深切割丘陵地貌城市軌道交通隧道過江方案探討

阮國勇，彭寶富

(1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 610023； 2.成都軌道交通集團(tuán)有限公司，四川成都 610041)

本次以重慶渝中區(qū)范圍軌道交通過江隧道為研究對(duì)象進(jìn)行探討。水下隧道實(shí)施具有環(huán)境復(fù)雜性、工程動(dòng)態(tài)性和時(shí)效性的特點(diǎn)，是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)高、綜合性強(qiáng)的地下工程。重慶目前沒有實(shí)施過水下軌道交通隧道的先例，本次工程對(duì)填補(bǔ)重慶該部分空白有著積極意義。通過充分比選、嚴(yán)密論證，做到方案可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)，在巖質(zhì)地層水下隧道設(shè)計(jì)理念、工程施工工法選擇、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能等方面加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，為隧道建設(shè)運(yùn)營安全保駕護(hù)航，為該類地形地質(zhì)條件下隧道技術(shù)進(jìn)步增添動(dòng)力。世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的實(shí)踐充分表明，交通設(shè)施既是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，又是國民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。許多發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的發(fā)展和振興，都是以加強(qiáng)交通建設(shè)為先導(dǎo)，從而帶動(dòng)整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速健康發(fā)展。隧道的建成對(duì)完善重慶市軌道交通的遠(yuǎn)景線網(wǎng)起著關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)作用。

1 地形地貌對(duì)隧道過江方案影響研究

重慶以山城著稱，城區(qū)最突出的特點(diǎn)是地形起伏有致，立體感強(qiáng)，地面標(biāo)高高差大。與中下游長江沿岸城市如武漢、南京等地不同長江枯水河寬一般為300～600m，汛期河寬一般為500～1 000m；嘉陵江枯水河寬300～400m，汛期河寬500m左右。河谷走向較平直，呈壯年期河谷地貌，兩江河谷形態(tài)呈不對(duì)稱“U”形，兩岸漫灘狹窄，岸坡陡峭、傾向江心。江底地形起伏，局部存在深槽。從圖1、圖2可以看到渝中片區(qū)的地形起伏情況。

圖1 地形平面

圖2 地形縱剖面

該地形地貌特點(diǎn)決定隧道過江方案線路特點(diǎn)如下，渝中區(qū)范圍內(nèi)展線困難，平面上不可避免出現(xiàn)小半徑曲線；規(guī)劃站位一定的情況下，縱坡坡長有限，坡度較大。過江段隧道長度相對(duì)較短，可供展線的寬度有限，為保證軌道交通線路布設(shè)時(shí)車站埋深不要太深，在線路走向上可考慮展線因素。具體過江位置對(duì)線路布置不起控制作用，相對(duì)較為靈活，只需注意避開局部深槽。過江段區(qū)間兩端車站埋深相對(duì)較大，為提升車站服務(wù)功能，站位選擇時(shí)除應(yīng)考慮規(guī)劃因素外，尚應(yīng)結(jié)合地形特點(diǎn)，選擇標(biāo)高相對(duì)較低的位置設(shè)站。在考慮線路展線及車站盡量布置在標(biāo)高較低位置時(shí)，隧道工法選擇上應(yīng)考慮覆土較小的工法，以盡量減少線路最低點(diǎn)與最高點(diǎn)的高差，減少線路坡度，控制展線長度。

因?yàn)榈匦蔚孛部刂?，在該區(qū)域布置軌道交通隧道時(shí)采取隧道方案過江，線路展線困難，車站埋深可能較大，線路坡度大。在確保過江段隧道安全實(shí)施的前提下，如何通過線站位選擇，優(yōu)化車站服務(wù)功能，是該地區(qū)建設(shè)軌道交通過江隧道的難點(diǎn)。

2 規(guī)劃及建構(gòu)筑物對(duì)隧道過江方案影響研究

2.1 城區(qū)規(guī)劃對(duì)線路布設(shè)影響

軌道交通線路周邊一般配套成區(qū)，建筑密集，過江區(qū)間隧道沿線區(qū)域用地以住宅、商業(yè)和綠化用地為主。以上特點(diǎn)要求本工程隧道工法的選擇、附屬設(shè)施及輔助坑道的設(shè)置應(yīng)注意對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2.2 既有建構(gòu)筑物對(duì)過江隧道的影響

城區(qū)江面橋梁密集密，比如千廝門大橋、東水門大橋(圖3)、重慶長江大橋。在江巖的道路也存在較多構(gòu)筑物，在長江北岸為渝中區(qū)長濱路，道路為路堤擋墻形式；南岸為南岸區(qū)南濱路，道路為路堤擋墻。嘉陵江北岸為江北嘴河漫灘；南岸為渝中區(qū)嘉濱路(圖4)，道路為橋梁形式。以上特點(diǎn)要求本工程線路選線時(shí)考慮功能及展線的同時(shí)，還應(yīng)注意避開橋梁基礎(chǔ)，并注意與江堤及橋樁保持一定的安全距離，必要時(shí)應(yīng)考慮采取一定的安全防護(hù)措施。

圖3 東水門大橋

圖4 嘉濱路

重慶主城港區(qū)碼頭主要分布在長江干線和嘉陵江上，其中長江上碼頭主要以貨運(yùn)和客運(yùn)為主，嘉陵江上碼頭主要是客運(yùn)和公務(wù)碼頭為主，多集中在河口附近，城區(qū)碼頭分布詳見圖5。以上特點(diǎn)要求本工程隧道線路方案選擇時(shí)應(yīng)注意對(duì)碼頭、港口及航運(yùn)的影響。

圖5 城區(qū)碼頭分布

3 工程水文地質(zhì)對(duì)隧道過江方案影響研究

3.1 工程地質(zhì)對(duì)隧道過江方案影響

城區(qū)地質(zhì)自上而下為第四系填土、砂卵石層或粉質(zhì)黏土、侏羅系砂質(zhì)泥巖為主、局部夾砂巖；其中，過長江段江底砂卵石層厚3～8m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚1.5～4.5m；過嘉陵江段江底砂卵石層厚0.0～2.6m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚1.5～2.2m。工程地質(zhì)條件良好，適宜修建隧道；江底巖層埋深較淺，過江段隧道覆巖厚度確定的情況下，地質(zhì)因素對(duì)隧道平面選線影響較小。

3.2 工程水文對(duì)隧道過江方案影響

隧址區(qū)水文條件具有如下特征：季節(jié)性特征明顯，枯水季節(jié)一般在11月至次年4月，最低水位一般出現(xiàn)在1～3月；最高水位多出現(xiàn)在6～9月，主要由汛期暴雨形成。洪枯水位落差大，長江達(dá)30m以上，嘉陵江約20m。擬建工程位于兩江匯合口處附近，彼此會(huì)受洪水漲水頂托影響；擬建工程位于三峽水庫上游，易受下游三峽水庫蓄水影響。隧址區(qū)地下水類型為基巖裂隙水，地下水補(bǔ)給為地表降雨及江水下滲。以上特點(diǎn)顯示本工程水文條件復(fù)雜；為確保過江段隧道安全順利施工，在確定過江段覆巖厚度、長度以及施工方法及設(shè)備選型時(shí)需慎重考慮。

3.3 河勢(shì)演變隧道過江方案影響

擬建工程河段河床及河岸邊界約束較強(qiáng)，河床沖淤變化不明顯，灘槽穩(wěn)定。當(dāng)長江遭遇100a一遇洪水時(shí)，局部最大沖刷深度為5m。嘉陵江：擬建工程附近河段整體河勢(shì)穩(wěn)定，基本無單向性變化趨勢(shì)，平面形態(tài)變化很小，深度及斷面形態(tài)基本穩(wěn)定，當(dāng)嘉陵江遭遇100a一遇洪水時(shí)，局部最大沖刷深度約3m。以上特點(diǎn)要求本工程在確定過江段隧道覆巖厚度時(shí)應(yīng)充分考慮江水沖刷深度的影響。

4 過江隧道方案工法選擇

4.1 明挖及沉管法過江隧道方案適應(yīng)性

工程地處長江上游、水深變化大、江面狹窄、航道繁忙，圍堰明挖法不適合。

沉管浮運(yùn)沉放需要較高的水位和較低的流速，經(jīng)調(diào)查研究2011～2013年間兩江水文資料顯示，受三峽大壩蓄水影響，僅在每年11月至次年2月有相對(duì)穩(wěn)定的流速(≤1m/s)，但與之匹配的水位太低，均低于沉管起浮水位175m，需降低設(shè)計(jì)浮運(yùn)水位，引起干塢基坑和航道疏浚土方量增加較多。干塢及沉管隧道與岸上段隧道接口段均需施作圍堰，對(duì)臨近濱江路交通存在一定影響；由于防洪水位高，導(dǎo)致圍堰高度約25m，施工難度高且風(fēng)險(xiǎn)較大；單側(cè)圍堰伸入江面寬度約75m，侵占江面航道，對(duì)城市防洪影響大。在滿足沉管最小埋深要求下，局部基槽開挖深度達(dá)到30m，地層主要為中風(fēng)化巖石，需水下爆破施工，開挖量大，施工期對(duì)兩江生態(tài)和通航存在一定影響，協(xié)調(diào)難度大。綜上，在上述建設(shè)條件下軌道交通過江隧道不推薦采用沉管法。但是沉管法由于埋深淺，若是市政道路與軌道交通合建時(shí)，其不因?yàn)樾熊嚨罃?shù)增加而加大埋深的優(yōu)勢(shì)會(huì)體現(xiàn)出來，所以超大斷面的市政道路與軌道交通合建的隧道根據(jù)具體邊界條件還有進(jìn)一步研究的空間。

4.2 隧道斷面的選擇

由于明挖法及沉管法不適合該地形地貌條件下單純的軌道交通過江隧道工法，現(xiàn)在只有盾構(gòu)法及礦山法兩種工法的選擇。在選擇該兩種工法前，需研究采用雙洞單線(小斷面隧道)還是單洞雙線(大斷面隧道)。現(xiàn)從下面幾點(diǎn)進(jìn)行論述。

(1)斷面及線路布設(shè)方面：小斷面隧道開挖斷面小，總體施工風(fēng)險(xiǎn)低，線路布置靈活；大斷面隧道，開挖斷面大，總體施工風(fēng)險(xiǎn)高，線路布置受限，必須需與雙洞單線斷面組合以實(shí)現(xiàn)配線及島式站臺(tái)的布置。

(2)隧道埋深方面:深切割丘陵地貌城市的特點(diǎn)就是線路布設(shè)困難，隧道能盡量減少埋深對(duì)于功能改善大，同種工法下，小斷面隧道方案對(duì)線路埋深較大斷面隧道方案提高約5m。

(3)消防疏散方面：小斷面隧道聯(lián)絡(luò)通道土建工程量較大，橫向疏散距離較長，橫向疏散緩沖空間大；大斷面隧道土建結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，橫向疏散距離短，但防火、隔煙性能相對(duì)較差；疏散緩沖空間小，易造成縱向疏散擁堵。

(4)投資方面：小斷面隧道較大斷面隧道稍大。

總體來說在該形地貌條件下，小斷面雙洞單線隧道更適合過江隧道方案。

4.3 盾構(gòu)工法與礦山法工法的比選

目前國內(nèi)過江隧道中，根據(jù)地質(zhì)條件不同，盾構(gòu)工法及礦山法均有成功案例，針對(duì)本次探討的深切割丘陵地貌巖石地層過江段現(xiàn)在從下述幾個(gè)方面進(jìn)行比選。兩種工法的比選是基于軌道交通8節(jié)編組城市快線列車而進(jìn)行。

(1)過江段埋深是考慮的一個(gè)重點(diǎn)因素，如果過江段埋深淺了，線路爬升高度小，坡度可以變小或者車站埋深可以變小，盾構(gòu)過江，過長江段最小埋深13.5m，過嘉陵江段最小埋深11.5m，鉆爆法過江，過長江段最小埋深30.5m，過嘉陵江段最小埋深29m。由此可見盾構(gòu)法過江隧道的覆土埋深是有較大優(yōu)勢(shì)。

(2)對(duì)臨近車站影響實(shí)際上是與上述第(1)條是相關(guān)的，如果過江段埋深小了車站埋深相應(yīng)的可以抬高，在這一點(diǎn)是盾構(gòu)法隧道占優(yōu)勢(shì)。

(3)輔助坑道設(shè)置方面：礦山法隧道要設(shè)置的輔助坑道數(shù)量要多。

(4)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，盾構(gòu)工法整體風(fēng)險(xiǎn)較小，過江段有一座聯(lián)絡(luò)通道，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，需帶壓換刀；礦山法整體風(fēng)險(xiǎn)較大，過江段有一座聯(lián)絡(luò)通道，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)可控，貫通段位于江底，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)可控。

從上述論述看，盾構(gòu)法較礦山法過江隧道均是可行的，主要在覆土及安全風(fēng)險(xiǎn)上有較大優(yōu)勢(shì)。另外在實(shí)際實(shí)施過程中還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況考慮工期、設(shè)備采用及投資的影響。

4.4 盾構(gòu)法過江隧道選型

根據(jù)盾構(gòu)選型的方法，本工程水壓為控制性因素，過江段水壓大于0.3MPa，應(yīng)選用具有泥水加壓平衡模式的盾構(gòu)機(jī)，采用泥水加壓平衡模式，施工安全，泥漿可對(duì)刀具潤滑和降溫，刀具壽命相對(duì)較長，但施工進(jìn)度相對(duì)較慢，泥漿分離所需施工場(chǎng)地大、泥漿處理施工費(fèi)用相對(duì)較高。根據(jù)本工程陸域段施工段落較長，選擇增加單護(hù)盾敞開掘進(jìn)模式。

針對(duì)本工程，根據(jù)隧道斷面、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件，考慮工程安全性第一的原則，并綜合考慮環(huán)境保護(hù)、 經(jīng)濟(jì)性、工期，設(shè)備制造難度以及重慶地區(qū)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)等因素，本工程盾構(gòu)機(jī)推薦采用雙模式復(fù)合盾構(gòu)(具備泥水加壓平衡模式+單護(hù)盾敞開掘進(jìn)模式)。

5 結(jié)論及建議

在深切割丘陵地貌城市軌道交通工程城區(qū)過江段采用隧道形式過江，方案可行?？紤]環(huán)評(píng)、景觀、通航影響、國防等因素，可以考慮在過主城區(qū)軌道交通建設(shè)中采用隧道形式過江。結(jié)合線路、地質(zhì)及地表建構(gòu)筑物、工程施工風(fēng)險(xiǎn)、工期以及造價(jià)等因素分析，采用隧道形式過江，工程風(fēng)險(xiǎn)及施工工期可控，過江段推薦采用盾構(gòu)法施工，該工法關(guān)鍵技術(shù)成熟，國內(nèi)外可參考案例多，工程風(fēng)險(xiǎn)及施工工期可控。實(shí)施過程中可考慮如下建議：

(1)深切割丘陵地貌城市地區(qū)，采用隧道過江方案重點(diǎn)在于控制隧道最小埋深，優(yōu)化線路走向保證線路爬升坡度，優(yōu)化車站布置位置(主要是出入口位置)以提升軌道交通服務(wù)功能。

(2)具體項(xiàng)目中可以研究考慮加大車輛爬坡能力，通過車輛性能提升來減小兩岸車站的埋深。

(3)通過對(duì)過江段區(qū)間隧道建設(shè)條件的分析及線站位方案研究，可進(jìn)一步探索采用隧道過江方案實(shí)現(xiàn)城軌快線線自身互聯(lián)互通、與鄰近軌道交通接駁換乘以及自身城軌快線兩端車站埋深適中等功能需求。

(4)過江段區(qū)間隧道推薦采用盾構(gòu)法方案。其中，隧道斷面主要采用雙洞單線形式，過江段隧道最小覆巖厚度采用單倍洞徑；盾構(gòu)隧道推薦采用復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)(具備敞開式+泥水加壓平衡式復(fù)合模式)。

(5)兩江段水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，鉆探等工作實(shí)施起來較陸域段存在一定難度，但對(duì)過江段技術(shù)方案至關(guān)重要，建議根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況適時(shí)開展兩江過江段地質(zhì)勘察工作。

(6)過江隧道隧道最小覆巖厚度的確定與兩江河道百年沖刷深度密切相關(guān)。建議具體項(xiàng)目需開展針對(duì)本工程的推演分析以提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。