浅谈水下超大直径盾构隧道设计

李斌1 ,苏晨婷2

1云基智慧工程股份有限公司  2长安大学工程设计研究院有限公司

摘要：水下隧道做为联通两岸联系，扩展城市发展的重要交通方式，并且得益于盾构技术的快速发展，近年来越来越多的水下隧道采用盾构法修建。本文基于汕头市苏埃通道工程，对隧道的埋深控制、管片衬砌以及防水设计等盾构设计重点内容进行阐述，为后续水下盾构隧道设计提供参考和借鉴。

关键词：水下；超大直径；盾构；设计

1、工程概况

苏埃通道工程是汕头市干线公路网国道 G324 的复线，向北与G324、汕汾高速、汕揭梅高速相连，向南与深汕高速、汕普高速相连。位于海湾大桥与礐石大桥之间。

项目起点位于龙湖区天山南路与金砂东路平交口，终点位于虎头山山脚，与规划的安海路相接，线路全长6.68km，设特长隧道1座（5300m），其中盾构段长度3047.5m。

图1.1 苏埃通道位置平面图

2、盾构法方案

2.1 埋深控制

项目沿线分布大量软土，且有三段基岩凸起，地质软硬不均非常明显，隧道埋深大则硬岩掘进长，埋深浅则易诱发软土劈裂冒顶甚至坍塌，同时不利于隧道施工和运营阶段的抗浮。因此，确定合理的隧道埋深至关重要。

目前，国内外使用盾构法施作大直径水底隧道也有了许多成功经验。如我国的南京、长沙、上海等城市已有多条使用盾构法施作水底隧道的成功实践。国内的水下盾构最小覆盖层厚度统计表见表2.1-1：

表2.1-1 国内典型水下盾构隧道覆盖层厚度

项目名称	管片外径	隧道顶主要地层	施工阶段最小覆土	运营控制最小覆土
上海长江隧道	15.0m	淤泥、淤泥质粘土	17m（1.1D）	9m（0.6D）
南京纬七路长江隧道	14.5m	粉细砂	11.8m（0.81D）	8.4m（0.58D）
长沙南湖路湘江隧道	11.3	强风化地层	7.0m（0.62D）	7.0m（0.62D）
南京纬三路长江隧道	14.5m	砂、卵石地层	9.5m（0.66D）	5.0m（0.35D） 附加抗浮措施
上海上中路隧道	14.5m	淤泥质粘土	8.64m（0.6D）	8.03m（0.55D）

考虑盾构掘进及运营阶段抗浮：

施工期间、运营期间隧道抗浮安全系数取1.1，。

经计算，盾构施工阶段，顶部淤泥层需13米覆土；考虑冲刷后，永久阶段隧道覆土取不小于11m；主航道下方为减小隧道入岩高度，采取抗浮措施后，覆土取8m。

2.2 盾构隧道结构设计

（1）横断面设计

隧道横断面的拟定首先应满足规划交通功能、运营管理设施、安全设施所需要的空间要求，同时在此基础上，考虑隧道施工误差、结构变形、设计管片拟合误差及隧道后期不均匀沉降等因素所需的富余空间。本工程隧道建筑限界净高5.0m，净宽12.25m。满足建筑限界、施工误差、设备安装限界要求的盾构隧道内径为13.3m，外径为14.5m。

图2.2-1 盾构段隧道横断面图

（2）衬砌选型

通用楔形环的缺点在于管片需根据拟合需要旋转不同角度，拼装方式不固定。但通过计算机软件辅助管片拼装，可实现线路拟合自动化、管片拼装的自动化，缩短了管片拼装时间，提高了管片拼装速度。同时通过优化结构设计，管片环面上设置纵向插销配合纵向、环向螺栓精确定位，提高管片拼装质量。

（3）管片环宽、分块及楔形量拟合

衬砌环环宽越大，即管片宽度越宽，衬砌环节缝越少，因而漏水环节、螺栓数量越少，施工速度越快，费用越省。一般来说，直径越大采用的环宽越大。根据国内外的工程实践经验，环宽一般在750～1200mm 之间，也有采用1500mm的，最大的达2000mm。国内外已建隧道的衬砌环宽参见下表。

衬砌环宽度实例表   表2.2-1

工程名称	衬砌外径 (mm)	管片厚度 （mm）	管片宽 (mm)	分块数	最大块重 （T）	最大外弧长 （mm）
延安路隧道	11000	550	1000	8	5.64	4319
大连路/复兴路隧道	11000	480	1500	8	6.44	4319
翔殷路隧道	11360	480	1500	8	7.69	4461
上中路隧道	14500	600	2000	10	12.79	4795
易北河第四隧道	13750	700	2000	9	19.00	5300
西斯凯尔特隧道	11000	450	2000	8	10.77	4991
斯托伯尔特隧道	8500	400	1650	7	6.53	4154

本工程拟采用环宽2.0m的管片，一方面较1.5m的环宽减少了25%的环向接缝数量，降低了接缝漏水的几率，提高隧道防水质量；另一方面降低了接缝止水材料和连接螺栓的使用量；此外还可减少25%的拼装时间，提高了施工速度。

装配式衬砌圆环一般由标准块、封顶块(关键块)、邻接块的多块预制片拼装而成。分块时，要综合考虑预制片的制作、防水、运输、拼装、结构受力性能等方面的因素。分块越多，则渗漏水由于接头的增多而风险越大，同时施工时拼装复杂。分块较少时，单片的重量较大，运输、拼装就位较困难。从受力上看，分块多则衬砌环刚度小，内力中弯矩减小；分块少时，衬砌环刚度较大，内力中弯矩较大。设计时应根据场地条件、施工能力等因素综合确定，以获得较优的分块方案。通常隧道直径D≤6m 的4～6 块居多，直径大于6m 时，8～12 块为宜。本工程盾构隧道外径为14.5m，根据以上原则管片分十块。

图2.2-1 盾构段衬砌分块图

本线位盾构段隧道，最小转弯半径为1500m，采用通用管片，管片楔形量除满足拟合线路的要求外，还需考虑施工误差，测量误差，其隧道受力变形及盾构机的蛇形纠偏要求等因素，盾构管片采用双面楔形，楔形量按48mm考虑实施。

（4）衬砌结构连接方式

1）环、纵缝及连接

盾构隧道管片环是由封顶块、邻接块及标准块等管片通过螺栓连接组成，管片块与块之间及环与环之间接缝处结构刚度小，故接缝构造是管片结构设计的重点之一。管片接缝设计应满足防水构造的要求，同时应方便隧道施工，尽量减少管片破损，避免出现管片拼装后裂损等情况。管片接缝面构造形式在充分吸取近期国内外若干大直径盾构隧道管片设计的先进经验与理念的基础上推荐采用如下方案： 根据管片接缝防水设计方案，在接缝外侧上设置两道防水密封垫，同时内侧预留嵌缝槽。为减少管片拼装边角局部破碎情况，环面在千斤顶作用位置设置凸起面，为提高管片拼装精度，环面设置定位销。

2）螺栓连接

管片采用螺栓连接时一般有直螺栓、弯螺栓及斜螺栓等形式，见图2.2-2。考虑到弯螺栓刚度小，轻易变形，螺栓较长，材料消耗较大，且在螺栓预紧力、高水土压力和地震作用下对端头混凝土产生较大的挤压作用，易造成混凝土破坏，对结构的长期安全不利。直螺栓连接抵抗弯矩的能力较好，并具备一定的定位作用，但其手孔尺寸大，对管片结构削弱大。而斜螺栓在结构上加强了构建的联结，防止接头两边错动，可有效的承担接头处的剪力，且对混凝土管片结构的削弱较小。

图2.2-2管片螺栓连接示型式图

目前国内采用斜螺栓的大直径盾构隧道有：南京长江隧道(Φ14.5m)、上海上中路隧道(Φ14.5m)、上海崇明越江隧道(Φ15.0m)、广深港客运专线狮子洋隧道(Φ10.8m)、杭州庆春路隧道（11.0m）、杭州运河隧道（11.0m）、长沙南湖路隧道（11.3m）等。 通过管片结构分析计算，在最不利工况条件下，考虑连接缝弹性密封垫加紧固力的作用，块与块之间每块设置3颗M36环向螺栓，螺栓机械等级8.8级。环与环之间每环均匀布置42颗M36纵向螺栓，螺栓机械等级8.8级。螺栓中心线与管片接缝交点位于0.5倍厚度处，螺栓中心线与管片径向线呈60°。参考国内外类似工程经验，本次设计推荐采用斜螺栓连接。

2.3 管片防水设计

（1）本工程盾构段隧道底板外侧最低标高为-35.32m，100年一遇的最高水位标高为3.85m，结构防水设计最大水头为39.17m，取40.0m。

（2）管片接缝防水如图2.2-3所示。外缘设置氯丁海绵橡胶条，防止砂土和盾尾油脂进入接缝内；管片内、外侧分别设置一道多孔三元乙丙橡胶弹性密封垫，起到主要防水作用；内缘设置嵌缝槽。

图2.2-3管片接缝防水构造图

（3）三元乙丙弹性密封垫是接缝防水的关键，其防水能力主要取决于接触面的应力。本工程弹性密封垫防水按正常工况和地震工况两种工况设计，正常工况下最大张开量根据类似工程经验确定，地震工况下最大张开量根据地震专题成果确定，最大错缝量理论上取决于螺栓和螺栓孔之间的缝隙大小，考虑其它因素根据工程经验综合确定。本工程采用的弹性密封垫要求具有表2.2-2所示的防水性能：

表2.2-2  弹性密封垫防水性能表

工况	最大张开量 (mm)	最大错缝量 (mm)	远期（100年）防水能力 (Mpa)	即时防水能力 (Mpa)
正常工况	8	10	≥0.40	≥0.80
地震工况	15	10	≥0.40	≥0.65

弹性密封垫接触面的宽度设计成3倍错缝量，并综合考虑拼装推力的要求，适当调整后确定；弹性密封垫高度按图2.2-4所示计算。

图2.2-4管片沟槽与弹性密封垫的压缩关系图

弹性密封垫一般设计成多孔梳状形，为保证弹性密封垫在拼装时能完全压入管片沟槽内，要求管片沟槽面积稍大于弹性密封垫橡胶体的面积，按下式确定开孔面积。

根据上述要求，设计了三种样式的止水带，并分别进行了实验。根据本项目隧道结构耐久性及抗渗性能专题研究的实验结果，图2.2-5所示的三元乙丙弹性密封垫能够满足本工程的防水要求，建议采用。

图2.2-5管片接缝三元乙丙弹性密封垫详图

3、结语

随着盾构隧道的设计和建造技术日益成熟，盾构法跨越江河湖海的隧道建造方式也势必成为主流，本文以汕头市苏埃通道工程为例，分析了水下隧道设计中的埋深控制、管片及防水设计一些方法和心得，希望能为之后的水下大直径盾构隧道设计提供一些参考。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部．地下工程防水技术规范：GB 50108-2008[S].北京：中国计划出版社，2008.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部．盾构隧道工程设计标准：GB/T51438-2021[S].北京：中国建筑工业出版社，2021.

[3]何川，张志强，肖明清.水下隧道[M].成都: 西南交通大学出版社，2011．

[4]肖明清.我国水下盾构隧道代表性工程与发展趋势[J].隧道建设（中英文），2018，38(3):360-367.

[5]肖明清.武汉长江隧道管片结构关键技术研究[J].铁道工程学报，2011，(10):84-89.