妈湾跨海通道工程隧道选线快速评价模型研究

陈小平， 辛理敏， 孔祥岁， 刘学增， 师 刚

(1. 深圳市交通公用设施建设中心， 广东 深圳 518040； 2. 上海同岩土木工程科技股份有限公司， 上海 200092； 3. 同济大学， 上海 200092)

0 引言

随着我国沿海地区经济快速发展，为满足城市发展需要，在滨海地区进行了大量的隧道工程建设。滨海地区隧道常穿越淤泥、黏土、填石、硬岩和软硬不均地层等多种复杂地层，土层力学性质差异大，且软硬突变明显，其中上软下硬地层既不利于沉管法施工，也不利于盾构法施工。如选线不合理，长期重载作用下的隧道结构可能出现明显的不均匀沉降，环缝张开过大时会出现漏水、漏泥问题，严重影响海底隧道运营安全，同时将大幅提高工程造价。因此，工程地质条件直接影响隧道规划、设计、施工、运营，对线位进行工程选线评价尤为重要。

当前隧道选线评价多采用定性方法。李晓昭等[1]对玄武湖水下交通隧道环境地质条件进行了定性分析，评价了3种比选方案；黄希强[2]对广深港客运专线珠江狮子洋隧道工程地质及水文地质条件进行了定性评价；孙成智[3]对西成铁路客运专线棋盘关隧道设计的地质条件进行了定性评价；曹柏树[4]对位于枝万线笔架山地区的3座大长岩溶隧道的工程地质及水文地质条件进行了定性评价；谭长伟等[5]定性分析了胶州湾海底隧道的工程地质条件；苗德政等[6]对巫洋隧道的工程地质条件定性地进行了分析、研究及评价；雷中华[7]针对瓯江水下盾构隧道，对沼气、深厚卵石、软土和岩石界面等不利于盾构建设的工程地质问题进行了分析评价。由于定性评价主观性较强，有学者提出隧道地质条件可采用定量评价，汪继锋[8]应用层次分析法，将岩溶隧道水文地质评价因子量化，确定因子权重，通过比较各因子权重大小评价岩溶隧道水文地质条件的优劣；魏伟青等[9]通过聚类分析，针对越江地铁隧道地质特点，构建了地质安全评价指标体系，并对武汉地铁4号线越江隧道地质情况进行了评价；徐军政[10]分析了厦门地铁3号线跨海段主要工程地质问题，采用盾构掘进硬岩、盾构掘进上软下硬地层、矿山法施工风化槽3个因素作为地质评价指标进行线位比选；高伟等[11]以影响隧道选线的各种地质因素作为定性评价指标，采用权重系数法，通过定性指标定量化对岩溶区隧道线路选取的合理性进行分析评价，并基于评价结果提出线路选取优化措施。

综上所述，目前隧道选线评价多为定性评价，采用定量方法建立选线评价模型辅助隧道选线的研究仍较少，并且由于地质条件的差异性，尚无成熟的评价模型可供借鉴。本文依托妈湾跨海通道工程，以地质条件为主要角度，分析如何科学合理地评价隧道结构对海底不同地层的适应性，以期实现参数化、量化的海底隧道选线思路，并借助三维参数化选线分析平台，实现多条隧道线位的快速评价。

1 工程概况

妈湾跨海通道工程拟由桥梁、隧道及道路组成，本文主要研究对象为隧道。初步提出沉管法(围堰明挖)、盾构法、钻爆法3种隧道施工方法，从设计、施工安全、经济等方面综合考虑，沉管法、钻爆法施工工艺复杂，风险高，同时工程投资巨大，不适用于本工程，因此推荐采用盾构法。本文对盾构法隧道的3条设计线位展开比选，线位的纵断面如图1所示，具体方案见表1。

图1 隧道纵断面线位

线位桩号结构形式位置施工方法1K1+445～K1+750U型槽前海陆域段明挖法K1+750～K2+200闭合框架前海陆域段明挖暗埋K2+200～K2+480盾构前海陆域段盾构法K2+480～K3+650盾构海域段盾构法K3+650～K4+508盾构大铲湾陆域段盾构法K4+508～K6+700闭合框架大铲湾陆域段明挖暗埋K6+700～K6+976U型槽大铲湾陆域段明挖法2K1+475～K1+750U型槽前海陆域段明挖法K1+750～K2+300闭合框架前海陆域段明挖暗埋K2+300～K2+480盾构前海陆域段盾构法K2+480～K3+650盾构海域段盾构法K3+650～K4+130盾构大铲湾陆域段盾构法K4+130～K7+504闭合框架大铲湾陆域段明挖暗埋K7+504～K7+805U型槽大铲湾陆域段明挖法3K1+475～K1+750U型槽前海陆域段明挖法K1+750～K2+280闭合框架前海陆域段明挖暗埋K2+280～K2+480盾构前海陆域段盾构法K2+480～K3+650盾构海域段盾构法K3+650～K4+340盾构大铲湾陆域段盾构法K4+340～K7+504闭合框架大铲湾陆域段明挖暗埋K7+504～K7+805U型槽大铲湾陆域段明挖法

2 选线快速评价模型指标选取

隧道地质条件一般包括岩土性质、地质构造、水文条件和不良地质现象。由于隧道埋深、隧道上覆岩土层与下卧岩土层性质的差异，沿线路方向的沉降在空间上是不均匀的。场地位于抗震设防烈度为7度的地区，根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》，抗震设防烈度小于8度时可不考虑地震错动对隧道的影响，因此断裂带对隧道的影响不作为选线评价指标。由于外水压力的影响已在差异沉降计算的附加应力中考虑，因此水文气象条件不再作为独立的选线评价指标。场地不良地质条件有地面沉降、地面塌陷、软硬不均地层等，这些不良地质条件作用于隧道最终表现为不同程度的变形和沉降，因此选择差异沉降作为选线评价的主要依据。结合设计要求，选择如下6个指标作为选线评价指标： 平面曲率半径、纵坡坡度、抗浮安全系数、隧道埋深、与平面控制因素水平距离、差异沉降。对下列情况实行一票否决： 1)平面曲率半径不满足设计要求； 2)纵坡坡度不满足设计要求； 3)盾构段不满足抗浮设计要求(明挖段不满足抗浮要求的可通过设置抗拔桩处理)； 4)隧道埋深不满足设计要求； 5)与平面控制因素水平距离不满足水平方向安全间距的要求。对满足平面曲率半径、纵坡、抗浮安全系数、隧道埋深、与平面控制因素水平距离要求的线位方案，通过计算不同断面的沉降，并采用沉降曲线的曲率半径进行选线评价。

3 评价指标计算方法

平面曲率半径、纵坡坡度可由设计平面图、纵断面图得到；隧道埋深、与平面控制因素水平距离可由工程方案资料得到。本文重点介绍抗浮安全系数、差异沉降及沉降曲率半径的计算方法。

3.1 抗浮安全系数

隧道抗浮安全系数按妈湾跨海通道工程设计资料选取： 陆域段主体结构≥1.05(不考虑侧壁摩阻力)，抗浮水位为地表；海域段盾构法主体结构施工阶段≥1.1，运营阶段≥1.2。抗浮安全系数计算公式如下：

F浮=γwV

；

(3)

；

(4)

G自=γcS

；

(5)

；

(6)

G覆=(γs-γw)×H×b

。

(7)

式(1)—(7)中：γf为抗浮安全系数，施工阶段采用式(1)计算，运营阶段采用式(2)计算；G自为隧道管片结构自重标准值，盾构段采用式(4)计算，闭合框架段采用式(5)计算，kN/m；G内为隧道内部结构(行车道板等)自重标准值，kN/m；G覆为隧道上覆土层的有效压重标准值，盾构段采用式(6)计算，闭合框架段采用式(7)计算，kN/m；γg为隧道结构自重分项系数，取1.0；γa为隧道上覆土层质量分项系数，取1.0；F浮为浮力标准值，kN/m；γw为水的重度，kN/m3；V为计算水位以下隧道结构封闭外轮廓，即隧道排水体积，m3/m；γc为管片衬砌及内部结构重度，kN/m3；S为闭合框架段隧道结构的横截面面积，m2；γs为上覆土体重度，kN/m3；D为管片衬砌外径，m；d为管片衬砌内径，m；R为管片衬砌外轮廓半径，m；H为管片衬砌覆土厚度，m；b为闭合框架段隧道结构横截面宽度，m。

3.2 差异沉降

3.2.1 沉降计算

明挖法及盾构法隧道施工是先卸载再加载的过程，土体沉降由再压缩量(基础和结构荷载尚未超过开挖土体的自重)和压缩量(基础和结构荷载超过开挖土重)组成。一般情况下，隧道修建后的基础和结构荷载都比开挖土体自重小，因此只需考虑再压缩量，按照分层总和法计算，见式(8)—(10)。

σzi=αup

；

(9)

p=p1+p2+p3-p4

。

(10)

式(8)—(10)中：s为总沉降量，mm；σzi为附加应力平均值，kPa；Hi为分层i的厚度，m；Eei为第i层土的再压缩模量，MPa；p为基底附加应力，kPa；αu为应力系数，可查表获得；p1为结构上方回填土重，kPa，依据土层重度、土层厚度、地下水位高度计算得到；p2为结构自重，kPa；p3为车辆荷载等效应力，kPa；p4为浮力，kPa。

根据妈湾跨海通道设计资料可知，隧道主辅路为双向6车道，道路等级为城市快速路。考虑最不利情况，汽车荷载等级按公路—Ⅰ级考虑，根据JTG B01—2014《公路工程技术标准》[12]，公路—Ⅰ级汽车荷载标准值为550 kN，车辆尺寸为15 m×2.5 m，车辆荷载布置的立面图与平面图如图2所示。

(a) 立面图

(b) 平面图

由文献[13]可知，汽车间距的合理距离为0.6 m。按最不利原则，考虑隧道全长布满标准车辆荷载的情况下，车辆荷载前后投影长度为15(车辆长度)+0.6=15.6 m，由于妈湾隧道为双向6车道，车道宽度为3.75 m，则在3.75 m×15.6 m的范围内，布置的车辆荷载为550 kN，且考虑最不利情况，认为车辆荷载引起的应力全部作用在该范围内，以该范围内由车辆荷载引起的应力作为车辆荷载引起的基底附加应力，即为550/(3.75×15.6)=9.40 kPa。因此本项目p3=9.40 kPa。

3.2.2 沉降曲率半径计算

A、B、C是沉降曲线上连续的3个点，假定3点共圆，经验法求沉降曲线上B点曲率半径示意图如图3所示。

图3 经验计算法示意图

假设沉降曲线上，点A、B、C的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，B点隧道纵向变形的曲率半径计算公式见式(11)。

综上，可以得到曲率半径计算公式如下：

(13)

4 指标分级打分标准

综合妈湾跨海通道工程的设计要求，抗浮安全系数、纵坡坡度、平面曲率半径、隧道埋深、与平面控制因素水平距离的控制标准见表2。

根据李鹏等[14]对越江盾构隧道纵向不均匀沉降控制指标的研究，上海地铁2号线达到曲率半径控制值(15 000 m)时对应的环缝张开量为0.3 mm，上海长江隧道外径为15 m，管片壁厚0.65 m，环缝张开量为0.3 mm时，隧道曲率半径R1=78 494 m；当螺栓达到屈服强度时，隧道曲率半径R2=37 875 m。

表2 评价指标控制标准

注：L1为隧道与市政管线或工业管线的竖向安全距离；L2为船舶应急抛锚贯穿深度；L3为隧道与平面控制因素的水平安全距离。

妈湾跨海通道盾构段管片外径、壁厚与上海长江隧道相同，以上海长江隧道的临界曲率半径计算结果为基础，考虑以9R1、6R1、3R1、R1为临界值，将妈湾跨海通道盾构段纵向不均匀沉降的曲率半径ρ划分为5个等级进行打分。考虑到打分标准的一致性与可操作性，对妈湾跨海通道的明挖段隧道沉降曲率半径采取相同的分级与打分标准，见表3。

表3 曲率半径分级与打分标准

5 选线快速评价模型

对表1中的7个区段分别按一定间距划分计算断面，每个断面作为1个沉降计算点。根据表3的打分标准，对每个沉降计算点的曲率半径进行打分，一般每个区段沉降曲线的首、末点曲率半径计算不准，因此计算时去掉首、末点。取7个区段曲率半径分数的平均值作为该隧道线路线位评分分数，见公式(14)。

式中：Vs为隧道选线快速评价模型评分分数；Vsij为隧道第i个区段、第j个曲率半径计算点对应的曲率半径评分分数；Ni为第i区段划分断面总数。

对于隧道整体选线评分分数小于60的线位予以直接否决；分数在60～80的线路评价为良好，属于可考虑线位；分数在80～100的线路评价为优秀，属于优先考虑线位。妈湾跨海通道工程选线快速评价流程如图4所示。

图4 选线快速评价流程图

6 算例

根据选线快速评价流程(见图4)，对妈湾跨海通道方案设计阶段的3条盾构线位的左线进行选线评价。经判断，3条盾构线位的平面曲率半径、纵坡坡度、抗浮安全系数、隧道埋深、与平面控制因素水平距离均满足设计要求。以一定间距选取沉降计算点，确定各沉降计算点的地层分布、隧道埋深、地下水位埋深、结构宽度、结构高度、结构断面面积等，以此为基础，计算各断面的隧道沉降，并绘制沉降沿纵向的分布曲线，如图5所示。根据式(11)，计算得到曲率半径分布，如图6所示。

根据表3，对隧道各沉降计算断面的曲率半径进行打分，并且根据式(14)对各断面曲率半径分数取平均值，作为隧道整体选线快速评价模型的评分分数。其中，线位1评分分数为79.3，线位2评分分数为71.3，线位3评分分数为84.1，线位1、线位2总体评价结果皆为良好，线位3评价结果为优秀。

(b) 线位2

(c) 线位3

7 三维参数化选线

选线快速评价模型运用时需要划分多个计算断面，在土层分层厚度获取及沉降计算时存在较大计算量。三维地质建模技术能够实现多源数据的集成，通过三维地质剖切技术、数据提取技术可以快速实现地层读取、参数匹配、计算评价等流程。将选线快速评价模型嵌入三维地质模型，构建三维参数化选线分析平台，可实现对多条隧道线位在定量地质条件下的快速选线评价。

(a) 线位1

(b) 线位2

(c) 线位3

输入待评价线位各区段里程桩号，人工对隧道划分区段后(见图7)，系统会自动根据设计指标的评价控制标准判断平面曲率半径、纵坡坡度、抗浮安全系数、隧道埋深、与平面控制因素水平距离是否满足设计要求(见图8)； 给出各区段的纵向沉降与曲率半径，并自动计算各区段曲率半径评分值(见图9)，从而评价线位的合理性。

8 结论与建议

1)在分析隧道线位地质条件的基础上，提出了妈湾跨海通道工程选线快速评价指标，即平面曲率半径、纵坡坡度、抗浮安全系数、隧道埋深、与平面控制因素水平距离、差异沉降。对平面曲率半径不满足设计要求、纵坡坡度不满足设计要求、盾构段不满足抗浮设计要求、隧道埋深不满足设计要求、与平面控制因素水平距离不满足水平方向安全间距要求的线位实行一票否决。

图7 区段划分

图8 设计指标自动验算

图9 曲率半径自动计算及评分

2)基于分层总和法得到隧道沉降计算公式，同时考虑地下水位、土层性质、土层厚度、先期固结压力、车辆荷载等，较为全面地反映了地质条件的影响。并推导出隧道曲率半径计算公式，制定了曲率半径分级打分标准，建立了妈湾跨海通道工程选线快速评价模型。

3)采用选线快速评价模型对妈湾跨海通道3条盾构线位进行评价，线位1评分分数为79.3，线位2评分分数为71.3，线位3评分分数为84.1。

4)在三维地质模型中引入选线快速评价系统，构建三维参数化选线分析平台，可实现对多条隧道线位的快速选线评价，为隧道合理建设提供支持。

5)下一步研究计划与内容：

① 对平面曲率半径、纵坡坡度、抗浮安全系数、隧道埋深、与平面控制因素水平5项设计指标进行定量分级，并对6项选线评价指标进行权重划分；

② 考虑纵坡设计坡度对沉降曲率半径评价标准的影响；

③ 探讨区段线位评价结果整合的方法，并与现有取平均值的方法进行对比；

④ 通过对比，对沉降曲率半径经验计算法的合理性进行分析；

⑤ 开展线位评价的风险评估模型。