东莞至惠州城际轨道交通东江隧道下穿东江段技术方案研究

徐慧宇

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

东莞至惠州城际轨道交通是国内首批真正意义上的城际轨道交通，从其建设环境、站间距和后期服务模式来看，相当于贯通多个城镇的地铁，但由于本线行车速度为200 km/h，局部地段限速为160 km/h，因此隧道断面形式等一些技术标准需根据新的设备要求及施工要求重新研究制定。东江隧道位于惠州境内，总长15 073 m，为东莞至惠州城际轨道交通第二长的隧道，该隧道包括4座车站4个区间，其中600 m长的下穿东江段介于西湖站至云山西路站区间内，该区间段隧道先后下穿西湖老城区、东江、市民广场。由于周边环境复杂加上重新制定部分标准，隧道设计中要考虑埋深、工法、断面拟定，结构受力、专业要求、施工安全等因素。

下穿东江范围地形地貌为东江冲积平原区地貌，地形平坦、开阔，东江两岸地形起伏略大。地层岩性依次为:

第四系全新统冲积层(Q4al):

③3粉砂 浅灰、灰黄色，级配差，松散 ～稍密，饱和。

③4细砂 浅灰、灰黄色，级配差，稍密，饱和，局部变为中-粗砂。

③6粗砂 灰黄、褐黄色，级配一般，稍密，饱和，局部变为砾砂或中砂。

③7砾砂 灰黄、褐黄色，级配一般，稍密，饱和，局部变为粗砂或中砂。

③8圆砾土(细)灰黄、褐黄色，级配好，稍密，饱和，不均匀含黏粒。

下第三系含砾砂岩(E):

场地下伏基岩为下第三系含砾砂岩，泥质胶结，砂状结构，层状构造，按风化程度可分为(11)1全风化含砾砂岩(岩芯呈土状、土夹砂砾状)、(11)2强风化含砾砂岩(岩芯呈碎块状，局部柱状)和(11)3弱风化含砾砂岩(岩芯呈柱状及少量碎块状)3个亚层。

2 工法的选定

下穿水域的隧道常见的施工方法有盾构、暗挖、围堰后明挖、沉管等施工方法，受东江通航的控制围堰后明挖和沉管法施工占用航道时间过长，无法满足通航的要求，因此占用水面的施工方法不选用。盾构法和暗挖法不受通航的限制，从地质情况上来看，只要隧道埋深合适，2种工法皆适用，但东江南岸以南为大量房屋，暗挖施工竖井的施工场地难以布置，东江北岸也存在一定范围的砂层，暗挖施工竖井开挖风险较大，再考虑到下穿房屋及东江水域盾构法施工对于沉降控制、人员安全、施工进度等因素，因此在西湖站至云山西路站区间全部采用盾构法施工，因场地原因盾构机从云山西路站始发，在西湖站接收，推进长度为2 900 m，推进工期为18个月。

下穿水域的隧道为了运营期间防灾疏散，一般要设置逃生的通道，因此本段隧道设计成双洞单线的隧道，从环控通风的角度考虑双洞单线也较为有利，2条隧洞互为逃生通道，二者之间通过联络通道互通。

3 衬砌内轮廓设计

隧道衬砌内轮廓的拟定主要考虑以下因素。

(1)限界要求

受曲线半径及站间距的限制，西湖站至云山西路站区间列车运行速度站站停不超过140 km/h，过站车不超过160 km/h，考虑《铁路技术管理规程》(铁道部令第29号)中“基本建筑限界(v≤160 km/h)”高度5 500 mm，同时考虑接触网安装高度要求800 mm、盾构推进施工误差100 mm，隧道轨面以上高度按不小于6 400 mm控制，隧道在曲线段加宽要结合最终隧道衬砌内轮廓来确定加宽值。

(2)专业设备空间布置的要求

隧道内需走行各专业管线、管道，在隧道线路外侧设置2个电缆槽走行通信、信号等弱电电缆，在隧道线路内侧布置1个电缆槽走行电力、动照电缆，消防、给排水管道通过支架安装固定在隧道侧壁上。线路内侧电缆槽盖板上通长设置救援通道，救援通道宽1 m，高2.2 m，距离线路中心 1.8 m。

(3)空气动力学效应对隧道断面面积的要求

列车在隧道内高速运行会在车头产生压缩波及车后产生膨胀波，各种波在隧道两端和列车两端处多次反射、传递、叠加，形成了隧道内空气压力随时间变化而产生的波动，从而造成乘客耳膜的疼痛不适，因此必须采用一定的标准，保证列车在进入隧道时车厢内压力的变化不能超过一定的限度。

压力变化限值的选定要受多种因素的影响，这不仅因为不同的人对压力变化的感觉不同(这种差异可以通过统计分析来处理)，同时还与列车线路特征(隧线比等)、车体密封情况、车辆等级，还与乘车人员的体质等因素有一定关系。因此在制定乘客舒适性标准时，需要综合考虑各种因素，制定出适合不同车型、车辆等级、不同线路特征的舒适度标准。本线列车采用“CRH6动车组”，且本段隧道限速为160 km/h，经计算分析后，隧道轨面以上有效净空面积借鉴《时速160公里客货共线铁路单线隧道复合式衬砌(普通货物运输)》(通隧(2008)1002)要求，按不小于42 m2设计。

综合以上最终确定隧道内轮廓如图1所示，衬砌内轮廓断面大小受空气动力学因素控制，在曲线段隧道不需加宽。

图1 隧道内轮廓(单位:cm)

4 隧道埋深确定

隧道的埋深主要由以下几个方面来确定。

(1)下穿建筑物基础的深度

东江南岸下穿大量的房屋，基础形式分为桩基、条形基础、筏板基础等，同时在北岸既有一战备码头，基础形式为桩基，深25 m，战备码头在隧道下穿建筑物中基础最深，为了避免或减少施工当中盾构隧道与建筑基础发生空间上的冲突和干扰，隧道在平面上和埋深上应尽量避开建筑基础，同时在盾构能够正常掘进的情况下尽量进入开挖沉降较小的地层。

(2)地层分布情况及施工安全

本段隧道从地层分布上来看，当隧道全部躲开建筑物基础时，设计的隧道纵段在江心处覆土最浅，厚度为15.5 m，水深为16.5 m，在东江两岸处覆土最厚，厚度为32.5 m。此时隧道大部处在弱风化的含砾砂岩中，少部分拱顶处在强风化的含砾砂岩中。隧道掘进范围内含砾砂岩属泥、钙质胶结，饱和抗压强度一般不超过30 MPa，最大为56.6 MPa，同时含砾砂岩一般分布较为均匀，最大粒径不超过5 cm，基本不会出现孤石、软硬不均，在该埋深下能够保证盾构的连续、安全掘进，不易出现卡机、进出土失衡的现象，对房屋的变形控制也能够有效保证。

(3)极限冲刷深度下的抗浮要求

水下隧道在后期运营过程中受水压作用存在上浮的现象，在不采取特殊的抗浮措施情况下，其覆土厚度加上结构自重应能抵抗浮力，抗浮安全系数不小于1.15。作为抵抗浮力的覆土自重应只统计极限冲刷后的厚度。在隧道下穿段落的东江上游，将修建一水库，因此从水利单位收集的资料分析来看，本段隧道抗浮计算可不考虑冲刷带来的不利影响。

(4)防洪要求

水下隧道在下穿水域的起始一般要下穿江河的堤坝，在施工过程中要考虑对堤坝的破坏，因而要采取一定的措施保证施工期间的堤坝安全，后期运营中也要考虑在东江两侧堤坝外设置防淹门防止水下隧道因偶然原因破坏后，江水通过隧道突破堤坝的拦截。本段隧道在东江两端掘进时所处的地层为弱风化含砾砂岩，距离堤坝的基底超过15 m以上的距离，距离水底超过20 m以上的距离，经过水利管理部门论证后，隧道施工从防洪角度不存在安全隐患，后期运营隧道内设置了防淹门也能够满足防洪要求。

5 管片设计

(1)管片的厚度及宽度

管片厚度应根据隧道所处地层的条件、覆土厚度、水压、断面大小、接头刚度、经济等因素综合考虑确定，并应满足衬砌构造(如手孔大小等)及拼装施工(如千斤顶作用等)的要求。一般情况下，管片的厚度为隧道直径的5%左右，本线管片厚度初定为400 mm。从国内外已建中等直径盾构隧道管片宽度的选择情况来看，管片宽度有逐渐增大的趋势，加宽管片对水下隧道防水、加快施工进度、节省造价是有利的，但管片过宽，对于施工管理、后配套系统有了更高的要求。考虑国内现有施工技术水平，本线采用1 600 mm宽的管片。

(2)管片分块、拼装及连接

管片分块数量和大小应考虑管片预制、运输、拼装等施工因素，同时也要考虑管片衬砌结构受力情况和防水效果。分块过少，每块管片质量大，弧长偏长，吊装运输及拼装不方便，分块过多，衬砌受力及防水效果较差，根据国内的施工实践，本线盾构管片采用7分块:4个标准块、2个邻接块和1个封顶块。为加强结构的整体性，改善接缝的防水性能，环向管片采用错缝拼装，封顶块采用径向插入和纵向插入相结合的插入方式，管片间连接采用对截面削弱最小的斜螺栓连接。

(3)管片接触面构造形式及衬砌环组合形式

从提高接缝刚度、控制管片拼装精度考虑，本线盾构管片接触面纵缝设凸凹榫，环缝不设凸凹榫。同时在技术条件及施工水平允许的情况下，衬砌环类型越少，施工管理越方便，模具利用率越高，因此衬砌环采用通用管片进行组合。

(4)管片受力检算

盾构下穿东江段隧道所处环境为V-D，按《混凝土结构耐久性设计规范》(GB50476—2008)规定，盾构管片混凝土强度等级为C55。选取最不利处断面进行检算，此处盾构下穿强风化地层，土压力按塌落拱高度计算，水压按全部作用于衬砌计算。计算模型采用修正惯用设计法，考虑管片接头影响，进行刚度折减后按均质圆环进行计算。水平地层抗力按三角形抗力考虑，计算结果考虑管片环间错缝拼装效应的影响进行内力调整。弯曲刚度有效率 η=0.8，弯矩增大系数ξ=0.3，计算简图如图2所示。

图2 盾构隧道计算简图

基本组合的结构重要性系数为1.1，其他组合结构重要性系数为1.0，程序选用ANSYS有限元程序。经检算，结构配筋为裂缝检算控制，最不利断面处管片的单面配筋率为0.49%，符合《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)规定，本段隧道管片厚度选取400 mm能够满足结构受力要求。

计算结果如图3～图5所示。

图3 弯矩图(单位:N·m)

图4 轴力图(单位:N)

图5 剪力图(单位:N)

6 盾构机的选型

在有水压的情况下，一般采用密封式盾构机，密封式又有泥水式和土压式两种。

土压式盾构主要有两类，一类是将开挖的土体充填在土舱内，用螺旋输送机调整土压，保持工作面的稳定，这种盾构机仅适用于可用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动性软黏土。另一类是向开挖面注入水、泡沫、膨润土、CMC等添加剂，通过强制搅拌使土砂具有良好的塑性流动性和止水性，较好地传递土压，保持开挖面的稳定和土砂的顺畅排出。这种盾构机适用范围较广，可用于冲积黏土、洪积黏土、砂质土、砂砾、卵石等土层，以及这些土层的互层。对土压式盾构，会出现砂性土排土困难，掘进机刀头、刀盘的磨损，以及在含水砂层透水系数大、孔隙水压高时土舱顶部产生空隙的危险。

泥水式盾构是将泥浆送入泥水室内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜来对抗作用于开挖面的土水压力。泥水式盾构机适用的地层范围很大，从软弱砂质土层到砂砾层。泥水式盾构由于采用管道输送，工作面全密封，安全性高，在软弱互层地段也适用。通过泥浆施加合适压力，控制排土量，可使地层变形小，对环境几乎不产生影响。泥水式盾构适用于冲积洪积的砂砾、砂、亚黏土、黏土层或多水互层的土层，有涌水工作面不稳定的土层，上部有河川、湖沼、海洋等水压高、水量大的地层。泥水式盾构的泥浆处理设备设在地面，需占用较大的面积，这成为在城市密集区应用的不利因素。

根据本段隧道周边施工场地情况及隧道下穿地层情况，本段隧道覆土较厚，下穿地层透水系数强风化地层为5 m/d，弱风化地层为1 m/d，开挖地层内水量不大，加之土压盾构比泥水盾构节省投资，占用场地面积小，对环境影响小，本段隧道采用第二类土压式盾构机。在前面分析中，隧道衬砌内轮廓直径为7.7 m，管片厚度为0.4 m，则隧道外直径为8.5 m，盾体壁厚为0.1 m，再考虑盾尾的间隙，盾构机外直径确定为8.8 m。

7 盾构掘进中应注意的问题

本段下穿东江采用盾构法施工，所处地层为弱风化或强风化含砾砂岩，地质情况良好，围岩微裂缝少，基本为不透水层，但为了保证盾构施工在安全上万无一失，采取以下控制措施。

(1)对穿越东江地段做详尽地下勘探，彻底摸清地下障碍物情况，排除意外因素。在进入风险源范围前需进行试验段，根据实测监测数据调整与开挖地层相适应的掘进参数、同步注浆、二次注浆、外加剂的材料及压力。

(2)认真对盾构机刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备检查，确保穿越过程中设备无故障，进行连续施工。严禁在下穿东江时发生停机调试、开仓换刀等现象。

(3)在盾构机进入影响区之前，尽量将盾构机的姿态调整至最佳，注意不要向上抬头，严禁超量纠偏，蛇行摆动。严格控制盾构的轴线和纠偏量。

(4)严格控制掘进速度，同时控制盾构姿态，确保盾构比较匀速地穿越过轨段，同时保证刀盘对土体进行充分切削。加注发泡剂或水等润滑剂，减少刀盘所受扭矩，降低总推力。

(5)严格控制出土量，出土量控制在理论值的95%左右，保证土仓内的压力略大于外部压力，控制渗水量。

(6)严格控制注浆量，为了减少和防止裂隙漏水，在盾构掘进过程中，要尽快在脱出盾尾后的衬砌面形成的建筑空隙中充填足量的浆液材料，必要时可采取二次或多次压浆。

8 结语

东江隧道具有建设规模大、技术标准新、周边环境复杂、施工风险高等特点，通过对隧道周边建设环境的分析，断面的计算和研究，下穿风险源因素的考虑，提出了水下盾构隧道具体的设计思路和控制风险的方法，为将来类似水下盾构隧道的设计积累了经验，对类似工程有一定的参考价值。

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