高烈度震区海底超大直径盾构隧道设计关键技术

1、汇报内容一、工程基本概况二、平面方案比选三、施工工法比选四、盾构隧道抗震设计和相关研究五、其它技术难题濠江区龙湖区金平区324国道深汕高速汕汾高速汕梅高速苏埃通道工程是汕头市干线公路网规划纵线国道 G324 的复线，向北与G324、汕汾高速、汕揭梅高速相连，向南与深汕高速、汕普高速相连。位于海湾大桥与礐石大桥之间，路线全长6.68Km，是1座一级公路兼城市道路功能的隧道。礐石大桥海湾大桥一、工程基本概况 工程区域位置中山东路长平东路金砂东路珠港新城隧道北岸风塔隧道南岸风塔隧道管控中心收费站南滨南路立交中山东路立交虎头山礐石风景区盾构段围堰线路总长6680m，包含一座特长隧道，两端各有互通立交1

2、处，管控中心1处，收费站1处，风塔两座，围堰一座。特长隧道长5300m，其中盾构段3047.5m，盾构管片外径14.5m，内径13.3m。设计标准：一级公路、双向六车道，主线设计时速60km/h。最大纵坡3%。结构设防烈度为8度，地震加速度为0.2g工程总投资60.3亿元（概算）。 一、工程基本概况 工程规模14.5m14.5m淤泥黏性土淤泥混砂淤泥质土花岗岩砂层隧道穿越超复杂地质，穿越地层有淤泥、淤泥质土、粉细砂、中粗砂、硬岩等。淤泥质土粉细砂一、工程基本概况 工程地质 地层上软下硬的特征非常显著 盾构内径/外径13.3m/14.5m盾构衬砌类型单层衬砌管片厚度600mm衬砌环类型通用楔形环

3、管片材质钢筋混凝土衬砌环环宽2m楔形量取值48mm（双面楔形）管片分块类型小封顶块（1块）+邻接块（2块）+标准块（7块）管片拼装类型错缝拼装管片接缝防水接缝外侧：两道防水密封垫；接缝内侧：预留嵌缝槽螺栓类型斜螺栓螺栓设置块与块之间每块设置3根M36环向螺栓，螺栓机械等级8.8级环与环之间每环布置56根M42纵向螺栓，螺栓机械等级6.8级 盾构段横断面疏散楼梯疏散通道电缆通道排烟道行车区盾构衬砌管片技术参数（1）2008年初开始工程可行行研究（2）2009年8月，工程可行性研究报告完成并通过专家审查。（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

4、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，与施工单位组成的联合体，中标设计施工总承包。（7） 2017年5月，完成第二批施工图设计工作。2008年4月2012年9月，工可阶段完成了9项基础性的专题研究：序号专题名称批复部门批复时间1工程场地地震安全性评价中国地震局2008.04.222地质灾害危险性评估报告广东省地质学会2009.07.313水土保持方案报告广东省水利厅2010.02.044环境影响环评报告书汕头市环境保护局2010.05.105通航安全评价报告广东海事局2010.06.106通航净空尺度论证报告广东省交通运输厅2010.09.29

5、7海域使用论证报告汕头市海洋与渔业局2011.02.218海洋环评报告书广东省海洋与渔业局2011.03.099节能评估报告广东省发展和改革委员会2012.05.162014年2月2014年10月，初步设计阶段完成了10项专题研究:序号专题名称1海潮、台风等自然灾害影响及应对措施 2水文测验及水文计算分析 3河势演变及冲刷分析 4汕头市苏埃通道工程南、北两岸互通立交方案专题 5隧道消防减灾技术 6海底大直径盾构隧道抗震性能研究 7汕头市苏埃通道工程补充概算定额编制 8汕头市苏埃通道工程交通安全性评价专题研究 9汕头市苏埃通道工程通航安全影响论证报告 10隧道耐久性、抗渗性能研究 序号施工图设计

6、阶段研究课题1水下土-岩-孤石混合地层大直径盾构隧道施工技术研究2超大直径盾构隧道在强震下动物理模型试验研究3多次风险评估理论及应用研究4超大直径盾构隧道软土（震陷）加固处理技术研究5多准则苏埃通道工程盾构机选型研究6超大直径盾构隧道在强震及海水环境下防水性能试验研究7超大直径盾构隧道力学行为研究8单管隧道火灾试验研究9隧道全寿命周期远程智能健康监测系统研究10超大直径盾构隧道概算定额研究11苏埃通道工程运营养护系统化管理研究 工程造价对比表工程或费用名称估算金额（亿元）概算金额（亿元）施工图预算第一部分建筑安装工程25.943.965.7万/延米（双线）40.9亿第二部分设备及工具、器具购置

7、费1.01.3第三部分工程建设其他费用4.66.6第一、二、三部分费用合计31.651.8预留费用2.62.6其他费用项目0.30.7建设期贷款利息2.45.1造价总金额37.060.390.3万元/延米（双线）53.4亿批复概算56.7亿批复概算41.7亿 前期区域线位研究考虑了A、B、C三条线位： 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500m 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200m 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

8、与金砂路平交口，南岸与B线基本相同。天山南路金环南路金砂路规划安海路跳水馆500m200m虎头山起点起点终点 A线方案于南岸穿军事区，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；最终选择了符合城市规划、对环境影响小的B线方案。 苏埃湾海域内存在港池、锚地、主航道。主航道锚地港池B1线位B2线位南岸浅滩B2线位在航道处基岩凸起高度有所降低，上软下硬段长度由400多米减少到182米；南侧下伏基岩突起范围有所缩小；盾构段隧道底部不存在淤泥质土。长度436m，基岩顶最高标高-27.6

9、6m。B1线位勘察700m长度182m，基岩顶最高标高-29.05m。B2线位勘察（加密钻孔）400m项目 线位B1线位B2线位线路长度6800m6680m（海中段缩短150m，岸上段增加30m）线型共5段平曲线，其中海中段为曲线共4段平曲线，其中海中段为直线最小平曲线半径1200m1500m对汕头国际集装箱码头的影响下穿码头2层办公楼（带有桩基），需拆迁；下穿码头最大距离约80m；下穿珠池港区；避开码头岸上段、珠池港区对龙湖沟、中山路桥及华侨公园的影响无影响下穿电排站、中山路桥，需改造；华侨公园施工期有影响；汕头市市政设施管理处：在确保龙湖沟防汛安全下，电排站可以重建。锚地下穿锚地避开锚地地

10、质情况海中段基岩面相对较高海中段基岩面相对较低中山东路匝道布设情况隧道北岸埋深较大，匝道布置困难。采用地下回头曲线，行车舒适度及安全性较差，交通功能较差匝道布设灵活，交通功能好因此，根据补充勘察成果，结合路线功能及环境协调难度等因素，推荐B2线位。 规划航道底标高-11.884永久覆土8m采取压重，永久覆土5m永久覆土8m39.21m约162m硬岩段8m12.46m8m 主航道范围，根据埋深专题研究成果，航道处隧道埋深按-19.884m标高进行控制（规划航道下8m），盾构始发、到达井处覆土不小于8m。 经验算，施工、运营阶段隧道抗浮能满足规范要求。5.0m现状航道-8.884m规划航道-11.

11、884m百年一遇冲刷极限深度通航要求标高-19.884冲刷深度3.0m结构安全覆土厚度H主航道区隧道顶面埋深示意图隧道顶覆土H不小于8.0m北岸南岸线路总长6680m，隧道段5300m，沉管段3380m ；最大纵坡3%，最小纵坡0.3%。隧道平面、岸上段结构与盾构法方案基本一致。航道处隧道埋深按-19.884m标高进行控制，其余地段满足管段浮运水深即可。沉管段3380m8m8m12.46m35.2m9.7m项 目 盾构法隧道方案沉管法隧道方案 隧道规模隧道总长5300m，其中敞开段885m，暗埋段1182.5m，盾构段长度约3047.5m。盾构内径13.3m、外径14.5m隧道长度5300m，

12、其中敞开段935m，暗埋段1075m，沉管段长度约3380m。矩形断面，长35.2m，高9.7m海中段施工隧道盾构段需穿越主航道及南岸岸边基岩段以及孤石段，施工风险较大，南岸基岩段采用临时围堰明挖法处理，主航道采用爆破预处理，国内处理有成功案例海上浮运大型管段，施工组织复杂岸上段施工北岸明挖段不影响码头，但需对龙湖沟、电排站、中山路过龙湖沟桥进行改造隧道南岸岸上段场地开阔，属于深厚的软土，干坞规模大，施工风险大；北岸接头段深基坑施工风险大；北岸明挖段与盾构法方案相同防灾救援大直径盾构隧道通过车道板下大空间纵向疏散及上下楼梯或滑梯疏散，效果较好通过中隔廊道纵向或隔壁车道孔疏散，效果较好抗震设防断

13、面较大，设置柔性大变形钢环接头能适应本地区8度地震设防烈度的要求。处理有成功案例断面较大，通过节段式管节的选用及接头处理能适应本地区8度地震设防烈度的要求 对码头的影响主线避开码头，对码头影响较小沉管法方案基槽开挖边坡侵入汕头国际集装箱码头港池范围64m ，对码头运营影响较大对航道的影响盾构在地下掘进，对航道影响小，硬岩处理需要临时封航，对航道影响小基槽开挖时需改移航道，增加临时航道疏浚费用，影响航道正常使用，对海军军舰进出港影响大。对航道影响大对环境的影响无需开挖基槽和干坞，盾构掘进在地面以下进行，对环境影响小沉管法方案基槽开挖量约1465万立方（其中硬岩896立方），抛泥量巨大，需约5平方

14、公里的抛泥区，环境影响大施工工期 工期54个月工期59个月 工程造价 43.9亿（建安费）55.0亿（高出盾构法方案约11.1亿）苏埃通道饶平-汕头断裂根据建筑抗震设计规范(GB50011-2010)，场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组位于第一组。通道主体段及路基段场地类别为类，地震设计特征周期值为0.45s。抗震研究需要解决的问题1、盾构结构强度和结构整体抗变形能力否满足抗震要求2、盾构管片间接头位移（相对错动、张开量）在地震状态下有多少？3、确定管片防水设计的标准计算内力与变形图错缝拼装条件下最大正弯矩为287.57kNm，最大负弯矩为-283.83kNm

15、，最大轴力为502.39kN，管片拱顶最大位移15.49mm，纵缝最大张开量为1.9mm，盾构段横断面计算（反应位移法）内力、变形、纵缝张开量均能够满足规范要求。横向计算，抗震计算不是内力和变形的控制工况。1）安评波2环缝接头张开量最大23mm。2）在花岗岩与中粗砂交界处、淤泥段中部接头张开量较大。3） 管片接头最大拉力和弯矩为21449kN、19925 kN.m，没有超过接头的屈服强度。4）管环中间截面最大拉应力为0.85MPa，远小于C60混凝土的抗拉强度2.04MPa。 地震计算结果：未设置抗震消能措施前提下，在大震作用下管环结构是安全的，但局部地段管片间环缝张开量较大。21 设置消能减

16、震节点和加强螺栓后接头环缝张开量包络图盾构段纵向抗震计算加强段螺栓等级由6.8提高到8.8级22 隧道局部三维实体抗震分析计算模型与结果盾构井与明挖段节点计算模型盾构井与盾构段节点计算模型盾构井与明挖段节点计算模型盾构井与盾构段节点计算模型1）盾构井与明挖段连接处最大位移差41mm，与盾构隧道连接处最大位移差22mm。2）地震时盾构井与明挖段、盾构段间的节点是薄弱环节，应采取抗震措施。盾构段局部抗震计算 盾构段消能节点设计消能减震节点纵向布置设置消能减震节点和对隧道局部配置加强螺栓后，整个隧道管片环缝接头张开量基本上都小于15mm。仅在设置消能环位置张开量较大，可通过设置特殊管片处理。普通管片

17、纵向加强段（纵向螺栓强度增加）消能减震结构消能减震节点设计消能减震节点组成：2环预埋钢板混凝土管片+形状记忆合金板+橡胶止水带。 盾构管片抗震模型实验1、开展场地土层动力参数模拟，进行自由场振动台模型试验2、开展隧道工程结构的振动台模型试验3、隧道结构消能减震装置的拟动力模型试验研究4、考虑消能减震装置的隧道结构抗震性能研究盾构管片防水设计标准1、工程最大水压0.4mpa2、正常工况下，最大张开量8mm，最大错缝10mm，材料抗水压能力（使用年限内）应不小于0.8mpa,2、地震作用下，最大张开量15mm，最大错缝10mm，材料抗水压能力不小于0.65mpa。环向接头张开量包络图计算结果：1、

18、二衬能够增大管环环向接头刚度，地震时应力集中，致使二衬发生破坏。2、二衬破坏后变形出现集中，从而引起相应位置的环向接头张开量突变、增大，超出结构允许值。 因此，从结构抗震角度，不考虑施作二衬。二衬的轴力包络图盾构段加二衬后的抗震分析申请发明专利8项；授权使用新型专利9项；2018年4月19日，在广州召开了“高烈度地震区海底超大直径盾构隧道地震响应规律及抗震技术研究成果”验收会，中国工程院周福林院士、王复明院士、陈政清院士应邀参加会议。根据勘察报告，有三段硬岩凸起，硬岩长度约45+70+67=182米，最大高度6米。 岩石物理指标微风化花岗岩，块状构造，裂隙较发育，RQD=60100%；微风化玢岩：平均值211MPa，最大值285MPa。硬岩分布图处理方案：1、从海面向硬岩钻孔、硬岩爆破；2、对爆破体缝隙深孔注浆；3、