广佛环线东环城际隧道工程关键施工技术研究
时间：2023-06-06 08:05:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杜丽辉
（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210019）
近年来，以武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州钱江隧道的建成运营为代表，标志着我国设计、修建大直径水下盾构隧道达到了国际先进水平[1]。同样，在大埋深隧道方面，新关角铁路隧道、西秦岭隧道、京广铁路复线大瑶山隧道以及锦屏二级水电站大埋深长隧道群等的修建使我国大埋深隧道修建技术迈向了新的高度[2]。大量研究分析总结了水下隧道、大埋深隧道的工程重难点，并针对相关问题提出了设计、施工中相应的解决措施。如孙文昊[3]基于杭州钱江隧道的总体方案设计，研究了超大直径盾构隧道的结构及防水、防灾系统，浅埋下穿河流等关键技术；
肖明清等[4]对武汉三阳路长江隧道的地质条件、建设条件进行了介绍，并研究了隧道平面、纵断面及疏散救援等关键技术。
此外，在大埋深隧道研究方面，卿三惠等[5]对乌鞘岭特长深埋隧道设计与施工中存在的问题进行了分析，探讨了隧洞大变形防止措施；
李红中等[6]对广东省花岗岩地区某隧道进行了地质测量、遥感、水文等系统分析研究，并分析了偏压段大变形、硬岩岩爆、高压突（涌）水等灾害相应的防治应对措施；
吴存兴[7]对泰宁隧道施工过程中的关键问题进行了系统梳理，并研究了高压涌水处治、不良地质体处理等关键技术。以上工程研究局限于水下隧道或大埋深工况下的关键技术，对于大埋深、高水压、围岩条件复杂的耦合工况研究较少。因此研究在此类复杂耦合工况下施工的关键技术，具有重要的现实意义。
广佛环线东环隧道大源站～太和站区间隧道具有大埋深、高水压、围岩条件极为复杂等显著特点。本文以东环隧道为例，对大埋深、高水压盾构隧道衬砌类型及防水、大埋深复杂围岩条件衬砌结构形变控制、盾构机选型等关键技术进行详细阐述，以期为类似工程项目设计施工提供参考。
珠三角城际轨道交通广佛环线广州南站至白云机场段广佛东环隧道大源站～太和站区间工程位于广州市白云区太和镇，南起点为白云区太和镇大源村大源站，以南北方向进入太和镇沙亭岗村东侧太和站，区间长约6816m，采用地下敷设方式，见图1。
图1 东环隧道大源站～太和站区间盾构隧道平面图
大源站～太和站区间里程范围为DK35+771.00～DK42+587.00，采用明挖法、盾构法施工，隧道规模一览见表1。
表1 隧道规模一览表
1.1 隧址地形地貌
广佛环线东环隧道大源站～太和站区间地处珠江三角洲中部，地面高程21～135m，相对高差2～86m，地势起伏较大，沿线多为丘陵与丘间谷地，为丘陵地貌。左线从大源站即广州市泰邦物流信息中心穿过山丘北上，横穿太和镇涉外村、茶山村和多座山丘，下穿北二环高速公路，横穿谢庄村进入太和站。沿线公路多为双向二车道，车流量大，交通繁忙，公路两侧多为民宅、商店、物流园等，楼层为2～10 层。地下管线较密集，尤其人行道及绿化带各类管线密布，埋深为1.0～4.0m 不等。
1.2 工程地质和水文特征
工程沿线穿越中风化片麻岩、中风化炭质板岩及风化砂岩层，岩石饱和抗压强度分别为104.55MPa、37.35MPa、73.8MPa，摩氏硬度最高达5.63，隧道将穿越珠三角地区典型的复合地层，土层强度低、自稳能力差，下伏基岩以片麻岩、炭质板岩、粉砂岩为主，基岩软硬差异较大，大多为软质岩，遇水易软化，自稳能力相对较差。
隧址区地面高程21～135m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超过130m，其中盾构隧道长距离下穿不同风化程度的片麻岩、炭质板岩、粉砂岩，围岩风化程度高、强度差异较大、渗透性差异显著，为目前国内首次采用盾构隧道的方式长距离穿越大埋深岩层，设计与施工难度极大。加之区域内水系发育，地下水丰富，施工和运营期间最大水压力超过1.2MPa，为目前国内水压力之最，工程条件非常复杂。
地下水按赋存方式分为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水。第四系松散土层孔隙水主要为承压水，部分为潜水；
基岩裂隙水中地下水以承压水为主，含水层主要为呈碎块状的强风化岩带及节理裂隙发育的中等风岩带，含水层透水性、富水性中等；
场区属覆盖型岩溶区，溶洞层数1～3 层，洞高0.3～11.70m，岩溶裂隙水贮存于灰岩发育的溶隙、溶洞中，具有一定承压性。地下水具有化学侵蚀及氯盐侵蚀，化学侵蚀为无盐类结晶破坏，作用环境作用等级H1，氯盐作用等级L1，地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性，对结构中的钢筋具微腐蚀性。
（1）铁路等级：城际铁路。
（2）正线数目：双线。
（3）速度目标值：160km/h。
（4）正线线间距：4.0m。
（5）最小曲线半径：一般1500m，困难1300m，限速地段结合运行速度确定。
（6）最大坡度：30‰。
（7）到发线有效长度：400m。
（8）牵引种类：电力。
（9）机车类型：CRH6 城际动车组。
（10）行车指挥系统：调度集中。
（11）列车运行控制方式：采用CTCS-2+ATO 自动控制系统。
3.1 工程总体布置
区间隧道总建筑长度为6816m，其中区间盾构总长6144m。该区间隧道主要穿越花岗片麻岩、炭质板岩、泥质砂岩及灰岩层，采用两台双模盾构（单护盾TBM+土压平衡盾构）组织施工，盾构从太和站小里程端头工作井始发，大源站接收。隧道工作井及明挖段尽量布置在空旷场地，若必须在道路下方，也应布置在车流量小、便于交通疏解地段。
3.2 线路平面与纵断面
3.2.1 线路平面
正线线间距为满足双洞单线盾构法隧道施工的需要，线间距不小于1D（D 为盾构法隧道外径）。为避开既有建构筑物，减小线间距时，应充分考虑地层条件对隧道净距的影响：当地质条件好时，可适当减小线间距，当地质条件差时，应采取适当的保护措施。
3.2.2 线路纵断面
对于高水压隧道，一般纵断面宜采用浅埋方案，高水压情况下盾构法隧道施工换刀的次数应尽可能减少，如南京纬三路隧道设计中采用压重方案优化隧道纵断面[8]，对于大埋深、高水压隧道通常采取施做内衬方式提高安全性，隧道纵断面分为敞开段及暗埋段[9]，广深港高铁狮子洋隧道主要考虑了结构荷载、防水难度等因素，在隧道纵向上覆岩厚度不小于15m[10]。该工程设计主要考虑隧道埋深一般不小于1D，在盾构始发段一般不小于0.7D。此外，从减少隧道施工风险的角度，应根据具体的地质条件及施工工法，考虑隧道纵断面设置；
对于盾构法隧道，应尽量避免上软下硬地层，对于存在球状风化的花岗岩全风化层，有条件时也应尽量避免。最后应考虑列车运行节能需要，按车站布置尽量设置V/W型节能坡。
4.1 大埋深高水压盾构隧道衬砌类型及防水
4.1.1 盾构隧道衬砌结构类型
管片分为平板形、箱形、特殊的异形结构等多种形式。在相等厚度的条件下，箱形管片具有重量轻、材料省的优点，但抗弯刚度及抗压条件均不及平板形管片，在盾构千斤顶顶力作用下容易开裂。平板形管片具有较大的抗弯、抗压刚度，尤其在较大直径盾构隧道工程中或高水压条件下，采用平板型管片，其抗浮、结构刚度均具有较大的优越性。工程隧道最大埋深达150m，运营期间最大水压力约1.22MPa，要求管片具有较大的抗弯刚度和良好的抗压、抗渗能力，故该工程衬砌管片形式采用平板形管片。已有管片分块型式中，大埋深污水盾构隧道采用“5 等分分块方案”，使结构受力更为均匀[11]。项目考虑施工的便利性、管片的力学特征、对盾构机拼装设备的要求及防水，管片拼装采用通用楔形环管片、错缝拼装，衬砌环采用“6+1”的分块方式，环宽1.8m。
4.1.2 盾构隧道防水
借鉴相关研究[12]结合武汉长江隧道对管片接缝防水设计进行的研究，本文针对盾构隧道防水设计从管片材料、接缝防水等多方面进行了综合考虑，隧道管片采用强度等级为C50/C60 的高性能混凝土，抗渗等级P12，管片混凝土中掺加网状聚丙烯纤维，添加量为1.5kg/m3。衬砌接缝设置包括弹性橡胶密封垫、最外侧的海绵橡胶条以及内侧嵌缝；
在变形缝处，环缝弹性密封垫外侧加贴3mm 厚遇水膨胀橡胶止水条，环缝遇水膨胀橡胶密封垫外侧加贴3mm 同材料止水条；
盾构始发、到达时，为防止地层中水土进入隧道，采用一道特制帘布橡胶板和钢制翻板以及密封油脂进行临时防水处理。
4.2 大埋深复杂围岩条件衬砌结构形变控制
工程沿线穿越地层包括第四系的冲洪积层和残坡积层，石炭系的粉砂岩、石英砂岩、砂砾岩、灰岩、炭质灰岩、炭质板岩，震旦系的片麻岩和燕山期的花岗岩，其中盾构隧道大量穿越的全风化片麻岩、炭质板岩区段围岩压缩模量低、遇水易软化，属软岩范畴，在大埋深条件下围岩变形持续时间长、累计变形量大，管片衬砌结构施作后围岩的变形并不会停止，围岩变形将进一步引起衬砌结构发生变形甚至破坏。在这种条件下，可在围岩与管片的空隙中吹填具有一定的流动性和可压缩性的豆粒石，从而“预留可压缩层”以减缓围岩形变荷载向衬砌结构的传递，见图2。
图2 管片结构配合“可压缩层”的联合支护体系
4.3 复合地层双模式盾构施工技术
隧道工程将穿越珠三角地区的复合地层，全风化～中风化的基岩、断层等，所穿越的地层软硬差别大，渗透性差别大、地层稳定性差别大，特别是断层破碎带对盾构施工安全影响巨大，在该类地层中不管采用土压平衡盾构还是护盾式TBM，均有各自的优缺点，且均存在难度与风险，故拟采用双模式盾构施工技术。
4.3.1 盾构机选型
从珠三角城际及广州地铁建设情况来看，类似工程盾构机一般可以选择泥水加压式及土压平衡式等两种盾构，基于两种盾构机型的优缺点，综合考虑该项目盾构穿越区段的地质及环境条件，结合珠三角城际轨道交通在建项目及其他城际铁路类似直径盾构隧道的成功经验，项目盾构隧道优先选用土压平衡盾构。两种盾构特点的对比如表2 所示。
4.3.2 TBM 选型
TBM 一般可分为敞开式、双护盾、单护盾TBM 三种型式。根据实际隧址的工程地质条件，结合三种TBM 在该地质条件下的适应性、性能、施工速度等方面的优劣，项目拟选用单护盾TBM。各形式TBM 对比见表3。
表3 各形式TBM对比表
综上所述，隧道穿越珠三角地区典型的复合地层，土层强度低、自稳能力差，下伏基岩以片麻岩、炭质板岩、粉砂岩为主，基岩软硬差异较大，大多为软质岩，遇水易软化，自稳能力相对较差，经盾构及TBM 选型后采用单护盾TBM+土压平衡双模混合掘进施工。
4.4 端头加固设计
从该工程所处的工程地质条件来看，盾构始发及到达段风险较高，始发及到达前，应对地层进行加固。始发端头位于软弱地层，采用地面旋喷桩端头加固，加固长度14m，到达端头位于强风化岩层，采用洞内注浆加固，加固长度6m，加固示意图如图3、图4 所示。
图3 盾构始发端头地面加固
图4 盾构到达端头洞内加固
广佛环线东环隧道大源站～太和站属于大埋深、高水压、围岩条件复杂的复合地层盾构隧道，国内相同类型工程少，可参照经验少，涉及到的施工问题、关键技术多。本文对东环隧道大源站～太和站段工程的总体设计及关键技术进行了阐述，其中大埋深高水压盾构隧道衬砌类型及防水、大埋深复杂围岩条件衬砌结构形变控制、盾构机选型等关键技术，可为类似工程项目设计提供参考。
设计中考虑到隧址穿越地层软硬差异大，结合土压平衡盾构施工场地占用小、对环境影响小、经济性好，单护盾TBM 地质条件适应性、掘进性、灵活性好等特点，选用单护盾TBM+土压平衡双模混合掘进施工。
传统的高压富水地段主要采用超前注浆进行分区隔断排水，通过泄压式管片衬砌进行排水，对于大埋深隧道，排出高压水将加速渗流场与应力场的耦合作用，故需要对泄压式管片衬砌结构的受力原理、适应性、可行性进行深入研究。下一步研究方向为超高水压大埋深地段盾构隧道防水分析。
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