水下交通隧道的线形设计综述

李冰　肖明光

摘 要：目前，水下隧道施工工法主要有钻爆法、盾构法、沉管法和堰筑法。文章基于水下隧道的设计，并结合相关工程实例，针对这四种工法的施工特点和运营阶段的要求，分别介绍了其平、纵面设计的控制因素和相关要求，给出了各工法平纵设计的推荐参数，可为今后水下隧道的总体设计提供重要参考。

关键词：水下隧道平纵面设计控制因素；盾构法；钻爆法；沉管法；堰筑法

路线总体的线形设计重要性众所周知，它是设计成败的关键，是设计的灵魂，文章先介绍水下隧道平纵设计的共性控制因素，再结合各工法的特点单独介绍其平、纵控制因素。

1 水下隧道平纵面设计共性控制因素

1.1 平面共性控制因素

1.1.1 路线符合国家和所在区域发展战略，与道路规划协调一致，充分发挥项目的功能。

1.1.2 充分考虑严重影响工程方案实施的建设条件，如工程地质、水文、气象、潮汐、等因素。水下隧道工程对地质条件比较敏感，有时甚至是决定性因素，始终要把地质条件作为确定路线方案的第一要素，尽量避开水域风化槽和不良地质地段，降低工程风险及造价。

1.1.3 两端接线方案也是决定路线走向的重要控制因素，接线方案重点研究两岸的交通疏解及与现有道路的交通组织。

1.1.4 尽量避免与城市其他设施的干扰：区域内其他设施主要是既有道路、既有管网设施、既有建筑物及环境敏感点等。

1.1.5 充分考虑项目建设条件对工程实施可行性和经济合理性的影响。根据国内外工程建设的技术水平和施工水平，考虑线位区域建设条件对工程技术方案实施阶段的影响，保证所选线位在工程上的可实施性。为减小施工难度，降低工程造价，布线时要尽可能考虑施工的要求。

1.1.6 线形顺适、连续，在不过多增加投资的前提下，尽量采用较高的技术标准或不设超高的圆曲线，注意指标的均衡与连续。

1.1.7 适当考虑当地人文、景观、生态环境、地方政府的要求。

1.2 纵断面共性控制因素

1.2.1 隧道内坡度：最小纵坡不宜小于0.5%，最大坡度一般按4.0%控制，困难情况，经论证可按6%控制。

1.2.2 隧道两端接线道路路面标高及交通疏解要求。

1.2.3 明挖暗埋段的埋深：明挖暗埋段的埋置深度决定了基坑开挖深度，直接影响支护和开挖工程量，在满足其他条件下应尽量减小明挖暗埋段的埋深。

1.2.4 考虑到隧道的排水、纵坡可设计为“U”形、“V”形、“W”形。

1.3 平纵方案组合

平纵面组合设计，尽可能使二者的技术指标保持均衡和协调，力求均匀、缓顺，避免出现线形方面的突变，使路线与地形、地物、景观和视觉相协调，以保证舒适、安全的使用功能。按照规范的要求精心设计，避免出现各种不良的线形搭配和组合，以保证良好的视觉效果，提高行车舒适性。

2 盾构法隧道平纵面设计控制因素

盾构法利用盾构机械在地层中开挖，在盾构机壳体内进行衬砌拼装，再由千斤顶顶进，如此循环，向前延伸。一般适用于土质地层为主的隧道，目前我国已建成的有上海崇明隧道、武汉长江隧道、南京纬七路隧道等，在建的有南京纬三路隧道等。

2.1 盾构平面

考虑盾构隧道施工特点，平面主要考虑因素是：

两岸盾构始发井与接收井各隧道之间的净距按0.7～1.0D控制；水中盾构段隧道之间净距按1.0～1.2D控制；盾构两端明挖暗埋段尽量减小渐变段长度，减小占地宽度，降低开挖量；盾构隧道平曲线半径不宜小于50D（D为隧道外径），并不得采用需加宽的平曲线。

2.2 盾构纵断面

2.2.1 盾构隧道顶部设置高程：水中段盾构隧道结构顶部高程的确定应同时满足施工阶段和运营阶段的要求。施工阶段为了保证盾构掘进安全，结构顶高程主要取决于施工阶段河床最低高程、保证安全掘进以及满足施工抗浮要求的最小覆土厚度，一般而言，在水中段高渗透性的粉细砂地层施工，盾构顶部最小覆土厚度要求不小于1.0D，但也有采用0.7D 的成功经验。因此要求在盾构施工前应对河床面进行量测，如果覆盖厚度不能满足其安全推进要求时，需采取安全措施。运营阶段为保证结构运营安全，在考虑河床可能冲刷的最大深度、航道通航深度、锚击入土安全深度等的前提下，覆土厚度应满足结构抗浮稳定要求。

综合分析，考虑施工及运营期覆土厚度要求，根据实测冲刷下包络线及预测设计最低冲刷线标高，计算得到各控制点标高进行纵断面设计。

2.2.2 盾构进出洞覆土厚度要求：根据盾构进出洞处的周边环境及工程地质与水文地质情况，并考虑现有施工经验，盾构进出洞处的覆土厚度宜≥0.5D，且宜处于单一地层中。

2.2.3 水中段：水底控制标高综合考虑抗浮、施工稳定性、结构承载能力等因素，在深槽处尽量压低，在浅滩段尽量抬高。

2.2.4 视距检验：对隧道内对行车安全不利路段需进行视距验算。

3 沉管法隧道平纵面设计控制因素

沉管法隧道在水下预先挖掘好沟槽，把在干坞内预制的沉管从制作场地浮运到施工现场，依次沉放在沟槽内并加以连接，然后进行回填覆盖，从而建成隧道的施工方法。宜选择在土质地层，水深不大于30m，水流速度不应大于2.5m/s区段上，并应尽量避开陡坡或不稳定的岸线、急弯河道、變迁较大的河床、局部深槽、冲刷严重等施工困难水域，目前，我国已建成的有宁波甬江隧道、广州珠江隧道、上海外环隧道等。

3.1 沉管平面

沉管法隧道左右线位于一个整体结构内，左右线间距小，可利用暗埋段和敞开段渐变为整体式路基形式，平面线位主要受轴线总体走向确定，平面线位宜为直线。

3.2 沉管纵断面

3.2.1 水中沉管隧道顶部设置高程：沉管方案结构顶部高程主要受运营阶段覆土厚度控制，运营阶段覆土厚度取决于规划航道深度和锚击入土安全深度和设计最大冲刷线以下的抗浮要求，例如，按2.5～5万吨海轮，其锚重为6～9吨，锚泊深度为0.9～1.4m。在考虑隧道内部结构的自重条件下，满足抗浮稳定要求的隧道顶部覆土最小厚度为2.0m，分析该河段锚击深度以及抗浮深度要求，沉管方案结构顶面高程主要受抗浮要求控制。

3.2.2 纵断面不宜设凸曲线，因为凸曲线不利于沉管隧道防水设计。

4 钻爆法隧道平纵面设计控制因素

钻爆法采用人工或机械、在隧道开挖断面范围内钻孔、装填炸药、爆破及出渣，形成隧道断面，然后施作由钢支撑、锚杆、喷射混凝土及混凝土等组成的支护体系。适用于岩石地层，具有较成熟的施工经验，我国已建成的水下钻爆隧道主要有厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道等。

4.1 钻爆平面

4.1.1 钻爆隧道宜采用直线或不设超高的平曲线。

4.1.2 平面不得沿断层走向设置，当避开断层有困难时，宜调整平面线位，是隧道平面线形垂直或尽可能大的交角通过断层。

4.2 钻爆纵断面

隧道顶部覆盖层厚度在硬质岩石地段不应小于1.0D（D为隧道开挖跨度），软质围岩地段不小于1.5D，当遇断层破碎带、风化覆盖层时，应适当加大隧道埋深。例如，厦门翔安海底隧道最小岩石覆盖厚度为37.2m（包括18.2m厚强风化和19m厚弱～微风化花岗岩层）。

5 堰筑明挖法隧道平纵面设计控制因素

堰筑明挖法隧道是在水中修建临时性围堰，防止水和土进入建筑物的修建位置，在围堰内排水，形成干法施工环境，开挖基坑，利用明挖顺作法修筑隧道。一般适用于土质地层，水深较浅（不宜超过10m），水流流速较慢。目前我国已建成的有南京玄武湖隧道、杭州西湖隧道、苏州独墅湖隧道、厦门机场海底隧道等。

5.1 堰筑明挖法平面

堰筑明挖法宜采用直线或不设超高的平曲线。

5.2 堰筑明挖法纵断面

纵面要求与沉管隧道基本相似，可参考沉管隧道纵面控制因素。

6 结束语

上述为作者的经验参考值，仅供大家参考，具体设计还需结合每个项目的地形地质条件、水文条件、路线走向和沿线障碍物等因素确定，洞内外平、纵线形应相互协调，并应满足工程沿线主要控制条件，与两岸路网连接顺畅。

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