港珠澳海底隧道

港珠澳大橋海底隧道周豐峻二○○九年五月

1、工程概況港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋水域，是連接香港、廣東省珠海市、澳門(mén)的大型跨海通道。海中橋隧工程主體總長(zhǎng)35.578km，采用橋隧組合方案，隧道長(zhǎng)6.753km，橋長(zhǎng)28.825km。從建造的可行性角度考慮，目前港珠澳海底隧道主要有沉管與盾構(gòu)二種工法。沉管隧道全長(zhǎng)6648m，其中，沉管段長(zhǎng)5389m。其兩端引道段、暗埋段位于人工島內(nèi)。1.1

沉管隧道方案概況沉管隧道結(jié)構(gòu)頂部高程約-30.5m，距平均海平面的垂直距離約31m，海底起算的埋深為14～24m；結(jié)構(gòu)底板高程為-42.9m，沉管隧道外輪廓寬度為44.8m，高度10.0m。1.2盾構(gòu)隧道方案概況

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂部最低點(diǎn)高程約-44.3m，距平均海平面的垂直距離約44.8m，海底起算的隧道頂部埋深為30.8～34.3m；結(jié)構(gòu)底板高程為-61.4mm。

盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)7240m，其中，盾構(gòu)段長(zhǎng)5410m。其兩端引道段、暗埋段和豎井位于人工島內(nèi)。盾構(gòu)隧道外直徑為16.88m，雙向隧道，左線(xiàn)隧道與右線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)邊緣之間的距離約為14m。

2、隧道場(chǎng)地地質(zhì)概況2.1海底地形海底隧道段的地形相對(duì)較平坦，海底面高程為-6.89～-15.68m，高差8.79m港珠澳大橋工程場(chǎng)區(qū)附近的活動(dòng)斷裂或斷裂有12條。

探測(cè)到F2斷裂，該斷裂走向320°（西北-東南走向），基巖風(fēng)化呈深槽狀

該風(fēng)化深槽呈條帶狀北西向展布，寬約300m。

2.2隧道場(chǎng)地巖土工程特征第四系覆蓋層

隧道段勘探深度內(nèi)第四系覆蓋層厚度為52.05～73.60m，基底高程-65.25～-81.17m①淤泥（Q4m）：灰黃色，流塑，滑膩，本層主要為浮泥，海床表部均有分布，鉆探取樣較困難。局部呈互層狀。

②淤泥質(zhì)粘土（Q4al）：灰色，流塑，顯波狀層理，層面多附有粉細(xì)砂粒③粘土（Q３al+pl）：灰黃色，灰白色，雜褐黃色斑或條帶，可塑～軟塑為主3盾構(gòu)隧道方案工程地質(zhì)、水文地質(zhì)適應(yīng)性分析3.1基巖面起伏對(duì)盾構(gòu)隧道的影響“勘察報(bào)告”和盾構(gòu)隧道方案縱斷面揭示，本工程盾構(gòu)施工中將遇到上軟下硬的地層，影響的長(zhǎng)度約540米，這對(duì)于泥水盾構(gòu)是難以掘進(jìn)的，甚至?xí)斐蓢娪亢退降氖鹿省?/p>

3.2

花崗巖球狀風(fēng)化體（孤石）對(duì)盾構(gòu)隧道的影響花崗巖球狀風(fēng)化體（孤石）是由花崗巖物質(zhì)成分的風(fēng)化差異、巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育等綜合作用而成的，外形呈橢圓狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬。港珠澳大橋盾構(gòu)施工遇到花崗巖球狀風(fēng)化體的可能性很大。在這種情況下，所有盾構(gòu)施工困難，盾構(gòu)刀具和刀盤(pán)將嚴(yán)重受損，修復(fù)受損刀盤(pán)的風(fēng)險(xiǎn)度極高。3.3斷裂對(duì)盾構(gòu)隧道工程的影響斷裂經(jīng)過(guò)地段的隧道底部高程約-60m，基巖高程為-80m以下。由于該斷裂屬非全新世活動(dòng)斷裂，且基巖較深，該斷裂對(duì)盾構(gòu)隧道施工不構(gòu)成影響，亦不存在涌水?dāng)嗔延克畬?duì)盾構(gòu)施工的影響。3.4海底換刀和盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)修復(fù)的適應(yīng)性分析在本項(xiàng)目中，砂土地層對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的影響，主要表現(xiàn)為大于0.25mm的石英顆粒的百分含量。刀具和刀盤(pán)磨損一定程度后，必須進(jìn)倉(cāng)換刀或修復(fù)刀盤(pán)。目前進(jìn)倉(cāng)對(duì)刀具、刀盤(pán)的檢查、修復(fù)大致有三種方法：1）帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查、修復(fù)；2）盾構(gòu)機(jī)前方土體加固后在常壓下進(jìn)倉(cāng)檢查、修復(fù)；3）在海中筑島向下做豎井至刀盤(pán)前方，在豎井中對(duì)盾構(gòu)刀具、刀盤(pán)進(jìn)行檢查、修復(fù)。在本工程中，加固海底地層、海中筑島做堅(jiān)井的方法均是代價(jià)昂貴的處理方法，常壓換刀的方法還不是成熟的技術(shù)，通常在水下帶壓換刀，修復(fù)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)。在這種情況下，必須承受超過(guò)60m的水頭壓力，存在許多不確定因素，困難多，風(fēng)險(xiǎn)大。3.5巖土層對(duì)大直徑盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響隧道段主要巖土層工程特性地層編號(hào)巖土層名稱(chēng)工程特性可挖性分級(jí)①淤泥含水量高，孔隙比大，高壓縮性，強(qiáng)度極低，基本無(wú)自穩(wěn)能力，開(kāi)挖易產(chǎn)生滑移，溝槽不易成形。Ⅰ②淤泥質(zhì)粘土高壓縮性，結(jié)構(gòu)靈敏，強(qiáng)度極低，滲透性微～極微，開(kāi)挖不易成形。Ⅰ③粉質(zhì)粘土夾砂壓縮性中等，結(jié)構(gòu)靈敏，土質(zhì)不均，垂向和水平向滲透性差異大，易發(fā)生流土型滲透破壞，開(kāi)挖不易成形。Ⅰ④粉砂壓縮性中等，承載力一般，滲透性弱，易發(fā)生管涌型滲透破壞。Ⅰ盾構(gòu)隧道主要在比較松軟的巖土層中通過(guò)，開(kāi)挖面直徑超過(guò)17.00m，容易失穩(wěn)；而且盾構(gòu)隧道洞身主要通過(guò)的巖土層為砂層，屬于強(qiáng)含水層，高水頭壓力容易造成開(kāi)挖面砂層噴涌；另外，砂層中孔隙水壓力大，水頭隨潮水漲落變化，泥水盾構(gòu)壓力不易控制。3.6盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞的地質(zhì)適應(yīng)性分析本工程項(xiàng)目在盾構(gòu)始發(fā)段、接收段的前方土體為：流塑狀淤泥（浮泥），流塑狀淤泥，流塑～軟塑粉質(zhì)粘土夾砂。盾構(gòu)在始發(fā)段以一定坡度切入土體，在接收段上覆土層逐漸變薄，而且盾構(gòu)洞口直徑大，土體暴露面積大，施工時(shí)間長(zhǎng)，洞口附近土體易受擾動(dòng)或破壞，使盾構(gòu)前方土體失穩(wěn)，可以造成隧道開(kāi)挖面失壓，出現(xiàn)噴水（或冒漿）、塌陷等情況。

盾構(gòu)隧道持力層為流塑狀淤泥質(zhì)土層，在盾構(gòu)機(jī)荷重下，持力層會(huì)壓縮變形，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)下沉。因此，盾構(gòu)進(jìn)出洞施工前，必須進(jìn)行始發(fā)段、接收段土體的軟弱土層加固工作，保證處理過(guò)的土體能夠達(dá)到自立穩(wěn)定狀態(tài)。不論采用攪拌樁、旋噴樁加固，都會(huì)遇到很大困難。3.7盾構(gòu)隧道兩端加固覆土地段對(duì)施工的影響

盾構(gòu)隧道兩端上覆土層較薄，土質(zhì)較軟弱，隧頂上部土層主要為流塑狀淤泥層。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，開(kāi)挖面泥水壓力可能大于上覆土層壓力，導(dǎo)致漏氣或冒漿，存在較大的盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。在上覆土層較薄地段（即上覆土層小于盾構(gòu)直徑地段），必須在海底回填加厚上覆土層，增大上覆土層壓力。3.8巖土層對(duì)橫通道施工的影響按有關(guān)規(guī)范，雙線(xiàn)隧道之間，每隔500m應(yīng)設(shè)置一個(gè)橫通道。根據(jù)港珠澳大橋隧道斷面，可設(shè)置約8個(gè)橫通道橫通道施工方法之一是常采用凍結(jié)法加固、礦山法開(kāi)挖。較之陸地，在海底進(jìn)行凍結(jié)法施工比陸地難度大。況且，海水含鹽高，很難凍結(jié)。海底進(jìn)行凍結(jié)法施工的難度很大，甚至難以實(shí)施。橫通道施工一旦發(fā)生事故，會(huì)造成連鎖反應(yīng)，危及已經(jīng)施工的隧道主體工程。

上海曾發(fā)生過(guò)黃浦江盾構(gòu)隧道橫通道凍結(jié)法施工的事故，導(dǎo)致主隧道全部灌水，該事故是由解凍過(guò)程的一個(gè)小環(huán)節(jié)引發(fā)的。除了凍結(jié)法之外，橫通道的施工還可以采用化學(xué)灌漿加固、隧道內(nèi)頂管、水平旋噴等方法。本工程隧道埋深大，化學(xué)灌漿效果難以保證；頂管法及水平旋噴施工，在國(guó)內(nèi)已有成功例子，運(yùn)用到本工程不排除仍有風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，橫通道施工是本工程采用盾構(gòu)法施工的難點(diǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)太大，難以實(shí)施。3.9盾構(gòu)隧道在軟土地段的穩(wěn)定性分析盾構(gòu)隧道底板通過(guò)淤泥質(zhì)粘土。該層具高壓縮性，高靈敏度，含水量孔隙比大，均為欠壓密土，未完成自重固結(jié)，穩(wěn)定性較差，地基容許承載力較低。本工程隧道結(jié)構(gòu)荷重不大，但軟土尚未完成自重固結(jié)，在隧道施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生固結(jié)沉降，穩(wěn)定性差，危及隧道結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)不安全。4沉管隧道方案工程地質(zhì)、水文地質(zhì)適應(yīng)性分析4.1地層對(duì)沉管隧道沉降的影響受地層特性不均一的影響，沉管隧道容易發(fā)生不均勻沉降。（1）根據(jù)沉管隧道斷面圖，從東人工島到西人工島，隧道底部依次經(jīng)過(guò)淤泥，淤泥質(zhì)粘土，流塑粉質(zhì)粘土夾砂，軟塑～可塑粉質(zhì)粘土，淤泥質(zhì)粘土，淤泥。這些地層的壓縮性和承載力差別較大，（2）淤泥沒(méi)有自重固結(jié)，自身還會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，從而導(dǎo)致沉管隧道沉降。施工時(shí)，應(yīng)做換填處理。尚不存在砂土液化導(dǎo)致沉管隧道沉降問(wèn)題。沉管底部經(jīng)過(guò)的特性不均一的地層和淤泥自身的壓縮變形，將導(dǎo)致沉管隧道發(fā)生不均勻沉降。4.2地層對(duì)基槽邊坡穩(wěn)定性的影響沉管隧道外輪廓寬度為44.8m，結(jié)構(gòu)底板埋深43.4m（海平面起算），基槽開(kāi)挖超過(guò)43.4m，是國(guó)內(nèi)首個(gè)深海大挖深基槽開(kāi)挖項(xiàng)目，開(kāi)挖土方量大。土體（尤其是淤泥）的穩(wěn)定性較差，開(kāi)挖過(guò)程中，土體產(chǎn)生自動(dòng)崩落，按水下坡角形成水下邊坡。5結(jié)論與建議(1)、不論盾構(gòu)隧道工法或沉管隧道工法，均不同程度地受到工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的制約。

(2)、因客觀存在巖面起伏，盾構(gòu)隧道方案的底部已進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層，遇到孤石的可能性不應(yīng)排除；在海底高水頭壓力、開(kāi)挖面地層較差的條件下，帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀、修復(fù)刀盤(pán)，存在很大風(fēng)險(xiǎn)，難以實(shí)施安全作業(yè)。

(3)、本工程采用超大直徑的盾構(gòu)，在海底掘進(jìn)的距離長(zhǎng)達(dá)5.4公里，并且穿越軟