武汉地铁三号越江隧道方案比选分析

摘要：本文通过对武汉地区地质条件和地铁施工技术出发，对越江隧道三个方案进行论述，从施工方案风险性、技术性、可行性最终确定越江隧道施工方案。

关键词：越江隧道 盾构法 矿山法

1、概述

1.1工程概述

武汉地铁三号线越江区间线路出宗关站后，沿建一路南侧地块向西南方向延伸，下穿水厂路中学、过沿河大道后，区间隧道下穿汉江进入汉阳区，下穿江汉二桥体育训练基地和龙阳大道与琴台大道交叉口后，线路转入龙阳大道下继续向西南方向延伸，最后到达汉阳大道与龙阳大道交叉口的王家湾站。

1.2工程地质概况

根据越江隧道线路，隧道工程地质条件十分复杂，隧址主要穿越10-1粉质粘土层、10-2粘土层、4-1粉细砂层、局部穿越强风化灰岩、泥质砂岩、强风化泥岩、中风化石英砂岩。按地形地貌特征及工程地质条件的区段特点该区间可细分为三段：

①汉阳段：隧道底板埋深16.0～30.0m左右，最低在标高+4.0m左右，基底基本位于（10-2）粘土层，局部位于（17a-1）泥灰岩、（18-2）灰岩，下伏基岩主要为岩溶发育程度一般的灰岩。

②汉江段：隧道底板埋深30.0～38.5m左右，标高+4.0～-19.5m左右，基底依次位于（18-2）中风化灰岩、（19a）中风化石英砂岩、（19b-2）中风化砂岩、泥质砂岩。

③汉口段：隧道底板埋深16.0～36.0m左右，标高-14.0～+2.5m左右，基底依次位于（4-3）中粗砂、（4-2b）粉质粘土、（4-2a）粉细砂、（4-2）粉细砂层。

1.3地铁区间隧道施工方法

地铁区间隧道在城市中修建，其施工方法受到地面建筑物、道路、城市交通、环境保护、施工机具以及资金条件等因素的影响特别大，自1860年以来，地下区间隧道经过130多年的实践，在不断吸取先进科技成果的基础上，创造了适应各种围岩条件和环境要求的施工方法。根据地质勘察报告，本区间隧道可采用施工方法有盾构法、矿山法、明挖法。

1.3.1盾构法

盾构法在国内地铁均得到了较为成功的应用，该法施工对周围建筑及地面变形控制较好、施工速度快，施工环境好，且随着盾构机制造技术的成熟，盾构隧道的造价已接近甚至已低于矿山法隧道或明挖法隧道。

1.3.2矿山法

矿山法适用于隧道埋深较深，地质情况较好，地下水含量小或地下水位较低的情况。矿山法施工对地层变化的适应性强，技术成熟，工法简单，施工对周边环境、地下管线和交通的影响较小。

1.3.3明挖法

明挖法是一种快捷的施工方法，它适用各种不同的地质条件，施工工艺简单，技术成熟，施工安全，质量可靠。其缺点是施工时对周围环境和交通影响较大，且在隧道埋深较深的情况下，施工风险较大，工程造价较高。

2、方案分析

越江隧道正线长约为2400米，设置4处联络通道，中间风井1处，在线路最低点处设置废水泵房。

根据江中联络通道及废水泵房的位置和施工技术方案技术性、经济性对越江隧道纵断面设计提出三种可行性方案。

（1）方案一：

线路自王家湾站以4.5‰坡度下坡，接着以28‰的坡度下坡至区间最低点，然后以28‰的坡度上坡至宗关站。线路在进出站处竖曲线半径为3000m，其它竖曲线半径为5000m。区间最大坡度28‰，两岸区间覆土厚度9.75m～37.35m，江中覆土厚度15.31～17.6，主要穿越10-2粘土层、10-1粉质粘土层、粉土粉砂层、局部穿越强风化灰岩、泥质砂岩、强风化泥岩、中风化石英砂岩。隧道纵断面如图2-1：

图2-1方案一隧道纵断面

根据地铁设计规范，区间每600米设置一处联络通道的。纵断面线路设置4处联络通道，依次设置为汉阳岸1号联络通道，2号联络通道与中间风井合建，3号联络通道及废水泵房设置在江中线路最低点，4号联络通道设置在汉口岸。

①1号联络通道处于10-2粘土层中，地层为不透水层，适合采用矿山法施工，地层加固采用超前支护。

② 2号联络通道与中间风井合建，风井埋深较深，主体结构复杂，采用明挖法施工，围护采用钻孔灌注桩。

③3号联络通道处于江中，由于汉江水位比较高，水头压力大，施工易发生涌水涌砂事故，故采用冻结法施工。

④4号联络通道位于粉细砂层中，土层渗透系数大，汉江与其地下承压水有较密切的水力关系，所以需要加固后土体的具有很好的隔水性能，才能提供较理想的施工环境，保证施工的安全，故采用冻结法施工。

线路最低点设置江中，汉江水位高，水头压力大，且联络通道处于中粗砂层中，采用冻结法施工，施工难度大，易发生涌水涌砂事故。

（2）方案二：

区间线路出王家湾站以4.47‰坡度下坡，接着以25‰的坡度下坡至区间最低点，然后以7.5‰的坡度上坡下穿汉江，最后以28‰的坡度上坡至宗关站。线路在进出站处竖曲线半径为3000m，其它竖曲线半径为5000m。区间最大坡度28‰，两岸区间覆土厚度9.45m～38.56m，江中覆土厚度6.95～19.14，主要穿越10-1粉质粘土层、10-2粘土层、4-1粉细砂层、局部穿越强风化灰岩、泥质砂岩、强风化泥岩、中风化石英砂岩。

图2-2方案二隧道纵断面

纵断面线路设置4处联络通道，依次设置为汉阳岸1号联络通道，2号联络通道与中间风井合建，3号联络通道及废水泵房设置在汉阳岸，4号联络通道设置在汉口岸。

①1号联络通道处于10-2粘土层中，地层为不透水层，适合采用矿山法施工，地层加固采用超前支护。

② 2号联络通道与中间风井合建，风井埋深较深，主体结构复杂，采用明挖法施工，围护采用钻孔灌注桩。

③3号联络通道及废水泵房设置在汉阳岸，结构处于中风化岩层中，适合矿山法施工，地层加固采用超前支护。

④4号联络通道位于粉细砂层中，土层渗透系数大，汉江与其地下承压水有较密切的水力关系，所以需要加固后土体的具有很好的隔水性能，才能提供较理想的施工环境，保证施工的安全，故采用冻结法施工。

但由于线路最低点设置在汉阳岸边岩层中，因此盾构穿越岩层段距离较长，对盾构机刀具的磨损较大，推进过程中刀具更换难度大，易发生施工事故。

（3）方案三：

区间线路纵断面、联络通道设置同方案二。

根据隧道工程地质及水文情况及工程特点，本工程汉口段通过的地层含水量大，在汉江底下穿过且水压高，从地质条件方面分析采用泥水平衡盾构。

汉阳岸隧道结构处于10-1粘土、10-2粘土、中风化岩层中，根据地勘报告，地层依次分别为微透水层、不透水层，适合采用矿山法施工。

隧道主体结构采用盾构法+矿山法施工，盾构进入矿山法断面空推管片至中间风井吊出。本方案施工技术难点在盾构如何对接矿山法断面，根据国内外累类似工程成功经验，盾构隧道施工至与矿山法隧道贯通前，保证有1～2环管片背后注浆已经施做，使开挖岩面与盾构隧道之间的空隙通过管片背后注浆封堵，防止两工法隧道贯通时砂层中的水与细小颗粒涌入隧道内。

3、比较及结论

通过对三方案的论述比较， 最终采用方案三。结论如下：

（1）从施工的角度去看，方案一江中联络通道水头压大，冻结施工风险大，后果严重；方案二线路最低点降至汉阳岸岩层中，盾构穿越岩层长，岩层抗压强度高，对刀具磨损比较大，刀具更换困难；方案三从以上2个施工风险点出发，避免了联络通道在江中施工的风险，同时在汉阳岸采用矿山法施工减少了盾构在岩层中长距离掘进带来的风险。

（2）从经济和施工工期角度看，方案三工程造价均低于方案一、方案二，且矿山法施工也能缩短工期。

参考文献：

【1】《地下铁道设计与施工》，施仲衡。陕西科学技术出版社。2002

【2】《盾构隧道》，张凤祥，朱合华，傅德明。人民交通出版社。2004

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。