彭宝富1 阮国勇2
1.成都轨道交通集团有限公司 四川成都 610041
2.中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 610023
摘要：当前国内基础建设条件越来越复杂，为保证工程的功能性，过江通道采取隧道过江形式越来越多。长江上游的西部城市，如重庆、宜宾、泸州等已在筹划修建轨道交通或其它市政过江隧道。过江隧道可采用矿山法、盾构法、明挖法等工法，在前期设计中其覆土厚度的选取直接影响隧道线路及其使用功能。本次以重庆某轨道交通快线为例研究矿山法隧道设计时的覆土厚度取值。
关键词：过江隧道 矿山法隧道 轨道交通覆土厚度 挪威经验法 最小涌水量法 顶水采煤法 隔水岩柱经验法 数值模拟法 最小覆岩
引言
隧道纵断面关键剖面的最小岩石覆盖厚度控制隧道垂直线路，直接影响江底隧道安全和造价，同时对线路的高度以及两侧车站的埋深影响很大。江底隧道的垂直线路主要取决于隧道的限制坡度和合理埋置深度，如果隧道的限制坡度给定，决定江底隧道长度的主要参数就是隧道的合理埋置深度。岩石覆盖厚度太小会增加隧道丧失稳定的可能性，增加隧道涌水量，间接增加支护、防渗和排水的费用。加大岩石覆盖厚度意味着增大隧道埋深，接线距离增长，坡度大，甚至增加隧道两端车站埋深，增大车站出入口长度，服务水平降低。隧道岩石覆盖厚度的确定存在一个优选的问题。所以如何确定江底隧道的最小岩石覆盖厚度，既能确保隧道施工期与运营期的安全与稳定又能保证隧道的经济性，是本次研究内容。
1 过江隧道最小埋深影响因素
影响水下隧道最小覆土埋深的因素比较复杂，主要有两方面：1）外因：隧址区岩体构造，岩石物理力学性质、岩层产状、岩石裂隙发育情况、岩层隔水性能等；水体深度、冲刷深度、抗浮要求；泊锚深度等。2）内因：隧道施工方法（开挖爆破扰动等）、隧道结构形式及跨度等。钻爆法隧道断面采用马蹄形断面形式，分为单洞单线、单洞双线两种断面。某轨道交通矿山法隧道采用单洞单线断面，内轮廓净宽6.05m，净高8.165m，每隔600m设置一处联络通道。具体断面如下所示：
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图1 矿山法隧道断面
2 挪威图表法
挪威的海底隧道研究学者Nilsen，Blindheim分别统计比较了1990年和2001年前竣工的海底隧道的最小岩石覆盖厚度与基岩深度关系，并形成如上图所示关系曲线，从图中可以看出，早期的海底隧道最小岩石覆盖层厚度比较保守，随着海底隧道施工技术以及施工设备的发展，隧道的最小岩石覆盖厚度也逐渐减小。
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图2 挪威海底隧道最小岩石厚度与基岩深度关系
3 日本最小涌水量法
京都大学小林博士针对关门隧道海底部分渗漏水等进行了预测，并提出了渗水量的方程式。对于特定的地质条件和确定的隧道开挖断面形状，该法是在给定深度的海水下，隧道涌水量最小时所对应的覆岩厚度即为经济安全的最小覆岩厚度，例如关门隧道、青函隧道、早崎濑户隧道及长岛海峡隧道等。水量的计算预测采用如下公式：
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按最小涌水量得到的岩石覆盖层厚度，只是确定最小岩石覆盖层厚度的范围，但对于具体确定最小岩石覆盖层厚度时，要结合具体地质情况和隧道坡度等因素，选定在其附近大致的某个厚度，进行有限元稳定性分析，在结合经济因素确定最佳的岩石覆盖层厚度。
4 国内顶水采煤经验法
为了保证隧道施工安全，必须留足够的防水岩层，安全防水岩层最小高度应该大于导水裂隙带的高度和保护层厚度之和。基岩直接裸露，水底没有冲积层时参见下图所示。H=a+s+h式中， H——开采上限高度；a——表面裂隙深度。基岩经验值取10～15m；s——保护层厚度；h——爆破引起的扰动高度（导水裂隙带高度）。
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图 3 顶水彩煤法剖面示意图
5 隔水岩柱经验法
目前，国内外对合理确定隔水岩柱尚无成熟的理论与规范可供借鉴。根据国内相关经验及大量水下隧道实践总结，提出了经验公式。
需要指出的是，隔水岩柱厚度不能将江底的风化带及裂隙发育的冲击层视作隔水层，否则会给施工带来很大的危害。在探明地质条件后，可作为一定的参考依据。
6 数值模拟计算法
利用数值施工模拟计算方法计算多个断面的应力、位移、塑性区等，来对工程类比初步选定的隧道最小岩石覆盖厚度做进一步的校验和优选。
7 最小覆岩确定方法对比
按上述方法分别确定矿山法过江隧道最小覆岩，结果如下面表1所示。
表 1最小覆岩（土）厚度比选
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综上所述，确定最小覆岩厚度的方法各有其特点及适用性，现总结如下表，类似工程可根据具体工程特点参考借鉴。另外当前的施工工艺及设备越来越先进，最小覆岩不断在突破，参考成功经验的基础上也可对已有经验方法进行修正。
表2 确定最小覆岩（土）厚度的方法比较
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8 典型矿山法过江隧道覆岩厚度及建议
当前开通运营的胶州弯第一海底隧道及长沙营盘路隧道是比较典型的浅覆岩暗挖隧道，两者最小覆岩只有0.5倍洞径。其中胶州弯第一海底隧道采用矿山法施工，最大距度28米，其最小覆岩14米左右；长沙营盘路隧道最大距度25米，其最小覆岩12米左右；上述两隧道均已成功实施并开通运营，是后续水下矿山法隧道借鉴的典型案例。在水下矿山法隧道最小覆岩厚度取值时建议遵循如下原则。
1.水下矿山法隧道最小覆岩厚度取值可采用多种方法综合比选确定，根据实际情况取值；
2. 在不影响市政工程线路功能条件下，水下矿山法隧道最小覆岩厚度可尽量采取较大的数值。
3. 当水下矿山法隧道最小覆岩厚度直接控制线路指标，并起决定性作用的时候，可根据当前成功实路的工程案例结合实际情况优化其取值。
4. 水下矿山法隧道最小覆岩厚度取直接影响工程实施安全，同时影响线路功能，选值得时要做好技术经济比选。
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