城际铁路隧道穿越水体方案分析

唐重平

(广东珠三角城际轨道交通有限公司，广东广州 510000)

在城际铁路建设过程中，受地面环境及线路选线因素的影响，不可避免的会出现以隧道方式穿越江河、湖泊等地表水体的情况。而水下隧道作为与地表水体相互影响最小的跨越方式，已经逐渐被接受，并付诸建设。国内已建的有青岛胶州湾海底隧道、大连湾水下隧道、厦门翔安海底隧道、武汉长江隧道、狮子洋铁路水下隧道等多条过江(海)水下隧道。目前，国内水下隧道较为常用的修建方法主要包括:明挖法、矿山法、盾构法、TBM全断面掘进机法、沉管法。

①明挖法:受隧道埋深限制较大，且需采取围堰、断流或河道临时改道，对生态环境破坏严重，但施工工期短，风险易于控制。

②矿山法:地质勘测困难，施工中突泥涌水风险大，安全措施要求高，需采用提前堵水措施，但矿山法隧道修建技术成熟且国内外已有成功经验。

③盾构法:目前主要为泥水加压式和土压平衡式盾构，掘进设备及配套设施成本大，并且对地层地质和水文情况敏感度高，在掘进前方不良地质、严重水害和障碍物难以探明的情况下，建设风险较大。但盾构法隧道掘进速度快、施工环境好、安全风险较低，国内外已成功修建如英吉利海峡隧道、日本东京湾水下隧道、狮子洋铁路隧道等一大批长大水下盾构隧道。

④沉管法:基槽开挖与基础处理的施工技术非常复杂，断面适应性好，工程造价低，施工组织灵活，防水性能好，但施工难度大，管段制作工艺要求高，施工期间对水体航运干扰大。

1 工程概述

莞惠城际铁路作为珠三角城际轨道交通线网的一部分，由穗莞深城际麻涌站接轨，终点至惠州市惠州大道客运北站。正线全长99.81 km，设计时速200 km，沿线经过区域工业经济发达、人口密集。受地面空间和环境限制因素的影响，线路走行方案超过50%位于地下，地下段总长达52.46 km。其中松山湖隧道长38.8 km、东江隧道长13.1 km，为城市双洞单线铁路隧道，包含明挖法、矿山法、盾构法等区间隧道及地下明挖车站。如此大规模的城际铁路隧道，在国内尚属首次。受地下车站站位及规模的影响，区间隧道埋深较浅，一般段落埋深10～40 m。隧道沿线地质情况复杂、地下水发育，下穿黄沙河、西南河、东江等地表水体。

2 矿山法区间隧道下穿水体

2.1 隧道下穿黄沙河

莞惠城际铁路松山湖隧道东城南—寮步站区间GDK24+185～GDK24+905矿山法段，以66°斜角下穿黄沙河(图1)，河床宽60 m，水量随季节变化明显，雨季较大。隧道顶部距离黄沙河河床底最小距离约13.5 m。

河床地层由上而下分布有:砂层、全风化—弱风化泥质砂岩、弱风化花岗斑岩，其中花岗斑岩为侵入岩脉。隧道洞身位于弱风化花岗斑岩，局部位于弱风化泥质砂岩层(图2)。地下水主要为孔隙水，局部为基岩裂隙水，渗透性弱—中等，水量较大，雨季河水对地下水进行补给显著。隧道下穿黄沙河段拱顶覆土较薄，且局部分布有较厚砂层，地下水与河水有水力联系，施工过程中易发生涌水、涌砂现象，进而造成河床底下沉、开裂，河水涌入隧道等灾难性后果。

图2 隧道下穿黄沙河地质纵断面

2.2 隧道结构设计

隧道为马蹄形结构，内轮廓净宽7.87 m，净高9.0 m。采用Ⅵ级浅埋复合式衬砌结构(图3)，初支挂网喷混厚度30 cm，二衬厚度50 cm，初支型钢钢架间距0.5 m，边墙部位设置φ22砂浆锚杆(L=3.5 m)，设计开挖工法为CD法。

图3 下穿黄沙河复合式衬砌断面

2.3 下穿处理措施

(1)洞外措施

根据隧道埋深、地表环境及地质情况，于河面搭设临时注浆加固平台，对该段下穿隧道进行洞外注浆止水加固。该段隧道线间距较小，约15.2 m，最小开挖净距约5.5 m，因此采用左、右线隧道联合加固方案:加固横断面范围，水平方向为左线隧道开挖轮廓外3.0 m至右线隧道开挖轮廓外3.0 m(图1、图4)，竖向范围为拱顶以上8.0 m至W2弱风化砂岩层底面(图2、图4)。

图4 下穿黄沙河地面注浆横断面示意(单位:m)

加固地层与地表水存在水力联系，为保证地表注浆加固止水效果，采用水泥-水玻璃双液浆，后退式分段注浆。注浆孔按0.8 m间距，梅花形布置，按“先隧道两边后中间”的顺序隔孔交替注浆。

(2)洞内措施

超前小导管:隧道拱部180°范围打设一排φ42超前小导管进行预支护，纵向间距1.0 m，环向间距0.33 m。小导管长度3.0 m，外插角度15°，并采用水灰比1∶1的普通水泥浆对工作面前方拱部以上地层进行注浆加固。

径向注浆止水:根据隧道开挖后洞内的地下水发育情况，在初期支护封闭后，采用单液浆对隧道周边围岩进行进行注浆堵水，注浆范围为隧道开挖轮廓外3.0 m，注浆管按1.5 m×1.5 m，梅花形布置。

3 明挖法区间隧道穿越水体

3.1 隧道下穿西南河

莞惠城际铁路松山湖隧道GDK26+515～GDK26+577明挖段，自西向东大角度横穿西南河药勒段(图5)。西南河河面宽16 m，勘测期间水量较小，随季节变化明显，河水深约4.0 m。该段隧道大里程端与寮步站相接，为单层双跨矩形结构，隧道开挖宽度27.25 m，结构高度为13.6 m，河床底与隧道顶板顶距离为2.1 m。河底地层主要为淤泥质粉质黏土、粉砂层、全—强风化泥质粉砂岩层(图6)。

图5 穿越西南河平面

图6 穿越西南河地质纵断面

3.2 下穿方案选择

该段隧道下穿西南河存在以下特点:

①下穿西南河后与寮步站相接，埋深受车站控制，河床覆土仅2 m。

②西南河有雨季的防洪要求，不能断流。

③常水位河道相对较窄，枯水季水量较小。

④所在场地开阔，均为农田，有河道改变的可能。

受区间工法及隧道埋深的影响，下穿西南河隧道仍采用明挖法。为保证防洪安全，需对河道进行临时改移。根据水利部门意见，受水力流向限制，临时河道仅能在河道东侧即车站站址一侧进行改移。为配合河道改移计划，并减小因河道改移占用站址对车站施工工期的影响，该段隧道采用盖挖顺筑法方案。

3.3 河道改移

西南河担负着大岭山、松山湖、寮步镇等三镇区的防洪安全任务，为保证河道行洪安全，临时改移河道按原河道标准及规模设计。隧道施工前将河道临时改移至大里程一侧，临时河道宽20 m，两侧堤顶设宽3 m的防汛通道，改移的临时河道长度198 m。

3.4 盖挖顺筑法

盖挖顺筑法即采用围护结构和盖板形成河道下封闭空间，以围护桩、立柱桩以及_盖板作为施工期间的承载结构，在盖板施工完成后回填恢复河道，在其下方进行土体开挖及主体结构的浇筑。_

(1)结构设计

围护结构采-用1 200@1 350 mm钻孔灌注桩，桩间设置φ600 mm双管旋喷桩止水，旋喷桩深度为基坑以下2.0 m，以钢管作为内支撑。盖挖盖板厚度1.1 m，临时立柱处设置两道1.2 m×1.5 m纵梁。盖挖段隧道围护及主体结构剖面如图7所示。

图7 盖挖顺筑法横断面(单位:m)

(2)盖挖顺筑法施工

下穿段隧道盖挖长度62 m，基本施工工序为:

①河道改移完成后对盖挖围护结构顶土体进行放坡开挖，挂钢筋网喷射10 cm厚C20混凝土面层护坡，并设置间距1.2 m×1.2 m土钉。

②按一定工序施做钻孔灌注桩(围护桩和立柱桩)、桩间止水旋喷桩。基坑范围内降水开挖，施做现浇钢筋混凝土盖板及纵梁，待盖板混凝土达到设计强度后，回填覆土恢复原河道。

③在盖板保护下对下部基坑进行开挖，随挖随-设置钢支撑，至基坑底设计高程。

④铺设防水层，回筑主体结构。主体结构封顶前，临时立柱仍发挥作用，因此在回筑主体结构顶、底板过程中需在立柱处预留孔洞，待顶板浇筑完成后凿除临时立柱，对顶、底板孔洞进行封堵。

4 盾构法区间隧道穿越水体

4.1 盾构隧道下穿东江

东江隧道西湖～云山西路站区间为双洞盾构隧道，GDK99+150～GDK99+650段穿越东江(图8)，两线隧道净距7.5 m，盾构管片内径7.7 m，隧道顶部与河底最小距离为17 m，采用德国进口的两台直径8.8 m的海瑞克土压平衡盾构机进行施工。

图8 盾构隧道下穿东江平面

图9 盾构隧道下穿东江地质纵断

东江系珠江支流，江面宽度约500 m，江水深5～15 m，流量800 m3/s，雨季江水水位随降雨量增加而升高。下穿段地下水主要为孔隙水和裂隙水，其中裂隙水主要分布于下层基岩中，节理裂隙发育;裂隙水含水量较大并略具承压性，受大气降水和东江直接渗入补给。

3.2 施工重点难点分析

下穿东江段是西湖—云山西路站区间的关键，直接影响到盾构施工的成败。根据工程水文地质情况，盾构掘进通过东江有以下几个关键点:

①盾构掘进下穿东江水体，关键是控制地层变形，防止东江河床结构开裂，造成涌水、涌砂风险事件。

②盾构隧道穿越东江段处于线路缓和曲线及圆曲线范围，盾构纠偏控制难度大，对盾构姿态控制要求高，掘进参数需精确。

③左线盾构近100 m段落通过上软下硬地层，盾构在该类地层中掘进极易造成地表较大沉降，甚至坍塌。

④江底换刀位置选择及换刀作业。

4.3 主要技术措施

为了保证盾构机顺利穿越东江，在盾构机过东江之前，选择一开挖面自稳性较好的地段进行全面检修，包括刀具更换、盾尾密封的检修等，确保盾构机以良好的状态进入东江，减小下穿掘进过程中停机检修的风险。在整个施工过程中必须运用信息化施工、控制隧道变形和河床沉降，并对盾构掘进中的各类施工参数进行动态管理。

(1)土仓土压控制

土仓土压力设定是土压平衡掘进最重要的参数，盾构掘进时土仓压力控制不好，就会导致东江水与掘进开挖面连通，易引起喷涌、大面积塌方等，造成重大工程事故。受江水潮汐及隧道埋深的影响，土仓土压力值的设定需充分考虑水头压力、水土压力。根据潮水潮差的监测情况，合理设定和适时、动态的调整土仓压力，所要建立的土压需要克服上部土体坍塌状况下的压力和周围水压。掘进前，按照地质及水文情况、隧道的埋深测算出理论土压值，以理论土压值控制土仓内的压力，随着推进时产生的地层沉降、排土状况、刀盘扭矩等情况及时修正土压值。

(2)曲线段掘进施工

盾构在曲线上掘进时，盾构轴线控制困难，需放慢掘进速度，小幅度纠偏，减小超挖，加大注浆量及加强纠偏测量工作，保证隧道中心线与设计轴线偏差在合理范围内。

盾构掘进时，应尽量将盾构机的位置控制在施工设计曲线的内侧，这样有利于盾构机姿态的控制和纠偏。

曲线段施工时，为保持设计曲线线形，要合理使用千斤顶，在掘进时尽量维持施工参数的平稳，尽量利用盾构机本身能力进行纠偏。

曲线段推进时，管片结构单侧偏压受力，容易造成管片结构变形，此时壁后充填注浆质量显得尤其重要。

(3)同步注浆

同步注浆的作用是在盾构推进过程中，管片与地层之间的间隙将随着盾构推进不断地被浆液填充，以保证管片脱离盾尾时有一定的约束，同时也避免在地层不稳定时地层坍塌及地层变形过大。采用普通水泥砂浆作为同步注浆材料，注浆量取环形间隙理论体积的1.3～1.5倍作为控制，注浆量还应根据江底隆陷监测情况，随时进行调整和动态管理。

(4)二次注浆

盾构同步注浆结束后，因江底地层水压大，注浆材料流失，造成注浆不充分或无法实施同步注浆时，将导致管片与地层之间仍留空隙，并且盾构推力也会造成管片和地层间会相互分离，从而加剧地层后期沉降。因此，施工中适当采用1∶1配比的水泥-水玻璃双液浆进行二次注浆，充实管片背后空隙和提高止水能力，进一步控制地层后期沉降。

(5)碴土改良

在复杂地层盾构施工中，碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段，有利于稳定工作面，

控制地表沉降。根据东江地质条件，在全、强、中风化含砂砾岩地层的掘进，采用分别向刀盘面和土仓内注入泡沫的方法进行碴土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。

(6)刀具配置

盾构下穿东江段范围内地层风化程度不同，地层对刀具有较强的磨损。含砾砂岩强度不大，岩石的砾质和主体岩质之间存在较大的强度差异，在掘进过程中，刀具容易出现磕碰现象。根据该类地层的特点，刀具配置为全断面滚刀，刀具配置为:中心双刃滚刀+周边单刃滚刀+贝壳刀。同时合理使用外加剂，提高碴土的和易性和流动性，减少碴土与刀具刀盘的摩擦，降低刀具的磨损。

5 结束语

(1)对下穿水体隧道方案的选取，应根据水体规模、工程水文地质、安全风险、工期及造价等因素综合考虑。对长距离穿越经济发达、人口密集区域的城际铁路隧道，还应整体考虑区间工法及地下车站设置的影响。

(2)较一般段落相比，下穿地表水体段落必须加强前期地勘工作，有针对性的选取方案、采取措施，减小后期因地质不明而引起的施工风险。

(3)莞惠城际铁路下穿黄沙河、西南河、东江等地表水体，作为全线隧道高风险点，方案合理、措施到位，目前均已顺利通过并完成衬砌浇筑和管片拼装。

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