高烈度地震区、复杂地层超大直径海底盾构隧道关键技术

高烈度地震区、软硬不均地层超大直径海底盾构隧道关键技术报告提纲一、工程背景--汕头海湾隧道二、超大直径海底隧道盾构机选型研究三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计四、长大海底隧道救援与通风排烟关键技术五、复杂地层超大直径盾构掘进技术六、总结P2一、工程背景--汕头海湾隧道1.1

地理位置324国道汕汾高速汕梅高速礐石大桥海湾大桥深汕高速汕头海湾隧道是汕头市干线公路网规划纵线国道

G324的复线，北与G324、汕汾高速、汕揭梅高速相连，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，是一座一级公路兼城市道路功能的隧道。一、工程背景--汕头海湾隧道1.1

地理位置金平区龙湖区濠江区汕头海湾隧道连接龙湖区与濠江区，西距礐石大桥5km，东距海湾大桥4km。一、工程背景--汕头海湾隧道1.2

建设规模最大纵坡3%，最小纵坡0.3%国内首条在8度（0.2g）地震区修建的超大直径海底盾构隧道，双向六车道，设计速度60km/h，隧道长5300m，其中盾构段长3047.5m，风塔2座。目前进行南北岸明挖段及盾构始发井施工，年内盾构始发，预计2020年通车。一、工程背景--汕头海湾隧道1.3

地质构造

场址区5km

范围内，有早、中更新世活动的饶平－汕头断裂（

F1

）通过，无晚第四纪活动断裂。饶平-汕头断裂

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。汕头海湾隧道

隧道主体段及路基段场地类别为Ⅲ类，地地震设计特征周期值为0.45s。P6一、工程背景--汕头海湾隧道1.4

工程地质淤泥黏性土淤泥粉细砂淤泥质土花岗岩砂类土场区地层以海积、海陆交互相沉积和冲积类型为主，基岩主要为花岗岩和辉绿玢岩。不良地质：北岸段基底主要为粉细砂和软土，存在砂土液化和软土震陷问题；南岸段淤泥层深达20m以上；盾构段基岩突起，基岩强度达200MPa以上。球状风化严重，分布众多孤石；P7一、工程背景--汕头海湾隧道1.4

工程地质1）砂土液化2）软土震陷一、工程背景--汕头海湾隧道1.5

地下水潜水-承压水K=3.5m/d承压水K=22m/d基岩裂隙水K=0.5m/dⅢ-D、Ⅲ-E腐蚀对象北岸海域段南岸混凝土结构钢筋混凝土结构中的钢筋混凝土结构中强弱中强中弱中弱地下水地表水钢筋混凝土结构中的钢筋中强强P9一、工程背景--汕头海湾隧道1.6

隧道断面

一级公路标准设计，设计车速为60km/h。限界净宽:0.25+0.5+3.5×3+0.75+0.25=12.25m，限界高5.0m。

盾构段隧道采用单层衬砌结构形式，盾构内径为13.3m，外径为14.5m，刀盘外径15.03m。

行车道板顶部为烟道层，行车道板以下为电缆廊道和逃生通道。P10一、工程背景--汕头海湾隧道1.6

隧道断面

建筑限界同盾构段。

主线暗埋段采用“两孔+管廊”结构型式标准段净宽12.65m，净高6.2m。

敞开段采用“U型槽”结构型式。P11二、超大直径海底隧道盾构机选型研究序号项目盾构直径穿越地层盾构机选型盾构主要穿越粉质粘土层，部分地段穿越淤泥质粘土层1上海崇明长江隧道φ

15m泥水平衡盾构23南京纬三路隧道φ

14.5m

卵石层，泥岩泥水平衡盾构泥水平衡盾构南京纬七路长江隧道φ

14.5m

粉细砂、砾砂、卵石地层淤泥质粉质粘土、层状粉土、粉质粘土夹薄层粉砂45杭州钱江隧道杭州运河隧道φ

15m泥水平衡盾构泥水平衡盾构盾构主要穿越砂质粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、圆砾φ

11.3m盾构主要穿越砂质粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、圆砾6789杭州庆春路隧道武汉三阳路隧道武汉长江隧道φ

11.3m泥水平衡盾构泥水平衡盾构泥水平衡盾构φ

15m粉砂、粉细砂、粉质粘土φ

11m粉细砂、中粗砂、粉土、淤泥质粉质粘土长沙南湖路隧道φ

11.3m

强风化砾岩、卵石层气垫式泥水平衡盾构气垫式泥水平衡盾构10

广深港狮子洋隧道φ

9.8m泥质粉砂岩、泥岩由上述调研可知，国内水下大直径盾构隧道均采用泥水平衡盾构。P12二、超大直径海底隧道盾构机选型研究北岸南岸2-1淤泥淤泥2-4粉细砂2-2淤泥质土3-4中粗砂2-3淤泥混砂6-4花岗岩3-4中粗砂4-1淤泥质土4-4中粗砂4-1淤泥质土约400m硬岩段本隧道盾构段穿越的地层有：淤泥、淤泥质土、淤泥混砂、粉细砂、中粗砂、花岗岩层。地层②1②2②4③3③4④4岩土名称

粘粒含量（平均值）渗透系数0.02m/d0.02m/d淤泥41.4%28.9%2.5%淤泥质土粉细砂中粗砂3.5m/d2.5%2%20m/dP13二、超大直径海底隧道盾构机选型研究本隧道洞身超过85%区段为粉细砂、中粗砂、淤泥混砂、淤泥质土，根据国内大直径盾构隧道经验，结合实际地质情况，选择压力控制精度高的复合气垫式泥水盾构机。汕头海湾隧道盾构段穿越地层统计表(m)序号名称里程长度比例K3+790顶部淤泥；洞身段淤泥、粉细砂、中粗砂；底部中粗砂、淤泥质土～11103.60%K3+900;;K3+900顶部淤泥

洞身段淤泥、粉细砂、中粗砂、淤泥质土

底部淤泥质土～231004203.30%K4+000K4+000;;顶部粉细砂、淤泥

洞身段淤泥、粉细砂、中粗砂

底部淤泥质土、中粗砂～13.80%K4+420;K4+420顶部淤泥混砂、淤泥

洞身段淤泥、粉细砂、中粗砂、中、微～4567890803.00%2.60%2.30%4.80%1.10%;K4+510风化花岗岩

底部中、微风化花岗岩K4+510顶部淤泥混砂、粉细砂、淤泥；洞身段淤泥质土、中粗砂；底部淤泥质土～K4+590K4+590顶部淤泥混砂、粉细砂、淤泥；洞身段淤泥质土、中粗砂、粉质粘土、中、微风化花岗岩；底部中、微风化花岗岩～70K4+660K4+660顶部淤泥混砂、粉细砂、淤泥；洞身段淤泥质土、中粗砂、粉质粘土；底部淤泥质土～14535K4+805K4+805顶部淤泥混砂、粉细砂、淤泥；洞身段淤泥质土、粉质粘土、中、微风化花岗岩；底部中、微风化花岗岩～K4+840K4+840顶部淤泥混砂、淤泥；洞身段泥质混砂、中粗砂、粉质粘土、淤泥质土、砾质粘性土；底部中粗砂、淤泥质土、砾质粘性土。～91997.565.50%K6+837.5二、超大直径海底隧道盾构机选型研究盾构机配置要点：盾构掘进可能遇到的问题：

盾构机配置穿越岩层较多，岩石较硬，刀具易磨损双层切刀刮刀、超硬合金边刀出浆管道易被石块或孤石堆积堵塞泥水仓底配置破碎机设备盾构穿越基岩凸起段，存在破硬岩需求刀盘配置单刃滚刀，可采用19寸滚刀需要准确探明未风化球体位置配置超前钻探设备和刀具、面板磨损监测设备需要在复杂地质条件下长距离掘进设4道密封刷，预留一道洞内安装位置配置常压换刀设备，配置可靠的二室人闸舱2组存在海底换刀风险需要频繁更换刀具伸缩式刀盘P15二、超大直径海底隧道盾构机选型研究

盾构机配置常压换刀人闸舱装置颚式碎石机装置超前地质钻探装置本隧道地质复杂，局部穿越强度极高（超过200MPa）的硬岩，为确保盾构施工安全，盾构设备应配备常压换刀、超前地质钻探和能压碎高强度硬岩的碎石装置。P16二、超大直径海底隧道盾构机选型研究北岸盾构到达技术：三轴搅拌桩加固素混凝土墙

端头加固：设置三面素混凝土连续墙。

合围区内地层用三轴搅拌桩加固。

盾构井围护结构端头墙洞门范围内设置玻璃纤维筋。

水中到达。北岸盾构井平面图P17三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计本工程是国内第一条8度地震区超大直径海底盾构隧道，高烈度地震区海底盾构隧道国内经验不足，但美国、日本、土耳其等国都有类似成功经验，详见下表。国外部分高烈度地震区隧道隧道名称设防烈度8度抗震措施美国旧金山海湾地下快速通道部分柔性接头、部分钢管片日本大阪的南港隧道8度双层衬砌、钢筋混凝土管片、部分柔性接头及弹性垫圈东京湾海底盾构公路隧道8度土耳其马尔马拉海底铁路隧道9度部分柔性接头、部分钢管片P18三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计

按本地区8度抗震设防烈度确定其地震作用，按9度采取抗震措施。盾构隧道功能破坏程度划分与材料破坏程度的关系地震分类小震从材料受损情况推测隧道功能受损程度材料受损情况构成盾构隧道的各构件的应力在0.85倍弹性极限范围内，

管片、螺栓处于弹性极限状作为结构物的功能保持健康的状态

态强度的85%以内构成盾构隧道的各部分构件的应力超过容许应力，但仍在弹性极限以内，需要进行简单修复，能够继续使用中震大震材料弹性极限强度以内构成盾构隧道的各部分构件的应力达到弹性极限，处于材料极限强度以内，通过修复或加固可能恢复结构物的功能材料极限强度以内构成盾构隧道的各部分构件中的一部分达到极限强度，隧超烈度地震

道尚未倒塌，即使进行大规模的翻修也无法恢复结构物的

隧道不倒塌功能P19三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计

开展抗震专题研究，主要结论如下：1）明挖隧道在大震荷载作用下，最大变形量处于可控范围内；2）盾构隧道纵缝在大地震作用下，张开量不超过1cm；3）大震作用下盾构隧道环缝在土层变化处产生较大的张开量，若不采取措施，海底隧道处于不安全状态；4）在土层变化处布置减震节点（形状记忆合金阻尼器柔性减震节点），可使全隧在大地震作用下处于安全状态。P20三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计

根据研究成果，设计中主要考虑以下抗震措施：1）取消水下联络通道，有利于抗震。联络通道处易产生应力集中，或发生不均匀沉降，严重时导致结构渗漏水，日本东京湾海底隧道取消了联络通道。本工程范围内存在大量软土、砂层，设置联络通道不仅施工风险大，对抗震也非常不利。2）采用单层衬砌，提高接头密封垫的抗变形和止水能力，加强接头的连接刚度，并能适应一定的结构变形。3）为增加隧道整体性，行车道板及以下结构做半封闭二衬；行车道上方烟道板牛腿采用植筋现浇方式，并预埋钢板，烟道板与牛腿焊接连接。4）结构形式、地基刚度变化较大处，设置部分柔性接头。5）地基刚度变化处，进行加固处理。P21三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计

盾构隧道横断面反应位移法计算1.地震作用下管片纵缝最大张开量为1.9mm，拱顶最大位移15.5mm，错缝拼装条件下最大正弯矩为287.6kN-m，最大负弯矩为-283.8kN-m，最大轴力为502.4kN，纵缝张开量、变形和内力均满足规范等要求。2.地震作用下盾构隧道变形为椭圆形，变形最大点为拱顶处。剪力图，弯矩图，轴力图均P22表现出45°共轭方向较大的特点。三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计

隧道局部三维实体抗震分析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）地震时盾构井与两端明挖、盾构的连接节点是薄弱环节，应采取抗震措施。P23三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计盾构隧道整体纵向抗震计算二次衬砌和管片结构的纵向梁-弹簧模型1.半二衬和管片之间按照叠合结构计算。2.假定二衬开裂后，退出结构受力。P24三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计盾构隧道整体纵向抗震计算环向接头张开量包络图二衬的轴力包络图计算结果：1、设置二衬后环向接头张开量突起位置明显增多，且在淤泥段显著增大；2、二衬能够增大管环环向接头刚度，减小接头张开量，二衬极易发生破坏，破坏后产生的变形对隧道环向接头的地震响应是不利的。P25三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计设置消能减震节点和加强螺栓后接头环缝张开量包络图1）根据抗震性能研究，大震作用下盾构隧道管片环缝在岩、土地层交界处会产生较大的张开量，张开量在15mm以上，环缝最大张开量为22mm～23mm。2）在大震作用下，为确保海底隧道结构安全和管片接缝不漏水，需要在张开量超过15mm处设置消能减震节点；岩、土地层交界处两侧管片环缝纵向螺栓需要加强。3）设置消能减震节点和隧道局部加强螺栓后，岩、土交界处管片接头张开量基本上都小于15mm。P26三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计消能减震节点设计可复位减震止水带特殊管片环缝允许张开量设计值为15mm。形状记忆合金板与管片预埋钢板螺栓连接。特殊管片（1）东、西线各设置6段特殊管片，每段两环，共24环特殊管片。（2）衬砌环采用旋转180°错缝拼装。（3）砼管片制作时先环向预埋钢板和螺栓，每环共284个8.8级M18高强螺栓。P27三、高烈度地震区超大直径盾构隧道抗震设计管片防水设计采用两道三元乙丙弹性密封垫并结合外侧海绵橡胶及内侧膨胀水泥嵌缝进行管片环、纵缝防水。最大张开量

最大错缝量

远期抗水压

即时抗水压能工况(mm)(mm)能力(Mpa)力(Mpa)正常工况地震工况8100.40.815100.40.65管片接缝三元乙丙弹性密封垫P28四、长大海底隧道救援与通风排烟关键技术隧道疏散方式明挖段：采用横向联络通道疏散的方式，即按相关规定设置人行、车行横洞。盾构段：采用内部纵向疏散方式。利用盾构断面下部空间作为人员疏散逃生通道和消防救援通道，每隔一定间距设置紧急出口，与人员疏散逃生通道连通，并沿下部通道进入盾构井疏散楼梯或隧道两端逃生。P29四、长大海底隧道救援与通风排烟关键技术消防救援环线盾构下层纵向疏散通道车行横通道行车道下层北岸盾构井车道层南岸盾构井由南岸车道层、车行横通道、工作井、盾构下层纵向疏散通道形成消防救援环线，消防救援车辆可直接从地面经车道层、车行横通道进入下层进行救援与疏散。四、长大海底隧道救援与通风排烟关键技术隧道通风排风塔北岸排风塔排风塔南岸排风塔北岸南岸轴流风机280m轴流风机170m720m3075m射流风机北岸盾构井

根据环评报告，设置高风塔。

南岸风塔中心距南岸敞口段约170米，设置在堤岸边。南岸盾构井P31四、长大海底隧道救援与通风排烟关键技术隧道排烟轴流风机东线西线射流风机土建排烟风道15.6m2轴流风机

东、西线隧道均采用竖井排风

+射流风机（明挖段）+排烟风道（盾构段）方案。利用两管盾构隧道上层空间设置专用排烟风道，盾构段不设置射流风机，射流风机集中设置在明挖暗埋段。P32四、长大海底隧道救援与通风排烟关键技术隧道排烟射流风机轴流风机1组4台4台交通方向北南20~40km车速时采用合流型排烟第二段720m第一段3510m东线隧道运营通风排烟方案

东线隧道封闭段总长4230m，以北岸盾构井为界分为2个通风区段，第一段3510m、第二段720m。

风机房内设置4台轴流风机，射流风机6组设置在明挖暗埋段。

50~60

Km/h采用分流型纵向排风方式；

40/30Km/h/阻塞工况采用合流型纵向排风方式，射流风机配置需克服此段交通风阻力；满足出口污染物浓度不超标。四、长大海底隧道救援与通风排烟关键技术射流风机轴流风机1组4台4台交通方向北南阻塞时，第二段170m第一段4056m采用合流型排烟西线隧道运营通风排烟方案

西线隧道封闭段总长4226m，以排风口为界分为2个通风区段，第一段4056m、第二段170m

。

风机房内设置4台轴流风机，射流风机设置在明挖暗埋段。

40~60

Km/h采用分流型纵向排风方式；阻塞工况采用合流型纵向排风方式，满足出口污染物浓度不超标。四、长大海底隧道救援与通风排烟关键技术风塔P35五、复杂地层超大直径盾构掘进技术（一）硬岩处理据勘察，有三段硬岩凸起，硬岩长度约45+70+67=182m，最大高度6m。硬岩分布图1.

微风化花岗岩：块状构造，裂隙较发育，RQD=60～100%；2.

微风化玢岩：平均值211MPa，最大值285MPa。P36五、复杂地层超大直径盾构掘进技术（一）硬岩处理方案一：海上深孔爆破方案二：上方软土加固对硬岩上方软土进行加固，提高软土强度和自稳能力，避免在盾构刀盘扰动下，土体坍塌或常压开仓坍塌。

方案三：增强盾构机配置，直接掘进通过硬岩隧道上下地层差异明显，且位于海底，直接掘进通过硬岩风险较大。

方案四：海上深孔爆破+上部软土地层加固P37五、复杂地层超大直径盾构掘进技术硬岩处理实例基岩处理方案序号项目名称基岩凸起地层描述花岗岩基岩凸起长45+45m，最大强度128MPa1深圳地铁9号线车香区间地面钻孔，深孔爆破+注浆花岗岩基岩凸起长66+73m，最大强度80MPa~150

MPa2

深圳地铁11号线车红区间地面钻孔，深孔爆破+注浆地面钻孔，深孔爆破+注浆地面钻孔，深孔爆破+注浆盾构机直接掘进，常压换刀深孔爆破+注浆右线花岗岩基岩凸起，侵入隧道高度3.3m，长20m，岩石强度140

MPa长80米范围花岗岩基岩凸起，岩石强度140MPa~170

MPa345深圳地铁1号线西固区间深圳地铁5号线翻灵区间广州地铁5号线草淘区间微风化砾岩、含砾粉砂岩等基岩凸起，长约400m，岩石最大强度96.6MPa2处孤石群，孤石强度平均120MPa，最大达222

MPa。6

台山核电厂一期取水隧洞花岗岩基岩凸起长度667m，基岩抗压强度最大160MPa~220MPa7广深港益田路隧道地面加固