长沙地铁3号线过湘江隧道方案研究

徐恒国

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

拟建阜埠河路站至书院路站越江隧道是长沙市轨道交通3号线的一段地下区间，该区间全长约2 663 m，越江部分长约1 400 m。越江隧道平面示意如图1所示。

图1 越江隧道平面

湘江在隧道区河道较为顺直，河床起伏较大(17.5～26.4 m)，总体上西浅东深。江水涨落，变幅达14.01 m，水位为25.16～39.18 m。江水涨落，变幅达14.01 m，水位为25.16～39.18 m。以橘子洲为界，湘江被分为东、西两汊:橘子洲宽约250 m;东汊宽约550 m、河床高程17.5～20.1 m、基岩面高程15.94～22.38 m;西汊宽约600 m、河床高程20.7～26.4 m、基岩面高程15.96～19.41 m。

2 工程地质及水文地质

区间隧道详勘资料显示，覆盖层主要为填土(橘子洲)、圆砾、卵石、黏性土等，厚度差异较大;下伏基岩有砂岩、砾岩、白云质灰岩等。

溶洞主要发育在橘子洲及两侧的湘江东、西河汊，分布里程约为右AK15+000～右AK15+700，该范围分布岩层为白云质灰岩，初步断定该范围为溶洞发育区。

溶洞发育区左线钻孔共计19个，见洞率100%，右线钻孔共计21个，见洞率70%。溶洞层数一般为1～6层，多数以串珠状分布，溶洞顶板埋深最浅的为6.6 m，溶洞顶板埋深最深的为44 m，洞高最高达14.5 m。根据溶洞竖向分布规律显示，左右线溶洞从西往东呈阶梯状分布，橘子洲西汊溶洞埋深较浅，橘子洲上埋深较深，橘子洲东汊溶洞埋深更深。溶洞多数有充填，充填物主要为砂、卵石及黏性土，部分为空洞。根据溶洞分布规律、发育特征以及充填物情况，初步推断溶洞发育区溶洞会密集分布，溶洞与湘江有通道联系，岩溶/裂隙水与江水互为连通，具有承压性。详见图2。

3 隧道施工工法研究

3.1 水下隧道施工工法的简介

目前修建越江隧道的基本方法有:围堤明挖法、钻爆法、沉管法、盾构法和掘进机法。除了这几种施工方法外，还有一种正在实验的跨越深水海域的较为经济的隧道修建法—水中悬浮隧道，这种方法已有很多研究成果，许多国家准备将这种设想变为现实。

以上各施工方法各有其优缺点，对比分析详见表1。

3.2 拟建3号线附近相关越江工程调研

对穿越湘江在建或已建的项目进行了调研，各穿江隧道调研情况如下。

图2 越江隧道纵断面

表1 水下隧道施工方法比较

(1)拟建3号线南侧距离约850 m为南湖路隧道。南湖路湘江隧道目前正在施工，采用盾构法施工。隧道在湘江东、西两岸覆土厚度最大15 m，最小8 m，普遍为10～11 m。湘江中央位置，江底以下41 m处探测到大型的溶洞和断层。隧道主要穿越地层为粉细砂、卵石层、强风化砾岩、中风化砾岩等地层。

(2)长株潭城际铁路湘江隧道目前正在施工，越江段采用盾构法施工。最小埋深12 m，最大埋深27 m，穿江段主要在砂质板岩中通过，湘江东侧穿越强风化层，湘江西侧穿越弱风化层，采用复合式土压平衡盾构机施工。

(3)营盘路湘江隧道已经试运营，隧道越江段采用暗挖法施工，断面采用马蹄形断面，最大开挖宽度约12 m，最大开挖高度约10 m，开挖断面约95 m2。隧道结构顶最小岩层覆盖厚度为10 m，普遍为13～14 m，江底段隧道结构顶覆盖层(岩、土总厚度)厚度约13～16 m;穿越岩层为:全风化板岩(V级)、强风化板岩(V级)、中风化板岩(IV级)、微风化板岩(III级)。

(4)地铁2号线过江隧道，采用盾构法施工，盾构机采用土压平衡盾构，内径为5.4 m，外径为6.0 m。隧道顶覆土厚度最大13 m，最小9.0 m。区间隧道主要穿越11-3板岩、11-2板岩、6-3砾岩、6-2砾岩、5-3泥质砂岩等地层。

3.3 隧道工法选定

本工程区间隧道既是水下隧道，又穿越岩溶发育区，根据以上资料调研，没有水下隧道穿越岩溶的工程实例可以参考，故本工程施工风险和难度极大，选择一个相对合理的施工工法显得尤为重要。

基于本工程的具体工程概况和水文地质条件，依据国内外类似工程调研，参照国内外类似工程的成功经验和失败教训，本越江隧道适合盾构和暗挖2种工法，以下对2种工法进行比选。

(1)隧道采用暗挖法优缺点分析

①隧道大部分位于中风化岩层范围内，地层条件有利;

②超前支护加固辅助工法多样，溶洞处理措施相对灵活、方便;

③地质超前探测相对灵活、方便;

④采用暗挖法施工，强行穿越岩溶发育区，施工风险极大，一旦发生突水、涌水、淹洞现象，事故处理十分棘手;

⑤采用暗挖法施工，溶洞加固处理采取江面填充加固和洞内采用全断面帷幕注浆、综合利用大管棚、小导管相结合的超前支护方式进行加固处理，造价较高;

⑥采用暗挖法施工为保证上部覆盖层及掌子面稳定，线路纵断面埋深较大，导致书院路站及侯家塘站车站轨面埋深较大，增加了车站施工风险和工程投资。

(2)采用盾构法优缺点分析

①采用盾构法施工，较暗挖法施工风险相对较低;

②综合比较溶洞加固处理和两种工法的经济指标等，盾构法施工造价较暗挖低;

③盾构法施工，对上部覆盖层的厚度要求可以适当降低，较暗挖线路纵断面埋深较浅，书院路站轨面埋深有所提高，对车站方案有利;

④盾构法施工只能采取江面填充注浆加固处理岩溶，处理措施单一，且可能存在处理盲点，溶洞处理方案依赖于地勘，对地勘要求较高。

综合以上论述，对线路、地质、施工风险、工程造价综合分析评价后，建议采用盾构法施工。

4 隧道埋深及纵断面设置

图4 溶洞加固处理示意(单位:mm)

隧道埋深及纵断面设计需考虑隧道位于江底最大冲刷线下一定距离，使隧道不受江潮活动及沉船等外界影响，又能满足隧道施工期间和使用期间的安全，同时考虑对两岸线路、竖井，进而对相邻车站的布局和埋深的影响，在方案可行的基础上，尽量降低工程造价。

本项目隧道断面采用单洞单线圆形断面，外轮廓直径为6.0 m，根据类似工程及临近工程的调研，并结合本工程地质概况和溶洞分布情况，本次设计江中段隧道覆土，施工阶段按历史冲刷包络线不小于1D(D为开挖洞径)控制，困难地段不小于0.7D。运营阶段按最大冲刷包络线，满足抗浮要求控制。具体见图3。

图3 隧道纵断面

5 溶洞处理方案

5.1 运用多种勘查方法，探明溶洞情况

根据目前可行的勘测手段，为切实探明溶洞的分布与填充状况，拟定以钻探为主、多种方法综合运用的探测方案。即:高密度电阻率法地面物探(总体探查溶洞分布情况)、加密钻孔(直观掌握溶洞及充填物状况)、电磁波深孔CT(在钻孔间加密剖切面勘查，判断边界)综合判断后结合注浆孔布置补孔探测。

5.2 溶洞加固处理方法

(1)溶、土洞处理顺序为:溶、土洞处理与否判断→溶、土洞处理→溶、土洞处理效果检查。

(2)溶、土洞处理加固主要采用先填充再注浆加固的方法，详见图4。

①无充填溶、土洞和半充填溶、土洞

对洞高大于2 m且无填充或半填充溶、土洞，先进行投砂处理，后采用注浆加固的方法;投砂处理时在原钻孔附近(约0.6 m)补钻2个φ200 mm的投砂孔，两投砂孔中心与原钻孔中心需在同一连线上，两投砂孔可相互作为出气孔，投砂后，注浆加固的方法见后面的全充填溶、土洞的处理方法。投砂管要根据江上作业的特点适当选择，投砂孔的大小也可由施工单位根据现场施工情况进行调整，达到填砂的目的即可。

②对全充填或洞高小于2 m的溶土洞，可直接进行注浆填充，采用压力注浆的方法进行填充加固，注浆压力从低到高，间歇，反复压浆。

(3)注浆工艺

所有注浆管采用直径48 mm的袖阀管，钻孔需进入洞体下岩层0.5 m，由底部向上进行溶洞加固。注浆完成后要采用水泥砂浆对注浆孔进行封孔处理。

(4)注浆材料

周边孔:纯水泥浆+水玻璃。双液浆现场配合比试验时，应以初凝时间为指标进行控制，但应综合考虑浆液的可泵性时间。双液浆配比建议为水泥∶水∶水玻璃=1∶1.38∶0.29(质量比)，水玻璃模数 m=2.4～3.4(浓度=30～40Be')，但应进行现场配合比试验确定。

中央孔:纯水泥浆，水灰比建议为1∶1，具体应根据现场试验确定。

(5)注浆间歇时间为每次间隔6～10 h。

(6)溶、土洞处理注浆孔平面布置

充填处理前，先进行溶、土洞平面范围的试探测:以揭示到溶、土洞的钻孔为基准点，沿垂直隧道方向间隔2.0 m施作1排注浆钻孔，以基本找到洞体边界为止;沿隧道方向施作1排注浆钻孔，间隔2.0 m，以基本找到洞体边界为止;然后从中心向其他方向探孔，以基本找到洞体边界为止。若洞体为有限边界，最外排孔未见洞，则该孔不需注浆，应向内收缩1孔最边孔，注双液浆。

5.3 溶洞加固检测方法及标准

溶、土洞灌浆加固后的土体应该有良好的均匀性、自立性、密闭性。灌浆加固效果检查方法是在灌浆固结体内钻孔取芯，测得其无侧限强度，以检验是否满足灌浆固结体设计强度要求;也可用原位标贯法进行检测，标贯击数应大于16击;现场做注水试验，测试注浆后地层渗透系数;不满足时重复上述施工。取芯数量不少于溶洞处理钻孔个数的10%。具体指标如下:

(1)采用随机原位标贯试验，标贯击数应不小于16击;

(2)采用随机钻孔取芯，做抗压试验，无侧限抗压强度≥0.3 MPa;

(3)注浆后地层渗透系数不大于1.0×10-4cm/s。

6 盾构法施工风险分析及应对措施

水下隧道盾构法施工时，在不影响河流或周围结构物的前提下，制定出相应的对策，确保施工安全可靠。

(1)地质、地下水调查。依据以往的工程施工经验，一般河流部分，地质情况急剧变化，同时地质勘测难度较大，而且地下水的流动较快，所以应进行详细勘查，提高勘察的精度。

(2)开挖面的稳定。由于地层和地下水状况往往很复杂，特别是水底部分，水压力比土压力更大。因此，根据围岩的水土压力而设定适当的开挖面压力，确保开挖面的稳定，防止泥浆泄露或喷涌。此外还得特别考虑隧道上浮和和管片的变形问题，同步注浆应采用具有一定早期强度的壁后注浆材料，确保管片的早期稳定性。

(3)盾构区间穿越岩溶发育区段前，需根据地勘提供的详勘资料进行溶、土洞的加固处理，并充分论证江上作业的难度、风险及对环境的影响，加固施工完成后，需对加固效果进行检测，确保岩溶处理效果达到设计要求，以保证施工安全。

(4)盾构穿江隧道，为减小对河堤的影响，需预测盾构施工对河堤的影响，根据需要考虑使用辅助工法。

(5)在穿越水下时，因为有时受施工工期的制约，或需要一些特别的设备，如防水设备，所以需要实现与河道管理单位协商。

(6)水下隧道施工，风险很大，注意盾构选型，注重盾构掘进参数优化，应考虑刀具检查、更换事宜，必须对带压作业等辅助施工安全措施进行充分的安全风险技术准备。

7 结论及建议

依据长沙地铁3号线越江段隧道的工程概况和水文地质条件，借鉴类似工程及临近工程的实践经验，通过对越江隧道的施工工法、隧道埋深及纵断面设置、溶洞处理方案等方面综合性评价，提出合理意见和建议。

(1)隧址岩溶发育区，溶洞分布比较密集，而且成串珠状发展，根据填充物等推测，溶洞与湘江有通道联系，地下水与湘江水有水利联系，隧址地质及水的赋存情况较为复杂，施工风险较大，设计施工中要加强风险规避，采取应对措施。

(2)根据地质资料，综合分析评价溶洞分布规律、发育特征以及地下水赋存情况，参照国内外类似工程的实践经验，水下隧道强行穿越岩溶发育区，无论采用盾构法还是暗挖法技术理论上都是可行的，综合评价两种工法的施工风险和工程造价，推荐隧道采用盾构法施工。

(3)建议溶洞处理优先采用地面填充，注浆加固，并提前在现场做注浆加固试验。

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