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沉管隧道合理埋深浅析
作者：吴昊 夏丰勇
来源：《城市建设理论研究》2013年第28期
摘要：沉管隧道合理埋置深度直接关系到隧道建设规模、工程造价和后期运营管理费用。本文分析了河床断面及河床稳定性、地质条件、航运、抗浮、船只抛锚、防水、结构受力以及隧道施工等方面的沉管隧道合理埋深的影响，研究结论对于沉管隧道合理埋深的确定具有一定指导意义。
关键词：沉管隧道；合理埋深；影响因素 中图分类号：U455 文献标识码：A 1 引言
沉管隧道的埋深是指沉管管段顶部与地面或河床之间的垂直距离。确定合理的隧道埋深，有利于控制隧道的规模、保证施工过程中的安全性、降低施工的风险及难度、保障工程质量及提高工程的耐久性。
由于水底隧道需要下穿江、河或海峡，其在纵面上多呈V型或W型，隧道在出入口为了露出地面需要克服高差。在隧道出入口坡度不变的情况下，埋深的增加将直接导致隧道引道段及总长度的增加、工程造价的增加；相应的还会造成机电工程造价及后期营运费用的增加。对应于洞口各种坡度，埋深每增加1m，隧道长度的增加量见表1。 表1 隧道长度与埋深增加的关系表
注：表中为隧道埋深增加1m，隧道长度的增加量。
若隧道埋置深度增加，在路线坡度不变的情况下，将导致隧道引道段长度的增加，进一步增大隧道与路网衔接的难度。
一般来说，为了实现安全、经济、快速的目的，需要考虑河（海）床断面、河（海）床底基性质与长期稳定性、抗浮、航道规划、航运、船只抛锚及管段结构设计特点，并辅以抗浮和船锚拖曳力等相关计算综合确定沉管隧道合理的覆盖层厚度。 2合理埋深影响因素分析 2.1河床断面及河床稳定性的影响
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当在河底或海底地形变化较大的海域中修建隧道时，应考虑水底地形的变化、动静床试验、河床演变分析、预测的最大冲深包络线等因素综合确定隧道的埋置深度。在进行隧道的纵断面设计时，为保证抗浮需要，通常情况下应保证隧道顶面位于最大冲深包络线以下1~2米。 在隧道埋深增加将导致隧道两岸接线困难、造价大大增加等情况下，通过论证，可以容许隧道顶面位于冲深包络线以上甚至露出现有河床（海床）面。国内已建成的上海外环沉管隧道就采用了管段局部露出河床的方案（深槽处的管段顶面露出河床3.6米），节约工程造价数千万元。当隧道顶露出河床时，将对河流的过水断面、水流流速、水流流动机制等产生较大影响，为了保证隧道在施工及运营阶段的安全性，需要论证以下几方面的内容： （1）是否会造成河势变化、河岸变迁及其严重程度；
（2）隧道周围土体被侵蚀的可能性、程度及对隧道稳定性的影响； （3）在水流直接冲击的作用下，隧道的稳定性。 2.2地质条件影响
沉管隧道由于底部面积较大，对基底承载力要求较小，因此可以应用到软粘土、粉砂质粘土等各种地质条件下。当隧道位于软弱地基或不均匀地层上时，若基础处理不好，有可能使隧道在纵向上发生不均匀沉降，导致管段间接头错位或张开，当变形量超过防水设施的限值时将造成管段接头渗水。为了避免隧道纵向上发生较大的不均匀沉降，在确定隧道埋深时，应尽可能将隧道布置在地质条件较好、岩土力学性质相近的地层中，这样也可以降低隧道基础处理的难度。
2.3航运对沉管隧道埋深的影响
当沉管隧道建设在有通航要求的江、河底及海湾内时，需要考虑船只航运对水下构造物的要求。根据相关行业规范，沉管隧道顶面距通航水位的高度H1应满足以下条件： H1≥HG+HF
H1为沉管隧道的顶面距通航水位的高度；
HG为远期规划航道设计水深或远期规划航道底标高点与通航水位的高差；
HF为保障通航安全，各种水下建筑物顶部距远期规划航道底的富裕高度（内河航道根据《内河通航标准》GB50139－2004，对I—V级航道HF≥2m，Ⅵ级和Ⅶ级航道HF≥l m；外海航道可参照内河航道拟定）。 2.4抗浮对隧道埋深的要求
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沉管隧道在施工过程中及建成后的运营阶段均要满足抗浮的要求。在隧道施工阶段主要通过设置压载水箱来达到抗浮的目的，在运营阶段则利用隧道自重、内部结构重量、路面重量等结构物或洞顶回填来保证隧道的抗浮安全。当隧址附近水下地形预期变化（主要指冲刷）很小的情况下，可以采用洞顶回填作为抗浮措施，抗浮安全系数应大于1.2；在此种情况下拟定隧道的埋深时应该考虑隧顶回填的厚度，回填厚度值可以通过计算确定。隧道抗浮的计算公式如下： K=
G=GS +GQ +GT GS=S×RS GQ=Qi×RQi GT=T×RT T=H×M
K为隧道抗浮安全系数。
S、Q、D 、T分别为管段截面上管段结构混凝土、管段压重混凝土、管内空间及洞顶回填的面积。
RS 、RQi、RO、RT 分别为管段截面上管段结构混凝土、管段压重混凝土、隧址处的水及洞顶回填材料的容重。
H、M分别为洞顶回填的深度、管段宽度范围内的回填宽度。 2.5船只抛锚的影响
当在有船只抛锚的区域内修建隧道时，拟定隧道埋深时应考虑船只抛锚的影响。在进行隧道管段结构横断面设计时，一般不考虑锚直接作用在管段顶面上；这就要求在拟定隧道埋深时，应保证隧道顶面埋置深度位于船只抛锚影响范围以外；另外也可以通过设置防锚层来抵抗船只抛锚对隧道的作用力。根据实际工程的计算成果：100cm厚块石防护层可以抵抗7.8t铁锚下锚时的冲击力；115cm厚块石防护层可以抵抗10t铁锚下锚时的冲击力。 2.6防水的影响
沉管隧道是由管段连接而成，管段间接头是隧道的防水薄弱环节；目前主要的处理措施是用GINA止水带结合OMEGA防水钢板进行防水。在管段水力压接阶段及施工完成后，GINA止水带都要承受巨大的水压力，而这个压力随着管段水下埋深的增加而增加。当隧道的水下埋