广湛高铁湛江湾海底隧道方案比选与盾构机选型研究

2021-10-11唐国荣

铁道标准设计 2021年10期

唐国荣，齐春

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 概述

随着我国高速铁路快速发展，跨越江河、湖(海)湾工程越来越多，水下隧道具有选线不受通航净空条件限制、施工对地面环境和景观影响小、运营不受恶劣气候条件影响等优点，水下隧道日益成为高铁跨江越海工程的优先选择。盾构法掘进速度快、成洞质量高、作业环境好、安全性高、地层适应能力强，是目前大断面水下隧道施工的主要工法，全世界70%的水下隧道均采用盾构法修建[1-3]。

国内大量专家和学者从设计、施工、装备制造等方面开展研究，解决了大直径水下盾构隧道修建中的诸多问题。以南京长江隧道、广深港高铁狮子洋隧道、武汉三阳路隧道、上海长江隧道等为代表的大直径水下盾构隧道的建成运营表明我国在大直径水下盾构隧道修建领域已处于世界领先水平。郭信君等[4]分析了南京长江隧道施工重难点问题，系统总结了大直径泥水盾构始发与接收、浅覆土施工、带压换刀等施工关键技术；肖明清等[8]依托武汉三阳路长江隧道，结合公铁交通方式不同的技术要求及防灾疏散救援的相互影响，确定了合理的工程总体方案；肖明清等[9]结合佛莞城际铁路狮子洋隧道对隧道采用单双洞方案、防灾疏散救援方案、盾构机类型选择等方面进行了研究；陈健等[10]对南京长江隧道和扬州瘦西湖城市隧道穿越淤泥质粉质黏土、粉细砂等复杂地层的全断面黏土地层高效环流及出渣、江中高水压、超薄强透水地层长距离掘进等关键技术进行了系统总结；肖明清，洪开荣等[5-7]对国内典型水下隧道工程设计、施工中的关键技术进行了系统总结；王吉云[12]以实际工程为背景，对近十年来中国超大直径盾构隧道的施工经验进行了总结探讨；陈仁东、吴金刚[12-13]依托妈湾跨海通道前海湾隧道提出了“水陆并重、综合比选”的隧道工法比选原则，并提出隧道总体设计与工法分区方案；佘才高[14]以南京地铁3号、10号线过长江隧道为背景，在国内地铁行业首次提出采用单洞双线大直径盾构隧道的断面形式；彭祖昭等[15]基于压力拱理论研究了水下隧道合理覆岩厚度，并依托佛莞城际狮子洋隧道工程进行了验证；晏启祥等[16]以国内大型水下盾构隧道的构造设计为基础，结合国外典型盾构工程实例，对我国水下盾构隧道衬砌构造设计现状及主要设计参数的相关性进行了分析统计，为设计提供了借鉴和指导；陈昂等[17]结合水下盾构隧道技术发展现状，梳理了琼州海峡跨海隧道方案实施需要解决的主要问题并初步提出解决方法和路径。

广(州)至湛(江)高速铁路长约401 km，起点广州站，终点湛江北站，是国家“八纵八横”高速铁路网，350 km/h沿海铁路客运通道的重要组成部分。湛江湾海底隧道是全线控制性工程，采用明挖法+盾构法施工，具有断面大、掘进距离长、高水压、邻近建(构)筑物多、周围环境复杂等特点，工程面临工期紧张、第三方风险高、盾构开挖稳定性控制难、盾构设备长距离掘进耐高压、耐腐蚀、可靠性要求高和刀盘结泥饼、糊刀问题突出等难题。如何合理确定设计方案，并明确大直径、高水压、长距离掘进条件下盾构机的选型与适应性，是亟待解决的问题。本文从越海通道位置选取、隧道分合修、不同盾构段长度和盾构台数等方面综合比选设计方案，并研究了大直径、高水压、长距离掘进等条件下盾构机的选型与适应性，研究结论可为类似跨江越海工程提供参考。

2 工程概况

湛江湾海底隧道位于广湛高铁湛江东站(预留)—湛江北站区间，长约8.3 km，拱顶最大埋深约31 m，最大水深约21 m，主要穿越粉质黏土地层，局部穿越中砂、粗砂。设计行车速度250 km/h，采用盾构法+明挖法施工。隧道中部水域段约2.5 km，其余为陆域段，下穿水域段左侧60～260 m位置为湛江海湾大桥。隧道进口位于海东新区奋勇大道幸福五局小区前绿化带，出口位于乐山路—椹川大道—湖光快线交叉口以西空地，进出口均顺接路基U形槽。隧道平面位置和纵断面如图1、图2所示，工程地质条件、水文与航道条件可参考文献[18]。

图1 湛江湾海底隧道总平面示意

图2 湛江湾海底隧道地质纵断

2 线路设计控制因素

2.1 平面控制因素

2.1.1 过海通道

湛江市城市空间结构规划为“一湾两岸、一核四轴、多组团”布局。目前，湛江海湾大桥为连接湛江市东西两岸唯一的跨海陆上通道。考虑城市规划干扰、既有建筑物拆迁、海湾航道影响等因素，线路尽量选择沿既有道路通道敷设方式通过湛江海湾及主城区。

经多方案比选后采用隧道方案，于湛江海湾大桥北侧穿越湛江湾后沿乐山路通道前进。

2.1.2 湛江海湾大桥匝道桥

隧道在海西侧中澳友谊花园上岸后，与湛江海湾大桥—海滨大道匝道桥墩近接，如图3所示。由于铁路线路与匝道桥斜交，线路不可避免地从两桥墩之间穿越。为避免线路一侧距离桥墩过近，隧道尽量沿两桥墩之间等距布置。

图3 湛江海湾大桥匝道桥与线路平面位置关系

2.1.3 乐山路沿线建(构)筑物及管线

乐山路为湛江市主干道，两旁建筑物密集。为尽量远离道路两侧建筑物，减少施工和运营对既有建筑结构的影响，隧道沿道路中线敷设。

2.2 纵断面控制因素

2.2.1 线路坡度要求

根据文献[19]，线路纵坡不宜大于20‰，困难条件下不应大于30‰。

2.2.2 隧道覆土要求

施工阶段覆土厚度主要受盾构掘进安全和抗浮要求控制。通过工程类比，按覆土厚度一般不小于1D(D为管片外径)、特殊情况下不小于0.7D控制。运营阶段覆土厚度需满足300年一遇冲刷深度、航道通航要求和锚击入土深度条件下的抗浮要求。

2.2.3 地下管线

沿线敷设的管线众多，对本工程影响较大的主要是洞身电力管线和出口处给排水管线。

隧道在DK413+600和DK414+230附近分别与220 kV和110 kV电缆平面交叉。两处电缆均采用顶管施工，根据物探资料，管顶埋深分别为12.8 m和13.8 m。

沿湖光快线—乐山路敷设的DN1800给水管在DK416+050附近与隧道结构有交叉，如图4所示。

图4 DN1800给水管与线路平面位置关系

2.2.4 隧道出口附近线路高程

线路出隧道后即引入湛江北站，由于车站范围内在建湛江大道下穿铁路，需在满足立交净空条件下确定车站高程，进而影响本隧纵断面。

3 方案研究与比选

3.1 研究方案综述

对隧道分合修、不同盾构段长度、不同盾构台数等方案进行综合比选。受专业接口和场地条件所限，各方案隧道进口里程DK407+850，出口里程DK416+130，隧道长8 280 m。

3.1.1 4 km盾构合修方案

隧道采用合修方案，盾构段长4 038 m，采用1台盾构机从小里程向大里程掘进。盾构隧道管片外径13.8 m，内径12.6 m，断面如图5所示。

图5 合修方案隧道断面布置(单位：cm)

3.1.2 4 km盾构分修方案

盾构段分修，左线平面同合修方案，右线按结构净距并行段不小于1.0D、盾构井处不小于0.5D设计，明挖段适应线间距采用分修或合修。盾构段长2×4 022 m，左右线各采用1台盾构机从小里程向大里程掘进。盾构隧道管片外径10.3 m，内径9.3 m，左右线之间设置联络横通道。

3.1.3 6.5 km盾构合修方案

隧道采用合修方案，盾构段长6 507 m，采用1台盾构机从小里程向大里程掘进。

3.1.4 7.5 km盾构合修方案

隧道采用合修方案，盾构段长7 488 m，采用2台盾构机分别从隧道两端相向掘进至中间井后解体吊出，进、出口端盾构段分别长4 176 m和3 312 m。

3.2 隧道分/合修方案比选

以4 km盾构合修方案和4 km盾构分修方案为例进行对比。

3.2.1 合修方案

考虑尽量缩短盾构段长度以缩短隧道建设工期，因此隧道在穿越湛江湾后尽快爬升以满足盾构接收井设井所需的覆土厚度要求。同时，盾构井平面上不能距离湛江海湾大桥台尾过近，以免交通疏解困难。

本方案设置2座盾构井，始发井设置于湛江奥体中心停车场，如图6所示；接收井设置于溢香国际酒店门前乐山路，如图7所示。隧道进口明挖段长1 447 m，出口明挖段长2 795 m，中间盾构段长4 038 m。

图6 盾构始发井位置

图7 盾构接收井位置

3.2.2 分修方案

盾构井设置的考虑因素同合修方案。本方案设置2座盾构井，其中始发井设置于湛江奥体中心停车场，如图8所示；接收井设置于溢香国际酒店门前乐山路，如图9所示。隧道进口明挖段长1 424 m，出口明挖段长2 834 m，中间盾构段长4 022 m。

图8 盾构始发井位置

图9 盾构接收井位置

3.2.3 分合修方案综合对比

(1)工期和投资：合修方案工期需34.19月，分修方案工期需35.12月，分修方案略短。分修投资较合修多6.42亿元，合修方案投资方面优势明显。

(2)施工和运营安全性：合修方案断面大，施工风险更高，但目前国内大断面盾构隧道施工经验丰富，施工风险可控；分修方案需设置多个联络横通道，水下黏土和砂土中横通道施工风险高，横通道处运营期渗漏水风险高；分修方案基坑宽度达19～32 m，盾构井处更宽达42 m，且基坑位于中心城区，施工风险极高；隧道近接海湾大桥匝道桥3处桥墩，最近处结构净距仅约0.9 m，施工风险极高。

(3)防灾疏散救援：分修方案双洞间设置联络通道，疏散和救援条件更好；合修方案也满足疏散救援要求。

(4)交通疏解和施工场地条件：分合修方案盾构接收井均位于湛江海湾大桥台尾附近，上下桥车流与乐山路车流交织，对交通影响非常大且施工场地紧张。合修方案占地少，相对而言影响更小。

(5)第三方影响及社会风险：分合修方案明挖段均较长，尤其是出口端长距离占用湛江市交通繁忙、高层建筑物林立的主干道乐山路，对建(构)筑物和交通影响大，社会风险高。相较而言，合修方案因占地更小，影响较分修小。

(6)综上，推荐采用合修方案。

3.3 长/短盾构方案比选

延长盾构段长度可降低明挖施工对城市交通和沿线密集建筑物、地下管线的影响。因此以4 km盾构合修方案和6.5 km盾构合修方案为例，对长、短盾构段方案进行比较。

3.3.1 短盾构方案

方案即为4 km盾构合修方案。

3.3.2 长盾构方案

方案为6.5 km盾构合修方案。本方案共设置2座盾构井，其中始发井设置于湛江奥体中心停车场；接收井设置于椹川大道—乐山路—湖光快线交叉口以东，云逸酒店门前乐山路中央，如图10所示。隧道进口明挖段长1 479 m，出口明挖段长294 m，中间盾构段长6 507 m。

图10 盾构接收井位置

3.3.3 长/短盾构方案综合对比

(1)隧道长度：长、短盾构方案盾构段分别长6 507，4 038 m。

(2)工期和投资：长盾构方案44.92月，短盾构方案34.19月，长盾构方案工期优势明显。短盾构方案投资较长盾构多2.07亿元

(3)施工和运营安全性：短盾构方案明挖段落长且位于城市主干道乐山路，深基坑施工风险高；相比而言长盾构方案施工安全性更好。

(4)交通疏解和施工场地条件：短盾构方案盾构接收井均位于湛江海湾大桥台尾附近，上下桥车流与乐山路车流交织，对交通影响非常大且施工场地紧张。

(5)第三方影响及社会风险：短盾构方案明挖段落长，尤其是出口端长距离占用湛江市交通繁忙、高层建筑物林立的主干道乐山路，对建(构)筑物和交通影响大，社会风险高。相较而言，长盾构方案的影响更小。

(6)综上，推荐采用长盾构方案。

3.4 一/二台盾构方案比选

结合全线施组、竖井条件和投资等，以6.5 km盾构合修方案和7.5 km盾构合修方案为例对一台盾构方案和二台盾构方案进行比较。

3.4.1 一台盾构方案1

方案即为6.5 km盾构合修方案。

3.4.2 一台盾构方案2

方案与7.5 km盾构合修方案基本相同，但不设置中间井，采用1台盾构机从小里程向大里程掘进。

经研究，本方案工期49.29个月，总工期超出控制工期，方案不可行。

3.4.3 二台盾构方案

方案为7.5 km盾构合修方案。本方案共设置3座盾构井，其中进口端始发井设置于湛江交投集团与东旺大道之间绿化带，如图11所示；出口端始发井设置于乐山路—椹川大道路口东侧。中间接收井的位置应当尽量保证2台盾构掘进长度均衡以缩短工期，同时应满足施工场地条件。经比选后设置于中澳友谊花园内，如图12所示。

图11 进口端始发井位置

图12 中间接收井位置

3.4.4 一/二台盾构方案综合对比

(1)隧道长度：一、二台盾构方案盾构段分别长6 507、(4 176+3 312)m。

(2)工期和投资：一台盾构方案44.92月，二台盾构方案34.79月，二台盾构方案工期优势明显。二台盾构方案投资较一台盾构多1.27亿元，且前期投入盾构机的费用高，每台盾构机掘进距离相对较短，盾构机利用率低，施工单位较难接受。

(3)施工和运营安全性：两个方案下穿乐山路段均为盾构区段，安全性相同；进口明挖段长度不同，但沿线建(构)筑物分布少且距离线路较远，风险较低；二台盾构方案中间接收井基坑深达31.33 m，地下连续墙深达56 m。且接收井紧邻湛江湾水域，地下水位高且与湛江湾存在水力联通，且临近湛江海湾大桥；施工风险极高。相比而言单盾构方案施工安全性更好。

(4)交通疏解和施工场地条件：二台盾构方案多1个中间井，但该井位于公园内，周边场地可满足施工要求。二台盾构方案的2号始发井与一台盾构方案的接收井平面位置相同，但作为始发井对场地面积要求更高，此处难以满足。进口端交通流量较小，两个方案的交通疏解差异不大。

(5)综上，推荐采用一台盾构方案。

3.5 隧道推荐方案

根据以上分析，本隧道推荐采用6.5 km长盾构合修方案。隧道全长8 280 m，其中盾构段长6 507 m，管片外径13.8 m，内径12.6 m，采用1台盾构由小里程向大里程掘进；盾构始发井位于湛江奥体中心停车场，接收井位于椹川大道—乐山路—湖光快线交叉口以东，云逸酒店门前乐山路中央。

4 盾构机选型与适应性研究

4.1 盾构机选型

根据本工程特点，结合以往类似工程的实施经验，可供选择的盾构机有土压平衡盾构和泥水平衡盾构。

本隧盾构段主要穿越粉质黏土，部分段落夹中、粗砂，地层强度较低。从地层条件和设备适应能力分析，两种类型的盾构均可采用。

根据地勘报告，隧道通过地层粉质黏土和砂土的渗透系数分别为5.8×10-7，1.8×10-4m/s。从地层渗透性角度，两种类型的盾构均可采用。考虑到水域段中、粗砂层水量丰富，渗透性较好，与地表水体有水力联系，采用泥水平衡盾构更为可靠、合理。

土压平衡盾构采用螺旋输送机排土，设备密闭性和止水性较差，一般适用于水压较低的地层，若地层水压过大则施工风险太高甚至无法施工；泥水平衡盾构采用泥浆管道出渣，设备密闭性和止水性较高，对水压高的地层适应性好。相关规范[20]规定，当地下水水头压力大于0.3 MPa时，宜选用泥水平衡盾构。本隧最大水压约0.6 MPa，宜选用泥水平衡盾构。

隧道两侧建(构)筑物密集，对隧道施工引起的地表变形控制要求高，选用泥水平衡盾构更适合。

此外，泥水平衡盾构是国内外软土地层中修建大直径水下隧道的主导机型，在超大直径、超长距离、高水压水(海)底隧道盾构方案选型中占有绝对优势。

综上，推荐本隧采用泥水平衡盾构施工。

4.2 盾构机适应性研究

本隧道盾构开挖断面大于14 m，独头掘进约6.5 km，主要穿越粉质黏土地层，最大水压约6 bar，对盾构设备适应性的要求主要为以下几个方面：大直径盾构开挖稳定性的控制；盾构设备长距离掘进的耐高压、耐腐蚀、高可靠性；解决刀盘结泥饼、糊刀等问题。

4.2.1 大直径泥水盾构适应性

目前国内外采用盾构法施工的大断面水下隧道工程数量较多，尤其在公路、市政领域已建成多条大直径隧道工程。大断面、高水压、长距离水下盾构隧道在装备制造、设计施工等方面均有较丰富的经验，有成功案例可供借鉴。

本隧道穿越地层主要为Q4m+al粉质黏土、粉砂、细砂、中砂、粗砂，Q1+2+3粉质黏土等地层，相对简单，适合盾构法施工。通过选用泥水平衡盾构，控制开挖面水土压力平衡，可解决大断面引起的掌子面稳定等问题。

4.2.2 高水压、长距离隧道施工适应性

盾构机的密封主要集中在主驱动和盾尾部位，高水压、长距离海底隧道施工中主驱动和盾尾密封的高可靠性是隧道工程安全的关键。结合本隧道地质条件，盾构设备制造时应提高主驱动密封、盾尾密封的安全系数，留有适度的安全冗余，提高承压能力。目前我国具有承受高水压(10 bar)盾构设备制造能力。

刀盘刀具布置、主驱动密封和盾尾密封刷的材料及结构型式是延长主驱动和盾尾密封使用寿命的措施，以减少水下换刀频次，并配备紧急情况下安全装置，确保施工安全。

目前超大直径盾构机设计使用寿命均大于10 km，设备关键部件均能满足长距离掘进的需求。

4.2.3 本工程盾构机适应性设计建议

(1)高承压主驱动及盾尾密封设计

高承压主驱动密封现有两种设计方案，如图13所示。方案1为采用多道橡胶唇形密封，通过向每道密封腔内注入密封油脂，实现承压能力需求，其中每道密封腔所需注入油脂的压力可由电气控制系统根据泥水舱内压力进行实时调节，确保密封的可靠性；方案2为采用聚氨酯密封，实现承压能力需求。

图13 盾构主驱动的两种密封方案

盾尾密封可按4道加强型密封刷+1道密封钢板束设计，其中前3道密封刷采用螺栓连接的方式，方便更换，如图14所示。通过向每道盾尾密封腔内注入盾尾油脂，满足承压能力需求。

图14 盾尾密封布置

另外，盾尾密封应设计有应急措施，预留冷冻管路及聚氨酯注入管路，以实现紧急情况下的盾尾密封。

(2)刀盘选型及刀具配置

长距离隧道掘进施工中换刀不可避免，考虑本隧道水压高，刀盘设计时应充分考虑加强刀具使用寿命，同时配置常压换刀功能，以尽量减少换刀次数，降低换刀作业风险。由于本隧道地勘未揭示岩层，推荐采用常压软土刀盘设计，刀盘配置常压可更换齿刀、切刀，如图15所示。针对类似工程中出现的常压刀盘在黏土地层中容易结泥饼的问题，要合理设计刀盘开口率，并加强刀盘、刀具冲刷措施。