王海林， 蔣 源， 陳 兆， 張兆遠(yuǎn)， 汪 敬

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

0 引言

隨著地下空間開(kāi)發(fā)利用高峰的來(lái)臨，在市區(qū)等繁華地區(qū)以及環(huán)境苛刻地區(qū)修建隧道的情況時(shí)有所見(jiàn)，盾構(gòu)法因其成洞質(zhì)量高、掘進(jìn)速度快、安全性佳、作業(yè)環(huán)境好、地層適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在穿江越海通道工程中得到空前的應(yīng)用和發(fā)展。目前盾構(gòu)技術(shù)正往高水壓大斷面、復(fù)雜地質(zhì)條件、超長(zhǎng)城區(qū)掘進(jìn)等方向發(fā)展[1]，其中武漢三陽(yáng)路[2]、汕頭海灣隧道[3]、濟(jì)南黃河隧道[4]、上海長(zhǎng)江隧道[5]等均為成功的工程前沿范例。

1 工程概況

根據(jù)廣東省交通廳規(guī)劃要求和佛山“十三五”規(guī)劃目標(biāo)發(fā)展需要，佛山市提出佛山一環(huán)西拓戰(zhàn)略建設(shè)，采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)兼顧城市道路功能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加快推進(jìn)佛山西部較落后區(qū)域與較發(fā)達(dá)區(qū)域的銜接，以交通融合帶動(dòng)產(chǎn)城融合。

季華路西延線作為佛山一環(huán)西拓戰(zhàn)略的重要組成部分，是佛山市中心組團(tuán)的重要西出口，它的建設(shè)對(duì)于疏導(dǎo)交通和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的作用?，F(xiàn)狀季華路終點(diǎn)到南莊碼頭止，屬斷頭路，無(wú)法最大化其城市主干道功能，打通季華路與西部區(qū)域的連接，對(duì)于形成更方便快捷的道路網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)禪城區(qū)與南海區(qū)、三水區(qū)的便捷連接有至關(guān)重要的作用。

在順德水道穿越方案的選取上，前期考慮采用橋梁上跨方案，雖然橋梁方案水上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小，但對(duì)通航干擾大，需整體搬遷南莊碼頭，且涉及大片廠房拆遷，可實(shí)施性低，因此橋梁方案在前期研究中被否定，綜合考慮后確立了盾構(gòu)隧道下穿方案。

順德水道隧道作為季華路西延線的控制性工程，也是佛山第一條超大直徑盾構(gòu)隧道，區(qū)域影響巨大，具有斷面直徑大、水壓高、覆土淺、間距小、建設(shè)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。

1.1 隧道位置及基本信息

佛山市季華路西延線工程順德水道隧道位于佛山市禪城區(qū)南莊鎮(zhèn)與丹灶鎮(zhèn)交界處，呈東西走向。線位南側(cè)約800 m處為廣明高速丹灶特大橋，線位西岸為丹灶農(nóng)林用地，線位東岸為南莊碼頭，線位北側(cè)約220 m處為規(guī)劃禪城港區(qū)禪城作業(yè)區(qū)(見(jiàn)圖1)。

隧道在順德水道西岸受基本農(nóng)田控制，路線線位調(diào)整空間小，隧道東側(cè)需順接季華路，線位唯一，因此本項(xiàng)目只有順德水道段的路線有一定的調(diào)整和優(yōu)化空間。在已明確盾構(gòu)隧道方案基礎(chǔ)上，提出了下穿南莊碼頭的K線方案(線位一)和繞避碼頭的N線方案(線位二)。

圖1 順德水道隧道平面線位圖

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

佛山市季華路西延線工程采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，兼顧城市道路功能，主線雙向6車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速80 km/h，采用盾構(gòu)隧道下穿順德水道。

1.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

隧道頂部地層主要為淤泥質(zhì)黏土夾砂及粉細(xì)砂，極易被沖刷；盾構(gòu)隧道主要位于粉細(xì)砂及砂卵石地層，透水性強(qiáng)，易突水涌沙，施工風(fēng)險(xiǎn)極大；基巖以強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及砂巖為主，強(qiáng)度為5～30 MPa。

順德水道現(xiàn)狀為Ⅲ級(jí)航道，規(guī)劃為Ⅱ級(jí)航道，通航1000t級(jí)船舶，擬建工程處河面寬約900 m，水深最深處約13 m。

地下水可劃分為上層滯水、孔隙潛水、基巖裂隙水3種類(lèi)型，各種類(lèi)型的地下水之間水利聯(lián)系緊密。河道極限沖刷專(zhuān)題研究表明，100、300 a一遇洪水條件下，隧址區(qū)最大的沖刷深度分別為5.11、6.33 m。隧道地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道縱斷面地質(zhì)剖面圖

1.4 總體設(shè)計(jì)思路

在滿足規(guī)劃要求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和交通功能定位的前提下，綜合考慮工程施工難度與風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)營(yíng)安全與風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，合理確定隧道平、縱、橫斷面，并最大程度減少征地拆遷和提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平。

2 總體方案

2.1 隧道平面

隧道平面設(shè)計(jì)的控制因素主要有：

1) 減少征用基本農(nóng)田和拆遷。征地及拆遷是城區(qū)建設(shè)項(xiàng)目的主要制約因素，本項(xiàng)目隧道東接季華路，道路兩側(cè)是大面積的廠房，西岸主要為魚(yú)塘，預(yù)留道路紅線60 m，紅線外為基本農(nóng)田。

2)雙洞盾構(gòu)隧道之間及隧道與周邊建筑物的合理凈距。根據(jù)國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)規(guī)范，一般要求并行盾構(gòu)凈距不小于1.0D(D為隧道外徑)，始發(fā)接收端可適當(dāng)減小，但應(yīng)采取措施確保施工安全。盾構(gòu)與周邊建筑物凈距盡量加大，當(dāng)必須側(cè)穿或下穿時(shí)，應(yīng)有足夠的安全措施。盾構(gòu)側(cè)穿碼頭管理用房位，隧道與其樁基礎(chǔ)之間必須留有足夠的凈空用于保護(hù)建筑物。

3) 考慮隧道下穿南莊碼頭泊位之間的合理布置。南莊碼頭為高樁框架結(jié)構(gòu)，6個(gè)泊位，岸線長(zhǎng)370 m。線位與碼頭泊位存在平面位置沖突，為盡量保證隧道運(yùn)營(yíng)期碼頭的規(guī)模容量，應(yīng)在線位平面布置時(shí)減少拆除泊位。

4)盾構(gòu)隧道段盡量設(shè)置在直線或大半徑平曲線上，避免路面設(shè)置橫向超高。隧道盾構(gòu)段需在路面橫坡高的一側(cè)設(shè)置疏散口，在低的一側(cè)設(shè)置排水溝，這就要求整個(gè)盾構(gòu)段橫坡為恒定值，因此需使用直線或者大半徑平曲線。

基于上述控制因素，設(shè)計(jì)時(shí)擬定K線(圖1中線位一)與N線(圖1中線位二)兩個(gè)線位方案。K線方案施工期間對(duì)順德水道的通航無(wú)影響。隧道線位避讓南莊碼頭辦公建筑，碼頭樁基較深，需拔樁；施工期間南莊碼頭需停止作業(yè)，施工完成后恢復(fù)；隧道下穿南莊散貨碼頭，為滿足通航管理要求，需要永久關(guān)閉2個(gè)散貨泊位。N線方案從碼頭規(guī)劃岸線范圍以外的散貨泊位下方穿過(guò)，繞避了碼頭樁基，施工期可不中斷碼頭作業(yè)，對(duì)碼頭運(yùn)營(yíng)影響較小。此方案存在以下問(wèn)題： ① 需侵占基本農(nóng)田。N線需穿越屬于基本農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的澳邊湖，湖深0～5 m，隧道線位處湖水深度0～3.8 m，隧道最小覆土厚度僅6.77 m，不滿足盾構(gòu)隧道施工期抗浮覆蓋層厚度要求。②與總體規(guī)劃綠地沖突。澳邊湖周?chē)鸀榭傮w規(guī)劃綠地，N線方案穿越規(guī)劃綠地，與區(qū)域總體的綠地規(guī)劃不符。③與南莊鎮(zhèn)規(guī)劃不符。季華路南側(cè)為廠房和店鋪，若采用N線方案，需下穿該地塊。店鋪、廠房樁基基礎(chǔ)(靜壓管樁)深度19 m，與隧道結(jié)構(gòu)沖突。

綜合考慮，推薦采用K線方案。該方案符合路網(wǎng)規(guī)劃、土地規(guī)劃、南莊鎮(zhèn)規(guī)劃及本項(xiàng)目功能定位，且工程規(guī)模和造價(jià)最優(yōu)。K線方案隧道布置如圖3所示。隧道全長(zhǎng)2 655 m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)1 472 m，西岸明挖敞開(kāi)段長(zhǎng)275 m，明挖暗埋段長(zhǎng)323 m(含工作井段28 m)；東岸明挖敞開(kāi)段長(zhǎng)290 m，明挖暗埋段長(zhǎng)295 m(含工作井段28 m)。

圖3 順德水道隧道平面布置

2.2 隧道縱斷面

縱面設(shè)計(jì)控制要素：

1) 考慮施工期間抗浮安全性和掘進(jìn)安全性的要求。施工期不考慮洪水沖刷影響，隧道最小覆土厚度為12.2 m，大于保證掘進(jìn)安全的覆土厚度0.8D。

2)考慮運(yùn)營(yíng)期間抗浮安全性的要求。運(yùn)營(yíng)期考慮洪水沖刷影響，順德水道100、300 a一遇洪水條件下最大沖刷深度分別為5.11、6.33 m，相應(yīng)的最小覆土厚度分別為8.0 m、7.2 m?？紤]極限沖刷情況下，隧道覆土應(yīng)滿足抗浮要求。

3)盾構(gòu)埋置深度大于錨擊深度。根據(jù)通航專(zhuān)題研究，錨的觸底貫入量為0.77 m，2 000 t級(jí)船舶拖錨沖擊河床后的貫入量為1.12 m。

4)航道段盾構(gòu)埋置深度大于通航要求的埋置深度。根據(jù)通航專(zhuān)題研究，順德水道按Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)整治后航道尺度為4 m×80 m×500 m(水深×航道寬度×彎曲半徑)，因此，管道滿足河道水深要求的長(zhǎng)度應(yīng)不小于80 m。

綜合上述控制條件，結(jié)合路線縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)的運(yùn)用，在盾構(gòu)段滿足河床標(biāo)高、航道疏竣及覆土厚度情況采用2.97%接-2.97%的“V”型縱坡形式，盡量縮短隧道段長(zhǎng)度，減小隧道埋深，以達(dá)到減小隧道規(guī)模的目的。

2.3 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)斷面布置與內(nèi)徑

盾構(gòu)隧道橫斷面布置需滿足建筑限界、運(yùn)營(yíng)管理設(shè)備(通風(fēng)、照明、監(jiān)控等)布置、疏散與救援、施工誤差等方面的要求，其中施工誤差一般按半徑方向富余15 cm考慮[5-6]。

隧道不設(shè)置排煙道，采用縱向通風(fēng)排煙方式，上層為道路隧道行車(chē)層，下層為救援服務(wù)層。經(jīng)綜合考慮，隧道盾構(gòu)管片外徑15.0 m、內(nèi)徑13.7 m可滿足空間布置要求，隧道橫斷面如圖4所示。

圖4 順德水道隧道盾構(gòu)段平面布置圖(單位： mm)

3 隧道關(guān)鍵技術(shù)

3.1 碼頭改建關(guān)鍵技術(shù)

南莊碼頭位于順德水道東岸，現(xiàn)為季華路西端終點(diǎn)，碼頭水工結(jié)構(gòu)為高樁框架結(jié)構(gòu)，1 000 t級(jí)泊位6個(gè)，岸線長(zhǎng)370 m，港前水深約4.5 m。南莊碼頭為佛山市最大的內(nèi)貿(mào)散貨集裝箱碼頭，也是南莊鎮(zhèn)陶瓷產(chǎn)品內(nèi)貿(mào)出貨主要碼頭，因此對(duì)南莊碼頭的改建方案直接關(guān)系到項(xiàng)目的順利實(shí)施。

如圖5所示，隧道線位下穿南莊碼頭方案主要影響下游1#、2#兩個(gè)泊位，該處隧道頂埋深在15 m左右，與碼頭樁基沖突，2個(gè)泊位占用港口岸線長(zhǎng)度130 m，需關(guān)停該2處泊位，拆除隧道上方及安全間距內(nèi)長(zhǎng)約60 m原有水工結(jié)構(gòu)。

綜合考慮隧道規(guī)模，同時(shí)將對(duì)碼頭的影響降至最低，制定了如下改建方案：①為減少對(duì)碼頭的影響，在隧道中間及兩側(cè)增加適當(dāng)樁基及上部結(jié)構(gòu),使恢復(fù)后的前沿平臺(tái)可以作為水平運(yùn)輸車(chē)輛的通道。②將隧道上方及兩側(cè)安全范圍內(nèi)的原樁基、框架結(jié)構(gòu)予以拆除，并將隧道中間及兩側(cè)的水工結(jié)構(gòu)改建成墩式結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加樁基數(shù)量，使得水工結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀。③改建后的水工結(jié)構(gòu)僅用于車(chē)輛通行，不得用于靠船進(jìn)行裝卸船作業(yè)。在改建完成的水工結(jié)構(gòu)上方設(shè)置禁止船舶靠泊標(biāo)志牌，改建后碼頭如圖6所示。

圖5 南莊碼頭與隧道位置關(guān)系剖面(單位： m)

3.2 盾構(gòu)穿堤加固關(guān)鍵技術(shù)

隧道下穿順德水道，盾構(gòu)隧道下穿羅格圍及南鐵鼎圍，東岸羅格圍堤頂最小覆土為22.8 m，西岸南鐵鼎圍堤頂最小覆土為22.3 m，盾構(gòu)隧道與羅格圍立面關(guān)系見(jiàn)圖7。

大直徑盾構(gòu)隧道穿越堤防的難點(diǎn)主要表現(xiàn)為地層易沉降、塌方，對(duì)周?chē)延薪ㄖ镉袧撛谖：π缘取Ｍ瑫r(shí)大直徑泥水盾構(gòu)在城市過(guò)江隧道施工時(shí)，城市的江河沿岸往往是中心地帶，也是城市防洪的重要屏障，關(guān)乎人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，因此保證盾構(gòu)施工過(guò)程中堤岸穩(wěn)定性至關(guān)重要。

針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中采取了如下加固措施：

1)堤防預(yù)加固。為防止在盾構(gòu)施工過(guò)程中和完工后堤防發(fā)生沉降，減少堤圍沉降和滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)，采取堤防預(yù)加固的方式進(jìn)行處理。盾構(gòu)穿越前從堤防表層由上至下進(jìn)行加固處理，處理方式為地表灌漿，加固范圍縱向?yàn)檠氐添斁€擴(kuò)大2倍隧道洞徑，橫向?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)邊線外擴(kuò)1倍隧道洞徑，注漿至隧道頂部。

圖6 改建后南莊碼頭與隧道位置關(guān)系剖面(單位： m)

圖7 盾構(gòu)隧道與羅格圍立面關(guān)系

2)拋石防護(hù)。擬建工程處于汛險(xiǎn)段范圍內(nèi)，為確保風(fēng)險(xiǎn)段安全，采取拋石防護(hù)措施，拋石防護(hù)范圍為工程上游50 m、下游100 m，橫向范圍為堤防迎水坡坡腳線向外不小于30 m。

3)沉降監(jiān)測(cè)。在隧道施工期及運(yùn)行期，對(duì)羅格圍及南鐵鼎圍典型部位進(jìn)行沉降、傾斜、裂縫監(jiān)測(cè)。發(fā)生異常情況時(shí)，應(yīng)立即停止施工，并及時(shí)上報(bào)水行政主管部門(mén)，查清原因并采取補(bǔ)救措施后，方可繼續(xù)施工。

4 結(jié)論

在復(fù)雜環(huán)境條件下進(jìn)行城區(qū)公路大直徑盾構(gòu)隧道的總體設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮各種環(huán)境條件制約因素及工程本身施工和運(yùn)營(yíng)安全要求?；诩救A路西延線工程超大直徑盾構(gòu)隧道總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的研究，得出以下結(jié)論：

1) 為充分利用寶貴的城市過(guò)江通道資源，大直徑盾構(gòu)下穿方案可作為穿江越海的優(yōu)選方式。

2) 盾構(gòu)法成洞質(zhì)量高、掘進(jìn)速度快、安全性佳、作業(yè)環(huán)境好、地層適應(yīng)能力強(qiáng)、航道影響小、

不影響城市景觀，是該類(lèi)項(xiàng)目的最佳方案。

3) 本項(xiàng)目采用縱向式通風(fēng)排煙方式可滿足隧道通風(fēng)排煙需求，故不設(shè)置排煙道；施工誤差按半徑方向富余15 cm考慮，上層為道路隧道行車(chē)層，布置3條車(chē)道；下層為救援服務(wù)層，布置疏散救援通道和管線廊道。綜合考慮本項(xiàng)目空間布置要求，隧道盾構(gòu)管片外徑采用15.0 m、內(nèi)徑采用13.7 m。

4) 隧道下穿現(xiàn)莊碼頭為佛山市最大的內(nèi)貿(mào)散貨集裝箱碼頭，設(shè)計(jì)中采取將隧道中間及兩側(cè)的水工結(jié)構(gòu)改建成墩式結(jié)構(gòu)、適當(dāng)增加樁基數(shù)量的方式，恢復(fù)前沿平臺(tái)作為水平運(yùn)輸車(chē)輛的通道，可有效保證碼頭的容量，減少對(duì)于碼頭的影響。

5)本盾構(gòu)隧道下穿羅格圍及南鐵鼎圍，堤頂最小覆土為22.3 m。針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)易造成地層沉降、塌方，危害周?chē)延薪ㄖ锏蕊L(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中采取堤防預(yù)加固、拋石防護(hù)、沉降監(jiān)測(cè)等加固措施，可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)。