廣湛高鐵湛江灣海底隧道方案比選與盾構(gòu)機(jī)選型研究

唐國(guó)榮，齊 春

(1.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 概述

隨著我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，跨越江河、湖(海)灣工程越來(lái)越多，水下隧道具有選線不受通航凈空條件限制、施工對(duì)地面環(huán)境和景觀影響小、運(yùn)營(yíng)不受惡劣氣候條件影響等優(yōu)點(diǎn)，水下隧道日益成為高鐵跨江越海工程的優(yōu)先選擇。盾構(gòu)法掘進(jìn)速度快、成洞質(zhì)量高、作業(yè)環(huán)境好、安全性高、地層適應(yīng)能力強(qiáng)，是目前大斷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構(gòu)法修建[1-3]。

國(guó)內(nèi)大量專家和學(xué)者從設(shè)計(jì)、施工、裝備制造等方面開(kāi)展研究，解決了大直徑水下盾構(gòu)隧道修建中的諸多問(wèn)題。以南京長(zhǎng)江隧道、廣深港高鐵獅子洋隧道、武漢三陽(yáng)路隧道、上海長(zhǎng)江隧道等為代表的大直徑水下盾構(gòu)隧道的建成運(yùn)營(yíng)表明我國(guó)在大直徑水下盾構(gòu)隧道修建領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先水平。郭信君等[4]分析了南京長(zhǎng)江隧道施工重難點(diǎn)問(wèn)題，系統(tǒng)總結(jié)了大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)與接收、淺覆土施工、帶壓換刀等施工關(guān)鍵技術(shù)；肖明清等[8]依托武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道，結(jié)合公鐵交通方式不同的技術(shù)要求及防災(zāi)疏散救援的相互影響，確定了合理的工程總體方案；肖明清等[9]結(jié)合佛莞城際鐵路獅子洋隧道對(duì)隧道采用單雙洞方案、防災(zāi)疏散救援方案、盾構(gòu)機(jī)類型選擇等方面進(jìn)行了研究；陳健等[10]對(duì)南京長(zhǎng)江隧道和揚(yáng)州瘦西湖城市隧道穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等復(fù)雜地層的全斷面黏土地層高效環(huán)流及出渣、江中高水壓、超薄強(qiáng)透水地層長(zhǎng)距離掘進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)；肖明清，洪開(kāi)榮等[5-7]對(duì)國(guó)內(nèi)典型水下隧道工程設(shè)計(jì)、施工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)；王吉云[12]以實(shí)際工程為背景，對(duì)近十年來(lái)中國(guó)超大直徑盾構(gòu)隧道的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)探討；陳仁東、吳金剛[12-13]依托媽灣跨海通道前海灣隧道提出了“水陸并重、綜合比選”的隧道工法比選原則，并提出隧道總體設(shè)計(jì)與工法分區(qū)方案；佘才高[14]以南京地鐵3號(hào)、10號(hào)線過(guò)長(zhǎng)江隧道為背景，在國(guó)內(nèi)地鐵行業(yè)首次提出采用單洞雙線大直徑盾構(gòu)隧道的斷面形式；彭祖昭等[15]基于壓力拱理論研究了水下隧道合理覆巖厚度，并依托佛莞城際獅子洋隧道工程進(jìn)行了驗(yàn)證；晏啟祥等[16]以國(guó)內(nèi)大型水下盾構(gòu)隧道的構(gòu)造設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)外典型盾構(gòu)工程實(shí)例，對(duì)我國(guó)水下盾構(gòu)隧道襯砌構(gòu)造設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，為設(shè)計(jì)提供了借鑒和指導(dǎo)；陳昂等[17]結(jié)合水下盾構(gòu)隧道技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，梳理了瓊州海峽跨海隧道方案實(shí)施需要解決的主要問(wèn)題并初步提出解決方法和路徑。

廣(州)至湛(江)高速鐵路長(zhǎng)約401 km，起點(diǎn)廣州站，終點(diǎn)湛江北站，是國(guó)家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)，350 km/h沿海鐵路客運(yùn)通道的重要組成部分。湛江灣海底隧道是全線控制性工程，采用明挖法+盾構(gòu)法施工，具有斷面大、掘進(jìn)距離長(zhǎng)、高水壓、鄰近建(構(gòu))筑物多、周圍環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，工程面臨工期緊張、第三方風(fēng)險(xiǎn)高、盾構(gòu)開(kāi)挖穩(wěn)定性控制難、盾構(gòu)設(shè)備長(zhǎng)距離掘進(jìn)耐高壓、耐腐蝕、可靠性要求高和刀盤結(jié)泥餅、糊刀問(wèn)題突出等難題。如何合理確定設(shè)計(jì)方案，并明確大直徑、高水壓、長(zhǎng)距離掘進(jìn)條件下盾構(gòu)機(jī)的選型與適應(yīng)性，是亟待解決的問(wèn)題。本文從越海通道位置選取、隧道分合修、不同盾構(gòu)段長(zhǎng)度和盾構(gòu)臺(tái)數(shù)等方面綜合比選設(shè)計(jì)方案，并研究了大直徑、高水壓、長(zhǎng)距離掘進(jìn)等條件下盾構(gòu)機(jī)的選型與適應(yīng)性，研究結(jié)論可為類似跨江越海工程提供參考。

2 工程概況

湛江灣海底隧道位于廣湛高鐵湛江東站(預(yù)留)—湛江北站區(qū)間，長(zhǎng)約8.3 km，拱頂最大埋深約31 m，最大水深約21 m，主要穿越粉質(zhì)黏土地層，局部穿越中砂、粗砂。設(shè)計(jì)行車速度250 km/h，采用盾構(gòu)法+明挖法施工。隧道中部水域段約2.5 km，其余為陸域段，下穿水域段左側(cè)60～260 m位置為湛江海灣大橋。隧道進(jìn)口位于海東新區(qū)奮勇大道幸福五局小區(qū)前綠化帶，出口位于樂(lè)山路—椹川大道—湖光快線交叉口以西空地，進(jìn)出口均順接路基U形槽。隧道平面位置和縱斷面如圖1、圖2所示，工程地質(zhì)條件、水文與航道條件可參考文獻(xiàn)[18]。

圖1 湛江灣海底隧道總平面示意

圖2 湛江灣海底隧道地質(zhì)縱斷

2 線路設(shè)計(jì)控制因素

2.1 平面控制因素

2.1.1 過(guò)海通道

湛江市城市空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃為“一灣兩岸、一核四軸、多組團(tuán)”布局。目前，湛江海灣大橋?yàn)檫B接湛江市東西兩岸唯一的跨海陸上通道。考慮城市規(guī)劃干擾、既有建筑物拆遷、海灣航道影響等因素，線路盡量選擇沿既有道路通道敷設(shè)方式通過(guò)湛江海灣及主城區(qū)。

經(jīng)多方案比選后采用隧道方案，于湛江海灣大橋北側(cè)穿越湛江灣后沿樂(lè)山路通道前進(jìn)。

2.1.2 湛江海灣大橋匝道橋

隧道在海西側(cè)中澳友誼花園上岸后，與湛江海灣大橋—海濱大道匝道橋墩近接，如圖3所示。由于鐵路線路與匝道橋斜交，線路不可避免地從兩橋墩之間穿越。為避免線路一側(cè)距離橋墩過(guò)近，隧道盡量沿兩橋墩之間等距布置。

圖3 湛江海灣大橋匝道橋與線路平面位置關(guān)系

2.1.3 樂(lè)山路沿線建(構(gòu))筑物及管線

樂(lè)山路為湛江市主干道，兩旁建筑物密集。為盡量遠(yuǎn)離道路兩側(cè)建筑物，減少施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)的影響，隧道沿道路中線敷設(shè)。

2.2 縱斷面控制因素

2.2.1 線路坡度要求

根據(jù)文獻(xiàn)[19]，線路縱坡不宜大于20‰，困難條件下不應(yīng)大于30‰。

2.2.2 隧道覆土要求

施工階段覆土厚度主要受盾構(gòu)掘進(jìn)安全和抗浮要求控制。通過(guò)工程類比，按覆土厚度一般不小于1D(D為管片外徑)、特殊情況下不小于0.7D控制。運(yùn)營(yíng)階段覆土厚度需滿足300年一遇沖刷深度、航道通航要求和錨擊入土深度條件下的抗浮要求。

2.2.3 地下管線

沿線敷設(shè)的管線眾多，對(duì)本工程影響較大的主要是洞身電力管線和出口處給排水管線。

隧道在DK413+600和DK414+230附近分別與220 kV和110 kV電纜平面交叉。兩處電纜均采用頂管施工，根據(jù)物探資料，管頂埋深分別為12.8 m和13.8 m。

沿湖光快線—樂(lè)山路敷設(shè)的DN1800給水管在DK416+050附近與隧道結(jié)構(gòu)有交叉，如圖4所示。

圖4 DN1800給水管與線路平面位置關(guān)系

2.2.4 隧道出口附近線路高程

線路出隧道后即引入湛江北站，由于車站范圍內(nèi)在建湛江大道下穿鐵路，需在滿足立交凈空條件下確定車站高程，進(jìn)而影響本隧縱斷面。

3 方案研究與比選

3.1 研究方案綜述

對(duì)隧道分合修、不同盾構(gòu)段長(zhǎng)度、不同盾構(gòu)臺(tái)數(shù)等方案進(jìn)行綜合比選。受專業(yè)接口和場(chǎng)地條件所限，各方案隧道進(jìn)口里程DK407+850，出口里程DK416+130，隧道長(zhǎng)8 280 m。

3.1.1 4 km盾構(gòu)合修方案

隧道采用合修方案，盾構(gòu)段長(zhǎng)4 038 m，采用1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)從小里程向大里程掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道管片外徑13.8 m，內(nèi)徑12.6 m，斷面如圖5所示。

圖5 合修方案隧道斷面布置(單位：cm)

3.1.2 4 km盾構(gòu)分修方案

盾構(gòu)段分修，左線平面同合修方案，右線按結(jié)構(gòu)凈距并行段不小于1.0D、盾構(gòu)井處不小于0.5D設(shè)計(jì)，明挖段適應(yīng)線間距采用分修或合修。盾構(gòu)段長(zhǎng)2×4 022 m，左右線各采用1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)從小里程向大里程掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道管片外徑10.3 m，內(nèi)徑9.3 m，左右線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)橫通道。

3.1.3 6.5 km盾構(gòu)合修方案

隧道采用合修方案，盾構(gòu)段長(zhǎng)6 507 m，采用1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)從小里程向大里程掘進(jìn)。

3.1.4 7.5 km盾構(gòu)合修方案

隧道采用合修方案，盾構(gòu)段長(zhǎng)7 488 m，采用2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)分別從隧道兩端相向掘進(jìn)至中間井后解體吊出，進(jìn)、出口端盾構(gòu)段分別長(zhǎng)4 176 m和3 312 m。

3.2 隧道分/合修方案比選

以4 km盾構(gòu)合修方案和4 km盾構(gòu)分修方案為例進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 合修方案

考慮盡量縮短盾構(gòu)段長(zhǎng)度以縮短隧道建設(shè)工期，因此隧道在穿越湛江灣后盡快爬升以滿足盾構(gòu)接收井設(shè)井所需的覆土厚度要求。同時(shí)，盾構(gòu)井平面上不能距離湛江海灣大橋臺(tái)尾過(guò)近，以免交通疏解困難。

本方案設(shè)置2座盾構(gòu)井，始發(fā)井設(shè)置于湛江奧體中心停車場(chǎng)，如圖6所示；接收井設(shè)置于溢香國(guó)際酒店門前樂(lè)山路，如圖7所示。隧道進(jìn)口明挖段長(zhǎng)1 447 m，出口明挖段長(zhǎng)2 795 m，中間盾構(gòu)段長(zhǎng)4 038 m。

圖6 盾構(gòu)始發(fā)井位置

圖7 盾構(gòu)接收井位置

3.2.2 分修方案

盾構(gòu)井設(shè)置的考慮因素同合修方案。本方案設(shè)置2座盾構(gòu)井，其中始發(fā)井設(shè)置于湛江奧體中心停車場(chǎng)，如圖8所示；接收井設(shè)置于溢香國(guó)際酒店門前樂(lè)山路，如圖9所示。隧道進(jìn)口明挖段長(zhǎng)1 424 m，出口明挖段長(zhǎng)2 834 m，中間盾構(gòu)段長(zhǎng)4 022 m。

圖8 盾構(gòu)始發(fā)井位置

圖9 盾構(gòu)接收井位置

3.2.3 分合修方案綜合對(duì)比

(1)工期和投資：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。分修投資較合修多6.42億元，合修方案投資方面優(yōu)勢(shì)明顯。

(2)施工和運(yùn)營(yíng)安全性：合修方案斷面大，施工風(fēng)險(xiǎn)更高，但目前國(guó)內(nèi)大斷面盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn)豐富，施工風(fēng)險(xiǎn)可控；分修方案需設(shè)置多個(gè)聯(lián)絡(luò)橫通道，水下黏土和砂土中橫通道施工風(fēng)險(xiǎn)高，橫通道處運(yùn)營(yíng)期滲漏水風(fēng)險(xiǎn)高；分修方案基坑寬度達(dá)19～32 m，盾構(gòu)井處更寬達(dá)42 m，且基坑位于中心城區(qū)，施工風(fēng)險(xiǎn)極高；隧道近接海灣大橋匝道橋3處橋墩，最近處結(jié)構(gòu)凈距僅約0.9 m，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。

(3)防災(zāi)疏散救援：分修方案雙洞間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，疏散和救援條件更好；合修方案也滿足疏散救援要求。

(4)交通疏解和施工場(chǎng)地條件：分合修方案盾構(gòu)接收井均位于湛江海灣大橋臺(tái)尾附近，上下橋車流與樂(lè)山路車流交織，對(duì)交通影響非常大且施工場(chǎng)地緊張。合修方案占地少，相對(duì)而言影響更小。

(5)第三方影響及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)：分合修方案明挖段均較長(zhǎng)，尤其是出口端長(zhǎng)距離占用湛江市交通繁忙、高層建筑物林立的主干道樂(lè)山路，對(duì)建(構(gòu))筑物和交通影響大，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)高。相較而言，合修方案因占地更小，影響較分修小。

(6)綜上，推薦采用合修方案。

3.3 長(zhǎng)/短盾構(gòu)方案比選

延長(zhǎng)盾構(gòu)段長(zhǎng)度可降低明挖施工對(duì)城市交通和沿線密集建筑物、地下管線的影響。因此以4 km盾構(gòu)合修方案和6.5 km盾構(gòu)合修方案為例，對(duì)長(zhǎng)、短盾構(gòu)段方案進(jìn)行比較。

3.3.1 短盾構(gòu)方案

方案即為4 km盾構(gòu)合修方案。

3.3.2 長(zhǎng)盾構(gòu)方案

方案為6.5 km盾構(gòu)合修方案。本方案共設(shè)置2座盾構(gòu)井，其中始發(fā)井設(shè)置于湛江奧體中心停車場(chǎng)；接收井設(shè)置于椹川大道—樂(lè)山路—湖光快線交叉口以東，云逸酒店門前樂(lè)山路中央，如圖10所示。隧道進(jìn)口明挖段長(zhǎng)1 479 m，出口明挖段長(zhǎng)294 m，中間盾構(gòu)段長(zhǎng)6 507 m。

圖10 盾構(gòu)接收井位置

3.3.3 長(zhǎng)/短盾構(gòu)方案綜合對(duì)比

(1)隧道長(zhǎng)度：長(zhǎng)、短盾構(gòu)方案盾構(gòu)段分別長(zhǎng)6 507，4 038 m。

(2)工期和投資：長(zhǎng)盾構(gòu)方案44.92月，短盾構(gòu)方案34.19月，長(zhǎng)盾構(gòu)方案工期優(yōu)勢(shì)明顯。短盾構(gòu)方案投資較長(zhǎng)盾構(gòu)多2.07億元

(3)施工和運(yùn)營(yíng)安全性：短盾構(gòu)方案明挖段落長(zhǎng)且位于城市主干道樂(lè)山路，深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)高；相比而言長(zhǎng)盾構(gòu)方案施工安全性更好。

(4)交通疏解和施工場(chǎng)地條件：短盾構(gòu)方案盾構(gòu)接收井均位于湛江海灣大橋臺(tái)尾附近，上下橋車流與樂(lè)山路車流交織，對(duì)交通影響非常大且施工場(chǎng)地緊張。

(5)第三方影響及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)：短盾構(gòu)方案明挖段落長(zhǎng)，尤其是出口端長(zhǎng)距離占用湛江市交通繁忙、高層建筑物林立的主干道樂(lè)山路，對(duì)建(構(gòu))筑物和交通影響大，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)高。相較而言，長(zhǎng)盾構(gòu)方案的影響更小。

(6)綜上，推薦采用長(zhǎng)盾構(gòu)方案。

3.4 一/二臺(tái)盾構(gòu)方案比選

結(jié)合全線施組、豎井條件和投資等，以6.5 km盾構(gòu)合修方案和7.5 km盾構(gòu)合修方案為例對(duì)一臺(tái)盾構(gòu)方案和二臺(tái)盾構(gòu)方案進(jìn)行比較。

3.4.1 一臺(tái)盾構(gòu)方案1

方案即為6.5 km盾構(gòu)合修方案。

3.4.2 一臺(tái)盾構(gòu)方案2

方案與7.5 km盾構(gòu)合修方案基本相同，但不設(shè)置中間井，采用1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)從小里程向大里程掘進(jìn)。

經(jīng)研究，本方案工期49.29個(gè)月，總工期超出控制工期，方案不可行。

3.4.3 二臺(tái)盾構(gòu)方案

方案為7.5 km盾構(gòu)合修方案。本方案共設(shè)置3座盾構(gòu)井，其中進(jìn)口端始發(fā)井設(shè)置于湛江交投集團(tuán)與東旺大道之間綠化帶，如圖11所示；出口端始發(fā)井設(shè)置于樂(lè)山路—椹川大道路口東側(cè)。中間接收井的位置應(yīng)當(dāng)盡量保證2臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)長(zhǎng)度均衡以縮短工期，同時(shí)應(yīng)滿足施工場(chǎng)地條件。經(jīng)比選后設(shè)置于中澳友誼花園內(nèi)，如圖12所示。

圖11 進(jìn)口端始發(fā)井位置

圖12 中間接收井位置

3.4.4 一/二臺(tái)盾構(gòu)方案綜合對(duì)比

(1)隧道長(zhǎng)度：一、二臺(tái)盾構(gòu)方案盾構(gòu)段分別長(zhǎng)6 507、(4 176+3 312)m。

(2)工期和投資：一臺(tái)盾構(gòu)方案44.92月，二臺(tái)盾構(gòu)方案34.79月，二臺(tái)盾構(gòu)方案工期優(yōu)勢(shì)明顯。二臺(tái)盾構(gòu)方案投資較一臺(tái)盾構(gòu)多1.27億元，且前期投入盾構(gòu)機(jī)的費(fèi)用高，每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離相對(duì)較短，盾構(gòu)機(jī)利用率低，施工單位較難接受。

(3)施工和運(yùn)營(yíng)安全性：兩個(gè)方案下穿樂(lè)山路段均為盾構(gòu)區(qū)段，安全性相同；進(jìn)口明挖段長(zhǎng)度不同，但沿線建(構(gòu))筑物分布少且距離線路較遠(yuǎn)，風(fēng)險(xiǎn)較低；二臺(tái)盾構(gòu)方案中間接收井基坑深達(dá)31.33 m，地下連續(xù)墻深達(dá)56 m。且接收井緊鄰湛江灣水域，地下水位高且與湛江灣存在水力聯(lián)通，且臨近湛江海灣大橋；施工風(fēng)險(xiǎn)極高。相比而言單盾構(gòu)方案施工安全性更好。

(4)交通疏解和施工場(chǎng)地條件：二臺(tái)盾構(gòu)方案多1個(gè)中間井，但該井位于公園內(nèi)，周邊場(chǎng)地可滿足施工要求。二臺(tái)盾構(gòu)方案的2號(hào)始發(fā)井與一臺(tái)盾構(gòu)方案的接收井平面位置相同，但作為始發(fā)井對(duì)場(chǎng)地面積要求更高，此處難以滿足。進(jìn)口端交通流量較小，兩個(gè)方案的交通疏解差異不大。

(5)綜上，推薦采用一臺(tái)盾構(gòu)方案。

3.5 隧道推薦方案

根據(jù)以上分析，本隧道推薦采用6.5 km長(zhǎng)盾構(gòu)合修方案。隧道全長(zhǎng)8 280 m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)6 507 m，管片外徑13.8 m，內(nèi)徑12.6 m，采用1臺(tái)盾構(gòu)由小里程向大里程掘進(jìn)；盾構(gòu)始發(fā)井位于湛江奧體中心停車場(chǎng)，接收井位于椹川大道—樂(lè)山路—湖光快線交叉口以東，云逸酒店門前樂(lè)山路中央。

4 盾構(gòu)機(jī)選型與適應(yīng)性研究

4.1 盾構(gòu)機(jī)選型

根據(jù)本工程特點(diǎn)，結(jié)合以往類似工程的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，可供選擇的盾構(gòu)機(jī)有土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。

本隧盾構(gòu)段主要穿越粉質(zhì)黏土，部分段落夾中、粗砂，地層強(qiáng)度較低。從地層條件和設(shè)備適應(yīng)能力分析，兩種類型的盾構(gòu)均可采用。

根據(jù)地勘報(bào)告，隧道通過(guò)地層粉質(zhì)黏土和砂土的滲透系數(shù)分別為5.8×10-7，1.8×10-4m/s。從地層滲透性角度，兩種類型的盾構(gòu)均可采用。考慮到水域段中、粗砂層水量豐富，滲透性較好，與地表水體有水力聯(lián)系，采用泥水平衡盾構(gòu)更為可靠、合理。

土壓平衡盾構(gòu)采用螺旋輸送機(jī)排土，設(shè)備密閉性和止水性較差，一般適用于水壓較低的地層，若地層水壓過(guò)大則施工風(fēng)險(xiǎn)太高甚至無(wú)法施工；泥水平衡盾構(gòu)采用泥漿管道出渣，設(shè)備密閉性和止水性較高，對(duì)水壓高的地層適應(yīng)性好。相關(guān)規(guī)范[20]規(guī)定，當(dāng)?shù)叵滤^壓力大于0.3 MPa時(shí)，宜選用泥水平衡盾構(gòu)。本隧最大水壓約0.6 MPa，宜選用泥水平衡盾構(gòu)。

隧道兩側(cè)建(構(gòu))筑物密集，對(duì)隧道施工引起的地表變形控制要求高，選用泥水平衡盾構(gòu)更適合。

此外，泥水平衡盾構(gòu)是國(guó)內(nèi)外軟土地層中修建大直徑水下隧道的主導(dǎo)機(jī)型，在超大直徑、超長(zhǎng)距離、高水壓水(海)底隧道盾構(gòu)方案選型中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

綜上，推薦本隧采用泥水平衡盾構(gòu)施工。

4.2 盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性研究

本隧道盾構(gòu)開(kāi)挖斷面大于14 m，獨(dú)頭掘進(jìn)約6.5 km，主要穿越粉質(zhì)黏土地層，最大水壓約6 bar，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性的要求主要為以下幾個(gè)方面：大直徑盾構(gòu)開(kāi)挖穩(wěn)定性的控制；盾構(gòu)設(shè)備長(zhǎng)距離掘進(jìn)的耐高壓、耐腐蝕、高可靠性；解決刀盤結(jié)泥餅、糊刀等問(wèn)題。

4.2.1 大直徑泥水盾構(gòu)適應(yīng)性

目前國(guó)內(nèi)外采用盾構(gòu)法施工的大斷面水下隧道工程數(shù)量較多，尤其在公路、市政領(lǐng)域已建成多條大直徑隧道工程。大斷面、高水壓、長(zhǎng)距離水下盾構(gòu)隧道在裝備制造、設(shè)計(jì)施工等方面均有較豐富的經(jīng)驗(yàn)，有成功案例可供借鑒。

本隧道穿越地層主要為Q4m+al粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂，Q1+2+3粉質(zhì)黏土等地層，相對(duì)簡(jiǎn)單，適合盾構(gòu)法施工。通過(guò)選用泥水平衡盾構(gòu)，控制開(kāi)挖面水土壓力平衡，可解決大斷面引起的掌子面穩(wěn)定等問(wèn)題。

4.2.2 高水壓、長(zhǎng)距離隧道施工適應(yīng)性

盾構(gòu)機(jī)的密封主要集中在主驅(qū)動(dòng)和盾尾部位，高水壓、長(zhǎng)距離海底隧道施工中主驅(qū)動(dòng)和盾尾密封的高可靠性是隧道工程安全的關(guān)鍵。結(jié)合本隧道地質(zhì)條件，盾構(gòu)設(shè)備制造時(shí)應(yīng)提高主驅(qū)動(dòng)密封、盾尾密封的安全系數(shù)，留有適度的安全冗余，提高承壓能力。目前我國(guó)具有承受高水壓(10 bar)盾構(gòu)設(shè)備制造能力。

刀盤刀具布置、主驅(qū)動(dòng)密封和盾尾密封刷的材料及結(jié)構(gòu)型式是延長(zhǎng)主驅(qū)動(dòng)和盾尾密封使用壽命的措施，以減少水下?lián)Q刀頻次，并配備緊急情況下安全裝置，確保施工安全。

目前超大直徑盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)使用壽命均大于10 km，設(shè)備關(guān)鍵部件均能滿足長(zhǎng)距離掘進(jìn)的需求。

4.2.3 本工程盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)建議

(1)高承壓主驅(qū)動(dòng)及盾尾密封設(shè)計(jì)

高承壓主驅(qū)動(dòng)密封現(xiàn)有兩種設(shè)計(jì)方案，如圖13所示。方案1為采用多道橡膠唇形密封，通過(guò)向每道密封腔內(nèi)注入密封油脂，實(shí)現(xiàn)承壓能力需求，其中每道密封腔所需注入油脂的壓力可由電氣控制系統(tǒng)根據(jù)泥水艙內(nèi)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，確保密封的可靠性；方案2為采用聚氨酯密封，實(shí)現(xiàn)承壓能力需求。

圖13 盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)的兩種密封方案

盾尾密封可按4道加強(qiáng)型密封刷+1道密封鋼板束設(shè)計(jì)，其中前3道密封刷采用螺栓連接的方式，方便更換，如圖14所示。通過(guò)向每道盾尾密封腔內(nèi)注入盾尾油脂，滿足承壓能力需求。

圖14 盾尾密封布置

另外，盾尾密封應(yīng)設(shè)計(jì)有應(yīng)急措施，預(yù)留冷凍管路及聚氨酯注入管路，以實(shí)現(xiàn)緊急情況下的盾尾密封。

(2)刀盤選型及刀具配置

長(zhǎng)距離隧道掘進(jìn)施工中換刀不可避免，考慮本隧道水壓高，刀盤設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮加強(qiáng)刀具使用壽命，同時(shí)配置常壓換刀功能，以盡量減少換刀次數(shù)，降低換刀作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。由于本隧道地勘未揭示巖層，推薦采用常壓軟土刀盤設(shè)計(jì)，刀盤配置常壓可更換齒刀、切刀，如圖15所示。針對(duì)類似工程中出現(xiàn)的常壓刀盤在黏土地層中容易結(jié)泥餅的問(wèn)題，要合理設(shè)計(jì)刀盤開(kāi)口率，并加強(qiáng)刀盤、刀具沖刷措施。

圖15 常壓軟土刀盤及可更換切刀、齒刀

(3)長(zhǎng)距離掘進(jìn)耐磨性措施

盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)，刀盤、刀具及泥漿環(huán)流系統(tǒng)各部件的磨損不可避免，為降低因刀盤、刀具、泥漿環(huán)流系統(tǒng)部件磨損后更換造成工期延誤的風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)加強(qiáng)刀盤、刀具、泥漿環(huán)流系統(tǒng)的耐磨措施。

①刀盤耐磨措施

刀盤外周加焊鑲嵌合金耐磨環(huán)，同時(shí)在刀盤鋼結(jié)構(gòu)上增加耐磨焊網(wǎng)格，如圖16所示。刀盤正面設(shè)計(jì)耐磨復(fù)合鋼板，增強(qiáng)其抗磨損能力，如圖17所示。

圖16 刀盤合金耐磨環(huán)及耐磨網(wǎng)格

圖17 刀盤復(fù)合耐磨鋼板

②刀具耐磨及刀座保護(hù)措施

切刀、邊緣刮刀采用大塊合金設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)刀座保護(hù)機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)切刀、邊緣刮刀的抗磨損能力及防脫落能力，如圖18所示。同時(shí)，配置連續(xù)式刀具磨損檢測(cè)裝置，以更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)刀具磨損情況，減少無(wú)效進(jìn)倉(cāng)換刀作業(yè)。

圖18 刀具耐磨及刀座保護(hù)措施

③泥漿環(huán)流系統(tǒng)部件耐磨措施

泥漿管路應(yīng)針對(duì)性加強(qiáng)耐磨措施，例如加大管道壁厚，管道內(nèi)壁增設(shè)耐磨焊，管道內(nèi)澆筑耐磨合金鋼等方法。泥漿泵、泥漿閥采用國(guó)內(nèi)外知名品牌，易磨損部位采用特殊材料制作。

5 結(jié)論

本文提出了大斷面、長(zhǎng)距離、高水壓、穿越城市密集建成區(qū)水下隧道工程設(shè)置方案的研究思路，得出以下結(jié)論。

(1)為避免在軟弱、透水地層中修建多處聯(lián)絡(luò)橫通道，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營(yíng)期滲漏水風(fēng)險(xiǎn)，并減小中心城區(qū)施工的影響，且降低投資，推薦本隧道采用單洞雙線合修方案。

(2)從減小明挖施工對(duì)城市主干道及周邊環(huán)境的影響、施工場(chǎng)地條件和安全性及投資角度，推薦本隧道采用6.5 km長(zhǎng)盾構(gòu)隧道方案。

(3)雙盾構(gòu)方案工期優(yōu)勢(shì)明顯，但一臺(tái)盾構(gòu)也能滿足工期要求。二臺(tái)盾構(gòu)方案較一臺(tái)盾構(gòu)方案投資增加明顯，且設(shè)備前期投入大，盾構(gòu)利用率低，施工單位較難接受。同時(shí)，雙盾構(gòu)方案中間井基坑深度大，地下水位高且與湛江灣水力聯(lián)通，施工風(fēng)險(xiǎn)很高，推薦本隧道采用單臺(tái)盾構(gòu)方案。

(4)推薦本工程采用泥水平衡盾構(gòu)施工，并通過(guò)采取“加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)及盾尾密封設(shè)計(jì)，配置常壓刀盤，加強(qiáng)刀盤、刀具、泥漿環(huán)流系統(tǒng)的耐磨措施，合理設(shè)計(jì)刀盤開(kāi)口率，并加強(qiáng)刀盤、刀具沖刷措施，防止刀盤結(jié)泥餅和糊倉(cāng)”等措施，以更好地適應(yīng)大斷面、高水壓、長(zhǎng)距離掘進(jìn)粉質(zhì)黏土地層的工程特點(diǎn)。