0 引言
在现代城市交通与基础设施建设中,过江隧道是跨越江河天堑、促进区域协同发展的关键工程[1-3] 。相较于桥梁,隧道具有不干扰航运、节约岸线资源等优势,但其总体设计却面临地质条件多变、水文环境复杂、结构安全要求严苛、环境影响敏感等多重挑战[4-5] 。 从线位规划、断面选型到结构防水与抗震设计,过江隧道设计不仅需要兼顾技术可行性与经济合理性,还需在安全、环保、耐久性等方面实现最优平衡。王乐明等[6]以沪渝蓉高铁崇太长江隧道为例,对越江通道线位、纵断面布置、隧道分合修、衬砌结构选型等方案进行了分析和论证; 拓勇飞等[7]基于南京纬三路过江通道工程,研究了通道设计方案与关键技术;肖明清等[8]以武汉三阳路公铁合建长江隧道为背景,对隧道平面、纵断面、横断面、疏散救援等方案进行了分析研究; Guo 等[9]对大断面水下盾构隧道管片衬砌选型进行了分析,综合结构受力、施工、经济等因素,设计了最优的管片参数; 魏龙海等[10] 依托南京建宁西路过江通道工程,结合项目特点从平面、纵断面及横断面等方面,对隧道设计方案进行了详细探讨; 徐国平等[11]基于深中通道项目,提出了设计施工关键技术;魏立新等[12]阐述了海珠湾隧道修建的重大意义,根据工程总体规划,提出了沿线敏感结构物力学扰动评价指标和标准,并借助数值模拟的研究手段对隧道横断面、施工工法等进行了比选分析,形成了合理的工程设计方案。
综上,国内不少学者对过江隧道关键技术设计开展了大量研究,并取得了显著成果。 但上述所研究的过江隧道皆位于平原城市区,对于山地城市环境下过江隧道技术方案的研究基本处于空白。 山地城市环境下隧址地势高差悬殊、深切河谷、两岸城区建(构) 筑物密集、地质复杂,当采用盾构法施工时工作井深度巨大,始发接收场地难觅,如何结合上述特点合理地制定
工程方案是亟待解决的问题。
本文依托渝湘高铁重庆长江隧道,综合山地城市环境特点、地形地貌及水文特征,对隧道线路走向、施工组织方案、盾构选型、防灾救援、养护通风及运营排水等开展关键设计方案研究,并首次提出在外部建设条件困难下的盾构洞内组装始发及接收拆解技术,成功规避了采用超深竖井方案存在的结构设计难度大、施工风险大、运营成本与风险高、城市干扰大等诸多问题。
1 依托工程概况
1. 1 工程基本情况
重庆长江隧道为渝湘高铁重庆至黔江段重庆站至重庆东站区间内单洞双线隧道, 设计行车速度120 km / h,隧道先后穿越重庆渝中区、长江、重庆南岸区,隧道全长 11942 m,其越江及两岸城区相邻陆域段3810 m 采用盾构法施工,其余段落采用矿山法或明挖法施工,盾构隧道管片外径 12. 2 m。 隧道设置 4 座斜井,按进口、2 #斜井、3 #斜井、4 #斜井及出口 5 个工区组织施工,盾构施工分别通过 3#、2#斜井接引设置盾构组 装洞和拆解洞, 盾构由南岸组装洞始发向北掘进3810 m 至北岸拆解洞内接收,平面布置如图 1 所示。
1. 2 工程建设条件
1. 2. 1 地形地貌
重庆地处我国四川盆地东部,北依巴山、东南斜贯巫山、大娄山,中部主要为低山与丘陵相间排列的平行岭谷,地形地貌复杂多样,以山地为主,为典型的山地城市,并兼有长江和嘉陵江流经交汇,城区人口众多、建(构)筑物密集、管线林立。
重庆长江隧道依次穿行于浅丘、河谷、剥蚀(侵蚀)低山和剥蚀(侵蚀)丘陵地貌,全隧凸显“穿城、穿江、穿山”特点。 其中,隧道穿江段拟采用盾构施工, 因处于 V 形山地,两岸高差大,若采用传统竖井方式,盾构始发与接收竖井深达 84 m,存在结构设计难度大、施工风险大、运营成本与风险高、城市干扰大等诸多难题。
1. 2. 2 工程地质与水文地质
重庆长江隧道地质纵断面示意如图 2 所示。 隧道洞身穿越地层岩性主要为透水性较强、石英含量较高的砂岩及强度差异较大的泥岩,岩层节理、裂隙发育。
图 1 重庆长江隧道平面布置图
图 2 重庆长江隧道地质纵断面示意图
隧区地下水发育,主要为松散地层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水。 城区段,基岩裂隙水施工过程中一般为滴状—线状,局部发生有压力的股状涌水; 山区段,可能发生有压力的股状涌水; 长江段,地下水通过顺层发育的裂隙、砂岩与泥岩接触带和砂岩内部的节理裂隙与江水相连,形成 0. 9 MPa 高水压,局部地段可能出现较大的涌水。 全隧最大涌水量为 95866 m 3 / d。
1. 2. 3 河道概况
隧道穿越长江段河面宽约 800 m,平面交角约为45°。 河道常年洪水位一般为 178. 00 ~ 179.00 m。 隧道轴线断面最深点高程在 156. 1 ~ 157. 0 m,多年变幅在 1 m 以内,根据《新建重庆至黔江铁路重庆长江隧道工程河床演变及冲刷深度计算分析报告》,过江隧道断面 300年一遇洪水情况下河床冲刷深度为 4. 8 m, 预测最深点高程为 151. 3 m。 为确保工程安全,综合考虑技术标准、经济效益,在选线时,一般控制水下盾构隧道合理覆盖层厚度为 1~2 倍洞径[13-15] 。
2 隧道方案
2. 1 隧道线路方案
2. 1. 1 穿江、穿城段线路方案
结合区间路径及既有水下排污隧道位置,渝湘高铁长江隧道穿江及穿城段线路方案为既有水下排污隧道上游和既有水下排污隧道下游 2 个方案,如图 3 所示。
图 3 穿江、穿城段方案示意图
2. 1. 1. 1 方案 1: 既有排污隧道上游方案(推荐方案)
线路出渝中区重庆站后下穿菜园坝立交进入长江隧道,依次下穿轨道 3 号线区间隧道、曾家岩隧道、石黄隧道、轨道 10 号线区间隧道,经十八梯传统风貌改造片区,于交运集团物流公司货场处下穿长江,在海棠烟雨公园处进入重庆市南岸区。
2. 1. 1. 2 方案 2: 既有排污隧道下游方案(穿东水门大桥方案)
线路出渝中区重庆站后下穿菜园坝立交进入长江隧道,依次下穿轨道 3 号线隧道、曾家岩隧道、石黄隧道、轨道 10 号线区间隧道,2 次下穿轨道 1 号线区间隧道,经长江重庆航道工程局进入长江,并下穿东水门长江大桥南岸路基段进入南岸区。
2. 1. 1. 3 方案比选
方案 1 较方案 2 线路短 0. 224 km。 方案 1 在城区内穿越 1 幢 18 层建筑和 5 幢 10—13 层建筑,方案 2在城市商业密集区穿越 13 幢 20 层及以上建筑。 方案1 线路稍短,影响城市区高层建筑更少; 且方案 1 位于方案 2 上游,江底河床高程稍高,有利于穿线路越长江后快速提升轨面高程。 根据以上分析,在穿江、穿城段线路方案中选择既有排污隧道上游方案。
2. 1. 2 穿山段线路方案
在下穿渝中区、长江后于南山地段从北至南敷设3 个穿山段线路方案,如图 4 所示。
图 4 穿山段方案示意图
2. 1. 2. 1 方案 1: 经翠云水库方案(推荐方案)
隧道下穿长江后,于海棠烟雨公园处进入重庆市南岸区,下穿南滨路和东原 1891 建筑体,下穿轨道环线上浩站、内环快速和南山,经翠云水库后在大岚垭处出长江隧道。
2. 1. 2. 2 方案 2: 沿轨道 6 号线方案
线路在下穿渝中半岛和长江段与推荐方案一致,在穿过内环快速路后,线路下穿轨道 6 号线并沿轨道 6 号线往东穿越南山,在经过轨道 6 号线刘家坪车辆段后在昌都 · 三江花园地块边缘出长江隧道。
2. 1. 2. 3 方案 3: 穿南山取直方案
线路在下穿渝中半岛和长江段与推荐方案一致, 过长江后线路直行,沿既有市政道路南山隧道穿越南山,在南山隧道出口外路基段下穿东西大道后沿轨道6 号线刘家坪车辆段边缘和昌都·三江花园地块边缘出长江隧道。
2. 1. 2. 4 方案比选
1)方案 3 线路平面顺直,线路长度最短(较方案 1短 4. 64 km,较方案 2 短 0. 63 km)。
2)各方案隧道穿越储水构造段均位于岩溶水平循环带,穿山段主要工程地质问题为煤层与低瓦斯、岩溶与岩溶突水突泥。
3) 方案 1 地表出露地层为须家河组的砂岩、页岩,上覆多层页岩为相对隔水层,施工时对地表环境影响较小,该方案展线拔高后岩溶段岩溶水顺坡排向隧道出口,施工和运营风险小。 方案 2 及方案 3 岩溶槽谷表面覆盖红黏土,地表分布住宅和学校,建筑物密集,隧道施工会导致地表水大量流失,造成地下水疏干范围内的地面产生大面积塌陷、房屋开裂; 同时,受穿江段线路高程控制,岩溶段位于 V 坡内,存在岩溶水倒灌过江段最低点的可能,施工和运营风险高。 根据以上分析,在穿山段线路方案中选择方案 1。
2. 2 盾构隧道分合修方案
本隧工程技术标准条件下,盾构法隧道结构采用圆形内轮廓,可采用双洞单线(分修)、单洞双线(合修)隧道结构。 其中,单线管片结构断面内径 8. 2 m,外径 9. 1 m; 双线管片结构断面内径 11. 1 m,外径12. 2 m。从线路条件、设备需求、施工及运营风险、防灾救援、投资及环保等方面,对双洞单线结构分修与单洞双线结构合修 2 个工程方案进行对比分析,如表 1 所示。 推荐盾构隧道结构断面采用单洞双线结构(合修)方案。
2. 3 盾构选型方案
盾构施工下穿水域段地质变化频繁,既有硬的砂岩,又有软的泥岩,且存在岩石间互层、软硬相间情况,施工面临最大水压为 0. 9 MPa。 盾构设备只能使用闭胸式盾构,主要在土压平衡盾构和泥水平衡盾构 2 个方案间选择,比选分析如下。
1)隧道下穿长江段泥岩段渗透系数 K 为 0. 06 ~ 0. 185 m / d,砂岩段渗透系数 K 为 0. 23 ~ 0. 247 m / d。以渗透系数作为判别标准,可选择土压平衡盾构,亦可选择泥水平衡盾构。
2)土压平衡盾构螺旋出土机对高水压的适应性较差,容易出现喷涌现象,虽可采取增加螺旋输送机长度、采用二级螺旋输送机、增加保压泵等措施,但面临0. 9 MPa 高水压,土压平衡盾构施工出现喷涌风险巨大; 而泥水平衡盾构采用管道泥浆出土,能较好地平衡江水压力,维持开挖面稳定和避免喷涌险情[16-17] 。
3)土压平衡盾构的刀盘及刀具磨损量大于泥水平衡盾构,掘进较硬的砂岩段时,刀盘和刀具磨损问题突出, 为减少水域段更换刀头的频率,宜采用泥水平衡盾构。
4)盾构隧道开挖直径为 12 m,在岩石中掘进时土压平衡盾构所需刀盘转矩较大,国内外大直径盾构一般都采用泥水平衡盾构[18-19] 。
5)在施工速度上,土压平衡盾构面临土方运输问题,而泥水平衡盾构采用管道运输,可实现快速、连续、清洁出土。
综上,本隧道下穿水域段宜选用泥水平衡盾构施工。 盾构施工下穿陆域段岩石地层通常采用 TBM 掘进模式,考虑将泥水平衡盾构和 TBM 掘进模式复合后,会较大程度弱化泥水盾构特点,导致盾构水下作业不确定性风险加大。 故从全面考虑,本隧道盾构段推荐采用泥水平衡盾构施工。
2. 4 隧道施工组织方案
重庆长江隧道根据盾构始发场地选取的不同,施工组织方案有所差异,主要介绍 2 大施工组织方案。方案 1 为深竖井始发,如图 5 所示; 方案 2 为组装洞始发,如图 6 所示。
图 5 竖井始发方案
图 6 组装洞始发方案
从盾构段长度、隧道辅助坑道设置、盾构施工适应性、风险分析、始发场地、工期及投资等方面进行比选,如表 2 所示。 由表可知,方案 2 较方案 1 工期相当,但投资相对较少,且该方案解决了盾构始发场地受限、深竖井进料效率低下等工程问题,因此设计最终采用施工组织方案 2(组装洞始发)。
3 隧道关键设计技术
3. 1 洞内组装、拆解工艺
根据施工组织方案比选分析,渝湘高铁长江隧道采取盾构洞内组装始发及接收拆解方案。 组装洞根据功能分区,如图 7( a)所示。 总长 85 m,由下沉段、一般段及过渡段构成。 其中,下沉段长 35 m,用作刀盘整体焊接、 起吊、 翻身及盾体组装空间; 一般段长35 m,用作后配套台车卸货及吊装空间; 过渡段长15 m,主要承接大件运输车辆停靠并满足车内起吊卸货。 拆解洞如图 7(b) 所示。 总长 40 m,由下沉段及过渡段构成。 其中,下沉段长 30 m,用作刀盘、盾体及后配套等拆解空间; 过渡段长 10 m,主要承接大件运输车辆停靠并满足大件吊入车体运出。
图 7 组装(拆解)洞室布局
洞内桥吊安装如图 8 所示,于组装(拆解)洞室内利用汽车吊安装桥吊,将盾构各部件(见图 9)进行组装或拆解。
3. 2 组装(拆解)洞结构及工法
蘑菇形结构示意如图 10 所示,长江隧道组装洞 (拆解洞)室采用蘑菇形断面隧洞支护结构,主要为上部拱盖采用复合式衬砌及下部边墙采用肋板式锚杆挡墙叠合二次衬砌结构的组合形式。
图 8 洞内桥吊安装
图 9 盾构主要部件示意图
图 10 蘑菇形结构示意图
蘑菇形隧道结构开挖断面 613 m 2 ,隧洞的施工方法如图 11 所示。 主要包括以下步骤: 1)多分部法 开挖上部蘑菇头空间,及时施作拱部初期支护及临时支护; 2)在下部墙内空间的两侧内壁处进行预裂爆破; 3)待边墙初期支护预裂处自由变形及应力释放结束后,拆除上部蘑菇头空间临时支护,施作蘑菇头二次衬砌; 4) 在拱部二次衬砌的保护下,分层开挖墙内空间两侧范围内土石,并及时施作锚杆挡墙支护; 5)墙内空间开挖完毕且边墙初期支护施作完毕后,施作底板二次衬砌和边墙二次衬砌,并安装桥吊设备。
图 11 蘑菇形隧道结构施工方法示意图
3. 3 盾构渣土排放模式
泥水处理场及码头布局如图 12 所示。
图 12 泥水处理场及码头布局示意图
盾构泥水处理场地位于南岸城区,占地 4 000 m 2 。洞内盾构渣土排放主要通过封闭的泥浆钢管运输至泥水处理场; 经几级分离后,渣土直接外运; 剩余泥浆进入沉淀池泥浆,经初步沉淀后进入调整池,在调整池将泥浆的密度、黏度等指标调整到合理范围后,再由输送泵泵送到盾构泥水舱循环利用。 考虑盾构工区泥水处理场站占地面积小,泥浆压滤出渣制约盾构正常掘进效率,设计优化渣土排放模式。 将泥水处理场地内废浆通过 350 mm PE 管道泵送至弹子石码头泥浆船,船运 45 km 至巴南双河口镇临江村长江岸边的临时趸船码头,于趸船码头通过泥浆泵,由 350 mm PE 管道泵送至野外弃渣场区域,经压滤后堆弃。
3. 4 防灾疏散救援、养护通风及运营排水
3. 4. 1 防灾疏散救援及养护通风
1)全隧道设置贯通的疏散通道,利用 2#斜井作为防灾疏散救援紧急出口,3# 、4#斜井作为避难所; 在正洞及紧急出口坑道内设置逃逸指示标识、防灾通风设备和应急照明及通信设施,紧急出口洞外设置临时待避场地,具备外部救援条件。
2)盾构段轨道层纵向间隔 200 m 设置 1 处竖向楼梯,利用轨下空间存放相关站后设施,轨下廊道作为盾构隧道纵向养护通道。
3) 于 2#、 3#、 4#斜井内分别设置 5、 3、 3 台SDS100T-4P-15 风机,用于防灾通风。
4)于 2#、3#斜井各设置 2 台轴流风机并利用拆解洞、组装洞空间设置风道,对盾构段隧道轨下空间实施养护通风。 隧道养护通风方案如图 13 所示。
3. 4. 2 运营排水
本隧道纵坡为“V 字坡+出口下坡” 形态,运营排水采用“V 字坡段分段抽排水+出口顺坡段重力流” 排水方式。 其中,V 字坡中矿山法施工段采用有限排放控制渗水量,盾构法施工段采用全面封堵。
图 13 隧道养护通风方案
全隧道按分段排水设置 3 处排水泵房,如图 14 所示。 进口至 1#泵房区段隧道地下水经隧道内中心沟汇集至 1#泵房,1#泵房设置于 2#斜井坑底,经 2#斜井通道抽排至洞外。 3#泵房至变坡点位置地下水经隧道内中心沟汇集至 3#泵房,3#泵房设置于 3#斜井坑底, 经 3#斜井通道抽排至洞外。 盾构区段地下水均汇集至 2#泵房(江中最低点),经轨下空间抽排至 1#泵房, 通过 2#斜井排至洞外。 矿山法段及盾构段排水泵房布置如图 15 所示。
图 14 运营排水泵房分段布置图
图 15 排水泵房布置
4 结论与讨论
针对山地城市环境过江隧道建设特点,通过多维度技术比选与创新设计,对线路敷设方案、隧道分合修、盾构选型、施工组织方案、运营排水、养护通风等开展系统研究,得到以下结论:
1)首次提出了盾构洞内组装始发及接收拆解技术,利用 85 m 组装洞和 40 m 拆解洞完成盾构洞内的始发与接收,规避了传统超深竖井方案施工风险高、城市干扰大的难题。
2)采用蘑菇形隧道断面结构,通过多分部开挖与肋板式锚杆挡墙叠合支护,确保了 613 m2超大断面隧道的稳定施工。
3)采取“V 字坡段分段抽排水+出口顺坡段重力流”分段运营排水系统,并结合盾构段全面封堵设计,解决了长江隧道 0. 9 MPa 高水压渗流难题。 通过封闭管道和船运至郊外弃渣场的方式,解决了城区环保难题。
本文通过渝湘高铁重庆长江隧道的实践,验证了山地城市盾构技术的可行性与创新性,核心在于通过技术集成平衡工程安全、环保与社会效益。 未来需重点突破高水压结构设计、智能化施工与跨领域协同,为山地城市隧道建设提供更高效、可持续的解决方案。