佛莞城际铁路狮子洋隧道的特征

佛莞城际铁路狮子洋隧道的特征

0大直径盾构隧道的工程应用在过去的10年中，以武汉长江隧道、南京长江隧道和杭州钱江隧道为代表的大型在世界上修建和运营。上海沿江运河和武汉三阳路隧道的顺利建设，代表了中国在世界上大直径水下基础设施建设的领先水平。大量研究人员对类似大直径水下盾构隧道的工程重难点进行了分析,并有针对性地提出了设计、施工中的解决措施。如郭信君等佛莞城际铁路狮子洋隧道是第2条下穿狮子洋海域的大直径盾构隧道,具有典型的大直径、高水压、复合地层、独头掘进距离长等特点。本文以佛莞城际铁路狮子洋隧道为工程实例,对隧道平面、埋深选择、横断面比选、盾构管片结构、防水、软土抗振陷、盾构设备选型、高水压盾构开舱、耐火、救援疏散等关键设计方案进行详细阐述,以期为其他类似全断面复合地层水下隧道的设计提供借鉴。1项目总结1.1盾构法施工佛莞城际铁路狮子洋隧道是珠三角城际东西主轴线的重要控制性工程,隧道全长6.15km,水域宽度约1.8km(见图1),采用盾构法施工。该隧道具有大直径(13.1m)、高水压(最大水压0.78MPa)、地质条件复杂(全断面土岩复合地层、穿越3处破碎带和2处水下断层)、独头掘进距离长(长4.9km)、行车速度高(时速200km/h)等显著特点,是继广深港高铁狮子洋隧道之后修建的第2条下穿狮子洋海域的水下盾构隧道,是目前国内最大直径铁路盾构隧道,也是目前国内最大水压的水下盾构交通隧道。1.2厂矿企业新沙港二期工程施划狮子洋隧道工程西侧位于莲花山北侧,地块现状为农田、水塘及民居,现状控制点主要为莲花山省级风景名胜区及茭塘村;东侧位于东莞市麻涌镇,地块现状为港口、工厂及农田,现状控制点主要为广州新沙港一期、海昌码头及沿港口分布的厂矿企业,该地块规划有广州新沙港二期及麻涌镇港口产业园。越江通道所在河段基本为顺直型河段,两岸均有海堤约束河床,左岸为东莞市的四乡联围,右岸为广州番禺区的莲花围。在径潮2种动力作用下,新沙港附近河段的2处深槽并存,河道深槽兼做广州出海航道,每年都要进行疏浚维护。在新沙港建港前,线位所在河道断面宽约2.3km,建港后现宽约1.8km,深槽水深10~15m。其中东槽比西槽深,东槽深约15m,西槽深约10m。新沙港区一期工程已建成的10个泊位占用岸线2km,陆域纵深600m。新沙港区码头主体结构为直腹式格形钢板桩满堂式圆形格仓,格仓内和格仓后回填砂,格仓基础为换填密实中粗砂,码头面为现浇混凝土大板结构。1.3河槽容积大,沙量大隧址位置海域水文具有以下主要特点:1)狮子洋水域多水道汇流,径潮交汇,既有径流型河口,又有潮流型河口,动力十分复杂;2)径流量大,含沙量小,总输沙量大,潮流二次搬沙作用对塑造河床形态起着重要作用;3)河槽容积大,潮差虽小,进潮量、潮汐作用十分显著,涨潮流势强劲;4)受台风影响,水域增水明显,在湾口地形影响下,增水由伶仃洋至上游狮子洋呈逐渐递增。经洪、中、枯、风暴潮实测潮型分析,狮子洋水域洪水期水位明显抬高,受径流影响明显,台风期增水明显,300年一遇设计洪潮高水位为3.37m,设计低水位为-2.26m。1.4河道深浚线走向根据狮子洋水域二维数值模拟与河工模型试验专题报告,河床平面形态稳定,河道深泓线走向相对稳定,冲刷后河道深泓往河道中心靠拢,但摆幅不大,河道滩槽格局基本不变。隧址区极限冲刷成果如下:300年一遇频率洪水条件下,最大河床冲刷深度为2.49m,冲刷后最低河床标高为-16.90m。1.5下伏基岩地下水结合狮子洋水域的详勘及物探成果,越江工程范围内上覆第四系土层。其中:岸边段第四系土层厚30m左右,以淤泥及砂层为主;水下段第四系地层厚10~30m,以淤泥、砂层及细圆砾土为主。下伏基岩以泥质粉砂岩和砂岩、石英砂岩、泥岩为主,航道下存在3处破碎带及2处断层。岩层特征见表1。地下水可划分为2大基本类型:第四系松散岩类孔隙水和白垩系—第三系碎屑岩类裂隙水。地下水具有侵蚀性,其化学侵蚀环境作用等级为H1~H3级,盐类结晶作用等级为Y1级,氯盐环境作用等级为L2~L3级。第四系地层中,砂层、圆砾土的渗透系数分别为12m/d和35m/d,基岩段渗透系数小于10m/d,但破碎带和断层的渗透系数可达50m/d。2主要标准1)铁路等级:城际铁路;9)防水等级:二级;10)耐火等级:一级。3项目整体设计3.1麻涌高架站罗港澳高地线线路出番禺侧莲花地面站后迅速入地,向东下穿狮子洋海域及广州港新沙港区,后沿东莞西部干道下方穿行,向南偏出西部干道,在中纺粮油公司和沿江高速之间的空地出地面,接入麻涌高架站。隧道段最小曲线半径2200m。3.2进出压力和进舱压力为了避免高水压对隧道结构、防水及施工的影响,一般水下隧道纵断面宜采用浅埋方案,并尽可能减少隧道入岩以减少刀具磨损及高水压下的换刀次数,如南京纬三路隧道设计中采用压重方案优化隧道纵断面对于水下盾构隧道在基岩中的合理埋置深度,目前世界上案例极少,且没有技术标准。英法海峡隧道选择在透水性极弱的泥灰岩中穿越,避免地下水对施工安全的不利影响。广深港高铁狮子洋隧道考虑横通道施工、盾构地中对接的安全性、结构荷载大小、防水难度等因素,选择的隧道覆岩厚度一般不小于15m与矿山法隧道不同,盾构法隧道管片一旦脱出盾尾,即可对地层形成“刚性”支护,埋深越大,围岩松弛荷载趋于稳定,但水压力和形变压力随之增大(或需要更大的超挖),不仅结构需承受较大的荷载,而且施工过程中盾构设备也需承受更大的荷载及更大的推力与扭矩。此外,埋深加大还会增加防水难度,不利于运营节能,而埋深减小,则对施工进舱作业(如刀具更换)的安全极为不利在基岩地层中掘进,刀盘磨损检查和刀具更换等进舱作业是不可避免的。对于基岩地层,只要岩层完整性相对较好,即使覆岩厚度小,由于刀盘对开挖面的支护作用,进舱作业时的开挖面稳定性也容易得到保证,一般希望在常压或带压不超过0.3MPa的条件下进舱作业,此时渗水量成为进舱作业时间长短的控制因素。日本京都大学小林芳正博士对海底隧道部分渗漏水量进行了预测,并推导出式中:Q为隧道预测涌水量,m按照公式表达,在相同覆岩厚度情况下,增加进舱压力可以显著减少舱内渗水量。如采用相同的渗水量,随着进舱压力的提高,则可以减少覆岩厚度。根据佛莞城际铁路狮子洋隧道的地质详勘报告,弱风化基岩渗透系数为0.47m/d,经过计算,满足渗水量需要,且进舱压力不大于0.3MPa时,对应的覆岩厚度约为13m。据此确定W2基岩的覆岩厚度一般不小于13m,对于风化槽底部覆岩厚度一般按照不小于2m考虑,而对于较深的风化槽和断层,由于无法从其底部通过,因此采用穿越的方式处理。以此确定隧道纵断面:两端采用30‰的大纵坡快速进入基岩,在狮子洋水道下设置12.3‰的缓坡连接两端大纵坡。隧道纵断面见图2。3.3横截面设计3.3.1双洞导线方案设计过程中分别研究了单洞双线及双洞单线方案。其中:单洞双线隧道内径12m,外径13.1m;双洞单线方案内径8.7m,外径9.6m。经比选,从节省投资、减少下穿建筑物、避免在软土或水下修建横通道带来的施工风险等角度,采用单洞双线方案(如图3所示),轨面以上有效净空面积80.09m3.3.2暗埋段结构形式隧道进出口采用明挖法施工,分为明挖U型槽段和明挖段暗埋段2种结构形式,暗埋段采用单跨矩形结构,局部段落采用侧墙外扩的方式设置射流风机。3.3.3增加了对《铁路设计暂行规定》压力佛莞城际铁路狮子洋隧道在设计中,轨面以上有效净空面积是按照满足《新建时速200~250km/h客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2005]140号)的有关要求执行的。而根据2015年3月1日实施的TB10623—2014《城际铁路设计规范》的要求,轨面以上有效净空面积只需不小于72m4工程关键4.1结构及隧道的设计4.1.1管片、管片和衬砌环环缝狮子洋隧道盾构段采用单层衬砌结构,管片结构主要设计参数为管片外径13.1m、内径12m、环宽2m;采用通用楔形环,双面楔形,楔形量30mm;采用6+2+1/2的分块模式,错缝拼装。管片采用C50高性能耐腐蚀混凝土,混凝土抗渗等级为P12。考虑到抗震和列车振动等要求,管片接缝均采用斜螺栓连接。衬砌环环缝采用34只M36纵向斜螺栓连接,以承受隧道纵向弯矩。衬砌纵缝内设有27只M36环向斜螺栓连接,使纵缝成为具有一定抗弯刚度的弹性铰。本项目盾构段地质条件复杂,隧底地层差异性大,为了控制管片环缝错台,减小纵向不均匀沉降,提高隧道纵向刚度,在管片环缝设置了分布式圆端形凹凸榫4.1.2管片接缝处的防水构造从本工程所处的工程地质、水文地质条件来看,隧道周边地层主要为中等透水泥岩或石英砂岩地层,隧道最大埋深约78m,位于狮子洋海床以下,隧道承受最大水压力按照0.8MPa考虑。为了确保高水压情况下管片接缝处的防水效果,接缝处设置双道密封垫。具体防水构造如下:管片接缝自外向内分别设置海绵橡胶条、三元乙丙弹性密封垫、聚醚型聚氨酯弹性密封垫,对于轨面以上外露的嵌缝采用聚硫密封胶封堵(见图5)。其中双道密封垫集中设置,可避免分离式布置时外侧密封垫防水失效,使地下水沿管片螺栓手孔串流现象。4.2低承载力泥石流变形沉降加固方案探讨在出番禺侧盾构工作井后约420m范围隧底分布近10m厚淤泥层,承载力40kPa,高速列车运营产生的循环荷载将使低承载力的淤泥层出现变形沉降,该沉降包括淤泥层累积塑性变形导致的沉降及累积孔压消散导致的固结沉降。设计中对软土隧道进行行车动力学分析,基于破坏接近度理论,比较了不同地基处理方案的效果,最终采用隧底6m深三轴搅拌桩加固方案(见图6),可明显降低土体动应力峰值,显著减小振陷,避免出现淤泥层塑性变形,从而提高地基稳定性。加固体强度要求大于1MPa。4.3支护系统及支护结构狮子洋隧道两岸工作井运营期作为疏散井使用。番禺侧工作井基坑深24m,穿越地层以淤泥为主,砂层少量夹层状分布,坑底位于淤泥层。围护结构采用1.2m厚连续墙,深度36m,墙底嵌入基岩约6m。支撑系统采用钢筋混凝土支撑和钢支撑的组合体系。坑底淤泥层采用三轴搅拌桩满堂加固,加固深度2.5m。连续墙与主体结构采用复合墙结构,主体结构底板下设置抗拔桩,顺作法施工。东莞侧工作井基坑深21m。工作井穿越地层为淤泥、砂层,坑底位于砂层中,坑底以下砂层厚度12m。围护结构采用1.2m厚连续墙,深度34m。支撑系统同番禺侧工作井。坑底砂层采用旋喷桩格栅加固,加固深度3m。4.4结构准备4.4.1广深港高铁龙门山段盾构施工主要功能需求狮子洋隧道盾构掘进不同地层的长度及占总掘进长度的比例见表2。上述地层条件与广深港高铁狮子洋隧道类似,均为长距离穿越全断面复合地层。结合广深港狮子洋隧道的实际工程经验,本项目采用气垫式泥水平衡盾构同时配备普通刀盘的方案以满足施工安全需要。在广深港高铁狮子洋隧道施工过程中,存在大块岩体滞排影响施工进度,进而导致地表大面积塌陷的问题盾构应具备以下主要功能:1)盾构需具备正面和四周超前钻孔与超前注浆功能;2)需具备超前地质预报功能;3)应具备滚刀与切削刀互换功能;4)宜具备常压换刀功能;5)需具备刀盘刀具磨损自动监测功能;6)在软岩与断层破碎带地段建议具备超挖功能;7)采用泥水模式掘进时,泥水分离系统需具备压滤功能,实现“零污染”排放。4.4.2选择合适的方案本项目施工招标后,承包商与相关设备厂商之间进行了广泛沟通,设备厂商出于土压模式情况下常压刀盘对设备扭矩的极高要求的考虑,认为土压-泥水双模盾构与常压刀盘存在一定的不兼容性,技术上实现难度大。承包商从设备成熟、降低换刀风险、提高换刀效率等方面综合考虑,对设计推荐盾构选型方案予以变更,最终采用普通的气垫式泥水平衡盾构,同时配备常压刀盘。该选型方案能有效降低换刀风险,提高换刀效率,但需重点解决破碎岩体滞排问题。可从在破碎机和排浆泵之间增设采石箱、超前注浆固结破碎岩体、经常性开舱清理滞排等方面着手处理。4.5地表开舱方案确定佛莞城际狮子洋隧道盾构需长距离穿越全断面复合地层,刀盘刀具的检查及更换、破碎机及出浆泵等设备的维修均需要多次进舱处理,尤其是滚刀更换频率必将很高。本项目水头高达78m,高水压下进舱风险高、效率低、难度大。设计推荐盾构宜配备常压刀盘,但常压刀盘仅能实现全部滚刀以及辐条舱内部分刮刀的常压更换,而对于大部分刮刀的更换、滞排岩体的清理、刀盘及其他设备检修仍需要在开挖舱暴露环境中进行。本隧道土岩软硬不均地层均位于岸边段,场地条件较好,推荐采用地表加固后常压开舱方案。设计中根据类似项目的刀具磨损经验及本项目软硬不均地层的分布情况,对换刀点进行了预判,共设置9处换刀加固区,刀具、刀盘及其他设备检修可在预先设置的换刀点进行。在实际施工过程中,预加固点可根据具体情况进行动态调整。隧道在基岩及破碎带段施工时,地表不具备加固条件,但掌子面具有自稳能力,根据前文所述,可采用欠压进舱方案以低压控制渗漏水,满足开舱作业时间。由于需要在高水头情况下穿越破碎带地层,应将饱和带压开舱作为后备手段,以满足开舱施工安全需要。4.6盾构施工方案设计根据施工组织研究,如盾构段隧道内部结构不采用同步施工方案,则隧道工期至少需延长10个月(按4套模板台车计),无法满足全线总工期要求;因此,采用同步施工方案。所谓内部结构同步施工,就是在掘进的同时施工内部结构,且内部结构施工不得影响正常掘进。对于泥水平衡盾构,一般采用预制中间箱涵的方式,利用中间箱涵顶面作为管片、盾尾注浆砂浆、油脂等物料的进料运输通道,一般采用无轨运输。土压-泥水双模盾构中的土压模式出渣可在预制箱涵内采用有轨运输实现。具体的同步施工方案为:中间箱涵为预制件,随盾构掘进滞后开挖面一定距离采用拼装式前行,实现中间箱涵拼装与隧道管片拼装同步施工,两侧的边箱涵再滞后中间箱涵一段距离采用现浇施工。4.7管片结构的耐火性铁路水下盾构隧道需考虑火灾、撞击、爆炸等意外荷载对结构的影响。佛莞城际铁路狮子洋隧道设计耐火等级为一级,需满足RABT升温曲线的要求。《工程结构可靠性设计统一标准》中规定:在发生火灾时,结构在规定的时间内可保持足够的承载力;发生爆炸、撞击等偶然事件时,结构能保持必需的整体稳固性,防止出现连续倒塌。本项目盾构隧道在基岩中即使管片结构发生破坏,也不会导致连续性垮塌,故仅需考虑在软弱地层、土岩软硬不均地层及破碎带中管片结构的耐火性。常见的提高结构耐火性的做法是在结构内侧涂刷2~3cm厚防火涂料或挂设防火板(公路及市政隧道中运用较多),但考虑到其在列车振动下可能会发生脱落,导致接触网断电进而影响列车运营,故在铁路隧道中一般不予运用。广深港高铁狮子洋隧道在软弱地层及软硬不均地层中采用管片+混凝土内衬的双层衬砌形式4.8纵向疏散通道设置隧道内设置贯通的疏散通道,疏散通道宽1.5m,距离线路中线1.8m,盾构段轨道层纵向间隔80m设置1处竖向疏散楼梯,利用隧道轨下空间设置纵向疏散通道。盾构隧道内如发生火灾等意外情况,司乘人员可以从竖向楼梯进入轨下疏散通道进行疏散,从盾构段两端