摘 要：为了保证隧道的交通功能，实现水下隧道与陆域道路的对接，解决隧道水下段最小覆盖层厚度问题，通过对国内外水下隧道最小覆盖层厚度确定方法的讨论，针对长沙营盘路湘江隧道水下段最小覆盖层厚度，提出一种更为经济合理的确定方法。该方法通过采用工程技术措施，以风险分析、数值计算、监控量测为手段，确定施工风险大小，结合交通功能、经济分析、社会效益，确定最小覆盖层的优选方案。最后，对提出的确定方法进行总结。
0 引言
进入21 世纪以来，我国水下隧道建设蓬勃发展。近年来，国内修建了一大批穿越江河湖海的水下隧道，而在这些隧道的设计与施工过程中，如何确定水中段隧道的最小覆盖层厚度、确保隧道的功能实现、施工安全与运营稳定，一直是建设人员的困扰，也对修建水下隧道工程构成严峻挑战［1］。为此，国内众多专家、学者做了大量研究工作。王梦恕等［2］通过对水下隧道最小岩石覆盖层厚度的研究，提出了应从围岩稳定性和隧道涌水量的大小综合考虑的方法; 李术才等［3］就厦门翔安隧道设计过程中应用工程类比和数值计算方法对其最小覆盖层厚度做了专项研究; 王培勇等［4］就水下隧道合理覆盖层厚度进行了有限元模拟研究。而本文结合长沙营盘路湘江隧道工程的交通功能需求、陆域道路接线条件、建设风险及工程投资，提出基于工程技术措施下的水下隧道最小覆盖层厚度确定方法，并以工程实践证明其可行性。
1 工程简介
1． 1 工程概况
长沙营盘路湘江隧道处于橘子洲大桥和银盆岭大桥之间，主线西起咸嘉湖路，下穿潇湘大道、傅家洲、橘子洲和湘江大道，东接营盘路。隧道主线设计车速50km/h，匝道设计车速40 km/h。西岸设一进一出2 匝道，接主线北侧的潇湘大道; 东岸设一进一出2 匝道，分别在主隧道南、北两侧接入湘江中路。
主线隧道为双向4 车道，采用浅埋暗挖法施工，标准段断面净宽10． 1 m，开挖面积平均97 m2 ; 主隧道与匝道交叉段最大宽度25 m，最大开挖面积约370 m2 ;主线设计最大纵坡5． 95%，匝道设计最大纵坡6． 98%。隧道自东向西长距离穿越圆砾层、淤泥层、江中断裂带、全－ 强风化板岩、回填新土，洞身所处地层透水性强、自稳能力差，开挖易坍塌涌水，沿线各地层的物理力学指标见表1。湘江江水深度随季节变化较大，最大水深约20 m。
表1 岩( 土) 体物理力学参数表
1． 2 交通功能需求
结合城市既有路网及规划方案，西岸主隧道出入口宜设置在咸嘉湖路与滨湖路交叉口附近。为降低对咸嘉湖路既有交通的影响，更好地发挥潇湘大道的交通功能，需利用进出口匝道将主隧道部分交通流引至潇湘大道，以使隧道的服务范围及交通集散功能得到最大程度的发挥。
在湘江东岸，隧道主线接入营盘路后，受黄兴北路地下商业街的影响，隧道不具备在黄兴北路西侧出地的条件。为充份利用既有道路的吸引与疏散能力，隧道东侧主线出入口应在既有的蔡锷路西侧出地，并应预留足够的蓄车长度。为减小主隧道车流全部引入营盘路后对蔡锷路、芙蓉路及中心城区的影响，需考虑通过匝道将部分过江交通流引入湘江中路; 且匝道隧道出入口应在中山路及湘春路之前接地，以便于利用周边东西向路网，形成一级分流，达到均衡整个路网交通压力的目的。
综上，本隧道“两主线、四匝道”的整体布局，可实现湘江两岸4 个象限的互通。通过匝道隧道与主线隧道的合理衔接，形成东西为主、南北为辅的交通格局，隧道的交通功能可得到极大拓展。隧道总体布置如图1 所示。
图1 隧道总体布置图
2 影响最小覆盖层厚度的因素
水下隧道的最小覆盖厚度是影响施工安全和工程造价最重要的设计参数之一。在保证施工安全的前提下，隧道的覆盖层厚度越小，隧道埋置深度就越小，作用在隧道结构上静水压力就越小［5］，隧道结构尺寸也可以越小。同时，隧道埋深越小，在隧道坡度一定的前提下，隧道长度就越短，与两端的接线就越容易，因而隧道的工程造价也越低。
另一方面，水下隧道覆盖层越薄，河水( 海水) 与隧道之间的渗流通道就越短，隧道施工过程中发生突水、塌方的概率就越大［5］。因此，设计水下隧道，要综合考虑功能需求、工程造价和风险等因素来确定合理的最小覆盖层厚度。
从国内外已建的各种类型水下隧道工程来看，影响其最小覆盖层厚度的主要因素有以下几点。
1) 所确定的覆盖层厚度能否满足水下隧道的施工安全。
2) 水下隧道的功能需求。
3) 隧道两端陆域的接线条件。
4) 隧址处水域段工程地质与水文地质条件。
5) 满足隧道使用功能所确定的隧道断面尺寸。
6) 水域基床控制条件( 如规划航道标高、冲刷线等) 。
3 现有方法分析
从国内外规范来看，对于水下隧道最小覆盖层厚度，并没有明确限制，各国确定最小覆盖厚度也主要是采用经验统计与工程类比方法。日本和挪威是世界上水下隧道钻爆法实践最多的国家，通过对许多成功和失败的经验总结，各自归纳了一套经验公式。我国水下隧道的最小覆盖层厚度也基本是根据经验来确定，同时参考类似工程和行业经验进行对比。国内外的主要方法可总结为以下几种( 关于现有方法，国内有较多文献提及，本文仅略述) 。
3． 1 挪威经验法
挪威的水下隧道大部分位于火成岩和变质岩等比较坚硬的岩层中。Z． D． Eisenstein 根据挪威已建的海底隧道经验，统计得出如图2 所示的经验曲线［6］。分别对比了较好的围岩和较差的围岩，确定了水下隧道最小岩石覆盖层厚度与海水深度的关系。
图2 威海底隧道岩石覆盖层厚度与海床水深的经验曲线
3． 2 日本最小涌水量法［7 － 10］
日本在过去几十年，修建了很多水下隧道，如青函隧道、关门隧道、长岛海峡隧道及早崎濑户隧道等，在确定水下隧道最小覆盖厚度方面积累了较多经验。在确定围岩渗透系数、水深及隧道开挖断面后，给出了隧道涌水量最小时所对应的覆岩厚度计算经验公式，由此计算出的覆岩厚度即为经济安全的最小值。具体公式为
Q = 2πkL•( H + h) /ln ( 2h /r) 。
当Q/h = 0 时，Q 取得最小值，即涌水量最小，此时，
h = r /2•e( H/h + 1) 。
此外，刘松［ 11］还介绍了日本的另一种简易经验公式
h = ( 1 /3 ～ 2 /3) H。
式中: k 为渗透系数; L 为隧道长度; h 为岩石覆盖层厚度; H 为水深; r 为隧道等效半径; e 为孔隙率。
3． 3 国内顶水采煤的经验公式
顶水采煤时，既要考虑安全开采上限，即安全因素，防止水淹矿井，又要考虑经济因素，避免预留的煤柱过大，造成浪费。海底隧道最小埋深的确定与煤矿安全开采上限的确定大致相同。开采上限高度计算经验公式为:
H = a + s + h［12］。
式中: H 为开采上限高度; a 为表面裂隙深度，基岩经验值取10 ～15 m; h 为爆破引起的扰动高度( 导水裂隙带高度) ，一般取2 m; s 为水力与岩层影响深度，s = 1． 5槡h1 × h2 /f + c( h1为水头高度; h2为坑道宽度; c 为岩层风化带厚度，一般取5 m; f 为普氏系数) 。
3． 4 工程类比法
除按上述方法确定钻爆法水下隧道最小覆盖层厚度外，工程类比也是较常用的一种方法。采用工程类比法时一定要注意可比性，应主要从工程地质与水文地质情况、隧道断面尺寸及隧道的使用功能等条件进行确认。国内外具有比较多的工程案例，在此不再列举。
4 营盘路湘江隧道最小覆盖层厚度的确定
4． 1 按经验曲线、公式及工程类比确定的最小覆盖层厚度
根据挪威经验曲线，该隧道最小覆盖层厚度应为42 m 左右; 按日本最小涌水量法计算，本隧道最小覆盖层厚度应为18． 7 ～ 31． 5 m( 从正常段到大跨段) ; 按简易公式计算，应为6． 67 ～ 13． 33 m( 该法应用较少，计算结果不作为参考) ; 按国内顶水采煤的经验公式计算，最小覆盖层厚度应为20． 7 ～ 27． 5m( 从正常段到大跨段) ; 类比国内同类型隧道，最小覆盖层厚度为15 ～ 33 m。基本为隧道开挖宽度的1． 5 ～ 2． 0 倍。
4． 2 满足功能需求所需的覆盖层厚度
根据批复的技术标准，营盘路湘江隧道主线纵坡不应大于6%，匝道纵坡不应大于7%。根据交通功能需求，主线隧道西出口应在咸嘉湖路与滨湖路交叉口附近接地，东出口必须在蔡锷路以西接地，西岸进口匝道应在银盆南路与潇湘中路交叉口以南接地，东岸进出匝道隧道接地点应设置在中山路及湘春路之前。这样，经拟合隧道纵剖面，满足隧道交通功能后所确定的隧道与匝道交汇区水下最小覆盖层厚度为11． 5 m，拱顶覆土主要为5 ～7 m 厚的全风化板岩层和4． 5 m 厚的强风化板岩层，隧道覆跨比仅为0． 46，建设风险与难度较大。
4． 3 基于工程技术措施下的最小覆盖层厚度
从4． 1 及4． 2 节所确定的隧道最小覆盖层厚度来看，二者相差较大。因此，首先对满足功能需求的覆盖层厚度条件下采用常规支护与施工参数时，隧道施工过程中的安全性进行分析，确定风险源; 然后针对各风险点采取工程技术措施，重新进行分析，判定设计加强后的风险; 最后在对采取工程控制措施所增加的费用、隧道埋深减小导致隧道长度缩短所减少的费用以及由于隧道埋深改变引起的隧道两端接线位置变化所造成的交通功能影响进行综合比较的基础上，确定水下隧道的最小埋深。
4． 3． 1 按常规支护与施工参数的安全性分析
对于大断面隧道，通常采用单层300 mm 厚初期支护，分部开挖施工，根据地质情况，建立三维模型，通过数值计算进行分析。结果如图3 所示。从图3 可看出:
1) 整个分析区域竖向应力以压应力为主，应力重分布范围大于隧道1 倍洞径，隧道边墙墙脚处出现应力集中，拱顶处围岩拉应力较大，加之强风化板岩破碎、遇水崩解易坍塌、自稳性差的特性，施工时若不采取措施，隧道拱顶塌陷风险极大。
2) 从塑性区分布图( 3( b) ) 可知，围岩塑性区分布范围大约位于洞周5 m 以内，拱顶上方塑性区有向河床顶发展贯通的趋势。
3) 在支护结构受力方面，内力在拱墙墙脚处出现最大值，达600 kN•m，隧道仰拱与拱顶处出现较大拉应力，将导致初期支护开裂，拱顶不能满足安全要求。
4) 从围岩竖向位移来看，隧道拱顶沉降最大，沉降槽宽度在40 ～ 50 m，为2 ～ 3 倍开挖宽度，隧道拱顶出现大变形情况。
通过上述分析，在常规支护与施工参数下，施工期间存在塌方、涌水、支护结构破坏及大变形等风险。
4． 3． 2 拟定的工程技术措施
结合上述风险点，设计拟定如下措施及计算参数。
1) 隧道周边设置6 m 厚帷幕注浆止水加固圈。计算分析时按提高既有围岩力学指标考虑，根据现场实验成果，黏聚力取300 kPa，内摩擦角取30°，弹性模量取600 MPa。
2) 增强初期支护强度和刚度，采用双层合计550mm 厚初期支护，采用壳单元模拟，按C25 钢筋混凝土考虑计算参数。
图3 安全性分析结果( 1)
3) 分段采用六步CＲD 及九步双侧壁导坑法施工，各施工步保证初期支护封闭成环，单循环进尺不超过3 m，控制收敛变形，计算时根据工法确定施工步。
4) 采取108 超前大管棚和42 超前小导管等预支护措施，分别采用杆单元按管径确定参数模拟。
5) 加强监控量测，实施信息化施工，当拱顶下沉、水平收敛速率达5 mm/d 或位移累计达100 mm 时，停止开挖，进行补强与加固处理。
4． 3． 3 工程技术措施条件下隧道施工风险分析
采用工程控制措施后，分析结果如图4 所示。
图4 安全性分析结果( 2)
从计算分析结果来看，经地层改良、初期加强、超前支护及控制施工分步，隧道周边围岩力应力集中、塑性区发展都得以控制，支护结构内力在300 kN•m 以内，围岩变形( 特别是拱顶沉降) 较不采取工程技术措施条件下得到了极大改善。
4． 3． 4 隧道施工监测情况分析
工程施工阶段，对本隧道大跨断面拱顶沉降、水平收敛、初期支护钢架应力及临时支撑轴力进行了全过程监测。大跨断面采用九步双侧壁导坑法施工，结构变形与内力发展历时较长，从稳定结果来看，最大沉降量为35． 3 mm，最大水平收敛为18． 32 mm，初期支护钢架全环呈对称分布，最大应力位于拱墙交界处，达150 MPa，而临时支撑轴力也达到200 kN。具体数据如图5 所示。
实测结果与理论分析相比，结构内力较为吻合，但实测的变形量约是理论分析的4 倍，分析原因应该是数值计算时初期支护是及时封闭的，而实施阶段需要施工时间。此外，拱架基础形式、施工时拱架基础软化、各台阶之间的实控距离等也是影响实测值的因素。
从变形与内力发展来看，在施作支护结构初期，增长速率较大，初期支护全部施作完毕之后，测点变形很快趋于稳定，这一量测结果说明初期支护结构在早期承担了较大的荷载。从安全施工的角度考虑，应重视初期支护的施工质量和封闭时间，这对整体结构的安全与稳定有着至关重要的作用。
综上所述，通过理论分析与现场实测( 实测结果均在规范控制的范围以内) ，在采取特定的工程技术措施后，营盘路湘江隧道按满足交通功能需求所确定的最小覆盖层厚度，能满足施工阶段围岩稳定和支护结构安全的要求。
4． 3． 5 最小覆盖层厚度的确定
根据4． 3． 3 节的分析结果，该隧道大跨段最小覆盖层厚度为11． 5 m，同理，可确定正常段约为15 m。与挪威经验曲线法相比，本工程水下隧道洞顶覆盖层厚度减小27 ～ 30． 5 m; 与日本最小涌水量法相比，覆盖层厚度减小3． 7 ～ 20 m; 与国内顶水采煤的经验相比，覆盖层厚度减小5． 7 ～ 16 m; 与工程类比法相比，覆盖层厚度最大减小约21． 5 m。按覆盖层厚度减小最少的5 m 计算，在相同接地点高程和纵坡情况下，隧道长度缩短了近400 m，按照水下隧道18 万元/m 造价指标估算，直接工程费减少7 200 万元; 隧道采用双层初期支护、超前支护、超前注浆加固等工程技术措施所增加的费用为877 万元。综合比较，工程造价降低约6 323 万元。此外，按该法确定的隧道最小覆盖层厚度，能够满足隧道两岸的接线要求，并能充分发挥隧道的跨越和分流功能，其所产生的经济效益和社会环境效益也是非常显著的。
图5 监测结果
5 结论与建议
本文结合营盘路湘江隧道所处的实际条件，按目前国内外常用的水下隧道最小覆盖层厚度确定方法推算的覆盖层厚度将无法满足隧道的接线要求，难以发挥隧道的交通疏解功能; 在进行充分的调研和理论分析的基础上，提出了基于工程技术措施的水下隧道最小埋深确定方法。
该方法的具体步骤如下:
1) 根据水下隧道工程两岸的接线条件以及线路的坡度初步确定隧道的最小覆盖层厚度。
2) 采用数值计算方法分析该覆盖层厚度条件下采用常规支护与施工参数时隧道施工过程的安全性。
3) 当常规支护参数不能满足施工安全要求时，采取工程技术措施，具体措施包括超前注浆预加固、超前管棚预支护、加强初期支护、分部分块开挖、严格控制开挖步长等; 进一步采用数值计算方法进行分析，确定采取不同工程技术措施时保证隧道施工安全的最小埋深。
4) 在以上分析的基础上，计算隧道埋深减小时为保证施工安全所增加的工程措施费用，隧道埋深增加造成的隧道长度加长所增加的费用，隧道埋深改变引起的隧道两端接线位置的变化所造成的环境影响，在综合比较的基础上，确定水下隧道的最小覆盖层厚度。
5) 在工程实施阶段，除按上述要求采用具体的工程技术措施外，应特别加强超前地质预报与实时监控量测工作，相对普通钻爆法隧道，应加密监测断面，运用信息化施工技术，全面掌控各类构件的施作时机。
长沙市营盘路湘江隧道工程的顺利实施是基于丰富的设计与施工经验基础上完成的，本文提出的水下隧道最小覆盖层确定方法，是在成功案例上的一种提炼，类似工程能否直接采用本工程的相关参数，应经认真斟酌分析后确定。本文提出的确定水下隧道最小埋深的思路，首次在营盘路湘江隧道中应用，尚存在诸多不足，需要在以后的工程中与业界同仁共同完善。