佛山市季华路西延线顺德水道隧道总体设计及关键技术

王海林， 蒋 源， 陈 兆， 张兆远， 汪 敬

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

0 引言

随着地下空间开发利用高峰的来临，在市区等繁华地区以及环境苛刻地区修建隧道的情况时有所见，盾构法因其成洞质量高、掘进速度快、安全性佳、作业环境好、地层适应能力强等优势，在穿江越海通道工程中得到空前的应用和发展。目前盾构技术正往高水压大断面、复杂地质条件、超长城区掘进等方向发展[1]，其中武汉三阳路[2]、汕头海湾隧道[3]、济南黄河隧道[4]、上海长江隧道[5]等均为成功的工程前沿范例。

1 工程概况

根据广东省交通厅规划要求和佛山“十三五”规划目标发展需要，佛山市提出佛山一环西拓战略建设，采用一级公路标准兼顾城市道路功能的技术标准，加快推进佛山西部较落后区域与较发达区域的衔接，以交通融合带动产城融合。

季华路西延线作为佛山一环西拓战略的重要组成部分，是佛山市中心组团的重要西出口，它的建设对于疏导交通和促进经济发展有着重要的作用。现状季华路终点到南庄码头止，属断头路，无法最大化其城市主干道功能，打通季华路与西部区域的连接，对于形成更方便快捷的道路网，实现禅城区与南海区、三水区的便捷连接有至关重要的作用。

在顺德水道穿越方案的选取上，前期考虑采用桥梁上跨方案，虽然桥梁方案水上作业风险小，但对通航干扰大，需整体搬迁南庄码头，且涉及大片厂房拆迁，可实施性低，因此桥梁方案在前期研究中被否定，综合考虑后确立了盾构隧道下穿方案。

顺德水道隧道作为季华路西延线的控制性工程，也是佛山第一条超大直径盾构隧道，区域影响巨大，具有断面直径大、水压高、覆土浅、间距小、建设条件复杂等特点。

1.1 隧道位置及基本信息

佛山市季华路西延线工程顺德水道隧道位于佛山市禅城区南庄镇与丹灶镇交界处，呈东西走向。线位南侧约800 m处为广明高速丹灶特大桥，线位西岸为丹灶农林用地，线位东岸为南庄码头，线位北侧约220 m处为规划禅城港区禅城作业区(见图1)。

隧道在顺德水道西岸受基本农田控制，路线线位调整空间小，隧道东侧需顺接季华路，线位唯一，因此本项目只有顺德水道段的路线有一定的调整和优化空间。在已明确盾构隧道方案基础上，提出了下穿南庄码头的K线方案(线位一)和绕避码头的N线方案(线位二)。

图1 顺德水道隧道平面线位图

1.2 主要技术标准

佛山市季华路西延线工程采用一级公路标准建设，兼顾城市道路功能，主线双向6车道，设计车速80 km/h，采用盾构隧道下穿顺德水道。

1.3 工程地质与水文地质条件

隧道顶部地层主要为淤泥质黏土夹砂及粉细砂，极易被冲刷；盾构隧道主要位于粉细砂及砂卵石地层，透水性强，易突水涌沙，施工风险极大；基岩以强、中风化泥质粉砂岩及砂岩为主，强度为5～30 MPa。

顺德水道现状为Ⅲ级航道，规划为Ⅱ级航道，通航1000t级船舶，拟建工程处河面宽约900 m，水深最深处约13 m。

地下水可划分为上层滞水、孔隙潜水、基岩裂隙水3种类型，各种类型的地下水之间水利联系紧密。河道极限冲刷专题研究表明，100、300 a一遇洪水条件下，隧址区最大的冲刷深度分别为5.11、6.33 m。隧道地质纵断面如图2所示。

图2 隧道纵断面地质剖面图

1.4 总体设计思路

在满足规划要求、技术标准和交通功能定位的前提下，综合考虑工程施工难度与风险、运营安全与风险、经济性等多方面因素，合理确定隧道平、纵、横断面，并最大程度减少征地拆迁和提高运营服务水平。

2 总体方案

2.1 隧道平面

隧道平面设计的控制因素主要有：

1) 减少征用基本农田和拆迁。征地及拆迁是城区建设项目的主要制约因素，本项目隧道东接季华路，道路两侧是大面积的厂房，西岸主要为鱼塘，预留道路红线60 m，红线外为基本农田。

2)双洞盾构隧道之间及隧道与周边建筑物的合理净距。根据国内外类似工程经验及有关规范，一般要求并行盾构净距不小于1.0D(D为隧道外径)，始发接收端可适当减小，但应采取措施确保施工安全。盾构与周边建筑物净距尽量加大，当必须侧穿或下穿时，应有足够的安全措施。盾构侧穿码头管理用房位，隧道与其桩基础之间必须留有足够的净空用于保护建筑物。

3) 考虑隧道下穿南庄码头泊位之间的合理布置。南庄码头为高桩框架结构，6个泊位，岸线长370 m。线位与码头泊位存在平面位置冲突，为尽量保证隧道运营期码头的规模容量，应在线位平面布置时减少拆除泊位。

4)盾构隧道段尽量设置在直线或大半径平曲线上，避免路面设置横向超高。隧道盾构段需在路面横坡高的一侧设置疏散口，在低的一侧设置排水沟，这就要求整个盾构段横坡为恒定值，因此需使用直线或者大半径平曲线。

基于上述控制因素，设计时拟定K线(图1中线位一)与N线(图1中线位二)两个线位方案。K线方案施工期间对顺德水道的通航无影响。隧道线位避让南庄码头办公建筑，码头桩基较深，需拔桩；施工期间南庄码头需停止作业，施工完成后恢复；隧道下穿南庄散货码头，为满足通航管理要求，需要永久关闭2个散货泊位。N线方案从码头规划岸线范围以外的散货泊位下方穿过，绕避了码头桩基，施工期可不中断码头作业，对码头运营影响较小。此方案存在以下问题： ① 需侵占基本农田。N线需穿越属于基本农田区域内的澳边湖，湖深0～5 m，隧道线位处湖水深度0～3.8 m，隧道最小覆土厚度仅6.77 m，不满足盾构隧道施工期抗浮覆盖层厚度要求。②与总体规划绿地冲突。澳边湖周围为总体规划绿地，N线方案穿越规划绿地，与区域总体的绿地规划不符。③与南庄镇规划不符。季华路南侧为厂房和店铺，若采用N线方案，需下穿该地块。店铺、厂房桩基基础(静压管桩)深度19 m，与隧道结构冲突。

综合考虑，推荐采用K线方案。该方案符合路网规划、土地规划、南庄镇规划及本项目功能定位，且工程规模和造价最优。K线方案隧道布置如图3所示。隧道全长2 655 m，其中盾构段长1 472 m，西岸明挖敞开段长275 m，明挖暗埋段长323 m(含工作井段28 m)；东岸明挖敞开段长290 m，明挖暗埋段长295 m(含工作井段28 m)。

图3 顺德水道隧道平面布置

2.2 隧道纵断面

纵面设计控制要素：

1) 考虑施工期间抗浮安全性和掘进安全性的要求。施工期不考虑洪水冲刷影响，隧道最小覆土厚度为12.2 m，大于保证掘进安全的覆土厚度0.8D。

2)考虑运营期间抗浮安全性的要求。运营期考虑洪水冲刷影响，顺德水道100、300 a一遇洪水条件下最大冲刷深度分别为5.11、6.33 m，相应的最小覆土厚度分别为8.0 m、7.2 m。考虑极限冲刷情况下，隧道覆土应满足抗浮要求。

3)盾构埋置深度大于锚击深度。根据通航专题研究，锚的触底贯入量为0.77 m，2 000 t级船舶拖锚冲击河床后的贯入量为1.12 m。

4)航道段盾构埋置深度大于通航要求的埋置深度。根据通航专题研究，顺德水道按Ⅲ级标准整治后航道尺度为4 m×80 m×500 m(水深×航道宽度×弯曲半径)，因此，管道满足河道水深要求的长度应不小于80 m。

综合上述控制条件，结合路线纵断面设计指标的运用，在盾构段满足河床标高、航道疏竣及覆土厚度情况采用2.97%接-2.97%的“V”型纵坡形式，尽量缩短隧道段长度，减小隧道埋深，以达到减小隧道规模的目的。

2.3 盾构隧道结构断面布置与内径

盾构隧道横断面布置需满足建筑限界、运营管理设备(通风、照明、监控等)布置、疏散与救援、施工误差等方面的要求，其中施工误差一般按半径方向富余15 cm考虑[5-6]。

隧道不设置排烟道，采用纵向通风排烟方式，上层为道路隧道行车层，下层为救援服务层。经综合考虑，隧道盾构管片外径15.0 m、内径13.7 m可满足空间布置要求，隧道横断面如图4所示。

图4 顺德水道隧道盾构段平面布置图(单位： mm)

3 隧道关键技术

3.1 码头改建关键技术

南庄码头位于顺德水道东岸，现为季华路西端终点，码头水工结构为高桩框架结构，1 000 t级泊位6个，岸线长370 m，港前水深约4.5 m。南庄码头为佛山市最大的内贸散货集装箱码头，也是南庄镇陶瓷产品内贸出货主要码头，因此对南庄码头的改建方案直接关系到项目的顺利实施。

如图5所示，隧道线位下穿南庄码头方案主要影响下游1#、2#两个泊位，该处隧道顶埋深在15 m左右，与码头桩基冲突，2个泊位占用港口岸线长度130 m，需关停该2处泊位，拆除隧道上方及安全间距内长约60 m原有水工结构。

综合考虑隧道规模，同时将对码头的影响降至最低，制定了如下改建方案：①为减少对码头的影响，在隧道中间及两侧增加适当桩基及上部结构,使恢复后的前沿平台可以作为水平运输车辆的通道。②将隧道上方及两侧安全范围内的原桩基、框架结构予以拆除，并将隧道中间及两侧的水工结构改建成墩式结构，适当增加桩基数量，使得水工结构恢复原状。③改建后的水工结构仅用于车辆通行，不得用于靠船进行装卸船作业。在改建完成的水工结构上方设置禁止船舶靠泊标志牌，改建后码头如图6所示。

图5 南庄码头与隧道位置关系剖面(单位： m)

3.2 盾构穿堤加固关键技术

隧道下穿顺德水道，盾构隧道下穿罗格围及南铁鼎围，东岸罗格围堤顶最小覆土为22.8 m，西岸南铁鼎围堤顶最小覆土为22.3 m，盾构隧道与罗格围立面关系见图7。

大直径盾构隧道穿越堤防的难点主要表现为地层易沉降、塌方，对周围已有建筑物有潜在危害性等。同时大直径泥水盾构在城市过江隧道施工时，城市的江河沿岸往往是中心地带，也是城市防洪的重要屏障，关乎人民生命和财产的安全，因此保证盾构施工过程中堤岸稳定性至关重要。

针对上述风险，设计中采取了如下加固措施：

1)堤防预加固。为防止在盾构施工过程中和完工后堤防发生沉降，减少堤围沉降和渗透破坏风险，采取堤防预加固的方式进行处理。盾构穿越前从堤防表层由上至下进行加固处理，处理方式为地表灌浆，加固范围纵向为沿堤顶线扩大2倍隧道洞径，横向为隧道结构边线外扩1倍隧道洞径，注浆至隧道顶部。

图6 改建后南庄码头与隧道位置关系剖面(单位： m)

图7 盾构隧道与罗格围立面关系

2)抛石防护。拟建工程处于汛险段范围内，为确保风险段安全，采取抛石防护措施，抛石防护范围为工程上游50 m、下游100 m，横向范围为堤防迎水坡坡脚线向外不小于30 m。

3)沉降监测。在隧道施工期及运行期，对罗格围及南铁鼎围典型部位进行沉降、倾斜、裂缝监测。发生异常情况时，应立即停止施工，并及时上报水行政主管部门，查清原因并采取补救措施后，方可继续施工。

4 结论

在复杂环境条件下进行城区公路大直径盾构隧道的总体设计时，需综合考虑各种环境条件制约因素及工程本身施工和运营安全要求。基于季华路西延线工程超大直径盾构隧道总体设计及关键技术的研究，得出以下结论：

1) 为充分利用宝贵的城市过江通道资源，大直径盾构下穿方案可作为穿江越海的优选方式。

2) 盾构法成洞质量高、掘进速度快、安全性佳、作业环境好、地层适应能力强、航道影响小、

不影响城市景观，是该类项目的最佳方案。

3) 本项目采用纵向式通风排烟方式可满足隧道通风排烟需求，故不设置排烟道；施工误差按半径方向富余15 cm考虑，上层为道路隧道行车层，布置3条车道；下层为救援服务层，布置疏散救援通道和管线廊道。综合考虑本项目空间布置要求，隧道盾构管片外径采用15.0 m、内径采用13.7 m。

4) 隧道下穿现庄码头为佛山市最大的内贸散货集装箱码头，设计中采取将隧道中间及两侧的水工结构改建成墩式结构、适当增加桩基数量的方式，恢复前沿平台作为水平运输车辆的通道，可有效保证码头的容量，减少对于码头的影响。

5)本盾构隧道下穿罗格围及南铁鼎围，堤顶最小覆土为22.3 m。针对盾构掘进易造成地层沉降、塌方，危害周围已有建筑物等风险，设计中采取堤防预加固、抛石防护、沉降监测等加固措施，可有效降低施工风险。