海域环境下盾构区间隧道联络通道的设置方案对比分析

石来，诸葛绪松，杨浩东，张晓滨

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.中国铁建投资集团有限公司，广东 珠海 519000；3.珠海大横琴城市新中心发展有限公司，广东 珠海 519000；4.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510500）

联络通道也称为生命通道，是盾构隧道中不可缺少的重要组成部分。国内外许多专家学者针对联络通道的施工方法进行过相关研究。王龙[1]等依托以石家庄地铁1 号线盾构隧道与联络通道交叉部分工程为例，对盾构隧道的管片与联络通道的加固进行分析研究；丁修恒[2]对联络通道盾构法的关键技术进行详细的阐述；曾晖[3]等介绍联络通道的施工方法以及对比分析各种土体加固方式的优缺点；聂炳红[4]等研究土体加固与暗挖法在联络通道施工中的应用；李明，孟庆军，黄哲峰，郑智鹏，杨子健[5]针对富水砂性土层的地质特性，通过不同加固方法的比对，进行数值模拟，最后选择采用冷冻法加固地层；李晓超[6]以苏州地铁联络通道所采用的冻结设计与施工技术成功为例，详细论述整个施工过程中冻结法施工的关键技术和控制要点。本文以横琴杧洲隧道项目为背景，结合海域环境下的工程地质环境对该项目的联络通道设置方案和施工方法进行综合对比分析，选择一种较合适、经济、安全的设置方案，可为类似项目提供借鉴与参考。

1 工程背景

1.1 横琴杧洲隧道工程概况

横琴杧洲隧道工程位于珠海横琴一体化区域，隧道穿越马骝洲水道。隧道埋深16.0m～35.0m，外径14.5m，左线隧道线路全长1995m，其中盾构段长945m；右线隧道线路全长2032.15m，其中盾构段长978.31m，详见图1-2。

图1 盾构隧道标准断面图

1.2 项目地质特点

拟建项目场区第四系覆盖层主要为人工填土层（Qml）、海陆交互相沉积的淤泥、淤泥质土、黏土层（Q4mc）、砂岩残积土（Q4el）和下伏的全风化、强风化砂岩（D）。隧道结构底板大部分位于淤泥中，由于淤泥层呈饱和、流塑状态，土的灵敏度高，不适合作为持力层，需采用地基处理或桩基穿透深厚淤泥层进入到相对较好的地层。同时，拟建隧道两侧的吹填砂层中赋存的孔隙水，水量较丰富，且与水道水联系紧密，对工程影响较大。

2 横向联络通道方案比选

根据《建筑设计防火规范》GB50016-2014（2018版）12.1.6 条规定，水底隧道宜设置车行横通道或车行疏散通道，间距宜为1000m～1500m。本项目的盾构隧道段长度在1000m 左右，在规范限值的临界范围内。由于在水域段设置横向联络通道，不仅增加工程实施难度，而且增加施工风险，故有必要对不同的联络通道设置方案进行必选。

2.1 水域段设置联络通道

2.1.1 施工方法对比

目前盾构隧道横向联络的方法主要有明挖法、暗挖法和先明挖后暗挖法三类，几种方法的优缺点对比如表1所示。由于本工程沿线岩土种类多，土质不均匀，根据地质条件和联络通道的埋深等因素，为了确保施工场地的安全，若要在水域段设置联络通道建议采取冻结法施工。与其他固结方法相比，冻结法不占用地面，环境影响范围小。

表1 常用联络通道施工方法对比分析

2.1.2 冻结法的设计及施工关键技术

冻结法的冻结效果的好坏是工程成败的重要保障。在联通道开挖与构筑期间，结构的受力体系不断变化，极易造成盾构隧道与联络通道之间结合面的开裂，此时若冻结效果不佳，易造成涌水、涌砂、坍塌等风险的出现，甚至可能会造成盾构隧道被淹，酿成重大安全事故。因本项目隧道工程分布有淤泥、淤泥质土等软土，软土具有较高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度、中～高灵敏度的工程性质，为不良工程地质层，需要结合工程实际地质条件对冻结法施工的过程中冻结和解冻的温度场，地下孔隙水渗流场、冻胀位移场等进行深入研究，制定详细的施工方案。此外，施工期间还必须按照相关的技术要求，对冻结系统和周围环境进行监测，加强监测工作信息化，及时准确指导施工。

总体来讲，采用冻结法施工费用很高，同时具有一定的不可控风险。

2.2 南北两岸工作井内设置联络通道

为减少工程施工难度与工程造价，在南北两岸工作井内共设置两处车行横通道（位置详见图2），横通道间距小于1000m，满足规范要求。初步拟定两个工作井均采用平面矩形框架结构，平面内净尺寸均为44.7m×21.2m，基坑深度均为26m，在盾构侧井壁开有两个直径15.4m 的盾构孔。

图2 盾构隧道段纵断面及地质构造图

2.2.1 结构建模

采用Midas GTS 软件进行计算，采用板壳单元来模拟复合墙和底板、三维梁单元来模拟工作井内的两道水平框架，按盾构吊装及推进阶段和隧道运营阶段，对结构体系取最不利荷载布置进行内力分析（图3）：①盾构吊装及推进阶段—内衬墙、各道水平框架回筑完成，盾构推进；②隧道运营阶段—井内顶板、设备层板、车道板等及上部结构逐步完成。

图3 工作井结构空间计算模型

2.2.2 计算结果

盾构吊装及推进阶段：荷载主要包括结构自重、水土压力、地面超载引起的附加压力等，其中渗透性强的土按水土分算，渗透性弱的土按水土合算，地面超载按70kPa。

使用阶段：荷载主要包括结构自重（框架、侧墙、各层板），以及顶板覆土、水浮力、吊顶、地面活载、设备及行车活载等，其中渗透性强的土按水土分算，渗透性弱的土按水土合算，地面超载按20kPa。

工作井三维空间模型计算结果如下图4所示：

图4 工作井结构计算弯矩云图

经过验算，工作井拟订方案的结构满足强度要求和裂缝控制要求。

3 结论

本工程穿越马骝洲水道，如若在水域段设置联络通道，根据本项目地质，水文条件，将采取冻结法施工，该施工方法施工难度较大，且造价较高，不是最为经济合理的设置方案。通过方案的对比分析，综合考虑，最后在南北两岸工作井内共设置两处车行横通道作为本项目的建设方案，横通道间距小于1000m，满足规范要求，且该方案施工难度与工程造价大大降低，通过三维模型的数值模拟分析验算，工作井拟订方案结构的强度和裂缝控制均满足规范要求，因此作为本工程隧道联络通道施工的最终方案。