甬舟铁路金塘海底隧道总体设计与关键技术研究

唐雄俊，肖明清，焦齐柱，毛 升

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，武汉 430063)

引言

21世纪以来，我国水下隧道进入快速发展阶段，其建设逐渐由江、河、湖底向海底发展。一大批已建成水下隧道成功实施的经验表明，我国水下隧道修建技术已达到了新的高度。随着隧道施工装备的不断革新，新工艺、新技术不断推广和应用，水下盾构隧道逐渐向大断面、大埋深、高水压、长距离方向发展[1-4]。

甬舟铁路金塘海底隧道具有大直径(外径14.0 m)、高水压(最大水压0.843 MPa)、长距离、地中对接、复合地层及海床演变复杂等特点，国内类似工程可借鉴的经验少，涉及到的关键技术及难点问题多，工程建设技术难度大。以金塘海底隧道为工程实例，对隧道平、纵、横断面总体设计、盾构设备选型、管片接缝防水、防灾疏散救援及地中对接等关键设计方案进行阐述，以期为其他类似水下隧道工程设计提供借鉴。

1 工程概况

1.1 隧道位置与规模

甬舟铁路西起宁波东站，经宁波市北仑区、舟山市金塘岛、册子岛、富翅岛，终于舟山本岛白泉站，线路全长76.774 km，采用设计速度250 km/h高速铁路建设标准。

金塘海底隧道位于宁波北仑西站与舟山金塘站之间，如图1所示，采用单洞双线盾构法隧道下穿水深流急、水文和地质条件极为复杂的金塘水道，两岸采用矿山法施工。隧道全长16.18 km，其中，盾构隧道长11.21 km，矿山法隧道长4.93 km，明挖工作井长0.04 km。

图1 金塘海底隧道平面位置示意

1.2 工程建设条件

(1)地形地貌

隧道陆域沿线跨越丘陵与海积平原地貌单元，穿越区高程最高约234 m，最低5 m，相对高差229 m，自然坡度10°～40°，山体连绵起伏，山间冲沟较发育，沟谷切割较浅，为山间洪水和地下水的排泄通道，海积平原区地势平坦开阔。

隧道海域穿越的地形地貌主要有潮流冲刷槽、水道边坡、水下浅滩，冲淤变换的潮流脊槽及沙波群，总体北浅南深，北侧浅海区水深30～40 m，南侧深海区水深50～80 m，如图2所示。

图2 工程区域海域水下地形

(2)海床演变与极限冲刷

受海洋潮流作用，金塘水道1928年～2002年工程海域总体上呈东侧冲刷、西侧淤积、甬江口有冲有淤的态势；2002年～2017年，工程海域呈离岸大面积冲刷、边滩淤积的态势，隧址附近冲淤并存。

隧址处金塘主水道段平均冲刷约2 m，年均冲刷约0.13 m，受长江来沙减少和围垦固沙导致的长期、缓慢影响，金塘主水道段的冲刷趋势将持续存在。

综合隧道整体物模试验冲刷预测、数模极限冲刷预测、水槽物模试验及纵向地质分布，隧道极限冲刷最深点高程北仑侧-55.7 m(海床面以下20.58 m)，金塘侧-44.6 m(海床面以下19.54 m)。隧道纵向最大冲刷预测35 m，最大淤积15 m。

(3)工程地质条件

隧道上覆土层主要为第四系人工填筑土，海积淤泥质粉质黏土、粉砂、粉土、粉质黏土，冲积层、冲湖积、冲海积粉砂、细砂、中砂、圆砾土、含黏性土碎石层。下伏基岩主要为侏罗系凝灰岩、凝灰熔岩、英安岩、安山岩，岩石饱和抗压强度最大值191 MPa，最小值为31.4 MPa，平均值52 MPa，岩石强度差异大[5]。

(4)水文地质条件

地下水类型为孔隙潜水、基岩裂隙水、构造裂隙水。环境作用等级[6]：海域及近海盾构隧道段具有硫酸盐侵蚀性和镁盐侵蚀性，化学环境作用等级为H2，盐类结晶破坏环境等级为Y3，氯盐环境作用等级为L3，其他段为T2。

2 工程总体设计

2.1 隧道平面设计

隧道平面设计需要考虑以下2个主要因素。

(1)隧道海中穿越区域水深及两侧登陆条件。

(2)与规划甬舟高速公路复线的相对位置关系。

2.1.1 越海隧道线位方案

根据隧道海中线位穿越情况，主要研究北侧浅水隧道方案、经大黄蟒岛隧道方案以及南侧深水隧道方案，如图3所示。

图3 隧道越海段线位方案

方案1：北侧浅水隧道方案穿越的海域潮汐流速较小，水文条件相对简单，水深较浅，最大水压0.843 MPa，两侧登陆点为规划冠保码头与木岙作业区，通过调整规划，对码头影响较小。

方案2：经大黄蟒岛隧道方案穿越的海域潮汐流速大，水文条件相对复杂，水深大，最大水压1.25 MPa，两侧登陆位置下穿既有海越化工、新侨化工、中国石油天然气股份有限公司东北销售宁波分公司北侧储罐及码头，对码头及危化企业影响较大。

方案3：南侧深水隧道方案同样存在穿越的海域潮汐流速大、水文条件相对复杂、水深大等特点，最大水压1.05 MPa，北仑侧登陆位置穿越镇海炼化算山码头，对码头影响大。

经对比分析，方案一隧道埋深浅、水压小、水文条件相对简单，且登陆点附近对规划码头基本无影响，推荐采用。

2.1.2 公铁隧道线位方案

由于北仑侧跨海通道资源有限，规划甬舟高速公路复线跨金塘水道线位北仑侧与铁路隧道同通道敷设。根据两者相对位置关系，主要考虑铁路北侧公路隧道方案(图4(a))及铁路南侧公路隧道方案(图4(b))。

因铁路北侧公路隧道方案需采用大直径双洞隧道穿越北仑侧企业地块，对相关企业及规划码头影响大，且该方案公铁隧道需在海中进行交叉跨越，施工风险大；而铁路南侧公路隧道方案可在北仑陆域侧实现公铁隧道交叉跨越。经综合分析比较，推荐采用铁路南侧公路隧道方案。两者平面线位方案如图4所示。

图4 北仑侧公铁隧道线位方案

2.1.3 隧道平面布置

线路出北仑西站上跨泰山西路，下穿四顾山、规划预留的甬舟高速公路复线隧道后，沿青峙河西侧地块内与预留的甬舟高速公路复线平行敷设；下穿亚洲纸管纸箱、恒逸物流、冠保地块后于规划的冠保码头附近进入金塘水道；随后沿浅水区敷设，依次下穿七里锚地、金塘锚地后至规划木岙作业区南侧，折向北进入金塘站。隧道洞身共3段平曲线，最小曲线半径3500 m，如图5所示。

图5 隧道平面布置示意

为便于盾构施工运输、运营期防灾疏散救援与维护，两岸靠近工作井矿山法主线隧道段各设置斜井1座，其中，北仑斜井长0.64 km，金塘斜井长0.264 km。

2.2 隧道纵断面设计

隧道纵断面设计考虑的主要因素如下。

(1)下穿既有建筑物的结构净距。矿山法隧道北仑侧下穿既有林家大山隧道净距按不小于4 m控制，下穿在建黄山西路公路隧道按不小于10 m控制；盾构隧道北仑侧下穿既有石油管道参照国能油气〔2015〕392号《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》要求，净距按不小于10 m控制。

(2)海床最低冲刷深度预测高程。隧道运营期在预测冲刷控制线下考虑船舶锚击深度和上覆液化地层最小覆土厚度，满足抗浮安全系数不小于1.1要求。

(3)海域船舶抛锚入土深度。10万吨级集装箱船落锚深度3.15 m。

(4)与规划甬舟高速公路复线隧道交叉部位净距。考虑到先建铁路隧道，后建公路隧道的时序，两者结构垂直净距按不小于14 m控制。

综合上述因素，隧道两端采用20‰纵坡，北仑陆域侧在满足下穿建筑物最小净距要求下，采用14.36‰和7.9‰坡入海，海中段采用3.3‰与6.5‰缓坡，如图6所示。

图6 金塘海底隧道纵断面(单位：m)

海中盾构段主要穿越土岩复合地层，隧址处最大水深39 m，最大埋深47 m，最小埋深17.7 m，最大水压0.843 MPa。海中极限冲刷控制线以下最小覆土厚度为北仑侧5.3 m，金塘侧5.2 m。

2.3 隧道横断面设计

盾构隧道采用单洞双线不设隔墙横断面，两侧各设置宽1.25 m、高2.2 m的纵向贯通救援通道，通道边距同侧线路中线均为2.3 m，救援通道走行面高出轨面30 cm。为满足逃生、救援与消防要求，沿隧道纵向每隔150 m设置1处宽0.8 m楼梯道，连接车行区和轨下逃生通道。楼梯道尽头设置防护隔离门，以分隔车道层与逃生通道层。为补强一次管片衬砌结构，加强衬砌结构的防水、防火、防撞及耐腐性能，隧道设置300 mm厚二次衬砌。

隧道结构内径12.8 m，管片结构厚0.6 m，隧道结构外径14.0 m，轨面以上内净空有效面积83.79 m2。盾构横断面如图7所示。

图7 盾构隧道横断面(单位：mm)

矿山法隧道衬砌内轮廓采用通用参考图，轨面以上内净空有效面积92 m2，如图8所示。

图8 矿山隧道横断面(单位：mm)

3 工程关键技术

3.1 盾构设备选型

本工程穿越强透水粉土粉砂层，采用土压平衡盾构螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，从而有可能在螺旋输送机排土闸门处发生水、土砂喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌，施工风险大。目前，国内外隧道工程中采用承受较高水压的盾构隧道有：土耳其欧亚隧道(常压换刀工作压力1.3 MPa)，美国米德湖取水隧道(盾构设计工作压力达到1.7 MPa)及佛莞城际铁路狮子洋隧道，均为泥水平衡盾构隧道[7-8]。因此，推荐采用复合式泥水平衡盾构施工。

考虑到北仑侧盾构机长距离穿越复合地层，换刀次数频繁，金塘侧虽长距离穿越土层，但在陆域与对接位置穿越软硬不均与岩层，如采用普通复合刀盘则存在较高的带压进仓换刀风险。因此，推荐两侧采用全断面滚齿刀可互换、可常压换刀的复合刀盘[9-10]。

为应对高水压长距离掘进盾尾失效风险，盾构机除加强盾尾刷设计外，同时要求盾尾设置冷冻管路，并兼备聚氨酯注入功能，确保应急密封和尾刷更换的安全[11]。

3.2 盾构隧道接缝防水设计

本隧道盾构段最大水压高达0.843 MPa，水压力较高，管片接缝防水设计至关重要[12-13]。

国内已建大直径盾构隧道普遍采用双道密封垫防水方案，其主要布置方式有内外分开布置型(代表性工程有武汉长江隧道和南京长江隧道，见图9)和双道并排外主内辅型(代表性工程有武汉三阳路长江公铁隧道与南京和燕路长江隧道，见图10)。上述两种布置型式由于内道遇水膨胀橡胶密封垫的防水能力较弱，管片接缝总防水能力与外侧单道密封垫基本相同[14]；而对于内道采用弹性密封垫的内外分开布置型(图9(b))一旦外侧密封垫失效后，地下水将在两道密封垫之间串流，进而沿螺栓手孔等薄弱位置流出。

图9 管片接缝防水内外分开布置型密封垫

图10 双道并排外主内辅型密封垫

为此，本隧道管片接缝采用外侧双道并排布置型密封垫防水，即在管片外侧采用集中式双道多孔EPDM弹性密封垫+中部遇水膨胀止水条防水，如图11所示。

图11 金塘海底隧道接缝防水设计(单位：mm)

3.3 防灾疏散救援设计

本隧道总长16.18 km，属特长隧道，按照列车在隧道内发生火灾尽量控制列车驶出隧道的原则进行疏散[15]。对于非火灾工况下的停车疏散，列车停车时，人员下车后至行车道的救援通道，沿救援通道绕过事故列车后跨过轨道进入隧道中间的疏散楼梯口，通过疏散楼梯下至疏散廊道内。

因隧道海中段长约8.3 km，未设置紧急出口条件，隧道运营面临防灾救援难度大、维修进出耗时长等问题。为此，利用盾构隧道轨下廊道空间设置适用于机动车辆行驶的纵向贯通疏散通道，并通过设置斜井及疏散通道将盾构底部疏散通道与地面连通(图12)。在为隧道运维人员提供便利的同时，极大地提高了隧道防灾疏散救援效率。

图12 北仑侧主线隧道与斜井及疏散通道连接示意

3.4 地中对接设计

3.4.1 对接位置选择

盾构地中对接位置的选取主要考虑以下原则。

(1)应尽量选择隧道平面直线段、纵向坡度小的位置，以降低地中对接施工风险。

(2)需兼顾两侧盾构掘进工期的平衡。

(3)选择地质条件好与透水性低的区段。

根据上述原则，结合海中盾构隧道的地质情况，将海中隧顶基岩覆盖层厚度最大的DK23+110作为首选对接点(图6)。该断面弱风化岩层覆盖厚约24.8 m，基岩覆盖厚度不小于1倍洞径的纵向长度约210 m，且距北仑工作井4 940 m、金塘工作井6 270 m。

3.4.2 地中对接设计

地中对接包括土木式对接法和机械式对接法[16]。机械式对接法通过在盾构机前部采用特殊设计，2台盾构可直接进行插入对接。在日本有部分案例，多为输水、电力管道工程，盾构直径相对较小，最大直径为10.3 m，多数直径在5 m以下，且盾构推进距离较短，普遍在3.5 km以下。土木式对接法通过对接地点将地层进行加固处理，达到止水和防止地层失稳的效果后，完成盾构拆卸并施作隧道衬砌。

本隧道掘进距离长，水压高，穿越土岩复合地层，盾构刀盘本身较为复杂，为减少盾构设备制造难度，不宜采用机械式对接法。且由于对接地点处于岩层，地层稳定性较好，参考广深港高铁狮子洋隧道成功经验[17-19]，推荐采用注浆法加固的土木式对接方式。

4 结语

甬舟铁路为舟山群岛与大陆的第二条陆域通道，它的建成将结束舟山目前未通铁路的历史，并构建义甬舟铁路大通道，实现浙江省1小时交通圈目标，同时也是加快舟山及宁波融入“一带一路”国家经济发展战略的需要。金塘海底隧道作为其重要控制性工程，涉及到的关键技术及难点问题多，工程建设技术难度大。通过对金塘海底隧道工程总体设计及关键技术进行研究，得到如下结论。

(1)对于复合地层高水压长距离掘进可采用全断面滚齿刀可互换、可常压换刀复合刀盘的泥水平衡盾构，盾尾应具备应急密封和尾刷更换条件。

(2)大直径高水压盾构隧道宜采用外侧双道并排布置型密封垫防水型式。

(3)设置适用于机动车辆行驶的纵向贯通疏散通道，可提高单洞双线特长盾构隧道的防灾疏散救援与运维效率。

(4)大直径长距离盾构地中对接宜选用地层稳定性较好的土木式对接法。