□文/赵军 杨贵生 杨毅秋

大直径盾构海底隧道设计与施工

□文/赵军 杨贵生 杨毅秋

文章以实际工程为例，介绍大直径盾构海底隧道设计、施工关键技术。通过理论分析和工程类比，确定安全合理设计方案。通过实践证明该方案有效地解决了海底隧道相关技术难点，施工风险得到有效控制。

海底隧道；大直径；盾构

1　工程概况

广州台山核电站位于珠江八大口门的崖门和虎跳门出口黄茅海西侧，核电站需要的循环冷却水在大襟岛南侧取得，通过1、2号机组取水隧道穿越海底引入核电厂区。两条取水隧道平面轴线均为直线，隧道中心间距29.2m，建筑长度4.3km/条，见图1。该隧道穿越地层复杂，两座隧道共有4处土石分界，需采用钻爆法和盾构法相结合的施工方法，以适应不同的地层条件。海底段隧道总长度约8 km，需采用大直径盾构长距离掘进。隧道进出口段穿越硬岩，采用钻爆法施工、盾构法衬砌的施工方法通过。该工程技术难度高，地质条件复杂、施工方法多样且衔接复杂、长距离高水压下掘进，是富有挑战性的工程。隧道两侧部分岩石段采用钻爆法施工，其余段采用盾构法施工，隧道内直径7.3 m，外直径8.7m，采用盾构管片和二次衬砌复合支护结构。

图1　海底隧道平面

隧道主要穿越粗砂、中砂、细砂、粗砂混粘性土、粉质粘土、粘土及花岗岩和砂岩地层。大襟岛侧隧道穿越的基岩主要为微风化粉砂岩；在陆域电厂侧，隧道穿越的基岩主要为全风化花岗岩、中风化花岗岩层。

地下水主要为海积层孔隙水、残积层孔隙水和深部基岩风化带裂隙水。富水砂层可以看成是透镜体状的储水体，与海水无直接联系。

1号隧道洞身岩石段长度约780 m，土层段掘进长度约3551m，其中有370 m岩石段位于陆域。2号隧道洞身岩石段长度约533.6 m，土层段掘进长度约3 620 m，其中有303m岩石段位于陆域。

2　隧道设计概况

2.1钻爆法与盾构法施工的段落划分

钻爆法与盾构法交界面位于IV级围岩中，距离IV级围岩和V级围岩交界的里程10 m。由于隧道位于海底，采用钻爆法施工存在极大的工程风险，为确保安全，采用超前地质预报，必要时采用管棚、帷幕等工程措施。陆域侧花岗岩地层取芯单轴最大抗压强度超过160MPa，采用盾构机掘进难度较大，故采用钻爆法通过该段后，盾构机空推过钻爆法段落，进行洞内始发。

2.2施工方法的确定

钻爆法隧道按新奥法原理设计，初期支护采用喷锚支护体系。盾构始发段钻爆法断面将采用马蹄形断面，断面尺寸加大至满足盾构机通过要求。

盾构到达段钻爆法初支采用圆形断面，管片外径8.7 m，盾构直径约9 m，钻爆法断面隧道初期支护净空选择9.1 m，底部60°导向平台净空加大为φ9.3 m，满足盾构机通过要求。推荐采用盾构空推钻爆法段并同步注浆和吹填豆粒石的施工方案，也可在盾构法与钻爆法交界处就地分解运出洞外方案。

选用复合式衬砌，其中盾构管片内径7.9 m，由1块封顶块、2块邻接块和4块标准块构成。管片衬砌混凝土强度等级C50，抗渗等级为S12。管片宽度1.5m。管片采用通用管片错缝拼装、双面楔形形式，与传统管片形式相比，通用管片降低模具成本，简化管片生产、组织，方便掘进过程中的动态调整，成环质量高，止水效果好等优点。

二次衬砌是用混凝土现场浇筑而成，作为对衬砌的补强、防腐、防渗、减糙、修正和校正中心线偏离等所采取的工程措施。输水隧道要求断面具有良好的水力特征，为确保设计过水流量及洞内水压力要求，在盾构衬砌管片的内环上施做隧道的二次衬砌，混凝土等级C40，其厚度为0.3m。

3　隧道施工方案

3.1盾构钻爆法洞内始发方案

根据详勘资料和施工过程中的超前地质预报措施，确定采用钻爆法施工的段落长度。盾构始发和到达在钻爆法形成的洞室中进行。

钻爆法需为盾构机空推预留条件，钻爆法断面形式一般选择马蹄形，初支内轮廓满足盾构机通过情况下尽量减小断面尺寸为原则，台山核电海底隧道初支内轮廓为9.2 m，盾构机直径9.03 m，经实践检验，通过顺利。盾构机空推采用预设混凝土导台，上至钢轨，盾构机采用后备千斤顶顶推管片通过，可以达到40 m/d的速度。导台可设置为整体式，也可在两拱脚位置设置为纵梁形式，减小工程量。

3.2二次衬砌快速施工方案

由于工期要求，拟采用同步衬砌施工方案混凝土衬砌分上下两部分进行施工，下部结构施工段高度1.4 m，采用型钢支架+55型钢模的立模方式进行浇筑，上部结构施工段高度5.9 m，两组钢模台车进行混凝土的浇筑。

盾构掘进约500m后开始同步衬砌施工，先将掘进时的轨线抬高及调整为四轨三线并改移管线，接着绑扎下部结构的钢筋，浇筑下部结构混凝土，下部结构往前推进至一段距离后，钢筋作业台车进入洞内绑扎上部结构钢筋，再投入钢模台车进行上部结构混凝土施工。如此从后方到前方逐渐形成施工序列：上部结构施工段→下部结构施工段→轨道及管线移改段→盾构掘进段，各段同步前移。

4　工程难点及措施

4.1盾构机选型及主要构件功能

台山核电海底隧道在始发和到达段都经过岩石地层向软土地层的过渡，这种复合地层条件对盾构机的要求较高，因此盾构选型至关重要。

土压平衡盾构在砂层中掘进时掌子面不易稳定，施工过程连续性差，效率低，刀盘与工作面土体摩擦力大，刀具磨损量大，不利于长距离掘进。泥水盾构施工过程连续性好，效率高且刀具在泥水环境中工作，由于泥水的冷却与润滑作用，刀具磨损小，有利于长距离掘进。

土压平衡盾构适用于粘粒含量较高的含水地层，相对于土压平衡盾构，泥水加压平衡盾构对土层适应性更强，其中气垫式泥水加压盾构能够更加精确控制掌子面压力，确保开挖面稳定，更适合在砂层中进行大断面、长距离掘进，减少刀具磨损等优点。

水下隧洞尽量选用泥水盾构，虽然土压盾构经过改良加膨润土（膨润土最小粒径5 μm，改良渣土为粘性接近于泥水盾构），但土压盾构设计时最大压力一般为300 kPa，允许渗透系数10～5 cm/s以下，水下隧洞出碴水量很大近似于泥浆，需要用石灰掺和，风险较高。土压平衡有时掺泡沫，泡沫对平衡掌子面没用，主要是提高渣土和易性，针对粘性较高土层。

由于盾构要穿越掩饰和粗砾砂层，对刀具磨损严重，长距离盾构掘进开仓换刀必不可免，综合经济和安全考虑最终采用气垫式泥水加压平衡盾构。

4.2盾构机对土石交替地层的适应性分析

盾构机是根据施工对象“量身定做”的，盾构机制造所依据的对象，称之为施工环境，它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征的总和。由此可以看出，如果不详细研究施工环境，也就造不出适应性强的盾构机，也就谈不上顺利地进行盾构施工。

复合地层软硬不均，在盾构掘进过程中要通过软土、含水砂层、残积土层、全风化岩、强风化岩、微风化岩及中等风化岩块（球状风化岩层）等，因此要求复合地层盾构机组能在富水软弱地层直到硬岩地层（岩石抗压强度＞140MPa）中开挖隧道并具有较大的适应范围：在富水软地层中，要具备保持开挖面稳定的功能；在岩石地层中，要有较强的破岩能力；能保证更换刀具的安全并能快速更换刀具。

复合地层中还会存在具有高粘性土层，这种高粘性土层掘进易在刀盘上形成泥饼，严重影响掘进速度，同时也将造成刀盘与开挖面因摩擦产生高温，因此要求复合地层盾构机要具有防止刀盘上形成泥饼的功能，例如泥饼冲刷系统、调整泥浆密度（泥水盾构）、配备渣土改良系统（土压平衡盾构机），使其在高粘性土中顺利掘进。

复合地层中断层破碎带交错，在富水断层破碎带中掘进，要求复合地层盾构机有良好的水密性并具有防喷涌（涌水、涌泥）能力，同时要具有防卡及灵活的姿态调整、转向纠偏功能。

本工程穿越海底且连续掘进长度较大，属于长距离施工，因而盾尾密封则作为确保止水性和寿命的重要环节之一。为确保大断面盾构机的横穿海底施工的能力及其可靠性，盾尾密封至少应设置4段钢丝刷。

同时为提高盾尾密封的止水性能和寿命，在钢丝刷密封部位可使用具有高水压下性能好干油密封，确保单线长距离挖掘中可以不更换密封。

4.3孤石对盾构掘进影响

隧道洞身范围有孤石存在的可能。孤石处在砂层及粘土层中，造成地层局部软硬不均，造成刀具偏磨、卡刀盘等问题，对盾构机刀盘及刀具的损坏非常严重，需要频繁带压进仓检查、换刀，严重地影响施工工期，施工费用高。

采用钻探与物探弹性波CT探测孤石，探明盾构掘进段落中的基岩突起和孤石，对突起基岩和直径超过1 m的孤石进行爆破处理并进行注浆胶结，以便盾构机通过，该方案在实践过程中被证明是合理、可行的。

4.4土石分界面盾构掘进控制措施

盾构通过土石分界地层，由于地层的强度不均、地层应力差异对盾构掘进造成影响。解决方法主要通过刀盘特殊性设计，掘进姿态和泥水分离等几方面控制。

本工程土石分界面存在两处，分别位于陆域侧和大襟岛侧。陆域侧长度约260 m，盾构由花岗岩地层掘进至粉质粘土、砂层。大襟岛侧长度约80 m，盾构由砂泥岩地层掘进至粘土地层。由于盾构由岩石地段进入软土地段，需要根据掌子面情况，分段落、分步进行盾构机刀盘刀具的更换，将部分滚刀更换为羊角刀，增加开口率，提高了掘进效率，同时应适当降低泥浆密度，防止结泥饼现象。盾构由软土进入岩石段，要提前在软土地段选好换刀地点，将软土刀具更换为滚刀，同时控制掘进速度、刀盘转速及推进压力。

5　结语

台山核电一期海域取水隧洞由于断面大、距离长、难度高，被业界誉为“中国越海盾构第一隧”，目前隧洞全部竣工，工程对海底基岩突起和孤石段采取了“海上垂直爆破和地表注浆”施工方案，攻破了泥水盾构施工的“禁区”，为更大的穿越江河湖海施工提供了实战经验。针对岩石段的掘进主要遵循“高转速、小扭矩、大推力”的原则，及时检查刀盘刀具，根据地层情况调整滚刀刀环材料等措施。软土地段为防止上浮、错台等现象，主要通过控制掘进速度与同步注浆匹配，螺栓紧固力调整及对尽量减少停机，停机后逐渐调整掘进姿态等措施。

针对地质条件复杂，掘进距离长，风险高的特点，为达到减小工程风险，降低造价，确保工程安全，设计采用了钻爆法与盾构法结合的方案，经实践证明该方案可行，保证了工程安全、质量、进度，节约了投资。

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□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.023

□杨贵生、杨毅秋/铁道第三勘察设计院集团有限公司。

□U455

□C

□1008-3197（2015）04-57-03

□2015-01-28

□赵军/男，1973年出生，高级工程师，天津市地下铁道集团有限公司，从事工程技术管理工作。