金塘海底铁路隧道纵断面方案选型分析

收稿日期：2024-02-26

作者简介：李俊杰（1991—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：铁道工程。

摘要 金塘海底隧道是舟山融入国家快速铁路网络的重要纽带，对于加快舟山地区社会经济快速发展，支撑舟山经济发展具有重要意义。金塘海底隧道线路平纵断面外部控制因素多，文章对影响隧道纵断面选型的各因素进行详细分析，针对各外部影响因素与隧道之间的关系，优化海底隧道纵断面方案选型设计，研究方案和指标控制可为类似工程方案设计提供参考。

关键词 海底隧道；外部环境条件；纵断面；方案选型

中图分类号 U212.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）11-0078-04

0 引言

交通路网互联、互通建设是制约我国沿海地区经济发展的重要因素，为缩短交通物流运输路径、减小海上恶劣天气的影响，海底隧道已成为跨海交通的重要选择方式[1-2]。海底隧道所处地质条件复杂，外部环境条件制约因素多，其具有施工难度大、风险高、工程投资大等特点，故合理的平纵断面规划、选型设计，是影响整个隧道工程建设规模、经济、安全的关键因素[3-4]。该文以金塘海底铁路隧道为例，详细分析了铁路隧道所处地质及外部环境条件，研究了不同隧道纵断方案，提出了最优方案设计。

1 工程概况

新建铁路金塘海底隧道总长16 180 m，为单洞双线隧道，隧道采用盾构法下穿金塘水道，盾构段长11 210 m，盾构隧道外径14 m，内径12.8 m，管片厚0.6 m。盾构两端两岸陆域部分采用矿山法施工。

金塘海底隧道外部环境制约因素多，地质条件复杂，受隧道自身最大、最小坡度限制，隧道纵断面方案选型困难。金塘海底隧道纵断面控制因素分布详见图1。

2 隧道纵断面控制因素分析

2.1 隧道纵坡及覆土厚度

根据规范要求，隧道最大坡度不宜大于20‰，困难条件下经技术经济比选后不应大于25‰；隧道内最小坡度值不应小于3‰。

盾构隧道覆土厚度采用双控制，施工期覆土厚度距离现状海床面不小于0.7倍隧道外径，运营期在预测冲刷控制线下考虑船舶锚击深度和上覆液化地层最小覆土厚度后满足抗浮安全系数不小于1.1的要求。

2.2 地形、地质条件

隧道沿线穿越低山丘陵区、海积平原、金塘海域等地貌单元，山岭段地形起伏较大，穿越区最高标高约234 m，最低标高15 m，相对高差219 m。

金塘水道海域海底地形总体上为东低西高，金塘水道窄而深，狭窄处宽度约为3 km，平均高程?50 m，底部剖面呈中部低、两端高的马鞍形态，中部最低高程为?110 m。

2.3 外部环境制约条件

（1）林家大山灰管隧道为北仑电厂出灰所用隧道，该隧道与林家大山隧道平面交角约74 °，两者最小净距按不小于4 m进行控制。

（2）海底隧道与在建黄山西路平面交角约46 °，两者结构最小净距按不小于10 m进行控制。

（3）规划杭甬高速公路复线为双向六车道高速公路，海底隧道与高速公路交叉，平面交角90 °，两者结构最小净距按不小于10 m进行控制。

（4）宁波侧S320骆霞公路下方分布有数十条成品油管道，管道最大埋深约9.2 m。参照《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》第十四条规定，隧道顶部与埋地管道底部的垂直高度按不小于10 m进行控制。

2.4 船舶抛锚入土深度

根据隧道选址地区通航船只发展趋势，大黄蟒岛—金塘岛间水道通航为8万吨油船和10万吨级集装箱船舶，蛟门水道1 000 t级及以下船舶。

根据金塘隧道锚击风险及响应分析研究专题报告，船舶落锚深度为5万吨级船舶2.29 m，8万吨级船舶2.69 m，10万吨级集装箱船3.15 m；落锚冲击力为5万吨级船舶0.65 MN，8万吨级船舶0.83 MN，10万吨级集装箱船0.92 MN。隧道纵断覆土埋深需满足锚击入土的安全深度及隧道结构承载力的要求。

3 隧道穿越暠峰渣土消纳场纵断方案研究

为缩减山岭隧道长度，减小整个金塘海底隧道工程规模，在满足海域段隧道埋深要求的前提下，结合宁波陆域地形地貌及其他控制因素的分布，研究了金塘海底隧道暠峰渣土消纳场深埋方案和暠峰渣土消纳场露头方案，具体纵断布置详见图2。

3.1 暠峰渣土消纳场深埋方案

该方案线路出北仑西站后以6.6‰的上坡上跨泰山西路，之后进入隧道以长1 750 m的20‰下坡下穿林家大山隧道和在建黄山西路隧道，以长2 200 m的14.36‰下坡继续下压穿越镇海炼化石油管道及预留甬舟高速公路复线。该方案金塘海底隧道总长16.06 km，线路在暠峰渣土消纳场处埋深大于39.6 m。

如表1所示，深埋方案与控制因素位置关系可知，金塘海底隧道暠峰渣土消纳场深埋方案与各项控制因素结构净距均大于控制值，满足结构安全要求。

3.2 暠峰渣土消纳场露头方案

线路出北仑西站后以11.1‰的上坡前行2 550 m至小港暠峰建筑消纳场并露头，同时，上跨林家大山隧道和在建黄山西路隧道，之后采用29.9‰的下坡前行3 150 m，依次下穿杭甬复线、镇海炼化石油管道以及甬舟高速公路复线。该方案金塘海底隧道总长14.663 km，渣土消纳场弃渣堆积厚度约18 m。

渣土消纳场需人工弃渣后施工该线路基及桥涵工程，清运土方量共计250 000 m3。该方案铁路周边地势高，隧道洞口地势低，周边大量汇水需经隧道排出，存在水淹安全隐患。

如表2所示，露头方案与控制因素位置关系可知，金塘海底隧道暠峰渣土消纳场露头方案线路下穿镇海炼化石油管道结构净距为10 m，可满足《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》要求；下穿甬舟高速公路复线隧道结构净距仅3.697 m，不满足最小1倍洞径的交叉要求。若选择公路下穿铁路，控制净距按照1倍洞径设计，因交叉处紧邻戚家山枢纽，公路线路需要采用?4.472%坡度，不满足《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）[5]中桥梁、隧道纵坡不大于4%的要求；由于变坡点已经伸入戚家山枢纽范围内，导致枢纽内桥梁纵坡为4.472%，不满足《公路路线设计规范》中关于枢纽内桥梁纵坡不大于2%的规定。综上分析，金塘海底隧道暠峰渣土消纳场露头方案无法预留甬舟高速公路复线通道。

表2 露头方案与控制因素位置关系表

控制因素 控制值/m 设计值/m

控制标高 控制净距 设计轨面高 设计净距

林家大山隧道 30.678 3 36.823 9.145

黄山西路隧道 32.98 4 38.733 9.753

杭甬高速公路复线 11.21 10 11.225 10.0

镇海炼化石油管道 ?33.2 20 ?23.771 10.571

甬舟高速公路复线 ?45.68 14 ?35.377 3.697

宁波侧最低冲刷点 ?69.9 5 ?70.159 5.259

金塘侧最低冲刷点 ?58.8 5 ?59.058 5.258

3.3 方案比选

暠峰渣土消纳场深埋方案最大坡度20‰，铁路隧道预留甬舟高速公路复线盾构隧道建设条件，与各项控制因素结构净距均大于控制值，满足结构安全要求。暠峰渣土消纳场露头方案无法预留甬舟高速公路复线通道，需清运人工弃土约250 000 m3，运营期存在水害隐患。综合分析，选择金塘海底隧道深埋穿越暠峰渣土消纳场方案。

4 隧道与规划甬舟高速复线位置关系研究

规划甬舟高速公路复线项目与该线存在交叉关系，海底隧道纵断面设计需预留远期甬舟高速公路复线以盾构隧道方式穿越铁路的条件。根据公路隧道与铁路隧道上下位置关系的不同，研究了公路隧道上跨、下穿铁路隧道的两种方案，穿越示意图详见图3。

（a）方案一 公路隧道上跨铁路隧道方案

（b）方案二 公路隧道下穿铁路隧道方案

图3 公路隧道穿越铁路隧道方案示意图

4.1 隧道纵断方案

（1）方案一：公路隧道上跨铁路隧道。公路隧道在交叉处采用盾构法上跨铁路隧道，交叉处两者结构垂直净距约14.3 m。铁路隧道纵断面受公路隧道交叉部位控制，轨面标高约?45.68 m。

（2）方案二：公路隧道下穿铁路隧道。公路隧道在交叉处采用盾构法下穿铁路隧道，交叉处两者结构垂直净距约14 m。铁路隧道纵断面受石油管线标高控制，轨面标高约?23.2 m。

4.2 方案比选

方案一公路隧道位于铁路隧道上方，后期施工对铁路隧道影响相对较小，不影响戚家山互通枢纽的设置。同时，铁路隧道埋深大，对沿线建构筑物影响相对较小。

（下转第84页）

（上接第80页）

方案二公路隧道位于铁路隧道下方，后期施工对铁路隧道影响相对较大，因公路隧道无法在戚家山互通接地，甬舟高速复线不能与杭甬复线二期进行互通设计；铁路隧道埋深较小，对沿线建构筑物影响相对较大；公路隧道采用盾构隧道下方穿越石油管线后在通途路上设U形槽，对沿线道路及建构筑物影响较大。

如表3所示，由两种穿越方案规模表可见，方案一相比方案二铁路隧道斜井规模、宁波侧工作井规模、盾构段穿越的软硬不均段规模均较大，但在公路隧道规模、公路复线与杭甬复线二期戚家山互通的设置以及公铁隧道对沿线建构筑物的影响方面均具有明显优势。因此，选择方案一公路隧道上跨铁路隧道方案设计。

表3 两种穿越方案规模表 /m

项目 方案一 方案二

铁路隧道 斜井长度 586 420

宁波工作井基坑深度 57.7 36.5

主线隧道长度 16 180 16 180

盾构穿越地层 全断面岩层 1 414 1 130

全断面土层 833 1 240

软硬不均地层 703 580

公路隧道长度 11 920 13 330

5 结语

金塘海底隧道所处地质条件、外部环境条件复杂，从海底隧道坡度、最小覆土厚度、船舶锚击入土安全深度、外部结构安全距离等多因素研究分析隧道纵断面设计。通过对海底隧道穿越暠峰渣土消纳场、规划甬舟高速复线方案的详细分析，综合选择工程风险小、施工难度小、工程投资低、规划设计合理的纵断面方案。该文研究方案和指标控制可为类似工程设计提供参考。

参考文献

[1]张顶立， 李兵， 房倩， 等. 基于风险系数的海底隧道纵断面确定方法[J]. 岩石力学与工程学报， 2009（1）： 9-19.

[2]涂鹏， 王星华. 基于GA理论的海底隧道纵断面优化设计[J]. 工业建筑， 2011（S1）： 418-421+387.

[3]龚尚国. 南京纬三路长江隧道工程纵断面设计技术研究[J]. 交通科技， 2010（1）： 46-48.

[4]丁万涛， 李术才， 朱维申. 某海底隧道岩石覆盖厚度及选线方案优化研究[J]. 地下空间与工程学报， 2007（3）： 463-469.

[5]公路路线设计规范： JTG D20—2017[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2017.