狮子洋隧道建设方案的探讨

1、狮子洋隧道建设方案探讨广深港客运专线公司 石道华 王焰摘要：狮子洋隧道是广深港客运专线全线的重点和难点工程，确定为控制性工程，是国内第一条铁路水下隧道，也是国内第一条采用盾构法修建的最长隧道。本文主要对隧道工程的地形地貌、河势及水文情况进行分析，重点阐述工程纵断面特点及建设规模控制难点，进行对比分析，提出决策方案。关键词：隧道 盾构 工程 方案1工程概况广深港客运专线是连接内地与香港的重要快速通道，该线按客运专线双线设计：运营速度300km/h，基础设施按350km/h设计。狮子洋隧道是全线的重点和难点工程，确定为控制性工程，是国内第一条铁路水下隧道，也是国内第一条采用盾构法修建的最长隧道。狮

2、子洋隧道位于广州市与东莞市交接的珠江八唐尾水道与狮子洋水道的汇合口处，处于广深港客运专线东涌站至虎门站区间。线路出东涌站后，在广州市沙公堡以7000m的曲线半径右转进入隧道，然后以直线先后下穿小虎沥、小虎岛、沙仔沥、沙仔岛、珠江狮子洋出海航道、虎门港沙田港区，再以7000m的曲线半径左转下穿沿江高速公路后，在东莞市沙田镇出洞。隧道全长10800m，按双洞单线隧道设计，进出口采用明挖法施工，中间采用盾构法施工，其中盾构圆形隧道长度为9340m，隧道内径9.8m，管片厚度0.5m，管片环宽2.0m；盾构隧道采用四台泥水平衡式盾构两两“地下对接，洞内解体”方式组织施工；总工期建议为41个月。2 建设

3、条件2.1 地貌、河势及水文狮子洋隧道地处珠江三角洲平原区，两岸地形平坦开阔。狮子洋水道水深流急，过江处江面宽3300m，主航道宽700m，最大水深26.6m。小虎沥水道宽460m，最大水深8.2m;沙仔沥水道宽约540m，最大水深7.3m;隧道设计水压达6.5kg/cm2。隧道所在的狮子洋水域，近岸水流流势与岸滩基本平行，往复潮流比较畅通。近年来冲淤幅度不大，接近冲淤平衡；潮汐动力有所加强，槽道以扩展为主；工程所在岸滩河势基本稳定。根据需要分别对上游300年一遇、200年一遇、100年一遇与下游“98.6”实测潮位组合及“98.6”大水实测水文组合等四种工况，进行了河床最低冲刷数学模型计算分

4、析。从计算结果看，狮子洋、小虎沥、沙仔沥三个断面最大冲刷深度和最低冲刷标高均在300年一遇水文组合。隧道下穿三个河床断面的最大冲刷深度和最低冲刷标高见表1。表1. 单位：m水文组合小虎沥断面沙仔沥断面狮子洋断面冲刷后最低标高（高程：珠基）-4.80-6.64-32.18对应冲刷深度-0.70-1.374.85隧道线位离右岸距离103.7323.42280.4最大冲刷深度-1.99-2.006.91对应河底标高（高程：珠基）-3.16-4.15-29.19隧道线位离右岸距离172.8369.62515.22.2 工程及水文地质条件盾构隧道段两端及明挖隧道段穿越第四系土层，盾构隧道江中段穿越基岩风

5、化层。第四系覆盖物主要为海陆交互相沉积层、冲积层、残积层及人工填土层；基岩为白垩系强风化和弱风化泥岩及泥质粉砂岩。岩石天然抗压强度6.5482.6MPa。隧道所穿越的基岩地层粉黏粒（小于74m）含量一般为23.355.3%,石英含量约为60%左右。隧道范围地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和白垩系基岩（红层）裂隙水。第四系松散岩类孔隙水以承压水为主，且为二层承压水，由上层的第四系全新统粉细砂、中砂含水层和下层的第四系上更新统粉细砂、中粗砂、砂砾含水层组成。基岩裂隙水也为承压水，水位标高-4.8m0.91m，且基岩层的渗透性为中等强透水性。3 方案（设两座工作井，4台盾构地中对接）3.1 纵断面及

6、建设规模线路出东涌站后，在DIK32600处以2950m长、20的下坡进入隧道，并下穿小虎沥、小虎岛、沙仔沥到达沙仔岛；然后以3750m长、3的下坡通过沙仔岛进入狮子洋深水航道下；接着以1700m长、3.5的上坡通过狮子洋航道和虎门港沙田港区6号泊位；最后以3276.9m长、20的上坡通过规划虎门港的监管保税仓库，在沿江高速公路东侧出洞。隧道两端均采用20进入隧道，以尽量减少盾构软硬不均掘进段长度。本方案在进出口明挖隧道与盾构隧道之间各设一工作井，其中进口工作井位于广州市东涌镇沙公堡东风农场内，出口工作井位于东莞市沙田镇穗丰年砖厂旁农田内。本方案隧道轨面最低点标高为-61.56m，距百年一遇高

7、潮位约64.7m。盾构穿越基岩（W2）、半岩半土、第四系覆盖物地层的长度分别为6800m、1237m、1240m，分别占掘进长度的73.3%、13.3%、13.4%。3.2 施工组织全隧道采用4台盾构施工，盾构在地中两两对接，洞内解体。施工组织方案为：1号盾构：从进口工作井左线始发，掘进4827m长度后至DIK38550，等待与3号盾构对接。2号盾构：从进口工作井右线始发，掘进4527m长度后至DIK38250，等待与4号盾构对接。3号盾构：从出口工作井左线始发，掘进4450m长度后至DIK38550，与1号盾构对接。4号盾构：从出口工作井右线始发，掘进4750m长度后至DIK38250，与2

8、号盾构对接。表2. 方案工期安排情况 单位：月盾构编号制造安装掘进对接内部结构及管线安装工期1122185441213217544131321754414122185441注：本方案隧道施工总工期41个月，要求盾构设备平均掘进速度不小于227.8m/月。3.3 施工难点本方案在国内首次采用盾构地中对接，洞内解体的施工方案，国内尚无成熟经验。但参考国外成功经验，设计盾构对接点若能选择在稳定性好、透水性低的地层，施工安全有较好保障。盾构地中对接是两台盾构分别从两边掘进，在对接地点进行正面结合。从国外成功实例看，地中对接有辅助施工法和机械对接法两种方法。但机械对接的方法主要用于直径较小的隧道，该方法

9、盾构设备需进行特殊设计，故本隧道不予采用。施工时盾构到达对接位置后，首先拆除后配套与主机的连接，将后配套分节拉至工作井内解体吊出，然后逐步拆除主机盾壳内所有设备，隧道周边止水加固，做好盾构拆除后的临时止水，并及时浇注对接段衬砌。采用辅助施工法的地中对接，关键在于如何确保对接地点围岩稳定、止水和防止土砂流入。本隧道对接地点选择在白垩系泥质粉砂岩弱风化层，粉砂质结构，中厚层状构造。其中DIK38+250段岩层泥、铁质胶结，钻探岩芯节长650cm，RQD值82左右，隧道周边地层稳定；渗透系数最大0.575m/d，隧道单位长度涌水量1.51.67m3/d.m，隧道周边地层弱透水。DIK38+550段岩

10、层由粉砂、泥质组成，铁质胶结，裂隙不甚发育，岩芯完整，RQD值为90左右，隧道周边地层稳定；渗透系数最大0.294m/d，隧道单位长度涌水量1.091.5m3/d.m，地层透水性弱。故对接地点地层稳定性较好，在采取适当周边加固措施后，洞内解体安全性有保障，满足施工要求。4 方案（设4座工作井，4台盾构井内拆解）4.1 纵断面及建设规模本方案纵断面设计时在满足其它纵断面控制因素的基础上，尽量减少在中间工作井处的线路标高，减少中间工作井的开挖深度。线路出东涌站后，在DIK32600处以2150m长、20的下坡进入隧道，并下穿小虎沥，到达小虎岛；然后以4550m长、5.9的下坡通过小虎岛、沙仔沥、沙

11、仔岛，到达狮子洋深水航道下，接着以1350m长、16.2的上坡通过狮子洋航道和虎门港沙田港区6号泊位，再以1450m长、3.8的上坡通过规划虎门港的监管保税仓库，最后以2176.9m长、20的上坡在沿江高速公路东侧出洞。全隧道共设置4座工作井，分别位于明挖隧道与盾构隧道之间、沙仔岛和虎门港区，其中进口工作井和出口工作井位置与方案工作井位置相同。沙仔岛工作井位于珠江狮子洋西岸、沙仔岛北端，虎门港工作井位于规划的虎门港东侧，紧邻监管保税区。该方案隧道工程全长10490m，其中盾构段长9287m。本方案隧道轨面最低点标高为-59.75m，距百年一遇高潮位约62.92m。盾构穿越基岩（W2）、半岩半土

12、、第四系覆盖物地层的长度分别为4760m、3174m、1290m，分别占掘进长度的51.6%、34.4%、14.0%。4.2 施工组织本方案隧道设计采用4台盾构施工，分别由始发井始发，在接收井接收并解体。施工组织方案考虑如下： 1号盾构：从进口工作井始发，掘进至沙仔岛工作井，解体吊出运至进口工作井，再从进口工作井始发掘进至沙仔岛工作井内解体吊出，总掘进长度4654m。2、3号盾构：均从沙仔岛工作井始发，分别施工左右线，掘进至虎门港工作井后吊出，每台盾构掘进长度4620m。隧道穿过的主要地层为泥质砂岩、粉砂岩、细砂岩。4号盾构：从出口工作井始发，掘进至虎门港工作井，解体吊出运至出口工作井，再从出

13、口工作井始发掘进至虎门港工作井内解体吊出，总掘进长度4554m。表3 方案与工期安排情况 单位：月盾构编号制造安装掘进盾构转移掘进解体吊出内部结构及管线安装工期1122102101441213217143731321714374122102101441本方案隧道施工总工期41个月，要求盾构设备平均掘进速度不小于226.5m/月。4.3 施工难点本方案沙仔岛工作井既是1号盾构的接收井，同时也是2、3号盾构的始发井，其沿线路方向长度按30m考虑。虎门港工作井为2、3、4号盾构的拆除井，其沿线路方向长度按23m考虑。工作井围护结构采用地下连续墙。由于该两座工作井开挖深度大，为减少围护体系受力，确保施

14、工安全，工作井采用圆形结构。沙仔岛工作井围护结构内径为49m，基坑开挖深度为50m；虎门港工作井围护结构内径为44.8m，基坑开挖深度为47.3m。沙仔岛工作井、虎门港工作井平面尺寸大，开挖深度大，虽然有类似工程成功经验，但施工难度大，工程造价高。5 建设方案比较以上两个方案除在施工难度上有差别外，在隧道穿越的工程地质条件、对结构受力的影响、施工场地条件、工期的可靠性及造价等方面也各有优势。（1）工程地质条件方案需要在隧道中部设置工作井，为减少工作井开挖深度，故进口工作井与沙仔岛工作井之间、虎门港工作井与出口工作井之间的线路埋置深度较浅，隧道穿越软硬不均段较方案长，基岩段较方案短。由于围岩条件

15、相对较差，故方案盾构结构受力条件较差，结构平均配筋量较大。（2）施工场地条件进口工作井、出口工作井均位于市郊，现状均为农田，施工场地条件好。沙仔岛工作井场地开阔，但其位于岛的北端，与既有公路之间现为大片密集民房，施工需拆迁部分民房后方可进入，施工运输难度较大。虎门港工作井位于规划的虎门港沙田作业区与虎门港保税监管区之间，根据与有关单位协调情况，当地部门不同意在该段布置施工场地。（3）工期的可靠性方案由于采用地中对接，故某一台盾构未能达到预期进度目标时，可由与其对接的盾构适当补偿，工期可靠性较高。而方案任何一台盾构未能达到预期进度目标时，将对总工期造成影响。（4）造价方案盾构地中对接，盾壳不能取出，解体空间小，需拆解成小部件，盾构剩余价值小，但方案需施工沙仔岛工作井和虎门港工作井。综合而言，方案总造价低。综合比较分析，方案隧道工程地质条件相对较好、结构受力条件好、施工场地条件好、工期可靠性高、弃碴运距短、造价低；方案虽具有盾构设备可根据工程条件分