据江底输油管道专项精确勘探实测资料[7]显示，江底段输油管与盾构顶的最小净距约为11.1 m。为进一步确保输油管道的运营安全，该工程的关键技术安全措施如下：

1) 盾构下穿施工控制技术措施。严格控制隧道轴线偏差，允许偏差量不大于±40 mm，发现偏离及时缓慢纠偏，不得猛纠硬调。在盾构下穿过程中，通过采取放慢施工速度、控制盾构掘进姿态、控制土仓出土量、加强同步注浆及二次注浆管理等施工技术措施，控制油管的隆起量和沉降量，并及时对隧道周边进行二次双液浆补充注浆，有效控制了输油管道的沉降变形累计值及其沉降变化速率。

2) 轨道结构采取高等减振措施。考虑到地铁列车在运行过程中会产生一定的振动，过江区间下穿输油管区段的轨道结构采用高等减振措施，以减小因振动产生的影响。

通过以上关键技术措施的实施，该项目在施工期间江底输油管的最大沉降量为12.3 mm，小于产权单位(中石化)要求的控制值(15 mm)。

4.3 高水压情况下管片接缝防水的施工保障措施

考虑钱塘江最大设计洪水位高度，管片所承受的最大水头压力高达0.5 MPa，成型隧道需重点考虑管片的接缝防水问题。该工程的衬砌防水设计以管片结构自防水为主，以管片接缝防水为重点，遵循多道防线、综合治理的防水设计原则，从衬砌结构、接头构造、接缝设计、施工监测等方面制定措施，以有效控制隧道沉降，防止结构开裂及接缝渗漏，保证地铁线路在正常运营阶段隧道结构无渗漏、接头不渗水。所采取的措施主要包括：

1) 管片混凝土结构自防水。管片混凝土强度的等级为C55，抗渗等级为P12，裂缝宽度≤0.2 mm。

2) 盾尾同步注浆。同步注浆采用水泥砂浆，盾构掘进过程中确保同步饱满注浆、填充密实。二次注浆主要采用水泥浆，均匀、少量、多次进行跟踪注浆，对钱塘江大堤、江底油管等变形控制严格的地段采用速凝型的双液浆。

3) 衬砌接缝防水。管片接缝防水采用双道三元乙丙橡胶弹性密封垫，管片接缝构造如图3所示。管片的外弧面、内弧面处的弹性密封垫应满足在接缝张开量为8 mm、错台6 mm时能长期分别抵抗1.25 MPa、0.75 MPa的水压下不渗漏的要求，密封垫的构造如图4所示。