沪渝蓉高速铁路崇太长江隧道关键技术探讨

马志富

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

随着我国隧道工程技术的快速发展，越江隧道建设数量越来越多，肖明清[1-3]等对武汉长江隧道盾构段结构形式、武汉三阳路公铁合建长江隧道，以及淮南—南京—上海1 000 kV交流特高压苏通GIL管廊工程隧道进行了专题研究；曹文红等[4]对超大特长盾构法施工的上海长江公路隧道工程进行了系统研究。上述穿越长江的隧道工程涉及市政道路、地铁、公路及管廊等不同功能的隧道。但截至目前，长江中下游尚无高速铁路越江隧道的实际工程案例，由于高速铁路对土建结构的平顺性和稳定性要求高，在长江下游宽阔水域松软地层中修建高速铁路隧道，进行隧道结构变形、结构可靠性、超长距离独头施工和特长水下隧道防灾疏散救援等系统研究，是十分必要的。

1 工程条件

1.1 地形地貌

隧址地貌为长江三角洲冲积平原，洞身下穿长江南支喇叭地段，江面宽约10.5 km，隧道南端太仓侧为滨海平原地貌，北端崇明岛侧为河口沙咀地貌。隧道平面如图1所示。

图1 崇太长江隧道平面示意

1.2 地层条件

拟建工程位于长江口口门海陆交互地带，地层沉积环境独特，由长江三角洲古河谷经海平面上升后充填后而成，沉积成因包括河流沉积相、滨海湖沼相、河口湾-浅海相和水下汊道相等，其中，第四系全新统(Q4)厚度在17～50 m，最厚处位于河床上扁担沙范围，属于全新统地层沉积中心，以下为上更新统(Q3)地层，是越江隧道洞身通过的主要地层，相关研究表明[5-7]，末次冰盛期长江下切河谷低于当今海平面50～70 m，河谷呈喇叭状，在镇江宽15 km，河口处宽120 km，其空间规模是冰后期沉积物得以良好保存的条件，冰后期海平面上升，河谷内高速沉积，沉积速率在8 000 aBP前约1.2 cm/a，8 000 aBP后骤减为0.15 cm/a；大部分沉积层形成于15 000～8 000 aBP，沉积速率高达8～15 m/1 000 a。

隧道高程大约在海拔-70 m以上，自上而下分布有全新统冲积粉砂层(河床表层)、全新统海陆交互沉积淤泥质粉质黏土、粉土、粉砂和中粗砂，上更新统冲积粉砂、中粗砂，-50 m以下则基本为上更新统冲积粉细砂、中粗砂、粉质黏土和黏土层[8]，如图2所示。不同时期形成的地层层面呈明显波浪状，表明长江口潮流和径流影响了地层的形成。

图2 隧道纵断面示意

隧址土质粒径均匀、粒径小，黏土平均含量高，砂土包含粉砂、细砂、中砂及粗砂。主冲槽以南地层自下而上韵律规则，以黏土、粉土为主，上有淤泥层，下有砂层，主冲槽以北地层则以砂为主，局部呈砂泥互层状。

1.3 水文条件

地表水水样水质分析显示均为淡水；地下水类型为第四系孔隙潜水。水体平均含沙量[9]三峡蓄水前约0.47 kg/m3；三峡蓄水后约0.16 kg/m3。

1.4 不良地质

河床表层分布有新近沉积的②76粉砂，存在地震液化问题。场区有形成并局部富集浅层气的条件，个别钻孔也揭示到了浅层气外溢现象。

1.5 河道冲刷

经长期自然演变和人工治理，河道平面形态、滩槽格局趋于稳定，隧道线位河道断面冲刷深槽低点根据数模、物模及河演分析确定[10-11]，流速20年、100年和300年一遇条件分别按2.6 m/s、2.7 m/s和2.75 m/s左右考虑；枯季大潮涨急条件下，七丫口线位断面深槽流速一般在1.0～2.0 m/s。据此推算河床冲刷断面包络线，并按照3个低点进行控制：北侧新桥水道-27.0 m，南侧主槽左侧低点-49.4 m，南侧主槽右侧低点-58.2 m。江面按照300年重现期的水位高程为5.01 m[12]，南侧主槽右侧低点无冲刷时水深为29.3 m，地下埋深约为33.9 m，河流冲刷对隧道影响如图3所示。

图3 河流冲刷对隧道影响示意(单位：m)

1.6 航运设施

隧址区范围段的长江干线航道，航道尺度为12.5 m×200 m×1 050 m[13-14]，全天候双向通航5万吨级海船。南岸为太仓港区，隧道下穿停泊区和过驳作业区，其上下游各约2.0 km处分布有海轮锚地，锚地计算锚击入土深度约7.5 m。

1.7 自然保护

隧址水域为长江刀鲚国家级水产种质资源保护区核心区，分别列入上海市、太仓市生态红线。

2 主要技术标准

2.1 设计标准[15]

铁路设计标准为时速350 km高速铁路，建筑限界采用高速铁路建筑限界，接触网采用弹性悬挂，疏散救援通道宽度≮1.25 m，接触网下锚等局部地段≮0.75 m，铺设双块式无砟轨道。隧道拟采用单洞双线，隧道内轮廓轨面以上内净空有效面积标准值为100 m2。

2.2 运营维护管理标准[16]

根据铁运[2012]83号《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》，高速铁路线路轨道静态几何尺寸容许值偏差管理值见表1。

表1 高速铁路线路轨道静态几何尺寸容许值偏差管理值

2.3 防灾疏散救援[17]

依据现行TB10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》，长度>10 km隧道，应设置不少于1处紧急出口或避难所。盾构隧道宜利用底部空间设置疏散廊道。

3 关键技术

3.1 长江口段复杂环境河床地层动态变化对隧道工程影响

(1)隧址处地层压实及运移对隧道工程影响

有研究认为[18]，长江三角洲沉降主要受基底构造控制，河口沉积中心由松散沉积物压实引起的沉降也是一个不容忽视的因素，它对局部产生的沉降作用非常明显。三角洲基底构造沉降是全线的、整体的，越江隧道可不单独研究，但其穿越了1.7万年以来形成的高沉积速率沉积层，沉积时间短、速度快，且土层压缩性随埋深增加明显增大，同高程淤泥质黏土、粉质黏土压缩性显著低于粉土与砂土。工程百年时间跨度的地层压实沉降值及沉降速率情况，是本隧道结构设计和运营条件的控制因素，亦是本隧道需要重点研究的内容。

同时，由于全新统地层不断沉积与压实，河床下高含水量的软泥向海洋方向不断运移[18]。对本项目而言，重力作用下淤泥层等软塑-流塑状地层的横向位移，对隧道结构稳定性也会产生一定影响。

因此，研究在工程所在地层在使用期亦即100年时间尺度下动态变形规律，对评价隧道工程长期安全性具有重要意义，具体包括以下3个方面：

①隧道所处地层的压实沉降及横向位移规律特征；

②沿隧道纵向黏性土与砂类土(含粉土)的差异沉降；

③沿隧道纵向同一地层不同埋深的沉降特点。

(2)冲淤往复作用对隧道结构稳定性影响

隧址的冲刷深度大，水域段河床高程在-25 m～0，控制点处河床高程与极限冲刷深度对应见表2。

表2 隧道线位控制点位高程及极限冲刷深度

在长江涨水涨潮冲淤过程中，水位变动、冲淤作用变化，必将导致河床下方地层及隧道结构应力产生变化，应力变化对隧道结构纵向稳定性产生的影响，需进行专题研究分析与评估。

(3)河床表层大厚度沉积砂层液化对隧道结构变形影响

隧道水域段河床表层分布有新近沉积的粉砂层，砂层厚度在0～20 m，纵向覆盖范围约占隧道长度的80%。一方面，粉细砂层在7度以上地震作用下，可能产生液化现象；另一方面，在长江口波浪动力作用下，沉积砂层表面也有液化可能。而大范围厚层粉细砂地震液化后，对隧道结构整体变形的影响，需进行研究与评价。

3.2 水下软土地层隧道变形控制

(1)软土地层盾构掘进隧道基底变形与结构变形控制

前文已述，本隧道穿越地层为新近沉积土，表层的粉砂及粉土均为饱和松散层，流塑状淤泥质粉质黏土，隧道通过了大段落的粉土、粉质黏土及砂层，其中，砂层包括粉砂、细砂、中砂及粗砂层，砂层及粉土的密实度随着深度增加而明显增大，粉质黏土则为软塑状。同一地层深度每加深10 m，标贯锤击数增加5～6击，隧道工程范围土层基本属于高压缩性土层。

盾构段隧道覆土深度10～34 m。两端洞口段隧道处于黏性土中，埋深小、压缩性高；隧道中部为Q3砂类土，埋深较大，压缩性相对较低。在长期高速列车荷载作用下，根据不同地层的动力响应特征，制定隧道结构变形控制措施，保证隧道内轨道结构平顺性与稳定性。

盾构推进过程中，机头部位自重大，对不同深度地层必然产生局部不同的压实，管片环推进后，由于大直径结构自重明显小于土体自重，因此，不同深度地层的压实沉降及回弹不同，结构承受的地层压力与抗力也不同，引起的结构变形必然有差异。研究盾构机掘进及拼装技术，局部地层力学性质差异明显段的结构设计，减小掘进引起不同地层的压密沉降差，对控制地层变化引起的隧道结构变形十分必要。

(2)高水压下结构变形控制

盾构隧道位于水下20～87 m，隧道结构承受的最大外水压力约为0.97 MPa，拟采用盾构隧道直径约15 m，管片厚60 cm，环宽2 m，标准管片弧长约5 m。在高水土压力作用下，管片因拼装位置及同步注浆效果的差异，加之接缝安装误差，管片间连接错台，管片环椭圆度偏差，必然产生非对称变形。上述非对称变形在隧道建成后，可能随着越江隧道工程条件变化而变化。因此，研究越江隧道结构形式[19]，对控制结构变形，提高结构安全度十分必要。

3.3 超大直径水下隧道超长距离安全施工

越江隧道盾构段长约13.2 km，其中水域段约10.5 km，长江江面在自然保护区红线范围，且航道尺度大，航运繁忙，水面临时围护筑岛作业不可行。针对上述情况，可选择的工程方案有2台盾构机相向施工采取水下对接方案和单台盾构机独头掘进施工方案，而在饱和松软地层水下环境，盾构对接面临的工程风险极高，需解决设备制造和施工工艺水平两大难题，国内尚无类似条件的工程案例，不建议推荐。因此，水下超长距离安全施工是本项目主要技术攻关方向。

(1)超长距离掘进盾构主机设备

盾构隧道通过了长约8 km的砂层段，主要包括细砂、中砂，局部有粉砂、粗砂。砂层密实，砂粒石英含量高，因此，掘进推力和扭矩大，刀具及密封系统易磨损[20]。盾构一旦下井推进后，需持续掘进11.5 km，且不具备来自地面的检修作业，除正常作业外，所有的设备检查、维修、更换和调试均在隧道内进行。研制高可靠性主机设备和常压换刀刀盘，做到少换甚至不换设备，是隧道顺利掘进的关键。

(2)超长距离掘进运输系统

随着盾构掘进不断向前，洞内泥水管路跟进和运输车辆走行的距离不断加大，需进行严密的泥水系统和运输组织设计，满足盾构隧道超长距离运输系统体系的正常运转。

(3)超长距离掘进施工通风

直径约15 m的超大直径盾构隧道，最大独头施工通风长度达11.5 km，在盾构机掘进施工过程中，机器散发热量高，运输车辆在洞内运行时间长，单位时间内洞内车辆数量多，烟气排放量大，加之局部地层赋存有害气体，专门研究施工通风保障技术，是工程顺利实施的重要支撑。

3.4 越江特长隧道防灾疏散救援

现行防灾疏散救援规范认为，隧道内行驶的列车发生火灾事故时，应控制列车到隧道外进行停车疏散与救援，本隧道长约14.2 km，按规范要求单洞隧道应在洞身设置不少于1处紧急出口或避难所，满足非火灾事故列车停车疏散与救援。

理想的紧急出口和避难所设置点，应该是将隧道纵向基本等分的位置，这样在隧道内任意点停车时，能做到最不利点的疏散路径短和疏散时间最短。

越江隧道单洞方案，显然不具备中间设紧急出口或避难所的条件，但其下口型结构内空间，如何科学利用于疏散和救援，是本项目需要重点研究的内容。

同时，越江隧道工程的重要性和特殊性，除了预防列车火灾事故，还要预防洪水，预防船只自身及携带危险品爆炸冲击等对隧道造成的影响。

3.5 其他

隧道和航道呈立交关系，航船停泊设施条件复杂[21]，为保障隧道建成后高速铁路的运营安全，需就航运设施对隧道影响进行安全评估，当评估为危险的范围时，应进一步协商调整。

4 结论与建议

4.1 结论

沪渝蓉高铁崇太长江隧道属于特长水下隧道，水压高，地层松软，自然环境保护要求高，盾构隧道越江段工作井之间独头掘进的距离超长，隧道工程技术难度极高，需研究解决的主要技术难题如下。

(1)长江河口段复杂环境隧道稳定性分析包括：新近沉积地层压实及运移对百年工程期变化特征；冲淤往复作用对隧道结构纵向稳定影响；地震作用下江底表层大厚度沉积砂层液化对隧道结构变形影响。

(2)水下软土地层隧道变形控制包括：软土地层盾构掘进隧道基底变形与结构变形控制；高水压下超大断面隧道结构差异变形控制。

(3)超大直径水下隧道超长距离安全施工包括：超长距离掘进盾构机的可靠；超长距离掘进运输系统的配套；超长距离掘进施工通风的保障。

(4)特长越江隧道防灾疏散救援包括：盾构隧道底部空间的利用；其他灾害的预防与控制。

4.2 建议

长江是我国经济最活跃的水道，自江阴至入海口长约220 km的河口段，处于长江社会经济发展十分突出的地区，按照国家发改委《长江干线过江通道布局规划(2020—2035年)》，该地区越江通道建设主要以隧道工程为主。崇太长江隧道关键技术问题的研究，对保障高速铁路越江隧道建设及运营安全具有重要的技术支撑作用，对促进该地区铁路工程发展具有重要意义。