高水压过海盾构隧道建设关键技术可行性初探

宋超业， 贺维国， 吴钇君

(1. 中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300133；2. 天津市隧道设计及安全评估企业重点实验室， 天津 300133)

0 引言

我国河网密布，湖泊、海峡、海湾众多，内地河流总长达43万km，长度在1 000 km以上的河流有20多条； 全国天然湖泊约3 000个，总面积超过68 000 km2； 辽宁与山东、大陆与台湾、广东与海南分别由渤海海峡、台湾海峡、琼州海峡分割。“十三五”期间，我国计划铁路投资3.5万亿元，水下铁路隧道的需求将越来越多[1]。国外发达国家早在20世纪30年代就开始修建海底隧道，例如日本关门海底铁路盾构隧道。典型工程英法海峡隧道长49.2 km，丹麦大海峡工程长7.9 km，均是采用双管直径8.5 m圆形断面的铁路隧道[2-3]。进入21世纪，过海隧道在我国得到了快速发展，在盾构法水下隧道修建方面积累了大量经验。广深港高铁狮子洋隧道长10.8 km，首次采用了盾构“相向掘进、地中对接、洞内解体”技术[4]； 汕头海湾隧道、深茂铁路珠江口隧道和厦门轨道交通3号线过海隧道等[5-6]目前正在建设中。针对长大过海盾构隧道工程在方案论证、水压力计算等设计关键技术、盾构选型和掘进技术等方面研究成果较多[7-11]。但由目前的研究和实践可知，压力超过0.6 MPa时盾构换刀就需要采用风险和造价都很高的饱和惰性气体法进舱，给盾构法施工带来巨大挑战。拟建的琼州海峡通道、渤海海峡通道等跨海通道将面临超长距离、超高水压隧道掘进安全等技术的重大突破[12-13]。本文结合规划的琼州海峡铁路隧道工程，介绍高水压长距离过海盾构隧道关键技术的实现，以期为拟建琼州海峡铁路隧道工程提供技术储备。

1 琼州海峡铁路隧道方案

根据国家铁路局科技研究计划，琼州海峡铁路通道采用中线盾构隧道方案过海，线路全长61.95 km，隧道长30.1 km，过海段长度约为22.4 km，结构最大水压约为1.21 MPa。最大水深约为80 m，最大覆土厚度约为93.3 m，水深大于50 m的地段长约12.3 km； 靠海南岸有陡坎，高差约65 m。琼州海峡铁路隧道中线盾构方案纵断面见图1。

海峡地区地层岩性为第三、四纪海相沉积，上部为黏土、黏土夹砂或粉土互层，下部为厚层状黏土及粉砂质土的互层，300 m深度处未见基岩。

图1 琼州海峡铁路隧道中线盾构方案纵断面图

隧道横断面采用双洞+中间服务隧道方案布置(见图2)，采用联络通道连接，线间距为60 m。隧道净空有效面积为69 m2，满足200 km/h客运专线兼顾双层集装箱运输铁路隧道净空有效面积的标准，拟定隧道内径为9.4 m，管片厚度为600 mm，内部现浇钢筋混凝土衬砌厚度为250 mm，外径11.1 m。

图2 盾构隧道横断面图(单位： mm)

采用资料调研、理论研究、数值模拟及专家咨询的方法，结合建设方案开展了隧道建设和运营期间8个方面的关键技术研究，包括超高水压、防灾疏散、抗震分析、耐久性设计、海中对接、联络通道、背负式运营和工程风险评估等。综合分析表明，决定方案可行性的核心问题就是如何应对超高水压。琼州海峡中线盾构方案隧道最大埋深达到121 m，最大水深约80 m，盾构独头掘进长度为12 km，远远超过目前国内所有水下隧道。首先是超高水压(水头高120 m)下盾构施工阶段问题，包括盾构密封、刀具更换、超长距离盾构掘进等； 其次是超高水压下盾构隧道运营服役问题，包括管片结构受力和接缝防水等。本文结合类似工程实例，研究提出实现盾构高水压长距离安全掘进和正常服役关键技术的可行的解决途径。

2 高水压盾构隧道工程案例

2.1 广深港客运专线狮子洋隧道

狮子洋隧道全长10.8 km，其中，盾构段长9.34 km,为双管单线隧道，外径为10.8 m，其纵断面如图3所示。该隧道穿越珠江入海口的狮子洋，河面宽6.1 km，结构承受最大水压约0.67 MPa。盾构隧道大部分处于微风化砂岩、砂砾岩中。

2.2 苏通GIL综合管廊隧道

全长5.5 km，管廊直径11.6 m，主要穿越砂层，结构承受的最大水压约0.8 MPa，采用1台盾构独头掘进。2017年11月30日成功穿越江底深槽陡坡段，穿越过程中最大切口压力达到0.84 MPa，底部压力达到0.98 MPa，创造了国内盾构施工压力新记录。

2.3 土耳其博斯普鲁斯海峡公路隧道

隧道为跨越博斯普鲁斯海峡的第1条公路隧道，纵断面如图4所示。该公路隧道采用盾构法施工，盾构直径为13.66 m，盾构隧道长3.34 km，最大水压力为1.06 MPa，理论上盾构最大可承受1.3 MPa的水压力，设计抗震级为里氏7.5级。

图3 广深港客运专线狮子洋隧道纵断面图

图4 土耳其博斯普鲁斯海峡公路隧道纵断面示意图

2.4 丹麦斯多贝尔特铁路隧道

斯多贝尔特铁路隧道工程是连接东西丹麦的一条由桥梁和隧道组合而成的通道，隧道全长8 025 m，主要穿越冰碛物黏土层及泥灰岩层。隧道采用双洞单线断面，外径8.5 m； 隧道穿越海域最大水深55 m，结构承受最大水压约0.75 MPa； 施工过程中在隧道轴线上进行了大规模的降水，孔隙压力降至0.3 MPa以下。丹麦斯多贝尔特铁路隧道平面如图5所示。

2.5 米德湖取水隧洞(敞开TBM+泥水盾构)

美国拉斯维加斯米德湖(Lake Mead)取水工程由竖井、引水隧洞和入水口组成。3#引水隧洞位于竖井底部，长约4 600 m，开挖直径7.2 m。引水隧洞穿越硬岩与砾石交替地层以及断裂带，结构承受最大水压约1.20 MPa，盾构设计静水压为1.7 MPa，于2014年底建成。

图5 丹麦斯多贝尔特铁路隧道平面示意图

Fig. 5 Schematic of The East Tunnel of The Great Belt Fixed Link in Denmark

从上述世界海底盾构隧道工程案例可以看出，目前在高水压方面结构承受的最大水压国内为0.8 MPa、国外为1.2 MPa； 在长距离掘进方面英法海峡隧道单台TBM最大掘进长度为18.5 km，上海长江隧道盾构一次推进长度约为7.6 km。对比琼州海峡隧道的主要参数可知，中线盾构隧道方案中水压和掘进长度指标处于国内最高和世界前列，但经过一定的技术攻关是可以实现的。

3 高水压盾构施工措施

3.1 盾构选型及掘进

1)考虑将隧道埋置于合适地层，隧道埋深选择位于粉质黏土、粉质黏土间夹粉砂地层(见图1)，地层渗透系数为4×10-9m/s； 2)选择加气式泥水平衡盾构； 3)采用高质量泥膜形成技术，泥浆质量和配比通过试验确定； 4)设定合理的掘进支护压力，刀盘前方的水压力与主动土压力之和根据潮汐修正。采取上述措施保证盾构在高水压状态下顺利掘进。

3.2 盾构密封止水技术

1)主轴承密封。盾构主轴承密封建议采用高硬度值的密封圈，使用带楔形突起的唇形密封圈组合密封结构，并对所选用的密封圈进行高压条件下的疲劳测试和耐压性能测试。国外盾构最大设计承受水压已达1.7 MPa。

2)盾尾密封。①采用4道以上的钢丝刷密封，并在盾尾增设1道膨胀应急密封系统。②定期检查更换盾尾密封刷，保证注脂压力。

3)设置盾尾冷冻装置，以方便安全更换盾尾密封刷。盾尾刷工作寿命一般为2.5～3.0 km，预计有2～4次盾构尾刷更换工作。

3.3 海底盾构换刀技术

隧道不设置海中竖井，需解决长距离高水压下盾构掘进过程中的换刀问题。常用的几种换刀方式：

1)开舱常压换刀技术，适应于硬岩或加固后具有良好自稳性与隔水性的地层。

2)带压进舱换刀技术，适应于各类软弱地层，单次作业时间受限，工效较低。

3)减压限排换刀技术，适应于弱透水、具有部分自稳性的地层。

4)饱和气体带压进舱换刀技术，适应于各类软弱地层，作业连续。

5)基于换刀装置的常压换刀技术，能更换35%～40%的刀具。

对于带压换刀，水压为0～0.24 MPa时，采用压缩空气带压进舱； 水压为0.24～0.60 MPa时，采用专业潜水员混合气常规潜水； 水压在0.60 MPa以上时，采用配置减压舱或转运舱的饱和潜水作业。针对琼州海峡跨海隧道工程具体情况(穿越的地层稳定性较差; 水下进行作业很难实现盾构换刀前局部区域的土体加固; 需要抵抗的水压大)，主要考虑以下解决思路。

3.3.1 主动换刀技术

隧道主要穿越粉质黏土地层，此类地层对刀具磨损程度小。根据国际上长距离盾构刀具磨损经验可知，刀具磨损量

式中：K为磨损系数，淤泥或黏土地层中K约为0.001 5 mm/km，砂土地层为0.007 mm/km；D为刀盘切削直径，m；L为盾构掘进距离，km；N为刀盘转速，r/min；v为盾构设计推进速度，mm/min。

刀具允许磨损量S为20 mm(外周刀具为40 mm)，计算得到在黏土地层中不换刀掘进距离为14.7 km，砂土地层为3.2 km。

根据上述分析和类似工程施工换刀参数(见表1)，结合地层情况沿隧道轴线平均间隔2.0 km设置1个换刀点，海域共设置10个，提前采用冻结或注浆进行加固，主动进行计划性换刀检修。

表1 类似工程施工换刀参数

3.3.2 减压限排换刀技术

目前工程的水头压力达1.2 MPa，带压换刀只能采用饱和潜水作业，效率较低且投入大。隧道穿越的粉质黏土地层渗透系数为4×10-9m/s，提出弱渗透地层水下隧道减压限排换刀方案，见图6。

图6 水下隧道减压限排换刀方案

Fig. 6 Scheme of cutting tool replacement under reduced pressure and limited slurry releasing condition

根据数值模拟分析结果可知，随着压力增大，掘进面的渗水量显著减小。处理基本思路是采用水泥砂浆或衡盾泥填舱，通过盾体上的超前注浆孔加固地层，在工作面建立较低的平衡压力，允许地下水渗水舱内采用封闭的管道泵排出。狮子洋隧道进行过大量的减压限排实践检验，在刀盘前方未处理的情况下，全强风化地层掘进压力为0.32 MPa、进舱换刀压力为0.22 MPa。当舱内气压上涨时及时调整气压确保开挖面稳定。

3.3.3 饱和潜水换刀技术

与盾构施工所需潜水作业相比，海上潜水面对的环境更严酷。目前我国300 m以浅大深度饱和潜水技术的研究应用已处于世界先进水平，本工程深度在120 m左右，在此方面海上潜水行业的相关技术标准、安全法规框架已基本构建，可供隧道盾构施工潜水作业借鉴。

3.3.4 基于换刀装置的常压换刀技术

水下隧道采用常压刀盘换刀技术[14]可以大大降低换刀风险、提高效率，目前实现常压换刀刀盘的盾构直径一般在14 m以上(见图7)，因此，需联合装备制造商开发直径11～12 m的盾构常压刀盘换刀技术。

(a) 常压换刀操作

(b) 换刀装置

图7盾构常压刀盘换刀方式

Fig. 7 Cutting tool replacement under atmospheric condition based on cutting tool replacement device

3.3.5 非常状态下被动换刀技术

海域盾构因刀具磨损被困时，可采用海面垂直冻结加固常压进舱修复、相邻隧道水平冻结加固常压进舱修复等方案，并辅以洞内超前孔水平冻结、常压进舱、开挖修复工作室进行修复作业。这些方法都有成功的案例，例如海面垂直冻结加固换刀修复方案如图8所示。

综上所述，在琼州海峡中线盾构方案1.2 MPa的水压下，结合穿越地层情况，采用主动换刀方式预设换刀点，采用研制的常压刀盘实现常压或减压限排换刀，辅助饱和潜水带压换刀，可以实现盾构刀具更换，保证其长距离和高水压状态下顺利掘进。非常状态下可以采用海面垂直或水平冻结加固被动换刀修复的方案使盾构脱困。

图8 海面垂直冻结加固换刀修复方案

Fig. 8 Vertical freezing reinforcement for cutting tool replacement

3.4 超长距离盾构掘进

1)刀具布置优化，是决定长距离掘进的关键。采取刀具段差式布置、超硬重型主刀头、互换性刀具设计、伸缩刀具等措施可以延长刀具掘进寿命。

2)增强刀具耐磨性。通过对砂卵石和黏土地层刀具切削机制和地层适应性的研究，可采用“减小前角、加大后角、增大合金、钝化刀刃”方法改进材质耐磨强化，采用碳化钨刀具。南京纬三路过江通道大直径盾构连续在砂卵石、黏土粉砂层掘进2 580 m未更换刀具。

3)常压下磨损检查换刀作业、高压换刀作业的保驾护航。常压换刀的成功实施、盾构刀具适时检测和更换技术的建立，使得超长隧道的掘进成为可能。

4)盾尾密封可更换。盾尾设置多道密封体系，需要时密封刷采用液氮冻结法或注浆加固实施更换。

3.5 海底隧道联络通道施工技术

联络通道施工优先选择泥水平衡顶管施工法(见图9)，必要时结合冻结止水加固。降低富水地层联络通道施工风险，实现安全、高效、优质的通道建设。

结合运营防灾分析，尽量加大联络通道纵向间距至1 000 m以上，以减少联络通道个数。

图9 联络通道泥水平衡顶管施工法

Fig. 9 Construction of cross passage by means of pipe jacking method

4 高水压管片结构

4.1 计算分析

隧道衬砌水荷载计算方法主要包括折减系数法和理论解析法。水头折减系数β为一综合性指标，其包括外压力传递过程中受阻的水头损失系数、考虑水压作用面积减小的面积系数和反映排水压情况的系数。根据地区经验，β取0.2～1.0[15]。对于中线盾构隧道，结构水头为121.4 m，海底覆土41.3 m，采用全水头计算，不考虑折减。盾构管片受力分析采用梁-弹簧模型分析方法，可以考虑各类结构位置与刚度、错缝时的环间相互咬合效应及隧道与周围土体的实际相互作用关系。盾构管片内力计算主要结果见表2。

表2 盾构管片内力计算结果

通过管片结构内力计算分析，得到以下结论：

1)管片弯矩增加值随水位埋深的增加相对减小，轴力与水位埋深呈线性增加。水下隧道管片的受力和配筋受水位埋深的影响需要综合考虑，并非水位埋深越大配筋越多。高水压结构管片受力采用目前的高强混凝土管片和配筋手段可以解决。

2)管片轴力随水位埋深的增加而增大，高水位埋深的管片轴力较大，容易造成接头的损坏，需要注意管片的接头样式和可靠性。

4.2 衬砌结构类型

在海洋腐蚀环境下，周边大量地下工程在使用过程中出现严重的腐蚀现象，例如： 深圳前海湾隧道管片连接螺栓锈蚀情况严重； 青岛胶州湾隧道内部分设备腐蚀严重(见图10)。单层管片衬砌的错台和漏水等加剧了结构性能劣化问题。

(a)

(b)

日本在高速铁路、城市干道、城市地铁以及输水隧洞中较早应用双层衬砌。双层衬砌具有密闭抗渗效果好，提升隧道纵向刚度，增强隧道应对撞击、爆炸、火灾等意外情况的优点。因此，推荐采用双层衬砌结构，其中，外层采用管片衬砌，按照单独承载结构进行设计； 内层衬砌结构采用现浇混凝土或其他专用材料，作为安全储备。采用高强高性能混凝土提高管片本体耐久性和抗压能力； 内层衬砌设置排水系统，按承受折减水压力复核。

4.3 盾构隧道接缝防水

接缝防水采用外侧海绵橡胶+2道弹性密封垫+内侧密封封堵的方式，如图11所示。管片外侧防水综合考虑管片涂层和管片后注浆进行材料研发，改善隧道外侧防水效果； 设置内层衬砌加强防水。防水构件的关键在于弹性橡胶密封垫能够承受高水压。对于密封垫，应采用计算分析结合试验验证的方法进行设计。

(a) 压缩状态 (b) 未压缩状态

图11盾构管片接缝防水方案图

Fig. 11 Waterproofing of segment joints

结合中线隧道方案的设计参数，通过弹性密封垫的室内试验和有限元计算，选择合适的断面和构造，应保证水压最大处接缝在环缝张开量3.6 mm、水压力2.52 MPa作用下不漏水； 同时，开展密封垫应力松弛和蠕变试验及数值分析，要求密封垫应力松弛小、抗蠕变性能佳，保证接缝的长期密封效果。

5 结论与建议

以琼州海峡为代表的长大过海隧道采用盾构法实施技术可行的关键在于克服高水压和长距离掘进。本文采用工程类比、施工阶段关键技术分析的方法，对高水压长距离过海盾构隧道关键技术的可行性进行了分析。

1)根据世界海底盾构隧道工程案例，对比琼州海峡隧道的主要参数，中线盾构隧道方案水压和掘进长度指标处于国内最高和世界前列。

2)高水压盾构施工措施解决的关键包括盾构选型及掘进、盾构密封止水技术、海底盾构换刀技术、超长距离盾构掘进和海底联络通道施工技术等。

3)高水压盾构衬砌结构采用双层复合式结构，接缝防水采用外侧海绵橡胶+2道弹性密封垫+内侧密封封堵的方式，是运营阶段盾构衬砌应对高水压力的有效措施。

4)在琼州海峡中线盾构方案1.2 MPa的水压下，采用主动换刀方式预设换刀点，结合研制常压刀盘实现常压或减压限排换刀，辅助饱和潜水带压换刀，可以实现盾构刀具更换，保证其长距离和高水压状态下顺利掘进。非常状态下可以采用海面冻结被动换刀修复方案使得盾构脱困。

高水压海底隧道的建设风险巨大，本文探讨的技术问题还需要在今后的实践中验证和总结。铁路隧道建设工作者们还需要进一步深化铁路隧道修建的基础理论研究，在跨海通道盾构隧道方面开展理论研究和关键技术创新，完善中国铁路隧道修建技术体系。