玄武湖水底交通隧道工程方案比選優(yōu)化

/1前言

城市水下交通隧道，既在城市，又于水下，是一種技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)性高的典型的地質(zhì)工程。到目前為止，我國(guó)已在上海、廣州、寧波建成數(shù)條越江隧道。玄武湖位于南京市快速內(nèi)環(huán)線以內(nèi)的市中心地區(qū)，南北長(zhǎng)3km，東西寬2.6km，是南京市著名的風(fēng)景旅游景點(diǎn)。但它同時(shí)也嚴(yán)峻阻礙了城區(qū)中部的道路交通。通過(guò)交通規(guī)劃的初步論證，建設(shè)一條穿越湖底的東西向水下隧道很有必要。該隧道不同于以往的越江隧道，其工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件、城市環(huán)境約束因素以及工程的環(huán)境影響問(wèn)題更具困難性。玄武湖位于南京市快速內(nèi)環(huán)線以內(nèi)的市中心地區(qū),湖面寬敞,風(fēng)景秀麗,是南京市著名的風(fēng)景旅游點(diǎn),但同時(shí)也嚴(yán)峻阻礙了城區(qū)的道路交通,使城市路網(wǎng)中出現(xiàn)了一大片“空白”。為緩解市區(qū)交通,削減車輛繞行距離,加強(qiáng)地區(qū)間的聯(lián)系,市有關(guān)部門起先著手籌建玄武湖水底交通隧道。受南京市地鐵籌建處的托付,南京高校參加了該工程的可行性論證工作。擬建的玄武湖水底交通隧道,西和新模范公路相接,東和新莊相接(見(jiàn)下圖),雙向四車道。玄武湖水底交通隧道平面示意圖2系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則和目標(biāo)城市水底交通隧道,既在城市,又在水下,工程建設(shè)中涉及到交通規(guī)劃、市政環(huán)境愛(ài)惜、地面變形、工程地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)條件等多種因素,是一種典型的系統(tǒng)工程(SystematicEngineering),其施工方案的選擇應(yīng)遵循確定的原則進(jìn)行,結(jié)合玄武湖水底交通隧道工程,提出以下原則:目標(biāo)原則玄武湖水底交通隧道的關(guān)鍵是要解決交通問(wèn)題。隧道的建成,要盡最大限度地緩解玄武湖四周的交通擁擠狀況,這個(gè)目標(biāo)是確定不能偏離的。地質(zhì)原則水底交通隧道建在地質(zhì)體之中,涉及到區(qū)域穩(wěn)定性、地面變形、砂土液化、軟土震陷、涌砂涌水、突水、開(kāi)挖面失穩(wěn)、有害氣體等多種工程地質(zhì)問(wèn)題,是一個(gè)典型地質(zhì)工程。隧道施工,要盡可能避開(kāi)困難的工程地質(zhì)問(wèn)題,對(duì)可能發(fā)生的工程地質(zhì)問(wèn)題要有備無(wú)患。效益原則建設(shè)玄武湖水底交通隧道,投資巨額,不能很快產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,然而其社會(huì)效益相當(dāng)可觀。在規(guī)劃中應(yīng)盡最大限度地降低工程造價(jià)。社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益并重。技術(shù)原則選取的施工方法不僅要有可行性,而且要有牢靠性,應(yīng)選用成熟的施工方法。環(huán)境原則工程施工過(guò)程中,要盡可能地削減對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)。施工不能影響玄武湖四周人民的正常生產(chǎn)及生活,也不能影響到隧道沿線高層建筑、地下管線及文物景觀等的平安。整體最優(yōu)原則玄武湖水底交通隧道是一個(gè)系統(tǒng)工程,由若干子系統(tǒng)構(gòu)成。施工方案即為一子系統(tǒng)。分析問(wèn)題時(shí)要從系統(tǒng)的整體效益著眼,局部可以不最優(yōu),但整體必需最優(yōu)。在上述思想的指導(dǎo)下,進(jìn)行工程施工方法的比選和優(yōu)化。3工程地質(zhì)概況3.1地形地貌玄武湖位于南京市區(qū)的東北面,呈紡錘狀,其長(zhǎng)軸走向?yàn)镹W向。玄武湖三面環(huán)山(北、南、東),湖底平坦,水深平均為1.45m,湖區(qū)水域基本發(fā)育在三疊系、侏羅系地層和火成巖剝蝕凹地之上,基巖埋藏較深,一般35～40m。3.2地層隧道位于第四系河流沖積沉積層中(古河道相及漫灘相),主要地層有(圖2):填土層人工填土層分布較為普遍,厚度一般變更于2～5m之間,成分困難,結(jié)構(gòu)疏松,并含有磚瓦碎片等人工廢棄物。(2)古秦淮河沉積層(Q2-34)a.淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層為古秦淮河漫灘相及湖沼相沉積物,有機(jī)質(zhì)成分較高,顏色為灰黑色,含水量較高,呈軟塑至流塑狀態(tài),分布范圍較廣,有較穩(wěn)定的層位,也有的呈透鏡狀。b.粉質(zhì)粘土層主要為古秦淮河漫灘相沉積的粘性土層,顏色為灰黃色,呈軟塑狀態(tài),含水量較高,分布范圍較廣。c.粉砂層是古秦淮河河床相沉積物,夾有細(xì)砂顆?；驃A有少量細(xì)砂薄層,偶而也夾有粉質(zhì)粘土透鏡體薄層,顏色為灰色,飽水,分布范圍廣,厚度大。3.3水文地質(zhì)條件地下工程開(kāi)挖,形成新的集水廊道,水害是屢見(jiàn)不鮮的,水下隧道及水底工程尤甚,干脆關(guān)系到工程的成敗。在水底交通隧道施工中,水是一個(gè)很麻煩的問(wèn)題。玄武湖水底交通隧道施工中,面臨3類水體:地表水、古河道水及下伏基巖水。地表水(湖水)玄武湖湖水和長(zhǎng)江水溝通,整個(gè)玄武湖面積約4km2,按平均水深1.45m計(jì)算,水量達(dá)5.8×106m3。古河道水湖內(nèi)有一條埋藏不深的古河道,分布有厚度不等的粉細(xì)砂層及粉質(zhì)粘土層,粉砂中地下水含量較大,為地下水富集帶,單井涌水量最大可達(dá)2000～5000m3/d。下伏基巖水幕府山—九華山斷裂(F2斷裂)沿南北向穿越玄武湖,和隧道軸線斜交。據(jù)現(xiàn)有資料,F2斷裂為張扭性斷裂(見(jiàn)下圖),在下伏閃長(zhǎng)巖中切割深達(dá)20km,沿走向延長(zhǎng)較長(zhǎng),規(guī)模較大,且伴生羽狀小斷裂。F2富水,具有承壓性,涌水量150～250m3/d。中心路——新莊地質(zhì)剖面圖1—閃長(zhǎng)巖;2—粉砂;3—粉質(zhì)粘土;4—淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土;5—安山巖;6—粘土;7—粘質(zhì)粉土;8—人工填土4方案比選4.1出口方案

A1方案，隧道暗埋于中心路下，在模范公路口和新模范公路平接；A2方案，從地鐵區(qū)間隧道上越過(guò)，在中心路西側(cè)和新模范公路平接；A3方案，挖去部分古城墻，在中心路東側(cè)約20m處和東進(jìn)的新模范路平接。

從城市環(huán)境約束因素看，在新模范公路和中心路交叉口，地上有三棟高層建筑，地下有縱橫分布的城市管線，再下面是已經(jīng)規(guī)劃的地鐵隧道，這三重約束解除了出口方案A2的可能性。

A1方案同A3方案比較，有諸多不利因素：(1)引道及出口段受灰?guī)r巖溶裂隙水的危脅；(2)穿過(guò)古城墻、主干道及高層建筑密集區(qū)，城市擾動(dòng)范圍大，環(huán)境影響對(duì)象多；(3)只能分流新模范公路，不能分流中心路；(4)線路長(zhǎng)，造價(jià)高。 從技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的角度，A3方案具有很多優(yōu)勢(shì)。不利的地方在于，要拆遷幾棟4～6層住宅樓，并挖去部分古城墻。古城墻的愛(ài)惜始終是人們關(guān)注和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。作者通過(guò)多方調(diào)查，認(rèn)為挖去部分古城墻的方案是可取的，這是基于如下幾點(diǎn)相識(shí)：①環(huán)境影響的評(píng)價(jià)作為限制發(fā)展的一種手段，目的在于使經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境愛(ài)惜協(xié)調(diào)起來(lái)，但限制過(guò)嚴(yán)則會(huì)影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)須要〔3〕。②方案3的硐口及引道低于兩側(cè)地坪的高度，從內(nèi)側(cè)看不到挖掘墻體的景象。③隧址旁邊的已有的人防隧道則高于兩側(cè)地坪高度，挖去了部分墻體。④從湖的外側(cè)看，假如設(shè)計(jì)得好，隧道從空中插入水中，也可增加幾分跨越時(shí)空的情趣。當(dāng)然，對(duì)于國(guó)家一級(jí)文物愛(ài)惜單位，可否挖尚需權(quán)威部門確定。4.2施工方案玄武湖水底交通隧道的施工方案,涉及到工程造價(jià)、工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、工程對(duì)環(huán)境的影響等關(guān)鍵問(wèn)題,因而施工方案的比選優(yōu)化顯得尤為重要。據(jù)目標(biāo)原則,隧道的建成,要最大限度地緩解玄武湖四周的交通擁擠。依據(jù)這個(gè)原則,就必需把隧道西端的出入口限制在中心路以東,使其能夠同時(shí)分流新模范公路和中心路的車流。中心路東側(cè)距新莊1590m。依據(jù)隧道公路設(shè)計(jì)規(guī)范,隧道最長(zhǎng)坡度不能超過(guò)3.5%。方案一:盾構(gòu)法方案隧道全線共設(shè)引道段、矩形段、圓形段。圓形段用盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)直徑為11.3m。盾構(gòu)法施工比明挖法相比,具有以下優(yōu)越性[3]:(1)在盾構(gòu)的掩護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖和襯砌作業(yè),有足夠的施工平安性;(2)施工作業(yè)不受氣候條件的影響;(3)產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲等環(huán)境危害較小,環(huán)境效益好;(4)對(duì)地面建筑物及地下管線的影響小;(5)施工期間,不影響玄武湖的風(fēng)景,可正常開(kāi)放。但用盾構(gòu)法施工,存在隧道埋深大,穿越城墻難等問(wèn)題。無(wú)論是用氣壓式盾構(gòu)、泥水加壓盾構(gòu),還是用土壓平衡式盾構(gòu),都存在一個(gè)盾構(gòu)內(nèi)壓和四周土體壓力平衡的問(wèn)題。若內(nèi)壓大于外壓,則會(huì)造成“冒頂涌水”的工程事故。在盾構(gòu)施工中,為確保內(nèi)外壓力平衡,國(guó)際上一般要求隧道上覆土厚度為1～1.5倍盾構(gòu)直徑。按上覆土為10m(0.88D)設(shè)計(jì)的盾構(gòu)法隧道方案如圖3(水深按1.45m計(jì)算)。隧道最大埋深為水面下21.3m,盾構(gòu)施工的水平距離僅為640m,曲線路徑約為670m。盾構(gòu)法方案剖面圖由上圖可知,盾構(gòu)法方案明顯存在以下問(wèn)題:(1)盾構(gòu)施工距離短,因而使盾構(gòu)段單位造價(jià)很高;隧道埋深過(guò)大,使隧道建成后的照明通風(fēng)及營(yíng)用費(fèi)用較高。不符合效益原則。(2)二豎井建在湖中,深化水下約35m,施工中存在砂土液化、涌砂涌水、墻體失穩(wěn)等工程地質(zhì)問(wèn)題,施工難度大;湖中約有400m的矩形段,只能用明挖法施工,施工中遇到和明挖法方案同樣的工程地質(zhì)問(wèn)題;隧道埋深大,使工程地質(zhì)問(wèn)題困難化,可能存在下伏基巖裂隙水及斷裂水頂破隧道下伏土,造成突水的緊急。不符合地質(zhì)原則。(3)沒(méi)有解決隧道如何穿越古城墻的問(wèn)題。由上面的分析可知,按隧道上覆土10m設(shè)計(jì)的隧道方案是不志向的。隧道上覆土厚度是否可以減小呢?南京某水底隧道上覆土厚0.6倍盾構(gòu)直徑,在盾構(gòu)施工中幾次出現(xiàn)險(xiǎn)情,使工期延長(zhǎng),造價(jià)增加。上海地鐵延安東路隧道,是繼江浦路隧道之后的其次條穿越黃浦江的水底隧道,隧道施工必需穿越500余m黃浦江江底,用泥水平衡式盾構(gòu)施工,盾構(gòu)直徑為11.3m。隧道上覆土較淺,最淺處僅為5.8m,為隧道直徑的0.51倍。為確保施工平安,投入了大量的技術(shù)力氣和物力。在最小覆土處還不得不預(yù)先向江中拋填2m厚的粘性土,以增加上覆土厚度①。由于運(yùn)用了各種技術(shù)措施,才使盾構(gòu)闖過(guò)了“冒頂涌水”的風(fēng)險(xiǎn)?？梢?jiàn),要削減上覆土厚度是一個(gè)很麻煩的問(wèn)題。依據(jù)最大坡度3.5%計(jì)算,在古城墻東側(cè)隧道底面距地面僅5.25m,可見(jiàn)要用盾構(gòu)施工穿越古城墻,是確定不行能的,要穿過(guò)古城墻還得用其它方法,這就使工程造價(jià)大大提高,不符合效益原則及整體最優(yōu)原則。工程風(fēng)險(xiǎn)大,也不符合技術(shù)原則。此外,考慮到玄武湖是人工湖,自唐代以來(lái)多次廢湖為田,又歷經(jīng)戰(zhàn)亂,可能在土層中存在廢井、巨石等巨形人工障礙物及瓦斯包,對(duì)盾構(gòu)施工極為不利。盾構(gòu)施工其造價(jià)也很高,在國(guó)外和臺(tái)北、香港等地,一般造價(jià)約為1億美元/公里。從上面的分析可知,盡管盾構(gòu)法對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小,符合環(huán)境原則,但它不符合地質(zhì)原則、效益原則、整體最優(yōu)原則及技術(shù)原則,在本工程中是不行選的。方案二:明挖法方案全線分為引道段、矩形段及古城墻段(見(jiàn)下圖)。湖中部分接受先筑堤然后開(kāi)槽埋管的方法構(gòu)筑隧道。為確保隧道整體穩(wěn)定性及營(yíng)用平安,矩形段上覆土不少2m(清淤后,規(guī)劃湖底深度下2m)。和盾構(gòu)法相比,明挖法具有隧道埋深淺、線路短、照明和通風(fēng)代價(jià)小,工程造價(jià)和營(yíng)用費(fèi)用低,運(yùn)用效益好等優(yōu)點(diǎn)。盡管明挖法對(duì)環(huán)境擾動(dòng)大,不符合環(huán)境原則,但它比較符合地質(zhì)原則、效益原則、技術(shù)原則和整體最優(yōu)原則,是本工程的可選方案。明挖法方案剖面圖5明挖法的優(yōu)化在明挖法施工中存在以下兩個(gè)問(wèn)題:(1)地表水體的隔離,(2)古城墻基礎(chǔ)的穿越。據(jù)玄武湖管理處的負(fù)責(zé)同志介紹,玄武湖曾在50年頭進(jìn)行過(guò)大規(guī)模的人工清淤(先排水,后清淤)。目前玄武湖湖底淤泥深約1m,水質(zhì)污染較為嚴(yán)峻,市有關(guān)部門有近期清淤整治的支配。假如隧道施工能和清淤工程相協(xié)作,則就很好地解決了隧道施工中的隔離地表水體難的問(wèn)題,同時(shí)也相對(duì)降低了隧道施工對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)及工程造價(jià),也使工程施工更加平安。南京古城墻是國(guó)家重點(diǎn)文物愛(ài)惜單位,施工中必需確保其平安。明挖法方案中擬接受箱涵頂進(jìn)技術(shù)穿越古城墻基礎(chǔ)。為確保萬(wàn)無(wú)一失,箱涵頂進(jìn)前進(jìn)行超前管棚支護(hù)。具體做法是,在箱涵設(shè)計(jì)外側(cè)頂進(jìn)企口相連的直徑為609mm的鋼管,使之形成“冂”形管棚,在鋼管外側(cè)進(jìn)行注漿加固。分析可知,玄武湖水底交通隧道施工方案為:箱涵頂進(jìn)加筑堤開(kāi)槽埋管方案,且隧道施工