港珠澳大桥的隧道工程盾构法与沉管法的地质适应性分析.pdf

港珠澳大桥的隧道工程盾构法与沉管法的地质适应性分析GeologicalAdaptabilityAnalysisofTSMMethodandPipe—SinkingMethodforTunnelEngineering、ofHongKong—Zhuhai—MacauBridge资利军，卢普伟1．广州地铁设计研究院有限公司广州510010；2．中交第四航务=I二程局有限公司广州510230摘要：对港珠澳大桥的隧道工程采用盾构法还是沉管法进行比选，从工程地质、水文地质适应性的角度，提出了相应的结论和建议，对于港珠澳大桥的隧道_T程方案的选择，具有一定参考价值。关键词：港珠澳大桥沉管隧道盾构隧道地质适应性分析中图分类号：U452．11／文献标识码B【文章编号】1004—1001(2012)08—0840—03“勘察报告”称，根据钻探及物探资料，勘察区段(海中1工程概况桥隧工程主体范围)基岩面起伏变化很大，高程为拟建的港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋水域，是连接香一27．05m—一96．4m。又查阅盾构段地质剖面图及现场岩芯港、珠海、澳门的大型跨海通道，建成后将成为珠海以及珠观察，基岩面(主要为微风化或中等风化的顶面)起伏变化江三角洲西部地区、粤西地区通往香港的最便捷的陆路通的高程为一59m—一81m，说明盾构隧道方案部分地段(如道。K8km+280Ill—K8km+650Il1)的基岩面(强风化岩面根据工程可行性研究阶段的推荐方案，港珠澳大桥的一61．4m)已进入盾构隧道底面高程至少2．4m。起点为香港大屿山散石湾，澳门着陆点为明珠点，珠海着陆根据经验判断，利用物探手段得到的基岩面高程难免点为拱北，并与太澳高速公路相连。有误差，一般勘探深度为±10％。据此判断，盾构隧道遇到微港珠澳大桥建设内容主要包括：海中桥隧工程、香港风化或中等风化基岩面的可能性很大。况且，钻孔较稀疏，口岸人工岛填海及口岸设施、澳门口岸人工岛填海及口岸两相邻钻孔之间的岩面起伏的控制程度较差。若盾构隧道设施、珠海口岸人工岛填海及口岸设施、珠海侧接线工程。下部遇到基岩，则会在开挖面构成上软下硬的情况。下部硬其中，海中桥隧工程主体总长35．578km，采用桥隧组合方岩强度高，掘进时间长，对上部土体扰动较大，在刀盘的前案。隧道位于伶仃西和铜鼓航道，与桥梁相接处修建2个各方形成一个结构松散的空洞，空洞区域较大，易造成盾构掘长约l000m的人工岛。进困难及塌方的情况。因此，上软下硬的地层对盾构施工不据介绍，目前海底隧道有沉管和盾构两种方案。隧道利。段平均海平面高程为0．45m(1985年国家高程基准，下2_2花岗岩球状风化体(孤石)对盾构隧道的影响同)。下面根据场地地质适应性分析，对两种方案进行比较。花岗岩球状风化体(孤石)是由花岗岩物质成分的风化差异、岩体的节理裂隙发育等综合作用而成的，一般存在2盾构隧道工程地质、水文地质适应性分析于残积土、全风化带和强风化带中，其分布具有离散性大、2．1基岩面起伏对盾构隧道的影响空间赋存不规则等特点。花岗岩球状风化体，外形呈椭圆在隧道段，基岩为燕山期花岗岩和震旦系片麻状混合状，岩质坚硬，抗压强度一般大于i00MPa。花岗岩，其中，里程KIOkm+400ill以东至东人工岛根据“勘察报告”和盾构隧道断面，在里程K8km+KI3km+820ill为燕山期花岗岩，里程KIOkm+400Ill以西280Ill～K8km+650Ill岩面突起，强风化带顶面局部已达隧至西人工岛K6km+070m为震旦系片麻状混合花岗岩。道内(2．4m)。根据花岗岩的成因，在华南地区，燕山期花岗岩球形风化明显。港珠澳大桥工程范围的花岗岩成因与华南其他地区的相同或相近。在港珠澳大桥盾构隧道作者简介：资利军(1979一)，男，本科，工程师。作者地址：天津市和平区西康路35号赛顿中心3-505(300051)。K8km+280m～K8km+650Ill的里程范围内，有可能遇到中收稿目期：2012—06—0l风化或微风化花岗岩球状风化体(孤石)。盾构遇到花岗岩 球状风化体时，施工比较困难，并且损坏刀具、刀盘。进出洞施工前，应进行始发段、接收段土体的加固工作，保2．3砂层的成分、颗粒组成对盾构刀具、刀盘磨损的影响证处理过的土体能够达到自立稳定状态。加固方法可采用根据隧道地质断面图，港珠澳大桥隧道段大部分通过搅拌桩、旋喷桩加固。砂层，其中，里程K7km+500m～K12km+O00m(长度2．6盾构隧道两端加固覆土地段对施工的影响4500m)穿越④1粉砂～④4粗砂。在该砂层中，大于2mm在里程K7km+223m～K7km+680Ill、K12km+颗粒的平均含量为O．9％～15．4％，大于0．25mm颗粒的为504m～K12km+734m(盾构隧道两端)上覆土层较薄，土3O．9％～75．1％，大于O．075mm颗粒的为87．1％～90．1％；砂层质较软弱，隧顶上部土层主要为①、①流塑状淤泥层。大于0．25mm颗粒的平均含量达12％～80．7％，颗粒成分主盾构推进时，开挖面泥水压力可能大干上覆土层压要是石英，硬度大。力，导致漏气或冒浆，故而存在盾构隧道开挖面失稳的风刀盘、刀具的磨损影响因素较多，砂土颗粒越大、含量险。所以在盾构隧道两端上述里程范围内，在上覆土层较薄越高，对刀盘、刀具的磨损越大。除此之外，磨损还与刀具材地段(即上覆土层小于盾构直径地段)，应回填加厚上覆土料、刀具布置、刀具形状及刀具类型有关，与掘进参数(推层，增大上覆土层压力，回填后尚应检测加固土的预期效力、刀盘转速、掘进速度、刀盘扭矩)有关。在本项目中，砂土果。地层对隧道掘进的影响，主要表现为大于0．25mm的石英2．7岩土层对横通道施工的影响颗粒的百分含量。这需要在盾构机选型和施工过程中充分按有关规范，双线隧道之间，每隔500m或600m应考虑粉砂、细砂的颗粒组成，在满足施工要求下，选择合理设置一个横通道。一般要求在隧道的最低点、中心点设置横的掘进参数，减少对刀盘、刀具的磨损。可对这类问题进行通道。专题研究。根据港珠澳大桥隧道断面，可设置约10个横通道，除2．4岩土层对大直径盾构开挖面稳定性的影响里程K8km4-500m附近隧道底部为岩石强风化之外，其余根据盾构隧道横截面图，可知隧道外16．88m为双均处在软弱土层中。在这些地段进行横通道施工，一般而向隧道。言，首先应进行地层加固。勘察表明，盾构隧道穿越的地层包括：①、①层淤泥，盾构隧道的横通道施工方法之一是冻结法施工。在海③层淤泥质黏土，③流塑粉质黏土夹砂，③。软塑～可塑底，除岩层温度之外，受水环境影响，导温系数、导热系数和粉质黏土，以及④粉砂～④粗砂。比热容比陆地大，较之陆地，在海底进行冻结法施工比陆地隧道主要在④层中通过，为中密～密实砂土层，工程难度大。况且，海水含盐高，很难冻结。可挖性主要属于I～Ⅱ为主，局部Ⅲ级；围岩级别主要为Ⅵ2．8海底换刀和盾构机修复的适应性分析级。根据盾构隧道工程地质断面图，盾构隧道穿越地层主盾构隧道主要在比较松软的岩土层中通过，开挖面要为①、①层淤泥，③层淤泥质黏土，③层流塑粉质黏16．88m比较容易失稳；而且岩土层大部分为砂层，为强土夹砂，③。层软～可塑粉质黏土，以及④粉砂～④粗砂，含水层，高水头容易造成开挖面砂层喷涌。局部穿越强风化花岗岩。在5．41km长的隧道施工中，其中如采用盾构法施工，在上述地层中比较适合选择泥水穿越砂层里程为K7km+500m～K12km+O00m，长度加压盾构。在盾构掘进过程中，应控制泥水压力和刀头推进4500m。根据砂土颗粒分析成果，砂粒(大于O．075mm)平压力，控制出土量，使切削的土和出土量基本保持平衡。均含量为25％～89％，大于0．25mm颗粒平均含量为12％～2．5盾构隧道进出洞(始发、接收)的地质适应性分析80％。盾构隧道施工在始发段、接收段的事故发生率较高，刀具和刀盘磨损一定程度后，必须进仓修复、换刀。目其原因主要是围岩不稳定。前进仓对刀具、刀盘的检查、修复的方法为：带压进仓检查、本工程项目在盾构始发段、接收段的前方土体为：①修复；盾构机前方土体加固后在常压下进仓检查修复；在海流塑状淤泥(浮泥)，①流塑状淤泥，③流塑～软塑粉质黏中筑岛向下做竖井到刀盘前方从而实现盾构刀盘、刀具的土夹砂。盾构在始发段以一定坡度切入土体，在接收段上覆检查、修复。土层逐渐变薄，而且盾构洞口直径大，土体暴露面积大，如本工程中，盾构隧道下坡后海水下埋深为56m～果施工时间长，洞口附近土体易受扰动或破坏，使盾构前方59m，依据现有加固土层的工法，难于有效加固土层。采用土体失稳，造成隧道开挖面失压，出现喷水(或冒浆)、塌陷海中筑岛向下做竖井方法检查、修复刀盘，国内成熟施工经等情况，甚至导致泥水涌入工作井，直接威胁盾构的施工安验欠缺，风险较大。加压进仓检查国内外均有施工经验，但全。此外，盾构隧道持力层为流塑状淤泥质土③层，在盾构均在盾构隧道直径较小，水头压力较低的工况下检查修复机荷重下，持力层会压缩变形，导致盾构机下沉。因此，盾构的。I竹蕾T笆d尝笆R曲IR41 在水下带压换刀和盾构机刀盘修复，水头压力大(约6沉管隧道外轮廓宽度为44．8m，开挖最大深度约个大气压)存在许多不确定因素，风险较大，一旦失败，后果34m，基槽开挖土方量大。土体(尤其是淤泥)的稳定性较严重。建议在盾构设计制造方面，考虑增加常压条件下更换差，开挖过程中，土体产生自动崩落，按水下坡角形成水下刀具的功能。边坡。由于开挖深度比较大，成槽有一定难度，边坡不易稳2．9盾构隧道在软土地段及航道疏浚情况下的稳定性分定，建议采取分台阶放坡的开挖方式，进行水下基槽开挖。析另外，基槽开挖对环境的影响较大，施工期间对航道(1)盾构隧道在软土地段稳定性分析影响较大。根据“地质报告”和盾构隧道断面图，盾构隧道底板在3．3水下基槽回淤问题分析里程K7km+135m～K7km+500m通过③，淤泥质黏土。该当水下沉管基槽开挖后停歇时间较长，难免产生回层具高压缩性、高灵敏度、含水量孔隙比大、均为欠压密土、淤，在朝汐水流作下、海床表面浮泥，易回淤到基槽，导致基未完成自重固结、稳定性较差、地基容许承载力较低的特槽底标高上抬，影响基槽持力层的稳定，故沉管下沉前，应点。对基槽进行检测，发现回淤应及时清理。隧道结构虽然荷重不大，但软土未完成自重固结，隧4结语道在施工及运营过程中，会产生固结沉降，隧道按抗震8度区设防时，应考虑软土震陷的影响，故隧道施工前，应对上通过对港珠澳大桥主航道隧道工法比选，从工程地质、述里程范围内的软土进行加固改良处理。水文地质适应性分析的角度，提出如下建议：(2)航道疏竣对盾构隧道稳定性的影响(a)不论盾构隧道工法或沉管隧道工法，均不同程度根据盾构隧道断面图，在航道疏竣深度一29m的范围地受到工程地质和水文地质条件的制约。内，局部地段隧道顶部上覆土层厚度为较薄，为满足隧道的(b)因客观存在岩面起伏，盾构隧道的底部已进入强抗浮需要，大致在里程K7km+680m～K8km+250m、风化岩层，遇到孤石的可能性不应排除；在海底特殊地质条Kllkm+lO0m～Kllkm+734m隧道上覆土层不能疏竣挖件下，横通道的施工，现在还没有找到成熟的施工工法；在除，保证隧顶上覆土层厚度满足抗浮需要。在里程海底高水头压力、开挖面地层较差的条件下，盾构带压开仓K8km+250m～Kllkm+lO0m地段上覆土层较厚，一般有换刀，存在很大风险。建议对这些问题进行专题研究。l1m～15m。由于土层较厚，一般而言，疏浚对盾构隧道注(C)本工程采用超大直径的盾构，在海底掘进的距离浆体的影响不大，对隧道稳定性的影响也不大。长达5410m，并且穿越软土、砂层等软弱地层，承受高水航道疏浚应考虑隧道地段地质情况及疏浚至规划深头的压力。盾构工法在施工过程中对航道和海洋生物的影度的情况，隧道上覆地层厚度必须满足隧道抗浮安全要求。响较小，但是，在发生突发事件时，按目前已揭示的地质条件，在海底处理问题的难度和风险较大。3沉管隧道工程地质、水文地质适应性分析(d)沉管隧道工法的主要问题在于，地层对隧道有不3．1地层对沉管隧道沉降的影响均匀沉降的影响，基槽开挖土方量大，成槽有一定难度，水沉管隧道全长6648m，外轮廓宽度为44．8m，高度下边坡不易稳定，以及开挖时间较长，容易产生回淤，等等。10．0m。受地层特性不均一的影响，沉管隧道容易发生不均这些问题，有较成熟的解决方法。但是，沉管施工对环境的匀沉降。对沉管隧道发生不均匀沉降的因素分析如下：影响较大，建议工程建设过程中，注重环境保护。(a)根据沉管隧道断面图，从东人工岛到西人工岛，隧(e)从工程地质和水文地质方面而言，港珠澳大桥盾道底部依次经过①、①淤泥，③淤泥质黏土，③流塑粉构隧道工法对地质的适应性，比沉管隧道工法对地质的适质黏土夹砂，③。软塑～可塑粉质黏土，③淤泥质黏土，应性差。①、①。淤泥。这些地层的压缩性和承载力差别较大，虽然沉管隧道承载力不高，但仍要求考虑软硬过渡地带不均匀参考文献地层对沉管沉降的影响。[I】陈韶章．沉管隧道设计与施工[M】一E京：科学出版社，2002．【2J潘永仁，丁美．大型沉管隧道管段沉放施工技术『J1．现代隧道技术，2004(b)淤泥没有自重固结，自身还会产生压缩变形(沉I一5，II．．降)，从而导致沉管隧道沉降。施工时，应做换填处理。[3]宁茂权．沈家门港海底沉管隧道设计介绍【J1．现代隧道技术，2008：61—69．3．2基槽边坡稳定性工程分析[4]常翔，张献伟．生物岛一大学城沉管隧道工程重难点浅析[A中铁隧道集团2007年水底隧道专题技术交流大会论文集fc]，2007．根据沉管隧道断面图，基槽自上而下依次挖掘的地层[5】农兴中．广州地铁三号线工程设计研究与实践【M]．北京：人民交通出版社，2011．为①、①淤泥，③淤泥质黏土，③。软塑～可塑粉质黏土，【6]吴璇颖．超大直径盾构隧道施工风险管理分析【J】_城市道桥与防洪，201I③流塑粉质黏土夹砂。f8)：297—299．842I2012·8BIm曲