滬渝蓉高速鐵路崇太長(zhǎng)江隧道關(guān)鍵技術(shù)探討

馬志富

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

引言

隨著我國(guó)隧道工程技術(shù)的快速發(fā)展，越江隧道建設(shè)數(shù)量越來越多，肖明清[1-3]等對(duì)武漢長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)形式、武漢三陽路公鐵合建長(zhǎng)江隧道，以及淮南—南京—上海1 000 kV交流特高壓蘇通GIL管廊工程隧道進(jìn)行了專題研究；曹文紅等[4]對(duì)超大特長(zhǎng)盾構(gòu)法施工的上海長(zhǎng)江公路隧道工程進(jìn)行了系統(tǒng)研究。上述穿越長(zhǎng)江的隧道工程涉及市政道路、地鐵、公路及管廊等不同功能的隧道。但截至目前，長(zhǎng)江中下游尚無高速鐵路越江隧道的實(shí)際工程案例，由于高速鐵路對(duì)土建結(jié)構(gòu)的平順性和穩(wěn)定性要求高，在長(zhǎng)江下游寬闊水域松軟地層中修建高速鐵路隧道，進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)可靠性、超長(zhǎng)距離獨(dú)頭施工和特長(zhǎng)水下隧道防災(zāi)疏散救援等系統(tǒng)研究，是十分必要的。

1 工程條件

1.1 地形地貌

隧址地貌為長(zhǎng)江三角洲沖積平原，洞身下穿長(zhǎng)江南支喇叭地段，江面寬約10.5 km，隧道南端太倉側(cè)為濱海平原地貌，北端崇明島側(cè)為河口沙咀地貌。隧道平面如圖1所示。

圖1 崇太長(zhǎng)江隧道平面示意

1.2 地層條件

擬建工程位于長(zhǎng)江口口門海陸交互地帶，地層沉積環(huán)境獨(dú)特，由長(zhǎng)江三角洲古河谷經(jīng)海平面上升后充填后而成，沉積成因包括河流沉積相、濱海湖沼相、河口灣-淺海相和水下汊道相等，其中，第四系全新統(tǒng)(Q4)厚度在17～50 m，最厚處位于河床上扁擔(dān)沙范圍，屬于全新統(tǒng)地層沉積中心，以下為上更新統(tǒng)(Q3)地層，是越江隧道洞身通過的主要地層，相關(guān)研究表明[5-7]，末次冰盛期長(zhǎng)江下切河谷低于當(dāng)今海平面50～70 m，河谷呈喇叭狀，在鎮(zhèn)江寬15 km，河口處寬120 km，其空間規(guī)模是冰后期沉積物得以良好保存的條件，冰后期海平面上升，河谷內(nèi)高速沉積，沉積速率在8 000 aBP前約1.2 cm/a，8 000 aBP后驟減為0.15 cm/a；大部分沉積層形成于15 000～8 000 aBP，沉積速率高達(dá)8～15 m/1 000 a。

隧道高程大約在海拔-70 m以上，自上而下分布有全新統(tǒng)沖積粉砂層(河床表層)、全新統(tǒng)海陸交互沉積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂和中粗砂，上更新統(tǒng)沖積粉砂、中粗砂，-50 m以下則基本為上更新統(tǒng)沖積粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土和黏土層[8]，如圖2所示。不同時(shí)期形成的地層層面呈明顯波浪狀，表明長(zhǎng)江口潮流和徑流影響了地層的形成。

圖2 隧道縱斷面示意

隧址土質(zhì)粒徑均勻、粒徑小，黏土平均含量高，砂土包含粉砂、細(xì)砂、中砂及粗砂。主沖槽以南地層自下而上韻律規(guī)則，以黏土、粉土為主，上有淤泥層，下有砂層，主沖槽以北地層則以砂為主，局部呈砂泥互層狀。

1.3 水文條件

地表水水樣水質(zhì)分析顯示均為淡水；地下水類型為第四系孔隙潛水。水體平均含沙量[9]三峽蓄水前約0.47 kg/m3；三峽蓄水后約0.16 kg/m3。

1.4 不良地質(zhì)

河床表層分布有新近沉積的②76粉砂，存在地震液化問題。場(chǎng)區(qū)有形成并局部富集淺層氣的條件，個(gè)別鉆孔也揭示到了淺層氣外溢現(xiàn)象。

1.5 河道沖刷

經(jīng)長(zhǎng)期自然演變和人工治理，河道平面形態(tài)、灘槽格局趨于穩(wěn)定，隧道線位河道斷面沖刷深槽低點(diǎn)根據(jù)數(shù)模、物模及河演分析確定[10-11]，流速20年、100年和300年一遇條件分別按2.6 m/s、2.7 m/s和2.75 m/s左右考慮；枯季大潮漲急條件下，七丫口線位斷面深槽流速一般在1.0～2.0 m/s。據(jù)此推算河床沖刷斷面包絡(luò)線，并按照3個(gè)低點(diǎn)進(jìn)行控制：北側(cè)新橋水道-27.0 m，南側(cè)主槽左側(cè)低點(diǎn)-49.4 m，南側(cè)主槽右側(cè)低點(diǎn)-58.2 m。江面按照300年重現(xiàn)期的水位高程為5.01 m[12]，南側(cè)主槽右側(cè)低點(diǎn)無沖刷時(shí)水深為29.3 m，地下埋深約為33.9 m，河流沖刷對(duì)隧道影響如圖3所示。

圖3 河流沖刷對(duì)隧道影響示意(單位：m)

1.6 航運(yùn)設(shè)施

隧址區(qū)范圍段的長(zhǎng)江干線航道，航道尺度為12.5 m×200 m×1 050 m[13-14]，全天候雙向通航5萬噸級(jí)海船。南岸為太倉港區(qū)，隧道下穿停泊區(qū)和過駁作業(yè)區(qū)，其上下游各約2.0 km處分布有海輪錨地，錨地計(jì)算錨擊入土深度約7.5 m。

1.7 自然保護(hù)

隧址水域?yàn)殚L(zhǎng)江刀鱭國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)核心區(qū)，分別列入上海市、太倉市生態(tài)紅線。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[15]

鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為時(shí)速350 km高速鐵路，建筑限界采用高速鐵路建筑限界，接觸網(wǎng)采用彈性懸掛，疏散救援通道寬度≮1.25 m，接觸網(wǎng)下錨等局部地段≮0.75 m，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道。隧道擬采用單洞雙線，隧道內(nèi)輪廓軌面以上內(nèi)凈空有效面積標(biāo)準(zhǔn)值為100 m2。

2.2 運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)[16]

根據(jù)鐵運(yùn)[2012]83號(hào)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》，高速鐵路線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許值偏差管理值見表1。

表1 高速鐵路線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許值偏差管理值

2.3 防災(zāi)疏散救援[17]

依據(jù)現(xiàn)行TB10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，長(zhǎng)度>10 km隧道，應(yīng)設(shè)置不少于1處緊急出口或避難所。盾構(gòu)隧道宜利用底部空間設(shè)置疏散廊道。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 長(zhǎng)江口段復(fù)雜環(huán)境河床地層動(dòng)態(tài)變化對(duì)隧道工程影響

(1)隧址處地層壓實(shí)及運(yùn)移對(duì)隧道工程影響

有研究認(rèn)為[18]，長(zhǎng)江三角洲沉降主要受基底構(gòu)造控制，河口沉積中心由松散沉積物壓實(shí)引起的沉降也是一個(gè)不容忽視的因素，它對(duì)局部產(chǎn)生的沉降作用非常明顯。三角洲基底構(gòu)造沉降是全線的、整體的，越江隧道可不單獨(dú)研究，但其穿越了1.7萬年以來形成的高沉積速率沉積層，沉積時(shí)間短、速度快，且土層壓縮性隨埋深增加明顯增大，同高程淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土壓縮性顯著低于粉土與砂土。工程百年時(shí)間跨度的地層壓實(shí)沉降值及沉降速率情況，是本隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)條件的控制因素，亦是本隧道需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

同時(shí)，由于全新統(tǒng)地層不斷沉積與壓實(shí)，河床下高含水量的軟泥向海洋方向不斷運(yùn)移[18]。對(duì)本項(xiàng)目而言，重力作用下淤泥層等軟塑-流塑狀地層的橫向位移，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生一定影響。

因此，研究在工程所在地層在使用期亦即100年時(shí)間尺度下動(dòng)態(tài)變形規(guī)律，對(duì)評(píng)價(jià)隧道工程長(zhǎng)期安全性具有重要意義，具體包括以下3個(gè)方面：

①隧道所處地層的壓實(shí)沉降及橫向位移規(guī)律特征；

②沿隧道縱向黏性土與砂類土(含粉土)的差異沉降；

③沿隧道縱向同一地層不同埋深的沉降特點(diǎn)。

(2)沖淤往復(fù)作用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響

隧址的沖刷深度大，水域段河床高程在-25 m～0，控制點(diǎn)處河床高程與極限沖刷深度對(duì)應(yīng)見表2。

表2 隧道線位控制點(diǎn)位高程及極限沖刷深度

在長(zhǎng)江漲水漲潮沖淤過程中，水位變動(dòng)、沖淤作用變化，必將導(dǎo)致河床下方地層及隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生變化，應(yīng)力變化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，需進(jìn)行專題研究分析與評(píng)估。

(3)河床表層大厚度沉積砂層液化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形影響

隧道水域段河床表層分布有新近沉積的粉砂層，砂層厚度在0～20 m，縱向覆蓋范圍約占隧道長(zhǎng)度的80%。一方面，粉細(xì)砂層在7度以上地震作用下，可能產(chǎn)生液化現(xiàn)象；另一方面，在長(zhǎng)江口波浪動(dòng)力作用下，沉積砂層表面也有液化可能。而大范圍厚層粉細(xì)砂地震液化后，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)整體變形的影響，需進(jìn)行研究與評(píng)價(jià)。

3.2 水下軟土地層隧道變形控制

(1)軟土地層盾構(gòu)掘進(jìn)隧道基底變形與結(jié)構(gòu)變形控制

前文已述，本隧道穿越地層為新近沉積土，表層的粉砂及粉土均為飽和松散層，流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，隧道通過了大段落的粉土、粉質(zhì)黏土及砂層，其中，砂層包括粉砂、細(xì)砂、中砂及粗砂層，砂層及粉土的密實(shí)度隨著深度增加而明顯增大，粉質(zhì)黏土則為軟塑狀。同一地層深度每加深10 m，標(biāo)貫錘擊數(shù)增加5～6擊，隧道工程范圍土層基本屬于高壓縮性土層。

盾構(gòu)段隧道覆土深度10～34 m。兩端洞口段隧道處于黏性土中，埋深小、壓縮性高；隧道中部為Q3砂類土，埋深較大，壓縮性相對(duì)較低。在長(zhǎng)期高速列車荷載作用下，根據(jù)不同地層的動(dòng)力響應(yīng)特征，制定隧道結(jié)構(gòu)變形控制措施，保證隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)平順性與穩(wěn)定性。

盾構(gòu)推進(jìn)過程中，機(jī)頭部位自重大，對(duì)不同深度地層必然產(chǎn)生局部不同的壓實(shí)，管片環(huán)推進(jìn)后，由于大直徑結(jié)構(gòu)自重明顯小于土體自重，因此，不同深度地層的壓實(shí)沉降及回彈不同，結(jié)構(gòu)承受的地層壓力與抗力也不同，引起的結(jié)構(gòu)變形必然有差異。研究盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)及拼裝技術(shù)，局部地層力學(xué)性質(zhì)差異明顯段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小掘進(jìn)引起不同地層的壓密沉降差，對(duì)控制地層變化引起的隧道結(jié)構(gòu)變形十分必要。

(2)高水壓下結(jié)構(gòu)變形控制

盾構(gòu)隧道位于水下20～87 m，隧道結(jié)構(gòu)承受的最大外水壓力約為0.97 MPa，擬采用盾構(gòu)隧道直徑約15 m，管片厚60 cm，環(huán)寬2 m，標(biāo)準(zhǔn)管片弧長(zhǎng)約5 m。在高水土壓力作用下，管片因拼裝位置及同步注漿效果的差異，加之接縫安裝誤差，管片間連接錯(cuò)臺(tái)，管片環(huán)橢圓度偏差，必然產(chǎn)生非對(duì)稱變形。上述非對(duì)稱變形在隧道建成后，可能隨著越江隧道工程條件變化而變化。因此，研究越江隧道結(jié)構(gòu)形式[19]，對(duì)控制結(jié)構(gòu)變形，提高結(jié)構(gòu)安全度十分必要。

3.3 超大直徑水下隧道超長(zhǎng)距離安全施工

越江隧道盾構(gòu)段長(zhǎng)約13.2 km，其中水域段約10.5 km，長(zhǎng)江江面在自然保護(hù)區(qū)紅線范圍，且航道尺度大，航運(yùn)繁忙，水面臨時(shí)圍護(hù)筑島作業(yè)不可行。針對(duì)上述情況，可選擇的工程方案有2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)相向施工采取水下對(duì)接方案和單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)獨(dú)頭掘進(jìn)施工方案，而在飽和松軟地層水下環(huán)境，盾構(gòu)對(duì)接面臨的工程風(fēng)險(xiǎn)極高，需解決設(shè)備制造和施工工藝水平兩大難題，國(guó)內(nèi)尚無類似條件的工程案例，不建議推薦。因此，水下超長(zhǎng)距離安全施工是本項(xiàng)目主要技術(shù)攻關(guān)方向。

(1)超長(zhǎng)距離掘進(jìn)盾構(gòu)主機(jī)設(shè)備

盾構(gòu)隧道通過了長(zhǎng)約8 km的砂層段，主要包括細(xì)砂、中砂，局部有粉砂、粗砂。砂層密實(shí)，砂粒石英含量高，因此，掘進(jìn)推力和扭矩大，刀具及密封系統(tǒng)易磨損[20]。盾構(gòu)一旦下井推進(jìn)后，需持續(xù)掘進(jìn)11.5 km，且不具備來自地面的檢修作業(yè)，除正常作業(yè)外，所有的設(shè)備檢查、維修、更換和調(diào)試均在隧道內(nèi)進(jìn)行。研制高可靠性主機(jī)設(shè)備和常壓換刀刀盤，做到少換甚至不換設(shè)備，是隧道順利掘進(jìn)的關(guān)鍵。

(2)超長(zhǎng)距離掘進(jìn)運(yùn)輸系統(tǒng)

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)不斷向前，洞內(nèi)泥水管路跟進(jìn)和運(yùn)輸車輛走行的距離不斷加大，需進(jìn)行嚴(yán)密的泥水系統(tǒng)和運(yùn)輸組織設(shè)計(jì)，滿足盾構(gòu)隧道超長(zhǎng)距離運(yùn)輸系統(tǒng)體系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)超長(zhǎng)距離掘進(jìn)施工通風(fēng)

直徑約15 m的超大直徑盾構(gòu)隧道，最大獨(dú)頭施工通風(fēng)長(zhǎng)度達(dá)11.5 km，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工過程中，機(jī)器散發(fā)熱量高，運(yùn)輸車輛在洞內(nèi)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)洞內(nèi)車輛數(shù)量多，煙氣排放量大，加之局部地層賦存有害氣體，專門研究施工通風(fēng)保障技術(shù)，是工程順利實(shí)施的重要支撐。

3.4 越江特長(zhǎng)隧道防災(zāi)疏散救援

現(xiàn)行防災(zāi)疏散救援規(guī)范認(rèn)為，隧道內(nèi)行駛的列車發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，應(yīng)控制列車到隧道外進(jìn)行停車疏散與救援，本隧道長(zhǎng)約14.2 km，按規(guī)范要求單洞隧道應(yīng)在洞身設(shè)置不少于1處緊急出口或避難所，滿足非火災(zāi)事故列車停車疏散與救援。

理想的緊急出口和避難所設(shè)置點(diǎn)，應(yīng)該是將隧道縱向基本等分的位置，這樣在隧道內(nèi)任意點(diǎn)停車時(shí)，能做到最不利點(diǎn)的疏散路徑短和疏散時(shí)間最短。

越江隧道單洞方案，顯然不具備中間設(shè)緊急出口或避難所的條件，但其下口型結(jié)構(gòu)內(nèi)空間，如何科學(xué)利用于疏散和救援，是本項(xiàng)目需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

同時(shí)，越江隧道工程的重要性和特殊性，除了預(yù)防列車火災(zāi)事故，還要預(yù)防洪水，預(yù)防船只自身及攜帶危險(xiǎn)品爆炸沖擊等對(duì)隧道造成的影響。

3.5 其他

隧道和航道呈立交關(guān)系，航船停泊設(shè)施條件復(fù)雜[21]，為保障隧道建成后高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，需就航運(yùn)設(shè)施對(duì)隧道影響進(jìn)行安全評(píng)估，當(dāng)評(píng)估為危險(xiǎn)的范圍時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步協(xié)商調(diào)整。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

滬渝蓉高鐵崇太長(zhǎng)江隧道屬于特長(zhǎng)水下隧道，水壓高，地層松軟，自然環(huán)境保護(hù)要求高，盾構(gòu)隧道越江段工作井之間獨(dú)頭掘進(jìn)的距離超長(zhǎng)，隧道工程技術(shù)難度極高，需研究解決的主要技術(shù)難題如下。

(1)長(zhǎng)江河口段復(fù)雜環(huán)境隧道穩(wěn)定性分析包括：新近沉積地層壓實(shí)及運(yùn)移對(duì)百年工程期變化特征；沖淤往復(fù)作用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定影響；地震作用下江底表層大厚度沉積砂層液化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形影響。

(2)水下軟土地層隧道變形控制包括：軟土地層盾構(gòu)掘進(jìn)隧道基底變形與結(jié)構(gòu)變形控制；高水壓下超大斷面隧道結(jié)構(gòu)差異變形控制。

(3)超大直徑水下隧道超長(zhǎng)距離安全施工包括：超長(zhǎng)距離掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)的可靠；超長(zhǎng)距離掘進(jìn)運(yùn)輸系統(tǒng)的配套；超長(zhǎng)距離掘進(jìn)施工通風(fēng)的保障。

(4)特長(zhǎng)越江隧道防災(zāi)疏散救援包括：盾構(gòu)隧道底部空間的利用；其他災(zāi)害的預(yù)防與控制。

4.2 建議

長(zhǎng)江是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最活躍的水道，自江陰至入?？陂L(zhǎng)約220 km的河口段，處于長(zhǎng)江社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分突出的地區(qū)，按照國(guó)家發(fā)改委《長(zhǎng)江干線過江通道布局規(guī)劃(2020—2035年)》，該地區(qū)越江通道建設(shè)主要以隧道工程為主。崇太長(zhǎng)江隧道關(guān)鍵技術(shù)問題的研究，對(duì)保障高速鐵路越江隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)安全具有重要的技術(shù)支撐作用，對(duì)促進(jìn)該地區(qū)鐵路工程發(fā)展具有重要意義。