高烈度震區(qū)海底超大直徑盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1、匯報(bào)內(nèi)容一、工程基本概況二、平面方案比選三、施工工法比選四、盾構(gòu)隧道抗震設(shè)計(jì)和相關(guān)研究五、其它技術(shù)難題濠江區(qū)龍湖區(qū)金平區(qū)324國(guó)道深汕高速汕汾高速汕梅高速蘇埃通道工程是汕頭市干線公路網(wǎng)規(guī)劃縱線國(guó)道 G324 的復(fù)線，向北與G324、汕汾高速、汕揭梅高速相連，向南與深汕高速、汕普高速相連。位于海灣大橋與礐石大橋之間，路線全長(zhǎng)6.68Km，是1座一級(jí)公路兼城市道路功能的隧道。礐石大橋海灣大橋一、工程基本概況 工程區(qū)域位置中山東路長(zhǎng)平東路金砂東路珠港新城隧道北岸風(fēng)塔隧道南岸風(fēng)塔隧道管控中心收費(fèi)站南濱南路立交中山東路立交虎頭山礐石風(fēng)景區(qū)盾構(gòu)段圍堰線路總長(zhǎng)6680m，包含一座特長(zhǎng)隧道，兩端各有互通立交1

2、處，管控中心1處，收費(fèi)站1處，風(fēng)塔兩座，圍堰一座。特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)5300m，其中盾構(gòu)段3047.5m，盾構(gòu)管片外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：一級(jí)公路、雙向六車道，主線設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h。最大縱坡3%。結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度為8度，地震加速度為0.2g工程總投資60.3億元（概算）。 一、工程基本概況 工程規(guī)模14.5m14.5m淤泥黏性土淤泥混砂淤泥質(zhì)土花崗巖砂層隧道穿越超復(fù)雜地質(zhì)，穿越地層有淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、中粗砂、硬巖等。淤泥質(zhì)土粉細(xì)砂一、工程基本概況 工程地質(zhì) 地層上軟下硬的特征非常顯著 盾構(gòu)內(nèi)徑/外徑13.3m/14.5m盾構(gòu)襯砌類型單層襯砌管片厚度600mm襯砌環(huán)類型通用楔形環(huán)

3、管片材質(zhì)鋼筋混凝土襯砌環(huán)環(huán)寬2m楔形量取值48mm（雙面楔形）管片分塊類型小封頂塊（1塊）+鄰接塊（2塊）+標(biāo)準(zhǔn)塊（7塊）管片拼裝類型錯(cuò)縫拼裝管片接縫防水接縫外側(cè)：兩道防水密封墊；接縫內(nèi)側(cè)：預(yù)留嵌縫槽螺栓類型斜螺栓螺栓設(shè)置塊與塊之間每塊設(shè)置3根M36環(huán)向螺栓，螺栓機(jī)械等級(jí)8.8級(jí)環(huán)與環(huán)之間每環(huán)布置56根M42縱向螺栓，螺栓機(jī)械等級(jí)6.8級(jí) 盾構(gòu)段橫斷面疏散樓梯疏散通道電纜通道排煙道行車區(qū)盾構(gòu)襯砌管片技術(shù)參數(shù)（1）2008年初開始工程可行行研究（2）2009年8月，工程可行性研究報(bào)告完成并通過(guò)專家審查。（3）2012年5月，廣東省發(fā)改委對(duì)工程可行性研究報(bào)告正式批復(fù)。（4）2014年10月，完成初

4、步設(shè)計(jì)文件編制。（5）2015年1月廣東省交通運(yùn)輸廳批復(fù)初步設(shè)計(jì)。（6）2016年2月，與施工單位組成的聯(lián)合體，中標(biāo)設(shè)計(jì)施工總承包。（7） 2017年5月，完成第二批施工圖設(shè)計(jì)工作。2008年4月2012年9月，工可階段完成了9項(xiàng)基礎(chǔ)性的專題研究：序號(hào)專題名稱批復(fù)部門批復(fù)時(shí)間1工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)中國(guó)地震局2008.04.222地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告廣東省地質(zhì)學(xué)會(huì)2009.07.313水土保持方案報(bào)告廣東省水利廳2010.02.044環(huán)境影響環(huán)評(píng)報(bào)告書汕頭市環(huán)境保護(hù)局2010.05.105通航安全評(píng)價(jià)報(bào)告廣東海事局2010.06.106通航凈空尺度論證報(bào)告廣東省交通運(yùn)輸廳2010.09.29

5、7海域使用論證報(bào)告汕頭市海洋與漁業(yè)局2011.02.218海洋環(huán)評(píng)報(bào)告書廣東省海洋與漁業(yè)局2011.03.099節(jié)能評(píng)估報(bào)告廣東省發(fā)展和改革委員會(huì)2012.05.162014年2月2014年10月，初步設(shè)計(jì)階段完成了10項(xiàng)專題研究:序號(hào)專題名稱1海潮、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害影響及應(yīng)對(duì)措施 2水文測(cè)驗(yàn)及水文計(jì)算分析 3河勢(shì)演變及沖刷分析 4汕頭市蘇埃通道工程南、北兩岸互通立交方案專題 5隧道消防減災(zāi)技術(shù) 6海底大直徑盾構(gòu)隧道抗震性能研究 7汕頭市蘇埃通道工程補(bǔ)充概算定額編制 8汕頭市蘇埃通道工程交通安全性評(píng)價(jià)專題研究 9汕頭市蘇埃通道工程通航安全影響論證報(bào)告 10隧道耐久性、抗?jié)B性能研究 序號(hào)施工圖設(shè)計(jì)

6、階段研究課題1水下土-巖-孤石混合地層大直徑盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究2超大直徑盾構(gòu)隧道在強(qiáng)震下動(dòng)物理模型試驗(yàn)研究3多次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論及應(yīng)用研究4超大直徑盾構(gòu)隧道軟土（震陷）加固處理技術(shù)研究5多準(zhǔn)則蘇埃通道工程盾構(gòu)機(jī)選型研究6超大直徑盾構(gòu)隧道在強(qiáng)震及海水環(huán)境下防水性能試驗(yàn)研究7超大直徑盾構(gòu)隧道力學(xué)行為研究8單管隧道火災(zāi)試驗(yàn)研究9隧道全壽命周期遠(yuǎn)程智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究10超大直徑盾構(gòu)隧道概算定額研究11蘇埃通道工程運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)化管理研究 工程造價(jià)對(duì)比表工程或費(fèi)用名稱估算金額（億元）概算金額（億元）施工圖預(yù)算第一部分建筑安裝工程25.943.965.7萬(wàn)/延米（雙線）40.9億第二部分設(shè)備及工具、器具購(gòu)置

7、費(fèi)1.01.3第三部分工程建設(shè)其他費(fèi)用4.66.6第一、二、三部分費(fèi)用合計(jì)31.651.8預(yù)留費(fèi)用2.62.6其他費(fèi)用項(xiàng)目0.30.7建設(shè)期貸款利息2.45.1造價(jià)總金額37.060.390.3萬(wàn)元/延米（雙線）53.4億批復(fù)概算56.7億批復(fù)概算41.7億 前期區(qū)域線位研究考慮了A、B、C三條線位： A 線起于汕頭北岸龍湖區(qū)天山南路與金砂路平交口，穿越蘇埃灣海域，在南岸汕頭跳水館東側(cè)約500m 處上岸，穿南濱規(guī)劃片區(qū)至本項(xiàng)目研究終點(diǎn)。 B 線北岸與A線基本相同，在南岸汕頭跳水館西側(cè)約200m 處上岸，經(jīng)礐石風(fēng)景區(qū)和南濱規(guī)劃片區(qū)之間的預(yù)留空地至本項(xiàng)目研究終點(diǎn)。 C 線起于汕頭北岸龍湖區(qū)金環(huán)南路

8、與金砂路平交口，南岸與B線基本相同。天山南路金環(huán)南路金砂路規(guī)劃安海路跳水館500m200m虎頭山起點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn) A線方案于南岸穿軍事區(qū)，協(xié)調(diào)難度大，且對(duì)南濱片區(qū)規(guī)劃用地切割較嚴(yán)重。C 線北岸接線不符合汕頭市城市總體規(guī)劃和城市用地規(guī)劃，起點(diǎn)接金環(huán)南路道路等級(jí)較低，北岸中山路互通的布設(shè)困難，拆遷量較大；最終選擇了符合城市規(guī)劃、對(duì)環(huán)境影響小的B線方案。 蘇埃灣海域內(nèi)存在港池、錨地、主航道。主航道錨地港池B1線位B2線位南岸淺灘B2線位在航道處基巖凸起高度有所降低，上軟下硬段長(zhǎng)度由400多米減少到182米；南側(cè)下伏基巖突起范圍有所縮?。欢軜?gòu)段隧道底部不存在淤泥質(zhì)土。長(zhǎng)度436m，基巖頂最高標(biāo)高-27.6

9、6m。B1線位勘察700m長(zhǎng)度182m，基巖頂最高標(biāo)高-29.05m。B2線位勘察（加密鉆孔）400m項(xiàng)目 線位B1線位B2線位線路長(zhǎng)度6800m6680m（海中段縮短150m，岸上段增加30m）線型共5段平曲線，其中海中段為曲線共4段平曲線，其中海中段為直線最小平曲線半徑1200m1500m對(duì)汕頭國(guó)際集裝箱碼頭的影響下穿碼頭2層辦公樓（帶有樁基），需拆遷；下穿碼頭最大距離約80m；下穿珠池港區(qū)；避開碼頭岸上段、珠池港區(qū)對(duì)龍湖溝、中山路橋及華僑公園的影響無(wú)影響下穿電排站、中山路橋，需改造；華僑公園施工期有影響；汕頭市市政設(shè)施管理處：在確保龍湖溝防汛安全下，電排站可以重建。錨地下穿錨地避開錨地地

10、質(zhì)情況海中段基巖面相對(duì)較高海中段基巖面相對(duì)較低中山東路匝道布設(shè)情況隧道北岸埋深較大，匝道布置困難。采用地下回頭曲線，行車舒適度及安全性較差，交通功能較差匝道布設(shè)靈活，交通功能好因此，根據(jù)補(bǔ)充勘察成果，結(jié)合路線功能及環(huán)境協(xié)調(diào)難度等因素，推薦B2線位。 規(guī)劃航道底標(biāo)高-11.884永久覆土8m采取壓重，永久覆土5m永久覆土8m39.21m約162m硬巖段8m12.46m8m 主航道范圍，根據(jù)埋深專題研究成果，航道處隧道埋深按-19.884m標(biāo)高進(jìn)行控制（規(guī)劃航道下8m），盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)井處覆土不小于8m。 經(jīng)驗(yàn)算，施工、運(yùn)營(yíng)階段隧道抗浮能滿足規(guī)范要求。5.0m現(xiàn)狀航道-8.884m規(guī)劃航道-11.

11、884m百年一遇沖刷極限深度通航要求標(biāo)高-19.884沖刷深度3.0m結(jié)構(gòu)安全覆土厚度H主航道區(qū)隧道頂面埋深示意圖隧道頂覆土H不小于8.0m北岸南岸線路總長(zhǎng)6680m，隧道段5300m，沉管段3380m ；最大縱坡3%，最小縱坡0.3%。隧道平面、岸上段結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)法方案基本一致。航道處隧道埋深按-19.884m標(biāo)高進(jìn)行控制，其余地段滿足管段浮運(yùn)水深即可。沉管段3380m8m8m12.46m35.2m9.7m項(xiàng) 目 盾構(gòu)法隧道方案沉管法隧道方案 隧道規(guī)模隧道總長(zhǎng)5300m，其中敞開段885m，暗埋段1182.5m，盾構(gòu)段長(zhǎng)度約3047.5m。盾構(gòu)內(nèi)徑13.3m、外徑14.5m隧道長(zhǎng)度5300m，

12、其中敞開段935m，暗埋段1075m，沉管段長(zhǎng)度約3380m。矩形斷面，長(zhǎng)35.2m，高9.7m海中段施工隧道盾構(gòu)段需穿越主航道及南岸岸邊基巖段以及孤石段，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，南岸基巖段采用臨時(shí)圍堰明挖法處理，主航道采用爆破預(yù)處理，國(guó)內(nèi)處理有成功案例海上浮運(yùn)大型管段，施工組織復(fù)雜岸上段施工北岸明挖段不影響碼頭，但需對(duì)龍湖溝、電排站、中山路過(guò)龍湖溝橋進(jìn)行改造隧道南岸岸上段場(chǎng)地開闊，屬于深厚的軟土，干塢規(guī)模大，施工風(fēng)險(xiǎn)大；北岸接頭段深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)大；北岸明挖段與盾構(gòu)法方案相同防災(zāi)救援大直徑盾構(gòu)隧道通過(guò)車道板下大空間縱向疏散及上下樓梯或滑梯疏散，效果較好通過(guò)中隔廊道縱向或隔壁車道孔疏散，效果較好抗震設(shè)防斷

13、面較大，設(shè)置柔性大變形鋼環(huán)接頭能適應(yīng)本地區(qū)8度地震設(shè)防烈度的要求。處理有成功案例斷面較大，通過(guò)節(jié)段式管節(jié)的選用及接頭處理能適應(yīng)本地區(qū)8度地震設(shè)防烈度的要求 對(duì)碼頭的影響主線避開碼頭，對(duì)碼頭影響較小沉管法方案基槽開挖邊坡侵入汕頭國(guó)際集裝箱碼頭港池范圍64m ，對(duì)碼頭運(yùn)營(yíng)影響較大對(duì)航道的影響盾構(gòu)在地下掘進(jìn)，對(duì)航道影響小，硬巖處理需要臨時(shí)封航，對(duì)航道影響小基槽開挖時(shí)需改移航道，增加臨時(shí)航道疏浚費(fèi)用，影響航道正常使用，對(duì)海軍軍艦進(jìn)出港影響大。對(duì)航道影響大對(duì)環(huán)境的影響無(wú)需開挖基槽和干塢，盾構(gòu)掘進(jìn)在地面以下進(jìn)行，對(duì)環(huán)境影響小沉管法方案基槽開挖量約1465萬(wàn)立方（其中硬巖896立方），拋泥量巨大，需約5平方

14、公里的拋泥區(qū)，環(huán)境影響大施工工期 工期54個(gè)月工期59個(gè)月 工程造價(jià) 43.9億（建安費(fèi)）55.0億（高出盾構(gòu)法方案約11.1億）蘇埃通道饒平-汕頭斷裂根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組位于第一組。通道主體段及路基段場(chǎng)地類別為類，地震設(shè)計(jì)特征周期值為0.45s。抗震研究需要解決的問(wèn)題1、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)整體抗變形能力否滿足抗震要求2、盾構(gòu)管片間接頭位移（相對(duì)錯(cuò)動(dòng)、張開量）在地震狀態(tài)下有多少？3、確定管片防水設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算內(nèi)力與變形圖錯(cuò)縫拼裝條件下最大正彎矩為287.57kNm，最大負(fù)彎矩為-283.83kNm

15、，最大軸力為502.39kN，管片拱頂最大位移15.49mm，縱縫最大張開量為1.9mm，盾構(gòu)段橫斷面計(jì)算（反應(yīng)位移法）內(nèi)力、變形、縱縫張開量均能夠滿足規(guī)范要求。橫向計(jì)算，抗震計(jì)算不是內(nèi)力和變形的控制工況。1）安評(píng)波2環(huán)縫接頭張開量最大23mm。2）在花崗巖與中粗砂交界處、淤泥段中部接頭張開量較大。3） 管片接頭最大拉力和彎矩為21449kN、19925 kN.m，沒有超過(guò)接頭的屈服強(qiáng)度。4）管環(huán)中間截面最大拉應(yīng)力為0.85MPa，遠(yuǎn)小于C60混凝土的抗拉強(qiáng)度2.04MPa。 地震計(jì)算結(jié)果：未設(shè)置抗震消能措施前提下，在大震作用下管環(huán)結(jié)構(gòu)是安全的，但局部地段管片間環(huán)縫張開量較大。21 設(shè)置消能減

16、震節(jié)點(diǎn)和加強(qiáng)螺栓后接頭環(huán)縫張開量包絡(luò)圖盾構(gòu)段縱向抗震計(jì)算加強(qiáng)段螺栓等級(jí)由6.8提高到8.8級(jí)22 隧道局部三維實(shí)體抗震分析計(jì)算模型與結(jié)果盾構(gòu)井與明挖段節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型盾構(gòu)井與盾構(gòu)段節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型盾構(gòu)井與明挖段節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型盾構(gòu)井與盾構(gòu)段節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型1）盾構(gòu)井與明挖段連接處最大位移差41mm，與盾構(gòu)隧道連接處最大位移差22mm。2）地震時(shí)盾構(gòu)井與明挖段、盾構(gòu)段間的節(jié)點(diǎn)是薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)采取抗震措施。盾構(gòu)段局部抗震計(jì)算 盾構(gòu)段消能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)消能減震節(jié)點(diǎn)縱向布置設(shè)置消能減震節(jié)點(diǎn)和對(duì)隧道局部配置加強(qiáng)螺栓后，整個(gè)隧道管片環(huán)縫接頭張開量基本上都小于15mm。僅在設(shè)置消能環(huán)位置張開量較大，可通過(guò)設(shè)置特殊管片處理。普通管片

17、縱向加強(qiáng)段（縱向螺栓強(qiáng)度增加）消能減震結(jié)構(gòu)消能減震節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)消能減震節(jié)點(diǎn)組成：2環(huán)預(yù)埋鋼板混凝土管片+形狀記憶合金板+橡膠止水帶。 盾構(gòu)管片抗震模型實(shí)驗(yàn)1、開展場(chǎng)地土層動(dòng)力參數(shù)模擬，進(jìn)行自由場(chǎng)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)2、開展隧道工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)3、隧道結(jié)構(gòu)消能減震裝置的擬動(dòng)力模型試驗(yàn)研究4、考慮消能減震裝置的隧道結(jié)構(gòu)抗震性能研究盾構(gòu)管片防水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1、工程最大水壓0.4mpa2、正常工況下，最大張開量8mm，最大錯(cuò)縫10mm，材料抗水壓能力（使用年限內(nèi)）應(yīng)不小于0.8mpa,2、地震作用下，最大張開量15mm，最大錯(cuò)縫10mm，材料抗水壓能力不小于0.65mpa。環(huán)向接頭張開量包絡(luò)圖計(jì)算結(jié)果：1、

18、二襯能夠增大管環(huán)環(huán)向接頭剛度，地震時(shí)應(yīng)力集中，致使二襯發(fā)生破壞。2、二襯破壞后變形出現(xiàn)集中，從而引起相應(yīng)位置的環(huán)向接頭張開量突變、增大，超出結(jié)構(gòu)允許值。 因此，從結(jié)構(gòu)抗震角度，不考慮施作二襯。二襯的軸力包絡(luò)圖盾構(gòu)段加二襯后的抗震分析申請(qǐng)發(fā)明專利8項(xiàng)；授權(quán)使用新型專利9項(xiàng)；2018年4月19日，在廣州召開了“高烈度地震區(qū)海底超大直徑盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)規(guī)律及抗震技術(shù)研究成果”驗(yàn)收會(huì)，中國(guó)工程院周福林院士、王復(fù)明院士、陳政清院士應(yīng)邀參加會(huì)議。根據(jù)勘察報(bào)告，有三段硬巖凸起，硬巖長(zhǎng)度約45+70+67=182米，最大高度6米。 巖石物理指標(biāo)微風(fēng)化花崗巖，塊狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，RQD=60100%；微風(fēng)化玢巖：平均值211MPa，最大值285MPa。硬巖分布圖處理方案：1、從海面向硬巖鉆孔、硬巖爆破；2、對(duì)爆破體縫隙深孔注漿；3、