汕头市苏埃海底盾构隧道工程设计方案比选研究

宋 仪

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

0 引言

迄今为止，世界上已修建了许多水下隧道，其结构形式主要为暗挖隧道、沉管隧道和盾构隧道3种。海底隧道在我国尚处于起步阶段，目前我国大陆地区已建和正在建设的海底隧道共15条，采用盾构法修建的海底隧道有6条，苏埃隧道是其中之一。

汕头市苏埃海底隧道，从2008年开始进行可行性研究，2012年开始做初步设计。当时国内对盾构隧道抗震的研究还不多，主要集中在地震作用下的横断面力学行为分析上[1-2]，对8度地震烈度区盾构隧道的管片接缝位移、张开量[3]以及防水材料的性能指标以及隧道长期服役性能[4]等研究的比较少。

苏埃隧道是特长超大直径海底盾构隧道，也是国内第1条位于8度抗震设防烈度区的盾构隧道。隧道穿越极软土、砂土(可液化层)、硬岩、孤石等不同地质，对抗震非常不利。苏埃隧道的设计过程历时9年，期间设计方案不断优化。设计过程中，内外部的评审专家对设计方案的可行性进行过激烈争论，也对盾构隧道的施工及运营安全有过疑虑。设计院针对专家们关注的问题，尤其是盾构隧道的抗震性能展开了深入的研究。

通过总结苏埃隧道的设计过程，对类似水下隧道设计具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

汕头市苏埃隧道工程连接汕头市新老城区，路线自北向南沿天山南路西侧绿化带敷设，下穿苏埃湾海域，至南岸与规划路相接，隧道总平面图见图1。隧道工程线路全长6.68 km，包含1座特长隧道，隧道两端各有互通立交1处、管控中心1处、收费站1处、风塔2座以及围堰1座。隧道全长5 300 m，其中盾构段长3 047.5 m，盾构管片外径14.5 m，内径13.3 m。全程采用双向6车道标准设计，工程总投资约60亿元，施工预计工期为4.5年。

图1 苏埃隧道总平面图Fig.1 General plan of Su′ai Tunnel

苏埃隧道设计有2个重难点：1)抗震设计及防水设计没有规范可依，也没有类似的工程先例；2)隧道下伏高硬度花岗岩，最大岩石抗压强度达到200 MPa以上，隧道南段有182 m位于上软下硬地层中，南岸海域存在大量花岗岩球状风化体(孤石)，非常不利于盾构施工。

2 苏埃隧道各阶段专题研究

2.1 隧道设计过程

1)2008年初，开始工程可行性研究。

2)2009年8月，工程可行性研究报告完成，并经过专家审查。

3)2012年5月，广东省发改委对工程可行性研究报告正式批复。

4)2014年10月，完成初步设计文件编制。

5)2015年1月，广东省交通运输厅批复初步设计。

6)2016年2月，与施工单位组成联合体，中标设计施工总承包。

7)2017年5月，完成第2批施工图设计工作。

项目的前期研究工作并不顺利。2009年8月，完成第1版工可报告并进行了专家审查，但审查认为，项目的很多关键技术难点还研究得不够。审查后业主另选单位对项目进行更深入的研究，5年后完成初步设计。

2.2 隧道设计各阶段专题研究

2008年4月至2012年5月，工可阶段完成了9项基础性的专题研究，具体内容见表1。

表1 工可阶段完成专题研究汇总表Table 1 Special researches completed in phase of engineering feasibility study

2012年5月至2014年10月，初步设计阶段完成了10项专题研究，具体内容见表2。

表2 初步设计阶段完成专题研究汇总表Table 2 Special researches completed in phase of preliminary design

2014年10月至2017年5月，施工图设计阶段完成了11项专题研究，具体内容见表3。

表3 施工图设计阶段完成专题汇总表Table 3 Special researches completed in phase of construction drawing design

从这3个阶段所做的专题研究，可以总结出以下经验：

1)水下隧道设计十分复杂，涉及很多方面的控制因素，必须在不同的设计阶段完成必要的专题研究工作。这个工作不能省略，否则会给以后的设计工作带来不可控的风险。例如：在工可阶段的前期(2009年专家审查工可报告之前)，只做了地震和地质灾害评价2个专题报告，研究的内容明显不够，从而导致可研报告方案研究不深入。在补充了通航、海洋环评等相关报告，并深化了设计方案以后，工可报告才获得批准。

2)专题研究的费用通常在设计费以外另计(设计合同说明全包的除外)。有些业主给了设计单位设计费，就不愿意再承担专题研究的费用。这样往往导致该做的专题研究没有做，给以后的设计带来隐患。

3)各设计阶段的研究内容和重点不同。在可行性研究阶段，要完成水利、航道、海洋等各级政府和管理机构需要的前置性专题研究；在初步设计阶段，对工程规模、造价和关键技术要有研究结论，只有这样才能有效控制投资；在施工图设计阶段，应就项目重难点做深入研究，完善设计和施工的细节，做到设计内容可实施性强。

4)河势演变和冲刷分析，对水下隧道来说是一个非常重要的专题研究，应该在可行性研究阶段就完成。

3 隧道线路方案比选

3.1 隧道区域线位的比选

在工可和初步设计阶段，一共研究了A、B、C 3条线位并进行比选。苏埃隧道线位方案比选如图2所示。

图2 苏埃隧道线路方案比选图Fig.2 Comparison of route schemes for Su′ai Tunnel

A 线起于汕头北岸龙湖区天山南路与金砂路平交口，穿越苏埃湾海域，在南岸汕头跳水馆东侧约500 m 处上岸，穿南滨规划片区至本项目研究终点。

B 线北岸与A线基本相同，在南岸汕头跳水馆西侧约200 m 处上岸，经礐石风景区和南滨规划片区之间的预留空地至本项目研究终点。

C 线起于汕头北岸龙湖区金环南路与金砂路平交口，南岸与B线基本相同。

A线方案于南岸下穿军事区，协调难度大，且对南滨片区规划用地切割较严重；C线北岸接线不符合汕头市城市总体规划和城市用地规划，起点接金环南路道路等级较低，北岸中山路互通的布设困难，拆迁量较大。经过比较，最终选择符合城市规划、对环境影响小的B线方案。

3.2 B线位的细节比选

B1、B2线位平面图见图3。工可阶段推荐的是B1线位，但是B1线位下穿港池和锚地，相关管理部门意见比较大。到初步设计阶段，补充了避开港池和锚地的B2线位方案，并对2个线位做了同精度的地质勘查。

图3 B1、B2线位平面图Fig.3 Layout plan of lines B1 and B2

经过地质比较，发现B2线位岩面整体较低。B1线位硬岩侵入隧道的长度为436 m，B2线位硬岩侵入隧道的长度为182 m，B2线的工程施工难度比B1线小，同时又避开了珠池港区码头及主航道锚地。其他的一些困难也可以通过技术手段解决，因此最终选择B2线位方案。B1、B2线位地质纵剖面图分别见图4和图5。

图4 B1线位地质纵剖面图Fig.4 Geological profile of line B1

图5 B2线位地质纵剖面图Fig.5 Geological profile of line B2

4 隧道施工工法比选

4.1 隧道最小埋深的控制

确定隧道埋深是水下隧道设计的重点。隧道埋深要综合考虑水利、通航、施工安全、隧道抗浮等因素。苏埃隧道穿越主航道现状标高为-8.884 m，规划标高为-11.884 m，冲刷深度为2.8 m。根据《汕头市苏埃通道工程通航安全评价报告》，确认船舶应急抛锚时锚体的入土深度为4.0 m。巷道疏浚施工的允许误差取1.2 m。隧道埋深各控制标高见图6。

图6 隧道埋深各控制标高Fig.6 Various control elevations of tunnel burial depth

盾构法隧道要考虑各种不利因素的叠加，隧道顶部至规划主航道覆土厚度不小于2.8 m+4.0 m+1.2 m=8.0 m。海域主航道段隧道埋深按规划主航道下8.0 m控制。施工阶段隧道顶至现状海床面为11 m，可以满足安全施工的要求。远期运营阶段，在规划航道通航，且在百年一遇极限冲刷下，隧道埋深约5 m，不能满足抗浮要求。因此，在隧道仰拱设计铺设铅块抗浮，采取该措施后可满足抗浮要求。

4.2 盾构法与沉管法的比选

沉管法隧道埋深也按主航道段规划标高下8.0 m控制，其余地段满足管段浮运水深即可，其纵剖面见图7。

图7 沉管法隧道纵剖面图Fig.7 Geological profile of immersed tunnel

沉管法隧道线路总长6 680 m，隧道全长5 300 m，沉管段约长3 380 m；沉管的最大宽度为35.2 m，管段高度为9.7 m。沉管法隧道对航道影响大、造价高、工期长，不具备技术经济优势。隧道施工工法比较见表4，经过综合比较，选择盾构法施工。

表4 隧道施工工法比较Table 4 Comparison between tunnel construction methods

从4.1节隧道最小埋深的控制可知，隧道埋深取规划航道以下8 m，是设计单位在盾构法施工的基础上考虑了航道、冲刷、隧道运营期抗浮等要求，经综合权衡后确定的。

隧道需埋深至规划航道以下8 m，这开始是以专题报告的形式报给广东海事局，广东海事局又以正式函件的形式发给项目，后来这个数据就变成了一个硬性的设计条件，与隧道施工工法无关了。

沉管法隧道的优点是隧道埋深可以很浅，若以与盾构法相同的条件来控制沉管法隧道的埋深，则沉管隧道埋深浅的优势发挥不出来。沉管隧道设置有防锚层，确定埋深时可以不考虑船舶抛锚的因素。实际上沉管隧道的埋深应该定到冲刷线以下1 m，埋深取2.8 m+1.0 m=3.8 m。沉管隧道的水底段埋深可以比盾构隧道减小4.2 m，造价可以进一步减少。

综合考虑工期、造价以及对航道、岸上设施的影响，本工程采用盾构法是合理的。

5 隧道抗震设计

鉴于隧道的重要性以及所面临的巨大风险，为了保证隧道长期服役安全，需要对该工程的抗震性能展开深入研究，并通过研究解决以下3个方面的问题：

1)隧道结构的抗震能力分析。包括竖井与盾构连接处、结构跨越地质条件突变区域等重要部位的地震响应；隧道接头的消能减震效果。

2)结构的防水处理。接头的张开量预测及合理确定防水设计标准；研究是否设置二次衬砌。

3)地基处理。是否需要通过地基加固来解决砂土液化、软土震陷等地质灾害。

5.1 横断面抗震计算

盾构管片横断面在正常状态下的受力采用日本修正惯用法[5]和梁-弹簧模型[6]分别进行计算。横断面抗震采用反应位移法[7]进行计算。在仅考虑地震作用的条件下，管片错缝拼装的最大正弯矩为287.57 kN·m，最大负弯矩为-283.83 kN·m，最大轴力为502.39 kN；管片拱顶最大位移为15.49 mm，纵缝最大张开量为1.9 mm。每环管片横断面抗震计算内力、变形图见图8。

(a) 变形图(单位：m)

经过计算可知，管片横向抗震计算内力与变形均能满足规范要求，横向抗震不是其控制工况。

5.2 纵断面抗震计算

5.2.1 纵断面计算模型

盾构隧道纵向抗震采用弹性地基梁模型[8]，以梁-弹簧法进行计算。计算模型(见图9)按管环2 m分段，选用三维空间线性梁模拟。隧道环缝以梁单元之间通过旋转弹簧和拉压异性弹簧模拟。每个管环通过4个地层弹簧分别模拟隧道周边土体的约束，地层弹簧只承受压力。隧道盾构段两端采用梁单元模拟竖井，竖井周围有土弹簧约束。

图9 盾构隧道纵向梁-弹簧计算模型Fig.9 Longitudinal beam-spring calculation model of shield tunnel

5.2.2 纵断面计算工况

隧道的纵向抗震一共考虑了3个方案，计算了6个工况，见表5。

表5 隧道纵向抗震计算工况Table 5 Tunnel longitudinal seismic calculation cases

5.2.3 计算结果

经过计算和比较，采用方案Ⅰ和方案Ⅱ时，隧道均有较大范围的接头张开量[9](超过15 mm)。接头张开量较大的地方分布在土层变化和结构变化处(盾构井连接处)。而采用方案Ⅲ，隧道的环间张开量集中到预设的柔性接头位置，接头最大张开量达到49 mm，其他地方的接头张开量均小于15 mm，即张开量只是局部大，其他地方小。将3个方案进行比较，方案Ⅰ和方案Ⅱ，虽然最大变形比方案Ⅲ小，但其他地方的变形普遍较大，并且较大位置不可控，对防水设计不利。因此，隧道纵断面抗震设计选用方案Ⅲ。3个方案的管片接头张开量包络图见图10。

5.2.4 局部薄弱点抗震计算

通过纵向抗震分析，结构变化的位置(如盾构井与明挖段之间以及盾构井与盾构管片之间)是抗震的薄弱节点。针对这些薄弱的抗震节点，专门进行了三维模型的抗震计算(见图11)。

图11 三维抗震计算模型Fig.11 Three-dimensional seismic calculation model

盾构井与明挖段连接处的最大位移差为41 mm，与盾构隧道连接处的最大位移差为22 mm。计算表明：地震时盾构井与明挖段、盾构段的连接处是抗震薄弱节点，应采取抗震措施。

5.3 隧道抗震消能设计

结合以上数值分析，设计采用了纵向抗震方案Ⅲ，即局部抗震加强+设置消能节点的抗震方案，如图12所示，具体措施如下：

1)螺栓加强。在靠近南岸盾构井、海中硬岩凸起段范围和主航道下淤泥段(合计长度约1.5 km)，管片纵向螺栓由原来的56根M42、6.8级加强为56根M42、8.8级。

2)设置消能节点。在海中硬岩凸起范围设置4道消能减震节点，在盾构与竖井连接处设置2道消能节点，如图12所示。

图12 苏埃隧道抗震消能节点布置Fig.12 Layout of seismic energy dissipation points of Su′ai Tunnel

3)消能节点处管片的纵向螺栓消减到14根，增加了Ω形橡胶止水带和SMA(记忆合金)钢板；SMA和Ω形橡胶止水带以螺栓压紧在管片预埋的橡胶板上。具体构造如图13所示。

图13 消能节点构造详图Fig.13 Detailed diagram of energy dissipation node construction

设计时也曾设想在管片内侧设置二次衬砌，以缓解螺栓的锈蚀。经过抗震计算发现，二次衬砌能够增大管环环向接头刚度，地震时在二次衬砌上产生应力集中，致使二次衬砌发生破坏。因此，从结构抗震角度，不考虑施作二次衬砌。

5.4 盾构隧道防水标准

盾构隧道的防水与抗震是相关联的。如果接头防水的性能比较好，能够满足较大的接头张开量和错缝位移，对抗震的要求就可以低一些。设计要综合考虑抗震与防水在安全、经济、可实施性等方面的平衡，提出较合理的防水标准。

本隧道的最大埋深(到盾构底)为39.81 m，最大水压为0.4 MPa。经过综合比较，最终确定隧道的防水密封垫应同时满足以下2种工况：

1) 正常工况下，接头最大张开量为8 mm，最大错缝为10 mm。在此变形条件下，材料抗水压能力(使用年限内)应不小于0.8 MPa(安全系数取2)。

2)地震作用下，接头最大张开量为15 mm，最大错缝为10 mm。材料抗水压能力不小于0.65 MPa(安全系数取1.6)。

(a) 方案Ⅰ

6 结论与建议

通过设计方案比选，得出以下结论：

1)隧道平面B线位方案符合城市规划、对环境影响小，为最优方案。

2)盾构法施工造价低、工期短、对航道影响最小，为最优方案。

3)在8度地震烈度区修建盾构隧道在技术上是可行的，横断面抗震不是控制工况，关键是要控制纵断面抗震的管片接头的错缝和最大张开量。

4) 本工程采用局部纵向刚度加强+柔性变形相结合的抗震措施是经济合理的。可将地震时的结构变形诱导到预设的柔性节点处。

柔性接头的SMA(记忆合金)钢板的力学作用是限制地震时接头变形的过度发展，同时在地震结束后促使接头变形恢复。但是，笔者认为SMA板不一定是必须的，盾构管片纵向螺栓本身也可以起到同样的作用。建议以后的高地震区盾构隧道设计可以考虑研究以合理数量的纵向螺栓替代SMA钢板的可行性。另外，苏埃隧道从抗震的角度没有设置二次衬砌。是不是说在8度地震烈度区的盾构隧道就不能设置二次衬砌，笔者认为不一定。假如在必须要设置二次衬砌的情况下，可以考虑采取合理设置变形缝，在二次衬砌中采用预设柔性接头的方式，解决二次衬砌在地震状态下的受力问题。