國家海洋局第三海洋研究所

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海底隧道工程環(huán)境風險評價與防范措施

國家海洋局第三海洋研究所

郭曉峰 姜 尚*郭洲華

海底隧道不同于陸地隧道，海底地質(zhì)情況復雜，且工程施工是在巨大水系之下進行，遇到的環(huán)境風險幾率及風險危害程度均比陸地隧道高。本文對海底隧道施工和運營中具有共性的風險因素進行了辨識，并重點分析了幾種典型風險因素的控制措施，以供國內(nèi)當前在建和待建的海底隧道設(shè)計方、施工方和運營方參考。

海底隧道 環(huán)境風險 防范措施

近年來，隨著海洋經(jīng)濟的高速發(fā)展，以跨海大橋、海底隧道、大型海港碼頭為代表的海洋工程建設(shè)得到飛速發(fā)展[1]。與跨海橋梁相比，海底隧道位于海床下方，不受上方海域船舶通行的限制，而且通常也不受臺風、大霧等極端天氣的影響，具有穩(wěn)定的通行能力，因此國內(nèi)越來越多的沿海地區(qū)擬規(guī)劃修建海底隧道工程。以廈門市為例，根據(jù)2016年最新批復的《廈門市城市總體規(guī)劃（2011—2020年）》，隨著“島內(nèi)外一體化”戰(zhàn)略的推進，到2020年，廈門市將建成10條海底隧道[2]。由此可見，探討分析海底隧道施工和運營可能存在的環(huán)境風險，并提出相應(yīng)的風險防范措施顯得尤為迫切。

1 海底隧道特點及施工工藝簡介

與其他工程項目相比，隧道工程具有隱蔽性、復雜性和不確定性等突出的特點，和陸域隧道相比，海底隧道具有以下特點：

（1）隧道大部分被水包圍，地質(zhì)勘探難度大且勘察準確性降低。

（2）隧道上覆水體。須承受高水壓作用，在施工過程中如遇風化槽等不良地質(zhì)，一旦發(fā)生涌水涌沙，將給施工帶來極大困難。

（3）由于海水的無限補給，海底隧道運營期存在滲水，且海水滲水對隧道內(nèi)設(shè)施有腐蝕作用，將給海底隧道的運營帶來安全隱患[3]。

目前，國內(nèi)外常見的跨海域水下隧道施工方法主要有沉管法、盾構(gòu)法及鉆爆法三種[4]。沉管法是在水下開挖并逐節(jié)沉放預制管段的施工工藝，但對海域的通航限制明顯，而且沉管基槽開挖施工對周圍海洋環(huán)境影響很大。盾構(gòu)法是將盾構(gòu)機械在地中推進，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，并拼裝預制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機械化施工方法，一般在小斷面的地鐵隧道中使用較多。鉆爆法是通過鉆眼、爆破、出砟而形成地下結(jié)構(gòu)空間，并將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護手段的一種開挖方法，經(jīng)過許多國家研究人員的深入實踐和理論分析，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)標志之一，一般較多使用在大斷面的公路隧道中。國內(nèi)已建成通車的廈門翔安隧道和青島膠州灣海底隧道均采用鉆爆法的施工工藝。

2 海底隧道工程環(huán)境風險分析

2.1 施工期隧道坍塌涌水風險分析

海底隧道通常具有復雜的地質(zhì)條件和周圍環(huán)境。海底隧道修建時，由于海底隧道處于巨大水系之下[5]，地下水富存，并且在勘測、定位和選線方面比陸域隧道受限制大，故其穿越斷層破碎帶的幾率大、數(shù)量也多。鉆爆法施工過程中如果爆破藥量過大，或者盾構(gòu)法隧道從海底斷層破碎帶通過，隨時都可能給工程帶來淹沒、塌通、涌水或形成泥石流的危險；輕則給工程進展造成影響，重則使工程的安全和施工人員的生命毀于一旦。因此海底隧道施工期環(huán)境風險主要是隧道坍塌導致的涌水涌沙風險，一旦發(fā)生大量的塌方或涌水，則一方面將延緩建設(shè)工期，增加工程投資，另一方面將造成人員傷亡的可能。如日本丹那隧道，在1925年12月施工時遇到高壓涌水，水壓達21kg/cm2，并夾帶泥石流，花費了42個月才渡過險關(guān)。

2.2 運營期隧道火災環(huán)境風險分析

地鐵火災是地鐵運營期主要的風險。隧道建筑結(jié)構(gòu)復雜，環(huán)境相對密閉，在封閉空間內(nèi)熱量不易消散，火災時溫度較高，一旦發(fā)生隧道火災，將對隧道結(jié)構(gòu)和人員財產(chǎn)安全造成巨大威脅，海底隧道還可能因結(jié)構(gòu)被破壞而導致隧道修復困難。地鐵隧道內(nèi)發(fā)生火災時，具有如下特點：

（1）煙霧大，溫度高，擴散難度大。隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災，由于隧道空間小，近似處于密閉狀態(tài)，不可能自然排煙，因此煙霧比較大，燃燒產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)；火災可能將隧道照明系統(tǒng)破壞，能見度低，給火災撲救和人員疏散帶來困難。地面建筑發(fā)生火災時，近80%的煙氣可以通過破損的門窗擴散到大氣中，而被土石包裹的地下隧道，煙氣和熱量無法擴散，溫度驟然升高，這些流動性很強的有毒煙氣和熱量會在隧道內(nèi)四處流竄，短時間內(nèi)充滿整個地下空間。

（2）疏散困難。隧道內(nèi)沒有自然采光，完全依靠人工照明，火災發(fā)生后正常電源被切斷，采光靠事故照明和疏散標志指示燈，加上火場中產(chǎn)生的濃煙和大量刺激性氣體使人睜不開眼睛，人員疏散極為困難，幾乎無法逃離火場。

（3）滅火救援難度大。由于地鐵特殊的建筑結(jié)構(gòu)，發(fā)生火災后比起地面建筑的撲救要困難得多。地鐵發(fā)生火災時無法直觀做出準確判斷，需要查詢工程圖紙，分析可能發(fā)生火災的部位和可能出現(xiàn)的情況后才能做出滅火方案；同時由于地鐵的出入口又是火災發(fā)生時的冒煙口，消防人員不易接近著火點，撲救工作難以展開，而大型消防設(shè)備無法進入地鐵車站內(nèi)部，也給滅火增加了難度。

（4）火勢容易產(chǎn)生蔓延和引起轟燃。地鐵隧道內(nèi)空氣不足，發(fā)生火災時可燃物主要是不完全燃燒，產(chǎn)生的一氧化碳等氣體隨高溫煙氣流動，當有空氣補充并遇到新的可燃物時即會引發(fā)新的燃燒，從而出現(xiàn)火災從一節(jié)車廂蔓延到另一節(jié)車廂的情況；加之隧道空間的相對封閉性，列車起火燃燒后，隨著溫度升高，空氣體積膨脹，壓力增高，極易產(chǎn)生“轟燃”爆炸。

2.3 運營期偶然性荷載風險分析

一般而言，海底隧道下穿海域往往涉及現(xiàn)有或規(guī)劃的港區(qū)、航道等，碼頭、航道未來存在疏浚問題；另一方面，航道上航行和泊位上靠泊的船舶，在遭遇災害性氣候或發(fā)生其他緊急狀態(tài)時，可能緊急拋錨，甚至發(fā)生沉船事故。當緊急拋錨、沉船、疏浚等偶然荷載作用于隧道頂時，可能對隧道結(jié)構(gòu)安全造成一定威脅。因此工程設(shè)計應(yīng)考慮偶然荷載的風險，并采取必要的防護措施，避免偶然荷載對隧道結(jié)構(gòu)的損害。

3 海底隧道環(huán)境風險防范措施

3.1 施工期隧道坍塌涌水風險防范措施

3.1.1 深化前期地質(zhì)勘探

海底隧道工程前期應(yīng)深化地質(zhì)勘察工作，探明并準確評價巖石覆蓋層高度、巖體風化界面位置、斷裂破碎帶形狀及程度、區(qū)域內(nèi)各層的物理力學性質(zhì)、滲透系數(shù)等。特別是應(yīng)進一步查清探明存在風化深槽的三維形狀和分布情況，摸清風化槽的物理力學性質(zhì)和滲透性能，并對隧道通過風化槽的工程處理措施進行相應(yīng)的專題研究，解決施工中可能存在涌水涌沙的難點問題，降低施工風險。

3.1.2 應(yīng)用注漿等輔助施工措施

為防范涌水，盾構(gòu)施工必須將盾尾與襯砌之間的建筑空間及時注漿充填，封堵從隧道后部向前流動的地下水；鉆爆施工同時應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、巖性情況，采用超前預注漿、帷幕注漿法等措施加固地層，盡可能地截斷水源，防止大量涌水。海底隧道開挖時同步注漿為主、二次注漿為輔的注漿作業(yè)已成為防范隧道坍塌和涌水的有效手段[6]。

3.2 運營期火災風險防范措施

3.2.1 選用不燃材料及新型防火材料

地鐵中使用的建筑、裝修材料，車站用具和設(shè)備，列車車體和車上用具等制作材料必須滿足難燃、阻燃、無毒、環(huán)保的要求，以減少火災發(fā)生時有毒氣體產(chǎn)生的數(shù)量及發(fā)生“轟燃”的可能性，最大限度地滿足人員逃生的需求。

3.2.2 優(yōu)化火災自動報警系統(tǒng)（FAS）

由于地鐵發(fā)生火災時，從外部救援難度很大，在一定程度上要依靠其自身的建筑消防設(shè)施控制并撲滅火災，因此在地鐵全線應(yīng)全面設(shè)置火災自動報警系統(tǒng)，系統(tǒng)分為中央、車站、就地三級控制，對地鐵車站、區(qū)間隧道、車輛基地、控制中心等與地鐵運營密切相關(guān)的建筑和設(shè)施進行可靠監(jiān)視，當發(fā)現(xiàn)火情時，系統(tǒng)可在幾秒鐘內(nèi)準確、迅速報警，接到報警信號后，控制系統(tǒng)將自動開啟并操作風機、水泵、緊急照明、氣體滅火裝置等各種緊急救援設(shè)備。

3.2.3 完善地鐵緊急疏散系統(tǒng)

緊急疏散系統(tǒng)的完善對火災的控制和人員的安全疏散起著決定性的作用，設(shè)計中應(yīng)該充分考慮高峰時期人員數(shù)量、疏散寬度、出口數(shù)量、疏散距離等條件能夠滿足在緊急狀況下6分鐘內(nèi)安全疏散全部乘客的要求；火災發(fā)生時所有閘機、車門應(yīng)自動向安全方向敞開，不能堵塞；所有電梯朝安全方向行駛；引導標志清晰明確，并在斷電情況下能夠利用自身的蓄能發(fā)光。另外，列車上還應(yīng)備有緊急疏散梯，使乘客安全離開列車，同時還應(yīng)設(shè)置足夠的滾動顯示條、液晶顯示屏以及廣播系統(tǒng)，以備火災時引導乘客疏散。

3.3 偶然性荷載風險防范措施

海底隧道建成后，應(yīng)根據(jù)實際情況在海底隧道中心線兩側(cè)的一定范圍內(nèi)劃定安全保護區(qū)。禁止在隧道的安全保護區(qū)內(nèi)從事挖沙、采石、采礦、取土、傾倒廢棄物、實施爆破作業(yè)；禁止在隧道的安全保護區(qū)設(shè)立易燃易爆倉庫、存放危險化學品；船舶停靠時應(yīng)當采取安全措施，確保不會對隧道結(jié)構(gòu)造成安全危害。

4 結(jié)束語

近年來，我國經(jīng)濟的騰飛帶來了交通基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)的大發(fā)展，目前國內(nèi)多地擬規(guī)劃建設(shè)跨海隧道，但由于其地質(zhì)環(huán)境的特殊性和工程特點也孕育了極大的風險，因此，科學辨識海底隧道工程施工和運營中的各種風險因素，采取有針對性的措施進行有效的風險管控，對于減少環(huán)境風險帶來的損失、維護隧道施工和運營安全具有重要意義[7]。

參考文獻：

[1] 牛景軼，金祖權(quán). 海底隧道工程對海洋環(huán)境的污染方式、特點及防治[J]. 青島農(nóng)業(yè)大學學報:社會科學版, 2009,21(4):50-55.

[2] 國家海洋局第三海洋研究所.廈門市軌道交通3號線工程海洋環(huán)境影響報告書[A]. 廈門:國家海洋局第三海洋研究所, 2016.

[3] 王燕，黃宏偉，李術(shù)才．海底隧道施工風險辨識及其控制[J].地下空間與工程學報，2007，3（7）：1261~1264.

[4] 盧普偉，梁邦炎，資利軍. 港珠澳大橋隧道工程沉管法與盾構(gòu)法比選分析[J]. 施工技術(shù), 2012,41(17):89-91.

[5] 閆玉茹，黃宏偉，胡群芳，等．大連灣海底隧道鉆爆法施工風險評估研究[J]. 巖石力學與工程學報,2007，26(S2):3616-3624.

[6] 傅洪賢，劉永勝．海底隧道鉆爆施工關(guān)鍵技術(shù)及對策探討[J].工程爆破, 2008,14(1):32-34.

[7] 王燕，黃宏偉，李術(shù)才. 海底隧道施工風險辨識及其控制[J].地下空間與工程學報，2007,3(7):1261-1264.

姜尚，E-mail: jiangshang@tio.org.cn。