水下隧道特點(diǎn)及耦合設(shè)計(jì)方法

水下隧道特點(diǎn)及耦合設(shè)計(jì)方法1水下隧道的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)中存在的問題（一）水下隧道的特點(diǎn)水下隧道與一般陸地隧道相比，有其自身的顯著特點(diǎn)：（1）建設(shè)難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高施工不僅要承受較大水土壓力，而且受埋深和地表水影響，圍巖穩(wěn)定性一般較差，同時(shí)水域環(huán)境也限制了各種預(yù)處理措施的實(shí)施。（2）水域環(huán)境復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)方案與施工實(shí)施的制約因素多如河流的水位、流速變化，通航要求，河道疏浚與船舶拋錨、防洪等，這些因素對(duì)隧道埋深和施工方案選擇會(huì)產(chǎn)生很大影響與制約。水下隧道的特點(diǎn)及建設(shè)中存在的問題（一）水下隧道的特點(diǎn)（3）岸邊段結(jié)構(gòu)和工法類型復(fù)雜受城市道路、地面建筑等影響，需采用合適的施工方法和結(jié)構(gòu)類型。（4）需慎重考慮隧道結(jié)構(gòu)、防水、耐久性、防災(zāi)疏散、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)、施工及效果評(píng)估。（5）水下隧道一般較長(zhǎng)，需考慮合理的施工組織及施工裝備因素。（6）環(huán)境評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等相關(guān)問題在水下隧道的建設(shè)中特別突出火災(zāi)、爆炸、地震等災(zāi)害可能產(chǎn)生比陸地隧道嚴(yán)重得多的次生災(zāi)害，且災(zāi)后的修復(fù)難度更大，需要有更可靠的結(jié)構(gòu)安全保障措施。水下隧道的特點(diǎn)及建設(shè)中存在的問題（二）水下隧道設(shè)計(jì)中存在的問題水下隧道是集結(jié)構(gòu)、巖土、環(huán)保、工程材料、施工裝備、施工技術(shù)、運(yùn)營(yíng)安全與防災(zāi)技術(shù)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)于一體的系統(tǒng)工程，修建時(shí)間長(zhǎng)，參與部門和專業(yè)多。目前我國(guó)水下隧道設(shè)計(jì)主要存在以下問題：

（1）傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程為單線條，缺乏整體優(yōu)化考量各專業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)之間都存在著千絲萬縷的聯(lián)系，施工裝備與施工技術(shù)也是水下隧道技術(shù)的重要組成部分，必須綜合考量。水下隧道的特點(diǎn)及建設(shè)中存在的問題（二）水下隧道設(shè)計(jì)中存在的問題

（2）某些水下隧道結(jié)構(gòu)安全性受到挑戰(zhàn)，值得深思●盾構(gòu)隧道出現(xiàn)管片襯砌環(huán)錯(cuò)臺(tái)、開裂、局部滲漏水、混凝土腐蝕等病害現(xiàn)象；

●一些沉管隧道發(fā)生持續(xù)性沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或接頭變形超限；

●隧道還受到車輛撞擊、火災(zāi)、恐怖襲擊的威脅。水下隧道的特點(diǎn)及建設(shè)中存在的問題（二）水下隧道設(shè)計(jì)中存在的問題

（3）一些新問題所帶來的新挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)如何妥當(dāng)處理值得深思如高速列車振動(dòng)問題、

軟弱地層中隧道沉降問題、隧道內(nèi)的爆炸問題等。水下隧道的特點(diǎn)及建設(shè)中存在的問題（三）水下隧道施工中存在的問題

（1）盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性與設(shè)備性能配置，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究因盾構(gòu)機(jī)配置與性能不合理給施工帶來困難的案例不少。（2）工期壓力、質(zhì)量意識(shí)等方面引起的施工質(zhì)量問題時(shí)有存在對(duì)影響運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵部位和工序，存在認(rèn)識(shí)不清的現(xiàn)象。（3）全面優(yōu)化施工組織，精細(xì)化施工，以技術(shù)換效益的認(rèn)識(shí)不足對(duì)影響施工成本的關(guān)鍵因素認(rèn)識(shí)不到位，即使認(rèn)識(shí)到了，改進(jìn)措施也十分缺乏。（4）對(duì)技術(shù)難題研究不深入，很多方面流于表面定性認(rèn)識(shí)以注漿為例，經(jīng)常聽到的是注漿后土體明顯改善，但改善后的具體指標(biāo)是多少，沒有進(jìn)一步的研究。水下隧道工程整體耦合設(shè)計(jì)方法（一）工程整體耦合設(shè)計(jì)方法的概念

所謂工程整體耦合，就是將工程的各專業(yè)、各系統(tǒng)、各階段（施工階段和運(yùn)營(yíng)階段）作為一個(gè)整體考慮對(duì)象，并找尋其內(nèi)在聯(lián)系，使之在整體上相互耦合，成為一個(gè)有機(jī)聯(lián)合體。

水下隧道工程整體耦合設(shè)計(jì)方法，就是綜合考慮建設(shè)條件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、使用功能、防災(zāi)救援、施工裝備與施工技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)等因素，初步確定若干個(gè)可行的整體耦合設(shè)計(jì)方案，然后采用合理的評(píng)價(jià)體系與方法進(jìn)行充分比選，提出推薦方案，再對(duì)推薦方案進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化，形成實(shí)施方案，使工程在安全可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)先進(jìn)性、環(huán)境協(xié)調(diào)性等方面綜合最優(yōu)。水下隧道工程整體耦合設(shè)計(jì)方法（二）水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)的目標(biāo)與因素

整體耦合設(shè)計(jì)的目標(biāo)，也即優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，可以是造價(jià)最低、工期最短、風(fēng)險(xiǎn)最低、運(yùn)營(yíng)管理最方便等，或?qū)⒍鄠€(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行綜合。Y為綜合總目標(biāo)函數(shù)，X為影響因素變量集合，yi為各子目標(biāo)函數(shù)，xj為各影響因素，wi為權(quán)重因子。水下隧道工程整體耦合設(shè)計(jì)方法（三）水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)的思路

1）列出關(guān)鍵參數(shù)或控制變量xj，分析其取值范圍組成樣品集X；2）列出子目標(biāo)yi并綜合成總目標(biāo)函數(shù)Y，分析子目標(biāo)yi與控制變量xj關(guān)系以及控制變量xj之間的制約關(guān)系；3）通過一定的數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出控制變量xj對(duì)目標(biāo)函數(shù)Y的影響度，形成函數(shù)Y(X)；4）通過優(yōu)化分析尋求函數(shù)的最優(yōu)解，并確定各控制變量xj的取值，完成整體耦合設(shè)計(jì)。水下隧道工程整體耦合設(shè)計(jì)方法（四）水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)方法

（1）層次分析法（2）模糊綜合評(píng)判法（3）專家綜合評(píng)估法（4）線性或非線性規(guī)劃（5）數(shù)值優(yōu)化方法水下隧道工程整體耦合設(shè)計(jì)方法（五）整體耦合設(shè)計(jì)中若干關(guān)鍵問題

（1）雙管隧道合理凈距（2）隧道施工對(duì)臨近建（構(gòu)）筑物的影響及合理凈距（3）水下段合理埋置深度（4）隧道橫斷面合理布置（5）襯砌結(jié)構(gòu)類型選擇（6）火災(zāi)規(guī)模與防火保護(hù)措施的合理選擇（7）水下隧道疏散救援方式選擇（8）水下隧道防災(zāi)設(shè)施與救災(zāi)對(duì)策（9）水下隧道的施工組織方案與裝備（10）其他

2004年11月開工的武漢長(zhǎng)江隧道，是我國(guó)首座在上海地區(qū)之外修建的大直徑盾構(gòu)隧道，開啟了我國(guó)在復(fù)雜地層修建大直徑盾構(gòu)隧道的歷史。武漢長(zhǎng)江隧道被譽(yù)為“萬里長(zhǎng)江第一隧”，全長(zhǎng)3630m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)2540m，雙向四車道，設(shè)計(jì)車速60km/h。采用兩臺(tái)Φ11.37m復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑10m，外徑11m。工程于1995年開始方案研究，2004年11月開工建設(shè)，2008年12月通車。

（一）盾構(gòu)法水下隧道

1）工程概況水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例1.武漢長(zhǎng)江隧道

（1）

河勢(shì)條件極其復(fù)雜：年內(nèi)最大水位差17m，河床沖淤變化幅度達(dá)10m。（2）

地層條件十分復(fù)雜：盾構(gòu)穿越粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂地層，在江中局部地段切入砂巖，切入長(zhǎng)度250m，切入最大深度2.5m，巖層最大抗壓強(qiáng)度24MPa，是國(guó)內(nèi)大直徑盾構(gòu)首次穿越土巖復(fù)合地層。（3）水壓力高：承受最大水壓力57m，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)水壓最高的隧道。

2）特點(diǎn)與難點(diǎn)（一）盾構(gòu)法水下隧道水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例1.武漢長(zhǎng)江隧道（4）地層滲透性強(qiáng)：盾構(gòu)段全斷面位于粉細(xì)砂、中粗砂中的長(zhǎng)度1930m，是國(guó)內(nèi)大直徑盾構(gòu)首次在強(qiáng)滲透地層施工。（5）盾構(gòu)施工技術(shù)新：是國(guó)內(nèi)首次采用大直徑復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)施工。（6）掘進(jìn)距離長(zhǎng)：盾構(gòu)段長(zhǎng)2540m，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)一次掘進(jìn)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的隧道。（7）地面環(huán)境復(fù)雜：盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)5層以上建筑物有54棟，且穿越鐵路、多條城市道路、長(zhǎng)江防洪大堤。

2）特點(diǎn)與難點(diǎn)（一）盾構(gòu)法水下隧道水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例1.武漢長(zhǎng)江隧道水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

1.武漢長(zhǎng)江隧道（1）采取綜合措施確保盾構(gòu)下穿地面建筑物的安全▲采用氣墊式泥水平衡盾構(gòu)技術(shù)：利用開挖倉后部的氣墊倉內(nèi)的壓縮空氣對(duì)液面變化的高度敏感性，實(shí)現(xiàn)對(duì)開挖面壓力的精確控制，泥水壓力波動(dòng)幅度可以控制在±0.1bar以內(nèi)。通過對(duì)開挖面壓力的精確控制是減少地面沉降的關(guān)鍵措施之一。

3）整體耦合設(shè)計(jì)思路水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

1.武漢長(zhǎng)江隧道（1）采取綜合措施確保盾構(gòu)下穿地面建筑物的安全▲通過隧道平面位置的優(yōu)化調(diào)整，最大限度避開保護(hù)性建筑?！扇〖訌?qiáng)基礎(chǔ)、加固墻體方式保證盾構(gòu)下穿文物建筑的安全。省級(jí)文物建筑——魯茲故居修建于1896年，盾構(gòu)下穿時(shí)的覆土厚度僅6m，為保證下穿安全，需要加強(qiáng)該建筑的整體性：采用筏板基礎(chǔ)替代原有基礎(chǔ)，并采用碳纖維布對(duì)墻體進(jìn)行加固。

3）整體耦合設(shè)計(jì)思路水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

1.武漢長(zhǎng)江隧道（2）合理確定江中段隧道的埋置深度與縱斷面線型▲開展河床沖刷深度的研究與試驗(yàn)對(duì)百年一遇、三百年一遇洪水條件下隧道的最大沖刷深度進(jìn)行研究與試驗(yàn)，包括：河床演變分析、河工模型試驗(yàn)和沖刷數(shù)值模擬研究。為安全起見，采用不同研究成果的下包絡(luò)線作為沖刷深度控制線。

3）整體耦合設(shè)計(jì)思路水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

1.武漢長(zhǎng)江隧道（2）合理確定江中段隧道的埋置深度與縱斷面線型▲最小覆土厚度按施工安全與運(yùn)營(yíng)安全雙控制方法確定施工期最小安全覆土厚度按現(xiàn)狀河床下不小于0.7D（D為隧道外徑）控制，運(yùn)營(yíng)期最小覆土厚度按抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算確定，即必須在發(fā)生最大沖刷后抗浮安全系數(shù)不小于1.05。

3）整體耦合設(shè)計(jì)思路水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

1.武漢長(zhǎng)江隧道（2）合理確定江中段隧道的埋置深度與縱斷面線型▲進(jìn)行V型縱坡與W型縱坡方案的比較為減小盾構(gòu)切入基巖的長(zhǎng)度與深度，進(jìn)行了V型坡與W型坡方案的比較。由于河床沖刷可能存在兩個(gè)深槽，即使采用W型縱坡，對(duì)施工條件的改善也極為有限，但明顯劣化了線型條件，因此采用V型縱坡方案。

3）整體耦合設(shè)計(jì)思路水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

1.武漢長(zhǎng)江隧道（3）防災(zāi)疏散安全、施工安全與結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全整體耦合設(shè)計(jì)▲隧道橫斷面布置：分為三層上層：為排煙道中間層：行車道下層：管線廊道與疏散通道

3）整體耦合設(shè)計(jì)思路水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

1.武漢長(zhǎng)江隧道（3）防災(zāi)疏散安全、施工安全與結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全整體耦合設(shè)計(jì)▲采用動(dòng)態(tài)定點(diǎn)半橫向頂部排煙與下沉式縱向疏散相結(jié)合的防災(zāi)技術(shù)隧道處于城市中心區(qū)，必須考慮交通堵塞與火災(zāi)同時(shí)發(fā)生的極不利情況。利用“動(dòng)態(tài)定點(diǎn)半橫向頂部排煙”系統(tǒng)和“下沉式縱向疏散”系統(tǒng)相結(jié)合的方式，妥善解決了施工風(fēng)險(xiǎn)、結(jié)構(gòu)安全與運(yùn)營(yíng)疏散的矛盾，從而取消了橫通道，并能有效控制火災(zāi)煙霧蔓延范圍，保證了火災(zāi)情況下的疏散救援安全。

3）整體耦合設(shè)計(jì)思路水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

1.武漢長(zhǎng)江隧道（4）防水與結(jié)構(gòu)安全一體化設(shè)計(jì)

盾構(gòu)法隧道難以做到“滴水不漏”。隧道處于高水壓、強(qiáng)滲透粉細(xì)砂地層，防水性能與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性息息相關(guān)。不同部位的防水密封墊失效將對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響，影響最大的是隧道底部與兩側(cè)。因此，提出滿足防水與結(jié)構(gòu)安全一體化的“管片襯砌+拱部非封閉內(nèi)襯”新結(jié)構(gòu)。

3）整體耦合設(shè)計(jì)思路水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

2.南京長(zhǎng)江隧道1）工程概況

南京長(zhǎng)江隧道是世界上在強(qiáng)滲透高磨蝕地層中修建的直徑最大、水壓最高、覆跨比最小的水下盾構(gòu)隧道，為雙向六車道城市快速路隧道，設(shè)計(jì)車速80km/h。隧道建筑長(zhǎng)度為3905m，其中盾構(gòu)隧道段長(zhǎng)3022m。隧道外徑14.5m。于2005年8月開工，2010年5月通車。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

2.南京長(zhǎng)江隧道2）工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

工程建設(shè)面臨7大技術(shù)難點(diǎn)：超大直徑（φ14.93m、當(dāng)時(shí)世界第二）、高水壓（0.65MPa）、地層強(qiáng)滲透性（85%的地段穿越粉細(xì)砂、礫砂、卵石地層，最大滲透系數(shù)43.2m/d）、地層高磨蝕性（最大石英含量60%，卵石最大粒徑約30cm，最大標(biāo)貫擊數(shù)>50）、長(zhǎng)距離掘進(jìn)（一次掘進(jìn)長(zhǎng)度3022m）、超淺覆土（江中覆土最薄處10.49m，約0.7D）、地形陡變（河床次深槽緊鄰防洪堤坡腳）等。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

2.南京長(zhǎng)江隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路

采用覆土反壓、局部全斷面地層加固和門式地層加固相結(jié)合的超淺覆土始發(fā)方案，將始發(fā)段覆土厚度減小至5.5m（僅0.38D），既保證了施工安全，又縮短了隧道長(zhǎng)度，節(jié)約工程投資約5000萬元。（1）采用地層加固后的超淺覆土始發(fā)方式減少明挖段長(zhǎng)度、加大基坑與防洪堤的距離水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

2.南京長(zhǎng)江隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路▲隧道橫斷面布置分為上下兩層，上層用于行車，下層主要布置管線和設(shè)置維修、救援、疏散通道等，為服務(wù)層。服務(wù)層由隔墻劃分為三部分，中間孔內(nèi)消防通道與疏散通道有效分離。（2）防災(zāi)疏散安全、施工安全與結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全整體耦合設(shè)計(jì)水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

2.南京長(zhǎng)江隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路▲逃生疏散與救援系統(tǒng)布置疏散路徑：人員打開逃生滑道蓋板，通過滑梯進(jìn)入隧道下層的疏散通道，再向岸邊的工作井疏散。

救援路徑：消防人員從岸邊的工作井進(jìn)入隧道下層，乘坐電瓶車從救援通道達(dá)到火災(zāi)點(diǎn)下方，通過爬梯進(jìn)入上層車道層。（2）防災(zāi)疏散安全、施工安全與結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全整體耦合設(shè)計(jì)水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

2.南京長(zhǎng)江隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路▲同步施工與內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體耦合設(shè)計(jì)中間箱涵預(yù)制，隨掘進(jìn)同步安裝，滯后中間箱涵拼裝面一定距離在管片上植筋并現(xiàn)澆支撐牛腿，再現(xiàn)澆牛腿與中間箱涵之間的車道板。（2）防災(zāi)疏散安全、施工安全與結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全整體耦合設(shè)計(jì)水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

2.南京長(zhǎng)江隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路隧道穿越強(qiáng)滲透地層的長(zhǎng)度約2600m，其中約1000m為卵石、礫石地層，此類地層刀具磨損和刀具損壞的風(fēng)險(xiǎn)大，必須進(jìn)行多次刀具更換。為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，加快施工進(jìn)度，必須實(shí)現(xiàn)常壓換刀。（3）盾構(gòu)機(jī)采用常壓換刀技術(shù)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，加快施工進(jìn)度水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

3.武漢三陽路公鐵兩用長(zhǎng)江隧道1）工程概況隧道位于城市主城區(qū)，距下游的長(zhǎng)江二橋1.3km，由于主城區(qū)過江通道資源有限，該通道為城市道路與軌道交通7號(hào)線共用，是世界上首座公鐵兩用盾構(gòu)隧道。道路隧道全長(zhǎng)4650m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)2590m，上層為雙向六車道城市道路，設(shè)計(jì)車速60km/h；下層為地鐵7號(hào)線，設(shè)計(jì)車速100km/h。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

3.武漢三陽路公鐵兩用長(zhǎng)江隧道1）工程概況

隧道外徑15.2m，穿越的地層主要為淤泥質(zhì)粘土、粉細(xì)砂和基巖，其中江中段切入基巖的長(zhǎng)度為1200m，切入最大深度為9m。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

3.武漢三陽路公鐵兩用長(zhǎng)江隧道2）工程特點(diǎn)與難點(diǎn)（1）兩岸建筑密集，道路紅線寬度僅40m，結(jié)構(gòu)布置難度大。（2）公鐵合建，隧道直徑大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防災(zāi)處理難度大。（3）水壓力高、地質(zhì)復(fù)雜。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

3.武漢三陽路公鐵兩用長(zhǎng)江隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路

如按常規(guī)設(shè)計(jì)，雙孔盾構(gòu)凈距采用1.0D，則隧道將侵入兩側(cè)道路紅線，造成大面積拆遷，同時(shí)明挖段也缺少施工場(chǎng)地。因此，盾構(gòu)段局部采用小凈距布線方式，凈距為5.0m，采用旋噴樁進(jìn)行加固。（1）盾構(gòu)段局部采用小凈距方式減少拆遷和利于地面建筑物的保護(hù)水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

3.武漢三陽路公鐵兩用長(zhǎng)江隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路（2）防災(zāi)疏散安全、施工安全與結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全整體耦合設(shè)計(jì)▲隧道橫斷面布置方法在防災(zāi)疏散與救援方面：

道路隧道層有二個(gè)難點(diǎn)：一是橫通道設(shè)置問題；二是主城區(qū)隧道必須考慮交通堵塞與火災(zāi)同時(shí)發(fā)生的極不利情況。地鐵隧道層也存在兩個(gè)難點(diǎn)：一是越江區(qū)間長(zhǎng)達(dá)3217m，存在最大通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度問題；二是橫通道設(shè)置問題。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

3.武漢三陽路公鐵兩用長(zhǎng)江隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路（2）防災(zāi)疏散安全、施工安全與結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全整體耦合設(shè)計(jì)

橫斷面分三層布置，利用地鐵孔兩側(cè)的富余空間一側(cè)布置地鐵排煙道和道路隧道的管線廊道，另一側(cè)布置道路隧道和地鐵隧道共用的疏散通道。該布置方式不設(shè)置橫通道，消除了橫通道施工風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全的風(fēng)險(xiǎn)，能確保隧道防災(zāi)疏散與救援安全。獅子洋隧道是我國(guó)首座穿越土巖復(fù)合地層的大直徑盾構(gòu)隧道，全長(zhǎng)10.8km，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)9340m。雙孔單線，隧道外徑10.8m。設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350km/h。采用4臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)施工，左右線各兩臺(tái)，兩兩相向掘進(jìn)，再地中對(duì)接、洞內(nèi)解體。工程于2006年5月開工，2011年3月全隧道貫通，2011年12月投入運(yùn)營(yíng)。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

4.廣深港高鐵獅子洋隧道1）工程概況（1）行車速度高：350km/h，世界最高；（2）長(zhǎng)度大：長(zhǎng)度10.8km，國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)，世界同類隧道第二；（3）水壓力高：6.7bar，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最高；（4）地質(zhì)條件復(fù)雜多變：穿越淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂、全風(fēng)化～弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、砂礫巖。是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)地層強(qiáng)度差別最大的大直徑盾構(gòu)隧道。（5）地中對(duì)接：國(guó)內(nèi)首次。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

4.廣深港高鐵獅子洋隧道2）工程特點(diǎn)與難點(diǎn)水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

4.廣深港高鐵獅子洋隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路▲縱斷面設(shè)計(jì)原則主河床段基巖面以上的軟弱地層覆蓋厚度較薄，且基巖面起伏很大，應(yīng)盡可能將隧道埋置于基巖中。（1）合理確定隧道埋置深度▲微風(fēng)化基巖覆蓋厚度的選擇埋深過大，防水和施工難度增加，不利于運(yùn)營(yíng)；過小，對(duì)結(jié)構(gòu)和施工也不利。合理的基巖覆蓋厚度是：使隧道處于“深埋”所需的最小覆蓋厚度。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

4.廣深港高鐵獅子洋隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路方案一：設(shè)二座工作井，4臺(tái)盾構(gòu)地中對(duì)接；方案二：設(shè)四座工作井，4臺(tái)盾構(gòu)井內(nèi)拆解。方案一工期可靠性高、造價(jià)低，予以推薦。（2）采用地中對(duì)接技術(shù)降低施工難度、確保工期水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

4.廣深港高鐵獅子洋隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路按照“圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)抗災(zāi)可靠性相匹配”的方法考慮，即使發(fā)生火災(zāi)、爆炸、撞擊等偶然事件，基巖地段不致于發(fā)生結(jié)構(gòu)整體垮塌事故，而軟弱地層段需要加強(qiáng)，故軟弱地層段設(shè)置內(nèi)襯是必要的。從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的角度考慮，火災(zāi)、爆炸、撞擊3種偶然事件災(zāi)害發(fā)生在軟弱地層盾構(gòu)段時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)期望值之和為1352.5萬元，而采取設(shè)置內(nèi)襯的措施降低風(fēng)險(xiǎn)損失的投入為1600萬元，可見，降低風(fēng)險(xiǎn)的投入費(fèi)用要高于風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)的期望值。根據(jù)《隧道風(fēng)險(xiǎn)管理指南》，可以不采取風(fēng)險(xiǎn)降低措施，即可以不設(shè)置內(nèi)襯。（3）基于“圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)抗災(zāi)可靠性相匹配”及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法確定結(jié)構(gòu)選型水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

4.廣深港高鐵獅子洋隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路考慮到獅子洋隧道為我國(guó)第一座鐵路水下隧道，施工和運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)少，且增加內(nèi)襯的費(fèi)用不高，因此考慮適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。對(duì)于內(nèi)襯的具體設(shè)置地段，應(yīng)基于“圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)抗災(zāi)可靠性相匹配”的方法來設(shè)計(jì)，即僅在軟弱地層段采用“管片+混凝土內(nèi)襯”的雙層襯砌。（3）基于“圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)抗災(zāi)可靠性相匹配”及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法確定結(jié)構(gòu)選型水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

4.廣深港高鐵獅子洋隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路▲隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)分析與緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置通過設(shè)置洞口緩沖結(jié)構(gòu)，可將隧道軌面以上最小凈空面積由規(guī)范要求的70m2減小至60～65m2。（4）采取綜合技術(shù)措施縮小隧道直徑水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（一）盾構(gòu)法水下隧道

4.廣深港高鐵獅子洋隧道3）整體耦合設(shè)計(jì)思路▲列車振動(dòng)對(duì)地基的影響及減緩措施對(duì)砂土地段的列車振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)行了隧道是否設(shè)置內(nèi)襯、是否采取軌道減振措施的對(duì)比分析。結(jié)果表明：在隧底相同超孔隙水壓比的控制條件下，采取減振措施后，隧道外徑可由11.2m減小至10.8m，效果顯著。（4）采取綜合技術(shù)措施縮小隧道直徑水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（二）鉆爆法水下隧道——長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽河隧道

1.工程概況

位于長(zhǎng)沙市瀏陽河入湘江口處，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度50km/h。隧道建筑長(zhǎng)度1910m，暗洞長(zhǎng)度1400m，其中鉆爆法隧道段長(zhǎng)580m，兩孔隧道凈間距7.68～23.38m。隧道開挖跨度11.9m，開挖高度10.4m。在河床下最小覆蓋厚度14m（含2m土層），最大水頭高度約31m，是國(guó)內(nèi)覆跨比最小的鉆爆法水下隧道。工程于2007年12月開工，2009年10月1日通車。是國(guó)內(nèi)首座采用淺埋暗挖法修建的水下隧道。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（二）鉆爆法水下隧道——長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽河隧道

2.工程難點(diǎn)1）缺少類似水文、地質(zhì)和環(huán)境條件下的工程經(jīng)驗(yàn)，施工方法選擇是個(gè)難題。2）過河段穿越強(qiáng)風(fēng)化礫巖，地層軟弱，埋深選擇至關(guān)重要。3）暗挖段具有間距小、滲透性強(qiáng)、圍巖遇水易軟化等特點(diǎn)，必須采取合理的施工安全措施。4）如何減少隧道滲漏水、降低運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)期排水費(fèi)用及長(zhǎng)期排水對(duì)周邊環(huán)境的影響，是必須解決的難題。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（二）鉆爆法水下隧道——長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽河隧道

3.整體耦合設(shè)計(jì)思路河道寬度約340m，最高洪水位39.18m，最低枯水位23～26m，多年平均水位29.48m，水位最大變幅12.83m。河底標(biāo)高19.9m。隧道修建方法選擇的過程較曲折，爭(zhēng)議較大，進(jìn)行了多家設(shè)計(jì)單位的多方案比選，包括沉管法、盾構(gòu)法、鉆爆法、圍堰明挖法。鉆爆法隧道方案造價(jià)最低，工期最短，最終被確定采用。實(shí)踐證明，鉆爆法是與該工程建設(shè)條件最相適應(yīng)的施工方法。1）綜合工程建設(shè)條件以及工期、造價(jià)等多方面因素，合理選擇施工工法水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（二）鉆爆法水下隧道——長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽河隧道

3.整體耦合設(shè)計(jì)思路（1）施工時(shí)機(jī)選擇由于洪水期水位高于城市地面，塌方涌水可能導(dǎo)致江水倒灌，因此，水下段施工應(yīng)盡量安排在枯水期。（2）做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（3）輔助施工措施：包括全斷面深孔預(yù)注漿、周邊徑向注漿、長(zhǎng)管棚加超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、掌子面超前錨桿預(yù)支護(hù)等。2）采用水下淺埋暗挖技術(shù)，合理確定隧道的最小埋置深度水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（二）鉆爆法水下隧道——長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽河隧道

3.整體耦合設(shè)計(jì)思路（4）選擇合理的開挖方法先行隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，后行隧道采用CD法施工。為防止爆破施工引起坍方，隧道拱部采用銑挖機(jī)或單臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行預(yù)切槽開挖，完成拱部支護(hù)后，再采用弱爆破法開挖其余部分。2）采用水下淺埋暗挖技術(shù)，合理確定隧道的最小埋置深度水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（二）鉆爆法水下隧道——長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽河隧道

3.整體耦合設(shè)計(jì)思路2）采用水下淺埋暗挖技術(shù)，合理確定隧道的最小埋置深度關(guān)于隧道的埋置深度問題，初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了激烈的研討。有專家認(rèn)為，設(shè)計(jì)埋深太小，與日本、挪威的經(jīng)驗(yàn)不符，應(yīng)加大至25m。設(shè)計(jì)認(rèn)為，隧道的埋深取決于開挖面的穩(wěn)定性控制，在采取可靠的預(yù)支護(hù)措施后，可以減少埋深，不必受制于國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)公式。實(shí)踐表明，水下淺埋暗挖是可行的。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（二）鉆爆法水下隧道——長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽河隧道

3.整體耦合設(shè)計(jì)思路3）根據(jù)工程環(huán)境條件和運(yùn)營(yíng)要求，合理選擇襯砌結(jié)構(gòu)類型隧道最大水頭高度為31.4m，表土地層軟弱，如按普通山嶺隧道采用排水型襯砌，隧道內(nèi)的長(zhǎng)期排水可能誘發(fā)地下水位下降、周邊建筑物沉降變形等問題，且運(yùn)營(yíng)排水費(fèi)用高。為此，提出并采用“防水型抗水壓復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)”。由于隧道承受的水壓力小于40m，增加的工程費(fèi)用很少。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（二）鉆爆法水下隧道——長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽河隧道

3.整體耦合設(shè)計(jì)思路3）根據(jù)工程環(huán)境條件和運(yùn)營(yíng)要求，合理選擇襯砌結(jié)構(gòu)類型防水采用“以防為主、多道設(shè)防”的原則。

采用全封閉防水的關(guān)鍵技術(shù)有三點(diǎn)：一是初期支護(hù)與圍巖的防水，二是采用自粘式防水板實(shí)現(xiàn)全封閉防水，三是二次襯砌自防水及施工縫、變形縫的防水處理。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（三）沉管法水下隧道——舟山沈家門港海底隧道

1.工程概況隧道由沈家門側(cè)出入口段、明挖暗埋段、沉管段、魯家峙側(cè)明挖暗埋段及出入口段組成，建筑長(zhǎng)度304.97m，其中沉管段長(zhǎng)度218m，分成3節(jié)（70m+2×74m）。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（三）沉管法水下隧道——舟山沈家門港海底隧道

1.工程概況沉管隧道采用折板結(jié)構(gòu)，橫斷面外包尺寸為11.5m（寬）×6.4m（高）。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（三）沉管法水下隧道——舟山沈家門港海底隧道

2.工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

1）管節(jié)斷面小，起浮抗浮設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)受力之間的矛盾突出；2）隧道坡度大（8%），增加了沉放、壓載水箱、基礎(chǔ)處理等的難度；3）隧道位于優(yōu)良的避風(fēng)港內(nèi)，停泊船舶多、通航流量大；4）隧道北岸出入口設(shè)置在海域內(nèi)，且貼近既有防洪堤，出入口本身施工難度大，還需要考慮沉管基槽開挖的影響。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（三）沉管法水下隧道——舟山沈家門港海底隧道

3.整體耦合設(shè)計(jì)思路

（1）圍堰方式選擇：采用雙排鋼管樁+模袋砂圍堰。（2）主體結(jié)構(gòu)、護(hù)岸結(jié)構(gòu)、堤防結(jié)構(gòu)一體化。

1）將北岸出入口布置于海域，采用圍堰明挖法施工，既不侵占既有道路，并兼作沉管基槽開挖的護(hù)岸結(jié)構(gòu)和永久堤防水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（三）沉管法水下隧道——舟山沈家門港海底隧道

3.整體耦合設(shè)計(jì)思路

（1）隧道橫斷面比選：采用折板型，不采用矩形（造價(jià)高）。（2）浮運(yùn)沉放附屬設(shè)施輕型化：結(jié)構(gòu)厚度受內(nèi)力控制，對(duì)舾裝件、壓重水箱、端封門等精確計(jì)算，盡量輕型化。

2）采用折板型斷面減小結(jié)構(gòu)厚度、施工附屬設(shè)施輕型化的措施，實(shí)現(xiàn)細(xì)柔沉管起浮抗浮、結(jié)構(gòu)受力、造價(jià)三者之間的綜合平衡。水下隧道整體耦合設(shè)計(jì)案例（四）圍堰明挖法水下隧道——澳門大學(xué)橫琴校區(qū)海底隧道

1.工程概況

位于珠海橫琴島澳門大學(xué)新校區(qū)，通過十字門水道，到達(dá)澳門岸。隧道長(zhǎng)14