杭州地铁1号线滨河站-富春路站区间盾构施工隧道穿越钱塘江的纵断面设计

杭州地铁1号线滨河站-富春路站区间盾构施工隧道穿越钱塘江的纵断面设计

杭州地铁1号线位于滨江站和富春路站，横跨钱塘江段的整个地下区域。线路出滨江站后,沿江陵路偏东侧穿行,穿越钱塘江后沿婺江路穿行,向北接富春路站。根据环控通风系统要求,分别于江南、江北设两座中间风井。根据规范及给排水系统要求,分别设两座联络通道,其中一处联络通道兼作排水泵站。该区间的线路纵断面设计从可行性研究、总体设计、初步设计一直到施工设计阶段,经历了多次调整,均围绕冲刷线及冲刷线下覆土厚度这两个焦点展开了多次论证。1项目总结1.1工程概况及工程地质杭州市区地处浙西中低山丘陵与浙北平原接壤地带,其西南部为低山丘陵地形,北、东、南三面为堆积平原。杭州地铁1号线工程位于低山丘陵与平原交接处,地质条件较复杂。钱塘江为浙江省境内第一大河,河流总体呈西南—北东流向,经杭州后向东入杭州湾海域,隧道区江面宽约1300m。两岸地形平坦,地面高程为6~8m,西北岸堤顶高程约9.4m,东南岸堤顶高程约10.0m。河床高程为-1.186~1.410m,该河段属河口段,受潮水和洪水的交替冲刷作用,处于动态变化中。勘探期间水深一般为2.80~4.60m,受涌潮影响潮差为2~3m,潮速约为7m/s。隧道工程所在的钱塘江河段因主泓摆荡,江道很不稳定,曾多次建丁坝进行整治。隧道北岸附近丁坝基本在海塘内,而南岸还有部分坝体残留在江中。1.2掘进范围的土层越江隧道位于钱塘江河床下的江中段,隧道顶板埋深为17.5~19.1m,盾构掘进范围的主要土层为⑥2层淤泥质粉质黏土、⑨1a层粉质黏土、⑨1b层含砂粉质黏土、ue583122层细砂、ue583124层圆砾,除ue583124层圆砾为Ⅲ级硬土外,其余为Ⅰ级松土,土层差异性大。1.3工程区采用人工联合的水位效应拟建场地浅层地下水属孔隙性潜水,主要赋存于表层填土及③1~③8层粉土、粉砂中,由大气降水和地表水径流补给,地下水位受季节以及钱塘江地表水的影响较大。根据钱塘江闸口和七堡历年最高潮水位高程,工程区钱塘江最高设计水位可取8.85m。钱塘江潮汐水头最大高差达8.18m,冲淤积变化厚度差达4.0m,最高与最低冲刷高差达13.0m左右,而上部压力的变化将以附加应力的形式作用于隧道围压,若考虑最不利组合,即高潮位、高淤积将形成高压状态,低潮位、最低冲刷线处将形成低压状态,与陆域区隧道有明显区别。因此,对于本工程的隧道衬砌强度和以后工程运行沉降问题,需充分考虑上部因潮汐及冲淤而引起的加载卸载的应力变化。承压含水层主要分布于深部的ue583141层细砂和ue583142层圆砾中,水量较丰富,隔水层为上部的淤泥质土和黏土层(⑥、⑨层)。2工程场区冲淤情况钱塘江发源于安徽休宁县境内怀玉山主峰六股尖,在浙江省海盐县澉浦注入杭州湾,干流长度668km,流域面积达5.56万km2,汇水面积达3.13万km2。其洪汛受梅汛控制,汛期时江水面暴涨,据富春江芦茨水文站资料统计,钱塘江径流有明显的年际和年内变化,其最大年径流总量为539亿m3(1954年),最小年径流总量为130亿m3(1979年),多年年径流量在301亿m3左右,实测最大洪峰流量达2.9万m3/s(1955年),最小流量为15.4m3/s(1934年)。钱塘江属感潮型河流,呈不规则半日潮型,水位直接受潮汐影响,变化幅度大,场区地处强潮河口,独特的地理环境形成了举世闻名的钱塘江涌潮。据杭州钱塘江四桥上游3.3km的闸口水文站资料记载,钱塘江历年最高潮水位为8.11m(1997年8月19日,85高程),历年最低潮水位为1.24m(1954年8月10日),多年平均高潮位为4.45m,多年平均低潮位为3.96m,多年平均潮差为0.46m,历年最大潮差为4.90m,多年平均涨潮历时1h32min,多年平均落潮历时10h53min;据杭州钱塘江二桥下游3.3km的七堡水文站资料,钱塘江历年最高潮水位为7.98m(1997年8月19日,85高程),历年最低潮水位为1.26m(1955年8月14日),多年平均高潮位为4.44m,多年平均低潮位为3.75m,多年平均潮差为0.69m,历年最大潮差为4.02m,多年平均涨潮历时1h25min,多年平均落潮历时11h1min。按内插法,邻近工程场区的钱塘江历年最高潮水位高程可取为8.06m。钱塘江百年一遇最高洪水位为8.52m,300年一遇最高洪水位为8.85m。隧道区江面宽约1310m,勘探期间水面高程一般为2.80~4.80m,勘察期间受涌潮影响时,潮差1~2m。由于水动力条件复杂,钱塘江杭州段河槽极不稳定,历史上曾形成大冲大淤的变化,年内冲淤特点表现为“洪冲潮淤”,随着两岸标准堤防的建成,岸线受到堤塘的限制,目前岸线已经基本趋于稳定。建设单位委托两家单位对钱塘江的冲刷情况进行专题研究,采用实测地形分析、临界理论分析、沉积学的方法、动床数学模型、物理模型试验这5种方法,综合分析确定区间隧道通过河段在非常流量(P=0.33%)条件冲刷线的深度。根据《杭州地铁1号线钱塘江隧道河段最大冲刷深度研究》报告,隧道断面最大冲刷深度在-12.4~-15.65m之间,最大深泓靠近江南,该位置为线路纵断面设计控制点。上述5种研究方法综合分析认为:区间隧道通过河段位于河口区河段,涨潮流历时约2~3h,潮流对冲刷线的影响极为微弱甚至消失,河床面自然最大冲刷由洪水造成。考虑到河床演变和河势变化的复杂性以及附近丁坝的影响,报告建议最大冲刷深度高程为-16m,冲刷最深点位置距北岸700~1200m。同时,该报告提供了地铁隧道下穿钱塘江一定范围内的300年一遇冲刷线,为地铁隧道设计提供了充分依据。在实际使用过程中,对于地铁隧道采用300年一遇冲刷线存在一定的争议。有专家提出异议,地铁使用年限为100年,采用300年冲刷线是否适宜,是否应该采用与隧道耐久性相对应的冲刷线标准来进行纵断面设计。冲刷线以③7层淤泥质粉质黏土层为顶板,同时,冲刷线是一种由土层剥离形成的凹坑底线的包络,并不是全断面的土层剥离。冲刷线标志的是一种土层剥离的极限状态,现状江底距离冲刷线较大,约为16m,因此隧道施工时盾构上覆土层较厚,冲刷线对盾构施工的影响较小。3土壤覆盖厚度的确定3.1最大冲刷工况下的抗浮与抗浮问题在总体设计阶段,按以往的工程经验,考虑到盾构覆土厚度应尽量为盾构直径的一倍,同时冲刷线作为一种有可能冲刷到的最低底线,其上的土层都有可能剥离至该线,盾构隧道埋设深度必须在最大冲刷工况下仍能满足抗浮要求,又同时满足隧道纵向受力的要求。因此,总体规定线路埋深应以隧道顶距最大冲刷线的最小距离不小于5m为标准。3.2压力和变形在2006年的初步设计方案阶段,考虑钱塘江江底冲刷的最不利影响后,隧道结构顶面距最大冲刷线最小距离约为3.3m。抗浮验算为结构自重G1=π(R2-r2)γ砼=3.14(3.052-2.72)25=158.1kN/m隧道顶覆土重所以,抗浮安全系数K=(160.8+184.1)/301.9=1.14>1.05,抗浮满足要求。但该方案得到了专家的否定,在初步设计的中间成果审查会议上专家提出了意见:优化纵断面设计,适当加大越江段埋深,线路隧道顶与300年一遇最不利冲刷线的距离要求为6m。最后根据专家意见,初步设计最终方案将线路隧道顶与300年一遇最不利冲刷线的距离调整为5.8m。在饱和软土地层中,由于隧道沿线地质条件、工程条件、结构形式和施工条件的变化,隧道将在施工阶段和长期运营中产生纵向不均匀沉降。因此当荷载或基底地层沿隧道纵向有较大变化时,就需要对纵向强度和变形进行验算分析。隧道穿越钱塘江,其顶部覆土荷载沿隧道线路变化大,其上覆土层厚度差异较大(最大差值约为17m)。下卧土层因受水流冲刷、切割作用而不均匀,现有河床与预计冲刷线变化幅度最大处有13.05m的高差。因此,根据隧道纵断面形态和河床最大冲刷线的变化情况,取其最不利工况,即最低潮位情况下,采用SAP系列静力有限元分析程序进行纵向变形分析(见图1)。1)计算模型。本次计算采用弹性铰—梁—地基模型,即衬砌环用梁单元模拟,环间接头用转动弹簧模拟,地基用土层弹簧模拟,用该模型求解不但可以得到整个隧道的纵向受力性能,还可以求得隧道衬砌环间的接缝张角,借以评价隧道的纵向稳定性。2)计算工况及计算参数的选取。根据计算纵剖面的地质条件,隧道上部土层容重根据地质资料取用,上部荷载根据纵剖面采用分段计算。根据线路纵断面和河床形态,取两个计算工况。工况1:现有河床线,河床标高为-2.0~-2.6m。工况2:最大冲刷线,隧道断面最大冲刷深度在-12.4~-15.65m之间。计算中钱塘江水位取平均低潮位为3.96m。螺栓距离管片厚度中心为35mm,盾构隧道环间转动刚度按照负弯矩处取值1500kN·m/rad,正弯矩处取值3000kN·m/rad。3)计算结果简介。经计算,工况1产生的江中隧道最大沉降为31mm,在江南大堤处相邻环的差异沉降约2.3mm,江北大堤处相邻环的差异沉降约2.2mm(见图2(a)),环缝张开量为3.6mm;工况2产生的江中隧道最大沉降为2.3mm,在江南大堤处相邻环的差异沉降约2.8mm,江北大堤处相邻环的差异沉降约2.2mm(见图2(b)),环缝张开量为4.1mm。上述计算结果表明,河床冲刷和下卧层变化对隧道纵向影响可以接受,对隧道纵向影响不太明显,接缝张开量均小于4.1mm,相邻环的差异沉降小于2.8mm,能够满足设计要求。3.3环缝开裂量计算方法在施工图阶段,施工单位对地层进行了补充勘探,探明了下部的ue583142层圆砾层顶面的精确标高,与地勘报告存在一定的差异。施工中采用的是两台863盾构机,刀具均是按照软土配置,盾构下部需要切削圆砾层约2m,施工过程中的土层软硬不均,增加了施工难度,也势必会造成刀具磨损严重,增加了换刀的可能性,在江底换刀施工风险大且会严重影响施工进度。因此,对纵断面进行了调整,调整后隧道顶部与冲刷线的最小距离为3.6m。经过纵断面分析计算,环缝最大张开量达到4.5mm。设计总体及防水技术要求严格控制荷载作用下的接头张开量(小于6mm),但施工阶段接头往往会有一定的张开量,按照盾构法隧道施工质量标准,环、纵缝张开量不能大于2mm,因此在施工过程中必须精心施工,使张开量尽量控制在1mm以内,否则在后期运营期间,当冲刷作用产生大卸载、剥离到冲刷线标高时,隧道会产生较多的渗漏,甚至有可能被高水压击穿。减少、控制纵向变形的对策是:将隧道衬砌结构设计成有一定刚度的柔性结构,这样能通过结构变形调动周围地层的抗力,减少衬砌弯曲应力。但仍必须有一定的刚度,将结构径向变形、接缝张角控制在防水措施能适应的范围内,以减少结构的不均匀沉降。盾构进、出钱塘江时,由于隧道结构上方的土压力变化较明显,隧道结构存在一定的纵向变形,因此需在隧道进、出钱塘江的区段设置必要的变形缝,允许其在一定范围内变形。越江盾构隧道已经顺利贯通,在施工过程中避开了卵石层,施工过程顺利。4小覆土市场前景在杭州地铁2号线钱江路站—钱江世纪城站区间工可阶段的纵断面设计方案中,江中隧道距300年一遇冲刷线(绝对标高-17.7m)的最小覆土为3m,以避开粉细砂、圆砾承压水层,也主要为了降低盾构及联络通道江中隧道的施工难度与施工风险。施工设计阶段调整为江中隧道距300年一遇冲刷线的距离为4m。杭州另外一个工程是公路隧道庆春路越江隧道,该隧道采用外径为15m的大盾构管片,但该处预测的300年一遇的冲刷线标高较高(绝对标高为-7m)。施工图设计时实施方案为线路隧道顶与300年一遇最不利冲刷线的距离为9.5m。该处卵石层埋深较深,没有进入隧道范围内。5适用于硬土层的盾构机1)越江盾构隧道纵断面设计是整个设计中的重点。除了要满足抗浮的要求外,还需要满足纵向计算中