狮子洋隧道明挖结构的设计关键技术

摘 要狮子洋隧道为广深港客运专线控制性工程，为国内第一条水下铁路隧道，隧道长（10.8km），设计速度目标值高，所处地质情况复杂，标准要求高。为满足狮子洋隧道的使用要求，在隧道明挖段设计中采用了几个关键技术。文章重点介绍了软弱地层明挖隧道变形缝的处理、砂土液化和软土震陷的处理、以及为了减缓空气动力学微压波的影响而采取的措施。目前狮子洋隧道运营情况良好，这几个关键技术对类似工程具有借鉴作用。

关键词明挖隧道；设计；关键；技术.

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

狮子洋隧道所处地质情况复杂，隧道标准又高，因此对明挖设计提出了很高的要求。目前狮子洋隧道已开通运营，且运营情况良好，作者就狮子洋隧道明挖段的设计关键技术作详细介绍，希望能对类似工程起到借鉴作用。

1 概述

1.1 工程概况

狮子洋隧道位于广深港客运专线东涌站—虎门站区间，穿越珠江入海口的狮子洋，河面宽度6100m（含2个江心洲总宽1770m），为全线控制性工程。隧道工程范围全长10.8Km，其中明挖敞开段长310m，明挖暗埋段（含缓冲结构）长1104m，盾构段9340m，工作井段长46m。隧道土建按速度目标值350km/h设计。全隧道除出口明挖段120m为设中柱的单孔双线结构外，其余地段均为单线双孔隧道组成。

狮子洋隧道明挖段揭露地层为第四系全新统海陆交互相淤泥、粉质黏土、软土及砂土层。隧道通过地层主要为：素填土、淤泥质土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂。地下水主要为第四系地层的孔隙水和白垩系岩层的裂隙水，其有承压性，地下水补给充足。

3 变形缝的处理

3.1普通地段变形缝的处理

明挖隧道由若干节段矩形结构构成，为了控制混凝土裂缝，在各节段之间设置变形缝。由于荷载的长期作用和地层的变化，使得变形缝处容易发生变形而影响行车安全。变形缝发生变形就容易引发隧道漏水，隧道交付后大范围、长时间的堵漏工作既造成了工程成本增加,又影响了隧道的正常使用。

通过调查研究，普通地段明挖结构的变形缝设置情况如下：

第一种变形缝：无抗剪措施；

第二种变形缝：在底板设置凹凸槽榫抗剪。

第一种变形缝缺点：无法传递剪力，易发生两侧差异沉降，影响使用。

第二种变形缝缺点：虽有一定抗剪和抵抗不均匀变形能力，但①填充材料无法更换或更换困难，影响使用；②因抗剪能力弱，在大荷载作用下，如铁路易发生疲劳破坏；③无水平抗剪件；④变形缝先进行填充，受力过早，容易破坏。

3.2 狮子洋隧道明挖段变形缝的处理

结合既有明挖结构的情况，狮子洋隧道明挖结构对现有变形缝进行优化设计。

首先，根据地质情况合理选择变形缝位置和变形缝间距，变形缝的合理位置对控制明挖结构的差异沉降具有极其重要的意义。合理地选择变形缝的间距,可起到避免或减少在施工过程和使用时结构不产生超出允许的裂缝宽度，以保障结构的安全使用。狮子洋隧道明挖段结构30~60m设置一道变形缝。

同时，为了克服上述普通明挖隧道结构变形缝设置的不足之处，狮子洋隧道明挖结构在变形缝处为此设置一种既可抵抗较大剪力，又便于维护的抗剪结构。

狮子洋隧道明挖结构变形缝除采用外包防水卷材、背贴式橡胶止水带和中埋式钢边橡胶止水带等防水措施外，同时在明挖结构隧道的底板和中隔墙设置凹凸榫，中隔墙变形缝处设置凹凸榫见下图1、2。凹凸榫的设置增加了明挖结构隧道的整体稳定性，提高了明挖结构对软弱地层不均匀沉降或错动的适应性，凹凸榫制约着隧道结构的变形。中隔墙设置凹凸榫既可抵抗较大剪力，又便于维护，也可对中隔墙变形缝内的填充物进行更换。

图1 狮子洋隧道明挖段中隔墙变形缝结构立面图

图2 狮子洋隧道明挖段中隔墙变形缝结构平面图

由于该凹凸榫易于设置，结构简单，质量可靠，能适应较大值的地层沉降和错动，使隧道结构稳定，避免隧道中钢筋混凝土的损坏，且便于维护，值得推广使用。

此变形缝的处理还申请了专利“一种变形缝具有抗剪功能的软弱地层明挖隧道”（专利号ZL 2011 20341600.6）。

4 沉降控制

在Ⅶ度地震影响和高速列车运行下容易产生软土震陷现象，而砂土又会产生中等～严重液化。考虑到地层条件的复杂性，大部分地段需要处理的范围既有软土又有砂土，为确保处理效果，并简化施工，处理方法的选择应同时适应砂土液化和软土震陷的处理。经研究比较，推荐采用高压喷射注浆进行地基处理。对抗浮不满足地段采用钻孔桩共同处理液化及抗浮。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）计算，狮子洋隧道明挖段对砂土液化和软土震陷的处理具体设计为：

（1）进口暗埋DIK33+130~+660段采用的旋喷桩间距为1.2m*1.2梅花型布置，加固深度为结构底板以下至地面以下20m范围。坑底经加固处理后，基坑开挖前要求实测桩间土的标准贯入锤击数，粘性土不得小于10，砂土不得小于12。

（2）进口敞开DIK33+000～DIK33+130段处于公堡涌河段，受河床淤积影响，地基承载力低。DIK33+000~DIK33+130段采用Φ650搅拌桩抽条加固；在基坑两侧搅拌桩加固宽度为4m，其它区域采用3m间隔加固，搅拌桩深度为地面以下10m（即穿透淤泥土层），要求搅拌桩28天无侧限抗压强度不小于1.0MPa。同时敞开段还采用Φ1000钻孔桩共同处理液化及抗浮。

（3）出口暗埋DIK43+000~+620段采用的旋喷桩间距为1.5m*1.5m梅花型布置，加固深度为结构底板以下至地面以下20m范围。坑底经加固处理后，基坑开挖前要求实测桩间土的标准贯入锤击数，粘性土不得小于10，砂土不得小于12。

（4）出口敞开段DIK43+620~+800采用Φ800钻孔桩共同处理液化及抗浮。

狮子洋隧道明挖段采用以上处理措施后，地基沉降量完全满足要求。

5 空气动力学效应

狮子洋隧道采用双孔单线结构断面形式，长度10.8km，由于盾构隧道的直径对工程造价影响较大，为降低工程造价，隧道内净空单洞有效面积采用65m2，列车速度目标值350km/h。由于该隧道单洞净空面积较小，列车运行速度高，且隧道较长，采用混凝土板式整体道床将会使得微压波问题进一步加剧。当列车通过该隧道时，这些因素将使得微压波在隧道出口区域产生高分贝的爆破噪音，对周围环境造成严重的噪声干扰。由于该隧道进出口附近均有建筑，在该隧道出口区域产生的噪声将可能对隧道出口周围的居民的日常生活产生严重影响。

当列车速度以350km/h进入狮子洋隧道时，压缩波传播至隧道出口向外辐射出去的微压波的压力峰值（即115Pa）会产生较为明显的爆破声，对周围的环境造成重大的噪声危害（隧道进出口位于远期规划的市区之中）。

目前，国内对于微压波的研究尚处于摸索阶段，对狮子洋隧道的微压波及其减缓措施做了大量的实验和研究，按行车速度300km/h制定减缓措施，并预留行车速度350km/h的减缓条件。经分析计算，设计采用的缓冲结构如下：

在每孔隧道列车入口段的明挖顶部及边墙依照隧道空气动力学规律布置多个不同尺寸的方形或圆形开口，其中左线隧道开口参数如表1所示，由于开口沿隧道纵向长度对缓解效果有明显影响，因此在开口的长度方向设置滑板，以便运营期可以根据实测情况调节开口长度。该措施可以在初始压缩波的形成阶段降低其最大压力梯度，减小出口微压波压力峰值。

表1 列车入口段明挖隧道缓冲结构开孔位置及几何尺寸

（2）在每孔隧道列车出口段的明挖顶部及边墙依照隧道空气动力学规律布置多个不同尺寸的方形或圆形开口，开口处同样设置滑板，以便运营期根据实测结果进行调整。该措施使得压缩波传播至隧道出口附近以后，一部分从该处分流出去，从而降低压缩波的最大压力梯度，减少出口微压波压力峰值。

在进出口设置了微压波减缓措施之后的狮子洋隧道的出口区域产生的微压波压力峰值完全满足国家规定的相应标准（即在距离隧道出口中心20m处的微压波压力峰值小于20Pa）。目前狮子洋隧道已建成通车，运营情况良好。

6 结语

目前在市政、铁路及城市轨道交通领域中，明挖隧道工法被普遍应用。狮子洋隧道作为中国第一条高速铁路水下隧道，地质条件复杂、要求又高，本文对狮子洋隧道明挖段设计中的几个关键技术问题进行了介绍，狮子洋隧道已于2011年12月建成通车，运营良好。希望这几个技术能对类似工程起到借鉴作用。

参考文献[1] 中国建筑科学研究院.GB50010—2010 混凝土结构设计规范[S]

北京：中国建筑工业出版社，2010.[2] 总参工程兵科研三所.GB50108—2008地下工程防水技术规

范[S] 北京：中国计划出版社，2008.

[3] 中国建筑科学研究院.GB50011—2010 建筑抗震设计规范[S]

北京：中国建筑工业出版社，2010.[4] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.广深港客运专线狮子洋隧

道施工设计 2006年.

作者简介:张惠兰，女，毕业于重庆交通大学，高级工程工程师，研究方向为地下工程