港珠澳海底隧道

港珠澳大桥海底隧道周丰峻二○○九年五月

1、工程概况港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋水域，是连接香港、广东省珠海市、澳门的大型跨海通道。海中桥隧工程主体总长35.578km，采用桥隧组合方案，隧道长6.753km，桥长28.825km。从建造的可行性角度考虑，目前港珠澳海底隧道主要有沉管与盾构二种工法。沉管隧道全长6648m，其中，沉管段长5389m。其两端引道段、暗埋段位于人工岛内。1.1

沉管隧道方案概况沉管隧道结构顶部高程约-30.5m，距平均海平面的垂直距离约31m，海底起算的埋深为14～24m；结构底板高程为-42.9m，沉管隧道外轮廓宽度为44.8m，高度10.0m。1.2盾构隧道方案概况

盾构隧道结构顶部最低点高程约-44.3m，距平均海平面的垂直距离约44.8m，海底起算的隧道顶部埋深为30.8～34.3m；结构底板高程为-61.4mm。

盾构隧道全长7240m，其中，盾构段长5410m。其两端引道段、暗埋段和竖井位于人工岛内。盾构隧道外直径为16.88m，双向隧道，左线隧道与右线隧道结构边缘之间的距离约为14m。

2、隧道场地地质概况2.1海底地形海底隧道段的地形相对较平坦，海底面高程为-6.89～-15.68m，高差8.79m港珠澳大桥工程场区附近的活动断裂或断裂有12条。

探测到F2断裂，该断裂走向320°（西北-东南走向），基岩风化呈深槽状

该风化深槽呈条带状北西向展布，宽约300m。

2.2隧道场地岩土工程特征第四系覆盖层

隧道段勘探深度内第四系覆盖层厚度为52.05～73.60m，基底高程-65.25～-81.17m①淤泥（Q4m）：灰黄色，流塑，滑腻，本层主要为浮泥，海床表部均有分布，钻探取样较困难。局部呈互层状。

②淤泥质粘土（Q4al）：灰色，流塑，显波状层理，层面多附有粉细砂粒③粘土（Q３al+pl）：灰黄色，灰白色，杂褐黄色斑或条带，可塑～软塑为主3盾构隧道方案工程地质、水文地质适应性分析3.1基岩面起伏对盾构隧道的影响“勘察报告”和盾构隧道方案纵断面揭示，本工程盾构施工中将遇到上软下硬的地层，影响的长度约540米，这对于泥水盾构是难以掘进的，甚至会造成喷涌和塌方的事故。

3.2

花岗岩球状风化体（孤石）对盾构隧道的影响花岗岩球状风化体（孤石）是由花岗岩物质成分的风化差异、岩体的节理裂隙发育等综合作用而成的，外形呈椭圆状，岩质坚硬。港珠澳大桥盾构施工遇到花岗岩球状风化体的可能性很大。在这种情况下，所有盾构施工困难，盾构刀具和刀盘将严重受损，修复受损刀盘的风险度极高。3.3断裂对盾构隧道工程的影响断裂经过地段的隧道底部高程约-60m，基岩高程为-80m以下。由于该断裂属非全新世活动断裂，且基岩较深，该断裂对盾构隧道施工不构成影响，亦不存在涌水断裂涌水对盾构施工的影响。3.4海底换刀和盾构机刀盘修复的适应性分析在本项目中，砂土地层对盾构掘进的影响，主要表现为大于0.25mm的石英颗粒的百分含量。刀具和刀盘磨损一定程度后，必须进仓换刀或修复刀盘。目前进仓对刀具、刀盘的检查、修复大致有三种方法：1）带压进仓检查、修复；2）盾构机前方土体加固后在常压下进仓检查、修复；3）在海中筑岛向下做竖井至刀盘前方，在竖井中对盾构刀具、刀盘进行检查、修复。在本工程中，加固海底地层、海中筑岛做坚井的方法均是代价昂贵的处理方法，常压换刀的方法还不是成熟的技术，通常在水下带压换刀，修复盾构机刀盘。在这种情况下，必须承受超过60m的水头压力，存在许多不确定因素，困难多，风险大。3.5岩土层对大直径盾构开挖面稳定性的影响隧道段主要岩土层工程特性地层编号岩土层名称工程特性可挖性分级①淤泥含水量高，孔隙比大，高压缩性，强度极低，基本无自稳能力，开挖易产生滑移，沟槽不易成形。Ⅰ②淤泥质粘土高压缩性，结构灵敏，强度极低，渗透性微～极微，开挖不易成形。Ⅰ③粉质粘土夹砂压缩性中等，结构灵敏，土质不均，垂向和水平向渗透性差异大，易发生流土型渗透破坏，开挖不易成形。Ⅰ④粉砂压缩性中等，承载力一般，渗透性弱，易发生管涌型渗透破坏。Ⅰ盾构隧道主要在比较松软的岩土层中通过，开挖面直径超过17.00m，容易失稳；而且盾构隧道洞身主要通过的岩土层为砂层，属于强含水层，高水头压力容易造成开挖面砂层喷涌；另外，砂层中孔隙水压力大，水头随潮水涨落变化，泥水盾构压力不易控制。3.6盾构隧道进出洞的地质适应性分析本工程项目在盾构始发段、接收段的前方土体为：流塑状淤泥（浮泥），流塑状淤泥，流塑～软塑粉质粘土夹砂。盾构在始发段以一定坡度切入土体，在接收段上覆土层逐渐变薄，而且盾构洞口直径大，土体暴露面积大，施工时间长，洞口附近土体易受扰动或破坏，使盾构前方土体失稳，可以造成隧道开挖面失压，出现喷水（或冒浆）、塌陷等情况。

盾构隧道持力层为流塑状淤泥质土层，在盾构机荷重下，持力层会压缩变形，导致盾构机下沉。因此，盾构进出洞施工前，必须进行始发段、接收段土体的软弱土层加固工作，保证处理过的土体能够达到自立稳定状态。不论采用搅拌桩、旋喷桩加固，都会遇到很大困难。3.7盾构隧道两端加固覆土地段对施工的影响

盾构隧道两端上覆土层较薄，土质较软弱，隧顶上部土层主要为流塑状淤泥层。盾构推进时，开挖面泥水压力可能大于上覆土层压力，导致漏气或冒浆，存在较大的盾构隧道开挖面失稳的风险。在上覆土层较薄地段（即上覆土层小于盾构直径地段），必须在海底回填加厚上覆土层，增大上覆土层压力。3.8岩土层对横通道施工的影响按有关规范，双线隧道之间，每隔500m应设置一个横通道。根据港珠澳大桥隧道断面，可设置约8个横通道横通道施工方法之一是常采用冻结法加固、矿山法开挖。较之陆地，在海底进行冻结法施工比陆地难度大。况且，海水含盐高，很难冻结。海底进行冻结法施工的难度很大，甚至难以实施。横通道施工一旦发生事故，会造成连锁反应，危及已经施工的隧道主体工程。

上海曾发生过黄浦江盾构隧道横通道冻结法施工的事故，导致主隧道全部灌水，该事故是由解冻过程的一个小环节引发的。除了冻结法之外，横通道的施工还可以采用化学灌浆加固、隧道内顶管、水平旋喷等方法。本工程隧道埋深大，化学灌浆效果难以保证；顶管法及水平旋喷施工，在国内已有成功例子，运用到本工程不排除仍有风险。综上所述，横通道施工是本工程采用盾构法施工的难点，其风险太大，难以实施。3.9盾构隧道在软土地段的稳定性分析盾构隧道底板通过淤泥质粘土。该层具高压缩性，高灵敏度，含水量孔隙比大，均为欠压密土，未完成自重固结，稳定性较差，地基容许承载力较低。本工程隧道结构荷重不大，但软土尚未完成自重固结，在隧道施工及运营过程中，会产生固结沉降，稳定性差，危及隧道结构，长期运营不安全。4沉管隧道方案工程地质、水文地质适应性分析4.1地层对沉管隧道沉降的影响受地层特性不均一的影响，沉管隧道容易发生不均匀沉降。（1）根据沉管隧道断面图，从东人工岛到西人工岛，隧道底部依次经过淤泥，淤泥质粘土，流塑粉质粘土夹砂，软塑～可塑粉质粘土，淤泥质粘土，淤泥。这些地层的压缩性和承载力差别较大，（2）淤泥没有自重固结，自身还会产生压缩变形，从而导致沉管隧道沉降。施工时，应做换填处理。尚不存在砂土液化导致沉管隧道沉降问题。沉管底部经过的特性不均一的地层和淤泥自身的压缩变形，将导致沉管隧道发生不均匀沉降。4.2地层对基槽边坡稳定性的影响沉管隧道外轮廓宽度为44.8m，结构底板埋深43.4m（海平面起算），基槽开挖超过43.4m，是国内首个深海大挖深基槽开挖项目，开挖土方量大。土体（尤其是淤泥）的稳定性较差，开挖过程中，土体产生自动崩落，按水下坡角形成水下边坡。5结论与建议(1)、不论盾构隧道工法或沉管隧道工法，均不同程度地受到工程地质和水文地质条件的制约。

(2)、因客观存在岩面起伏，盾构隧道方案的底部已进入强风化岩层，遇到孤石的可能性不应排除；在海底高水头压力、开挖面地层较差的条件下，带压开仓换刀、修复刀盘，存在很大风险，难以实施安全作业。

(3)、本工程采用超大直径的盾构，在海底掘进的距离长达5.4公里，并且穿越软