汕头至汕尾铁路汕头湾海底隧道设计综述

汕头至汕尾铁路汕头湾海底隧道设计综述1工程概况1.1工程特点汕头湾海底隧道主要特点总结为〃一大、三高、六法、八断裂”。〃一大〃为隧道采用的盾构机直径大，永平号盾构机外径为14.57m，为目前铁路隧道越海领域最大直径泥水平衡盾构机。三高为隧道面临高水压（隧底最大水压力达0.97MPa）、高侵蚀性（海域段落氯盐侵蚀环境等级L3）和高烈度地震区（8度地震区）的挑战。隧道施工工法复杂屎用多种施工工法，分别为矿山法（海域矿山法、陆域矿山法）、盾构法、明挖法、矿山法+盾构空推法。汕头湾海底隧道经过的活动断裂带主要为北西向桑浦山断裂带。北西向桑浦山断裂带由多组断层组成，包括F5莲塘一地都断层（及其次级断裂F7）、F8~F11南陇水库一舰东断裂带、F14西坑一长得龙山断层、F16东山湖一龙坑断层。隧道需在高水压环境下抵御活动断层蠕动效应及地震工况下的错动影响［12］汕头湾海底隧道平面布置如图1所示。图1汕头湾海底隧道平面布置图1汕头湾海底隧道平面布置汕头湾海底隧道位于广东省汕头市濠江区和龙湖区境内线路为北东一北东东走向。隧道进口里程为DK155+159，出口里程为DK164+940，隧道全长9781m。隧道穿越丘陵区、三角洲相沉积平原区及海湾海积地貌，隧道地质构造及水文地质条件复杂属控制性重点隧道工程。隧道进口轨面高程为14.7123m，出口轨面高程为4.547m。隧道设，〃字坡，最大埋深约180m。正洞包括陆域矿山法隧道、海域矿山法隧道、海域矿山法拼装管片隧道、盾构法隧道、明挖法隧道，并于陆域设1号斜井和2号斜井2座辅助坑道，明挖段设施工竖井1座。^文条件海湾北部即汕头市区，地表第四系广泛发育，为海陆交互的河流三角洲相；海湾南部为花岗岩分布的丘陵地区，地表具第四系残坡积堆积体和块状花岗岩分布。根据区内地下水的赋存特征及形成条件，可将测区地下水划分为松散岩类孔隙潜水、松散岩类孔隙承压水、块状岩类裂隙水及构造裂隙水。工程地质条件隧道区出露地层有第四系全新统(Q)覆盖层及燕山期.广喜山期(v)等4岩层。平原区段表层多为第四系人工填土层(Q)。海底段、三角洲及平原段主要4ml为第四系晚期海相、三角洲相沉积物(Q)。4det隧区地质构造属潮汕盆地中的次一级断隆山一桑埔山之前缘。潮汕盆地的基底为燕山期中酸性花岗岩。其间充填厚达30~170m的松散沉积物，基岩古风化壳普遍被埋于第四系覆盖层之下。根据堆积在古风化壳上的第四系底层物质均形成于晚更新世中、晚期，说明它是由断块陷落而成的年轻盆地，隧址区构造发育。根据区域地质资料及沿线实际调查，结合区域地质资料等综合分析，线路DK159+000附近为燕山期第三次侵入！：「）花岗岩与燕山期第五次！.上：侵入花岗岩侵入接触带。2工程总体设计平面设计线路以R=5500m左偏曲线上跨磊广大道，为避免隧道洞口位置青州盐场建筑物拆迁，线路由其东侧进入隧道；汕头湾南岸壕江区山岭段，隧道西侧存在物探揭示花岗岩风化槽，东侧有东湖学校、广东省粤东高级技工学校，同时尽可能避让龙光地产规划地块，隧道在平面上以“S”弯通过，穿越鲁奥路，并在雄鸡山水库以西向北延伸，之后在海湾大桥下游约1km下穿汕头湾，于妈屿岛和德洲岛之间穿越汕头湾后设置R=9000m左偏曲线，依次在方特欢乐世界西侧和中泰立交桥桥孔之间穿越，之后直线向北接入汕头站。纵断面设计本隧道内设置“V”形坡，线路自里程DK154+972.5上跨磊广大道后于DK155+159进入隧道，以18.3%。、27.57%。下穿壕江区汕头湾南岸山岭段，以6%。下坡至最低点，依次穿越F0〜F7断层。隧道纵断面如图2所示。根据汕头湾海底段深槽基岩埋深情况，由覆岩厚度控制，在汕头湾南岸DK160+850改为15.3%。上坡爬升，综合考虑满足汕头站接入要求、敞开段长度、减小盾构软硬不均长度及保护中山东路立交等因素，于DK161+750以29%。坡度爬升至DK164+350出隧道，接路基U形槽，海底段依次穿越F8〜F16断层。图2汕头湾海底隧道纵断面示意（单位：m）横断面设计海域矿山法段横断面设计汕头湾海底隧道位于高强地震环境且穿越多条活动断层，从抗震抗断角度考虑，圆形断面较马蹄形断面抗震抗断性能更好。因此，海域矿山法隧道采用圆形衬砌。海域矿山法横断面设计如图3所示。根据现行《铁路隧道设计规范》规定门，考虑围岩级别、结构埋深、使用环境、方便施工及确保防水板铺设质量、减L13」少仰拱病害等因素，通过分析结构计算结果，并结合工程经验、工程类比，确定海域段隧道复合式衬砌设计参数，如表1所示。隧道穿越断层破碎带，采用超前帷幕注浆和径向注浆进行围岩加固及堵水加固范围5m。超前小导管长3.5m、外径42mm，壁厚3.5mm；拱部140°设置，环向间距为33cm。图3海域矿山法段横断面设计表1海域矿山法段隧道复合式衬砌及支护参数

序号囤岩级别初期支护二次法喷C25混凝土厚度/CI11I部位钢筋网直直/mm网眼尺J/cm系统谛杆格栅,钢架拱墙厚中度/CEJ部位环、纵间SH/rn规格部位间距/m1上拱墙5局部2.535t2拱墙15拱部心625x25拱墙31,5x1,540米3拱墙15拱部小625x25拱墙3L5ML540+4以全环25拱椅曲620x20拱增3,51,5^1,5IlE型钢拱墙150*5V山全环2S拱墙林20x2(}拱墙4L.2xL2I20a型堀全坏0.K60*6V岛全环处拱墙帧20x20拱培4i.2x1,nIRV175理纲仝环0660*1全环28+28拱墙由620x2(}拱墙4L2xl.UHit175型钢全环0.650*注："*”号代表钢筋混凝土衬砌。盾构段横断面设计盾构法隧道采用圆形断面，钢筋混凝土预制管片衬砌形式，管片内径12.8m，净空有效面积93.2m2，盾构隧道两侧救援通道宽1m。盾构段横断面设计如图4所示。轨下结构采用钢筋混凝土预制中间箱涵+现浇边涵形式，轨下中间箱涵疏散通道宽4m（设楼梯处为楼梯两侧各1.4m），高2.065m。隧道内轮卿Q1L8m图4盾构段横断面设计盾构机拆解段横断面设计在满足盾构机拆解所需施工空间的前提下，为减小施工风险尽可能减少盾构机拆解洞室断面尺寸并优化结构受力条件，经结构试算，确定盾构机拆解洞室采用直墙拱形、单层加强初支衬砌结构，断面尺寸为19.1m（宽）x24.21m（高），纵向（沿线路方向）长30m。考虑到盾构机拆解洞室位于高水压、高烈度抗震区强震环境，施工期间盾构机洞内拆解完成后，在盾构机拆解洞室内现浇受力条件较好的圆形永久衬砌结构，内部圆形衬砌结构与盾构机拆解洞室单层初支衬砌结构之间的空间采用泡沫混凝土和C20细石混凝土回填，具体断面形式见图5。盾构机拆解洞室施工期间采用“喷射混凝土+钢架+预应力锚索（锚杆）〃单层初支衬砌结构，具体支护参数见表2。表2拆解洞室支护参数单层初支柯砌结构支护参数设置部位全坏早强C3C喷射混凝土搭聚丙怖纤维厚度/cm25设置.部位全环格姗、钢架钢患炎型T痢型钢问距/'mL2赧mm涮熊网设置部位拱墙网格1啦2S20设置部位拱部麹2mm预应力希索长度/m10河*4x4,8（环其纵）设置部位拱部妇2mm戳壳式预应力中空注聚锚杆长度/m间距/m4*2,4（环x纵）设置部位边地出靠mm襁壳式预应力中空注浆锚杆长度阿跑/m2KL.4（环乂纵）设置部位边境加士mm涨壳式瓶应力中空注浆锚杆长度/m4间距/m2K2.4a环x纵）回拆解洞室施工期 电揖解洞室运营期图5盾构机拆解洞室断面盾构机空推段横断面设计盾构空推段设置于口级围岩地段，断面形式为矿山法初期支护+全环盾构管片双层衬砌形式。初期支护和盾构管片之间，在拱墙范围内采用豆砾石+非固化沥青回填，在底拱范围内采用C20细石混凝土回填。该材料弹性模量小，属于柔性支护，既可吸收地震能量，更有利于适应结构变形。管片拼装完成后吹填豆砾石，二次注浆采用非固化沥青充填豆砾石之间的间隙，有效防止管片上浮和下沉等错台现象发生。具体断面形式如图6所示。知期支护邱西周生沥青再充图6盾构空推隧道断面3工程关键技术高水压条件下海底超大直径盾构机整体无损拆解技术高水压下管片极易发生破坏［14］由于工期制约及工程水文地质、条件限制，汕头湾海底隧道采用〃一头钻爆一头盾构掘进〃施工方案，盾构机掘进完成后面临吊装拆解及运出难题。既有项目中曾采用盾构脱壳解体运出方案，即将盾构主机外壳留在地下，以盾壳为起吊点将刀盘、主驱动、螺旋输送机、台车等进行拆解运送。由于操作空间狭小、盾壳起吊支撑能力有限拆解过程多为“暴力拆机”，尤其刀盘和主驱动等主要构件将会被零散分割，后续很难再重复拼装利用，设备残值所剩无几。基于上述局限性，汕头湾海底隧道提出了〃高水压条件下海底超大直径盾构机整体无损拆解〃技术创新方案，解决海域及其他长大距离水下盾构隧道领域，水下对接工况中超大直径盾构拆解困难大、拆解风险高、拆解残值低的难题。盾构机整体无损拆解技术如图7所示。图7盾构机整体无损拆解技术在海底高水压环境下开挖设置大跨度拆解洞室，等待外径14.57m的超大泥水平衡盾构完成掘进。在有限的空间范围内对盾构设备进行无损拆解及大体积、大质量构件吊装运输，最大程度保留盾构机残值。此次为国内外首次提出在海底进行超大直径盾构机的整体无损拆解方案，与既有〃暴力拆机〃不同，该方案可100%保留盾构机构件完整性，实现盾构机的重复利用。高烈度地震区活动断层带抗震抗断技术汕头湾海底隧道地处8度高烈度地震区，穿越密集断层破碎带及多条活动断裂带，并处于高水压、高侵蚀环境中，在350km设计行车时速下，隧道结构抗震抗断安全性面临极大挑战。矿山法隧道段采用加密设置变形缝，并根据断层错动预估量及水头大小对变形缝进行特殊设计，在保证不发生涌水、涌泥的前提下，允许更大错动位移量。断层破碎带影响范围内，将〃断面扩大〃和〃隔离效能〃抗断理念融合，在二衬和初支间设置30cm厚I型CA砂浆。盾构隧道段采用特殊衬砌环，对管片接头形式、接缝连接刚度、接缝防水措施进行特殊设计，实现〃小震时管片微错动一列车运行不限速，大震时接缝小破坏、不涌水一无安全事故”。矿山法断层破碎带影响区采用超前帷幕注浆措施对地层进行加固，确保围岩整体性、围岩和结构耦合变形的同步性。充分发挥盾构机盾壳注浆优势，结合海面注浆条件，盾构同步注浆采用〃高强度-低弹模〃注浆材料，在断层破碎带范围内形成〃紧箍加强圈〃和〃隔离效能圈〃。对650m范围内40m深厚淤泥质软土震陷地层采用〃井〃字形三轴搅拌桩进行加固。矿山法和盾构法断层区加固如图8和图9所示。图8矿山法帷幕注浆加固示意图9盾构区抗震加固示意海域段阈值泄压限排技术汕头湾海底隧道海域矿山法段落隧底最大水压可达0.97MPa，为目前国内最大埋深、最大水压的海底隧道，超出了国内既有工程经验。超高水压不仅对结构设计强度提出更高要求，引起工程投资的大幅增加；且超高水压对海域矿山法隧道全包防水体系而言亦是一种极大挑战。针对上述问题，基于汕头湾海底隧道结构计算及洞内排水能力，海域矿山法段落采用全包防水设计的前提下，隧底每隔12m设置1套〃阈值控制自动泄压阀〃。当隧道周边水压力达到0.5MPa阈值时，泄压阀单向开启将水引排至洞内，降低隧道外围水压力。目前，国内尚无相似案例，在工程实践中针对海底隧道采用〃全包防水+泄压限排〃的设计理念，是对隧道限量排放设计原则的量化和智能自动化探索实践。盾构接缝防水材料技术传统盾构管片弹性密封垫由EPDM（三元乙丙橡胶）与遇水膨胀橡胶复合构成。由于遇水膨胀橡胶在海洋盐性环境中的膨胀倍率低且反复膨胀易老化，汕头湾海底隧道创新性地将膨胀性及耐久性更好的高密度遇水膨胀聚氨酯引入接缝防水材料，并通过互咬齿接形式将聚氨酯与三元乙丙橡胶进行结合，克服了以往密封垫两种材料剥离的弊病，大大提高了弹性密封垫防水耐久性。聚氨酯材料10次冻融循环后，面层无渗水、开裂、空鼓和剥落，冻融循环后面层与保温层的拉伸黏结强度#100kPa。盾构穿越复合地层适应性设计汕头湾海底隧道盾构段采用超大直径泥水平衡盾构机施工，隧道先后穿越淤泥及淤泥质黏土地层、淤泥与花岗岩软硬不均地层、软硬岩软硬不均地层以及全断面弱风化花岗岩地层。从变形模量仅为2MPa的淤泥质极软地层进入了变形模量为8.37x10MPa的弱风化花岗岩极硬地层。同时，外径14.57m的超大4直径盾构机在滩头地段除连续穿越软土震陷地层及粉砂液化地层外，还陆续近距离下穿或毗邻穿越泰兴路、沈海高速、中泰立交桥、高压电塔、潮汕美食城、变电站、房地产开发项目等沿线风险源，存在施工风险。[15-17]面对超大断面、超高水压、地层复杂、环境严苛等诸多挑战，汕头湾海底隧道从盾构选型及设备适应性，盾构始发、到达及拆解，特殊地层（软土地层、上软下硬地层、孤石地段）处理，近距离穿越建（构）筑物安全评估及防护等多方面进行了系统研究，形成超大直径盾构穿越复合地层及复杂风险源的成套适应性设计技术。防灾疏散救援设计汕头湾海底隧道全长9781m,由于水下环境无防灾疏散条件，且工法衔接多样复杂，传统防灾救援设计方案难以满足安全需求[18-1「汕头湾海底隧道进行了针对性优化设计，以〃安全可靠、技术先进、经济合理〃理念将规范标准、既有工程经验和项目自身特点进行了有机融合。其中，海域矿山法隧道段、盾构空推段、盾构段均采用〃轨下敞口形预制结构〃作为紧急疏散通道，并在轨下疏散廊道楼梯位置轨道层设置水平滑移门，更好地保障了