广佛环线东环城际盾构隧道设计关键技术研究

彭俊文/ PENG Jun-wen

（四川交投设计咨询研究院有限责任公司，四川 成都 610000）

近年来，以武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州钱江隧道的的建成运营，标志着我国设计、修建大直径水下盾构隧道达到了国际先进水平[1]。同样，在大埋深隧道方面，如新关角铁路隧道、西秦岭隧道、京广铁路复线大瑶山隧道以及锦屏二级水电站大埋深长隧道群的修建使我国大埋深隧道修建技术迈向了新的高度[2]。大量学者总结分析了水下隧道、大埋深隧道的工程重难点，并针对相关问题提出了设计、施工中相应的解决措施[3-7]。但是以上研究局限于水下隧道或大埋深工况下的关键技术，对于大埋深、高水压、围岩条件复杂的耦合工况下研究较少。如何在此类复杂耦合工况下施工，是急需解决的问题。

广佛环线东环隧道大源站-太和站区间隧道具有大埋深、高水压、围岩条件极为复杂等特点。本文以东环隧道为例，对大埋深、高水压盾构隧道衬砌类型及防水、大埋深复杂围岩条件衬砌结构形变控制、盾构选型等关键技术进行了详细阐述，以期为其他工程项目设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

珠三角城际轨道交通广佛环线东环隧道大源站-太和站区间隧道工程位于广州市白云区太和镇，南起点为太和镇大源村大源站，以南北方向进入太和镇沙亭岗村东侧太和站，区间长约6816m，采用地下敷设方式，如图1 所示。

图1 东环隧道大源站-太和站区间盾构隧道平面图

大源站-太和站区间里程范围为DK35+771.00～DK42+587.00，采用明挖法、盾构法施工，如表1 所示。

表1 隧道规模一览表

1.1 隧址地形地貌

广佛环线东环隧道大源站-太和站区间地处珠江三角洲中部，地面高程21～135m，相对高差2～86m，地势起伏较大，沿线多为丘陵与丘间谷地，为丘陵地貌。左线从大源站即广州市泰邦物流信息中心穿过山丘北上，横穿太和镇涉外村、茶山村和多座山丘，下穿北二环高速公路，横穿谢庄村进入太和站，沿线公路多为双向二车道，车流量大，交通繁忙，公路两侧多为民宅、商店、物流园等，楼层为2～10 层。地下管线较密集，尤其行人道及绿化带各类管线密布，埋深为1.0～4.0m 不等。

1.2 工程地质和水文地质

广佛环线东环隧道大源站-太和站区间隧道工程沿线穿越中风化片麻岩、中风化砂岩层及中风化炭质板岩，岩石饱和抗压强度分别为104.55MPa、73.8MPa、37.35MPa，摩 氏 硬 度最高达5.63，隧道将穿越珠三角地区典型的复合地层，土层强度低、自稳能力差，下伏基岩以片麻岩、炭质板岩、粉砂岩为主，基岩软硬差异较大，大多为软质岩，遇水易软化，自稳能力较差。

隧址区地面高程21～135m，隧道最小埋深15m，最大埋深厚度超过130m，盾构段下穿风化程度不同的片麻岩、粉砂岩、炭质板岩，强度差异较大、渗透性差异显著，加之区域内水系发育，地下水丰富，最大水压力为目前国内水压力之最，超过了1.2MPa，工程地质条件非常复杂。本项目采用盾构隧道的方式长距离穿越大埋深岩层为目前国内首次，设计与施工难度极大。

地下水按赋存方式分为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水。第四系松散土层孔隙水主要为承压水，部分为潜水；基岩裂隙水中地下水以承压水为主，含水层主要为呈碎块状的强风化岩带及节理裂隙发育的中等风岩带，含水层透水性、富水性中等；场区属覆盖型岩溶区，溶洞层数1～3 层，洞高0.3～11.7m，岩溶裂隙水存贮于灰岩发育的溶隙、溶洞中，具一定承压性。地下水具有化学侵蚀及氯盐侵蚀，其化学侵蚀无盐类结晶破坏，作用环境作用等级H1，氯盐作用等级L1，地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性。

2 主要技术标准

铁路等级：城际铁路

正线数目：双线

速度目标值：160km/h

正线线间距：4.0m

最小曲线半径：一般1500m，困难1300m；限速地段结合运行速度确定

最大坡度：30‰

3 工程总体设计

3.1 工程总体布置

区间隧道总建筑长度为6816m，其中区间盾构总长6144m。本区间隧道主要穿越花岗片麻岩、炭质板岩、泥质砂岩及灰岩层，采用两台双模盾构（单护盾TBM+土压平衡盾构）组织施工，盾构从太和站小里程端头工作井始发，大源站接收。隧道工作井及明挖段尽量布置在空旷场地，如果必须在道路下方，也应布置在车流量小，便于交通疏解地段。

3.2 线路平面与纵断面

3.2.1 线路平面

正线线间距为满足双洞单线盾构法隧道施工的需要，线间距不小于1D（D为盾构法隧道外径）。为避开既有建构筑物，减小线间距时，应充分考虑地层条件对隧道净距的影响：当地质条件好时，可适当减小线间距，当地质条件差时，应采取适当的保护措施。

3.2.2 线路纵断面

对于高水压隧道，一般纵断面宜采用浅埋方案，高水压情况下盾构法施工换刀次数应尽可能少，如南京纬三路隧道设计中采用压重方案优化隧道纵断面[8]，对于大埋深、高水压隧道通常采取施作内衬方式提高安全性，隧道纵断面分为敞开段及暗埋段[9]，广深港高铁狮子洋隧道主要考虑了结构荷载、防水难度等因素，在隧道纵向上覆岩厚度不小于15m[10]。本工程设计主要考虑隧道埋深一般不小于1D，在盾构始发段一般不小于0.7D。此外，从减少隧道施工风险的角度，应根据具体的地质条件及施工工法，考虑隧道纵断面设置；对于盾构法隧道，应尽量避免上软下硬地层，对于存在球状风化的花岗岩全风化层，有条件时也应尽量避免。最后应考虑列车运行节能需要，按车站布置尽量设置V/W 型节能坡。

4 工程关键技术

4.1 大埋深高水压盾构隧道衬砌类型及防水

4.1.1 盾构隧道衬砌结构类型

管片分为平板形、箱形、特殊异形等多种形式。在相等厚度的条件下，箱形管片具有重量轻、材料省的优点，但抗弯刚度及抗压条件均不及平板形管片，在盾构千斤顶顶力作用下容易开裂。平板形管片具有较大的抗弯、抗压刚度，尤其在较大直径盾构隧道工程中或高水压条件下，采用平板型管片，其抗浮、结构刚度均具有较大的优越性。本隧道最大埋深达150m，运营期间最大水压力约1.22MPa，要求管片具有较大的抗弯刚度和良好的抗压、抗渗能力，故本工程衬砌管片形式采用平板形管片。已有管片分块型式中，大埋深污水盾构隧道采用“5 等分分块方案”，是结构受力更为均匀[11]。本项目考虑到施工的便利性、管片的力学特征、对盾构拼装设备的要求及防水，管片拼装采用通用楔形环管片、错缝拼装，衬砌环采用“6+1”的分块方式，环宽1.8m。

4.1.2 盾构隧道防水

邓朝辉[12]结合武汉长江隧道对管片接缝防水设计进行了研究。本文对于盾构隧道防水设计从管片材料、接缝防水等多方面进行了综合考虑，隧道管片采用强度等级为C50/C60 的高性能混凝土，抗渗等级P12，管片混凝土中掺加网状聚丙烯纤维，添加量为1.5kg/m3。衬砌接缝设置包括弹性橡胶密封垫、最外侧的海绵橡胶条以及内侧嵌缝；在变形缝处，环缝弹性密封垫外侧加贴3mm 厚遇水膨胀橡胶止水条；环缝遇水膨胀橡胶密封垫外侧加贴3mm 同材料止水条；盾构始发、到达时，为防止地层中水土进入隧道，采用一道特制帘布橡胶板和钢制翻板以及密封油脂进行临时防水处理。

4.2 大埋深复杂围岩条件衬砌结构形变控制

本工程沿线盾构隧道大量穿越的全风化片麻岩、炭质板岩区段，该区段围岩压缩模量低、遇水易软化，属软岩范畴，在大埋深条件下围岩变形持续时间长、累计变形量大，管片衬砌结构施作后围岩的变形会持续一段时间，进而引起衬砌结构发生变形甚至破坏。为此，思考通过预留“可压缩层”以减缓围岩形变荷载向衬砌结构传递，“可压缩层”采用围岩与管片的空隙中充填具有一定的流动性和可压缩性的豆粒石予以实现，如图2 所示。

图2 管片结构配合“可压缩层”的联合支护体系

4.3 复合地层双模式盾构施工技术

广佛环线东环隧道大源站-太和站区间隧道工程将穿越珠三角地区软硬差异极大的复合地层，全风化～中风化的基岩、断层等，所穿越的地层软硬差别大，渗透性差别大、地层稳定性差别大，特别是断层破碎带对盾构施工安全影响巨大，在该种地层中不管采用土压平衡盾构还是护盾式TBM 均有各自的优缺点，均存在相当的难度与风险，故拟采用双模式盾构施工技术。

4.3.1 盾构选型

从珠三角城际及广州地铁建设情况看，类似工程盾构一般可以选择泥水加压式及土压平衡式，基于两种盾构型的优缺点，综合考虑本项目盾构穿越区段的地质及环境条件，结合珠三角城际 轨道交通在建项目及其他城际铁路类似直径盾构隧道的成功经验，本项目盾构隧道优先选用土压平衡盾构。两种盾构特点的对比如表2 所示。

表2 盾构选型比较表

4.3.2 TBM选型

TBM 一般可分为敞开式、双护盾、单护盾TBM 3 种型式。根据实际隧址的工程地质条件结合3 种TBM 在地质条件下的适应性、性能、施工速度等方面优劣，本项目拟选用单护盾TBM。各形式TBM 对比如表3 所示。

表3 各形式TBM对比表

综上所述，隧道穿越珠三角地区典型的复合地层，土层强度低、自稳能力差，下伏基岩以片麻岩、炭质板岩、粉砂岩为主，基岩软硬差异较大，大多为软质岩，遇水易软化，自稳能力相对较差，经盾构及TBM 选型后采用单护盾TBM+土压平衡双模混合掘进施工。

4.4 端头加固设计

从本工程所处的工程地质条件来看，盾构始发及到达段风险较高，始发及到达前，应对地层进行加固，始发端头位于软弱地层，采用地面旋喷桩端头加固，加固长度14m，到达端头位于强风化岩层，采用洞内注浆加固，加固长度6m，加固示意图如图3、图4所示。

图3 盾构始发端头地面加固

图4 盾构到达端头洞内加固

5 结语

1）广佛环线东环隧道大源站-太和站属于大埋深、高水压、围岩条件复杂的复合地层盾构隧道，国内类型工程少，可参照经验少，涉及的施工问题、关键技术多。本文对东环隧道大源站-太和站段工程的总体设计及关键技术进行了阐述，其中大埋深高水压盾构隧道衬砌类型及防水、大埋深复杂围岩条件衬砌结构形变控制、盾构选型等关键技术，可为类似工程项目设计提供参考、借鉴。

2）设计中考虑到隧址穿越地层软硬差异大，结合土压平衡盾构施工场地占用小、对环境影响小、经济性，单护盾TBM 的地质条件适应性、掘进性能、灵活性等特点，选用单护盾TBM+土压平衡双模混合掘进施工。

3）传统的高压富水地段主要采用超前注浆进行分区隔断，同时通过泄压式衬砌管片进行排水。而对于大埋深隧道，排泄高压水将加剧应力场与渗流场的耦合，故需要对泄压式管片衬砌结构的受力原理、适应性、可行性进行深入研究。下一步将进行超高水压大埋深地段盾构隧道防水研究。