許黎明

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司, 福建廈門 361000)

國內(nèi)首條過海地鐵盾構(gòu)隧道關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究

許黎明

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司, 福建廈門 361000)

結(jié)合廈門軌道交通2號線工程過海區(qū)間隧道關(guān)鍵技術(shù)的研究與探索，從線位選擇、預(yù)留二襯、防災(zāi)通風(fēng)及疏散、海洋環(huán)境隧道耐久性、防排水、海底凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道、盾構(gòu)法與礦山法隧道水中對接等方面對過海盾構(gòu)地鐵隧道技術(shù)進(jìn)行了全面的論證和比較，為過海盾構(gòu)隧道的設(shè)計、施工、運(yùn)營、管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。采用過海隧道盾構(gòu)換刀、提前進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘、全程超前探孔探水、滲透水壓力數(shù)值模擬計算、承壓水環(huán)境下巖石裂隙注漿堵水技術(shù)、微震爆破等一系列新技術(shù)，也為后續(xù)建設(shè)類似工程提供參考和借鑒。

地鐵； 盾構(gòu)； 海底隧道； 關(guān)鍵技術(shù)

對海洋的開拓，源于對城市發(fā)展、百姓安居、社會安定的渴望，而城市的發(fā)展又基于完善的城市功能。近年來，越來越多的沿海城市開始重視對于藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)劃。連接大陸與海島，消除海洋天塹的阻隔，完善自身城市的交通路網(wǎng)，成為構(gòu)建現(xiàn)代化都市的必不可少的組成部分。

到2020年，廈門將形成“中心放射、環(huán)灣聯(lián)絡(luò)”的軌道交通網(wǎng)絡(luò)框架，線網(wǎng)規(guī)模約270 km，連接廈門本島和環(huán)灣四區(qū)，引領(lǐng)“跨島發(fā)展”戰(zhàn)略，促進(jìn)城鄉(xiāng)融合、共同發(fā)展。目前，軌道交通1～4號線已經(jīng)陸續(xù)開工建設(shè)。其中，2號線和3號線分別穿越廈門西海域和東海域，過海區(qū)間隧道作為我國大陸首批建設(shè)的軌道交通跨海隧道，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)少、設(shè)計難度大、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)復(fù)雜、專業(yè)涉及面廣、施工風(fēng)險高，極具挑戰(zhàn)性，軌道交通集團(tuán)建設(shè)者們充滿了建設(shè)熱情與獨(dú)立思維，通過現(xiàn)場實(shí)踐，不斷探索跨海工程領(lǐng)域的新方法、新技術(shù)。

1 工程概況

海滄大道站—東渡路站區(qū)間是廈門軌道交通2號線一期工程的第3個區(qū)間，線路出海滄大道站后由北轉(zhuǎn)向東，于滄林東路與海滄大道交叉口處入海，先后下穿廈門西港海域、大兔嶼、主航道、1#泊位后上岸，轉(zhuǎn)向東南下穿郵輪城二期地塊后到達(dá)東渡路站，是2號線一期工程的控制性節(jié)點(diǎn)工程。

過海隧道右線長2 736 m，左線長2 769 m，海域段長約2 120 m，設(shè)1座獨(dú)立風(fēng)道和4座聯(lián)絡(luò)通道，線路縱坡為V型節(jié)能坡，最大縱坡為29‰，最小縱坡為3.1‰；區(qū)間隧道覆土厚度8.7～66 m，最高潮位至隧道最低距離約55 m，主航道處最大水深約30 m；區(qū)間隧道穿越了多種地層，地質(zhì)條件復(fù)雜，涉及的地層主要有：淤泥、中粗砂、殘積土、全強(qiáng)風(fēng)化層((全)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、(全)強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖、(全)強(qiáng)風(fēng)化安山巖、(全)強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖)、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化層、中等風(fēng)化變質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化變質(zhì)石英砂巖、微風(fēng)化變質(zhì)石英砂巖、中等風(fēng)化凝灰熔巖(見圖1)。

圖1 地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile

結(jié)合過海隧道所處的地層條件，經(jīng)多次研究論證提出了“盾構(gòu)法+礦山法”的組合施工方案，為確保隧道的建成質(zhì)量，采用礦山法，以盾構(gòu)拼裝管片通過作為二次襯砌。

作為國內(nèi)大陸地區(qū)首個穿越海底的地鐵隧道(見圖2)，采用盾構(gòu)法尚屬首次，為盡量減少對周邊環(huán)境的影響，盾構(gòu)設(shè)備選擇對地層沉降變形控制更好的泥水平衡盾構(gòu)。為確保盾構(gòu)設(shè)備對地層的適應(yīng)性，結(jié)合地質(zhì)詳細(xì)勘察資料進(jìn)行了跨海隧道盾構(gòu)設(shè)備選型與性能配置專題研究，將盾構(gòu)設(shè)備選型要求落實(shí)到施工招標(biāo)中，同時考慮到穿越淤泥、泥巖細(xì)顆粒多，難以分離會造成廢棄漿液，污染環(huán)境，因此特要求采取分級壓濾處理技術(shù)，經(jīng)國際化招標(biāo)確定選用2臺海瑞克復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)，并配備2套600 m2壓濾機(jī)，以實(shí)現(xiàn)泥漿零排放。

2 線位選擇及工法比選

過海段地質(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)計施工風(fēng)險大，為解決工程難點(diǎn)、降低工程風(fēng)險、確保工程安全順利實(shí)施，從方案設(shè)計開始就高度重視，貫徹地質(zhì)選線原則，先后組織了多項(xiàng)專題研究和論證。2013年1月開始啟動過海隧道線位及工法專題研究，為確保研究成果的可靠性，比選線路的勘察均按初步勘察深度開展工作，2014年12月完成了《廈門軌道交通2號線一期工程過海隧道線位及工法研究專題報告》[1]，該報告從地質(zhì)選線角度出發(fā)，對南、中、北4個線站位方案、共計9個建設(shè)方案進(jìn)行了綜合比選，經(jīng)認(rèn)真研究，認(rèn)為北線淺埋雙小洞方案具有明顯的優(yōu)勢，重點(diǎn)研究北線方案。詳見圖3、4及表1。

圖3 比選方案Fig.3 Schematic Diagram of comparison scheme

圖4 比選方案地質(zhì)縱斷面Fig.4 Geological profiles of comparison schemes

表1 主要線位綜合比選

在后續(xù)工可階段，總體設(shè)計、初步設(shè)計階段繼續(xù)深化研究，最終推薦實(shí)施風(fēng)險較小的北線線位[2]、單洞單線盾構(gòu)工法、盾構(gòu)內(nèi)徑預(yù)留二襯空間后為6 m的方案[3-4]。至此，穩(wěn)定了過海段方案，為過海段的順利開工打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

施工圖階段根據(jù)地質(zhì)詳細(xì)勘察資料局部優(yōu)化北線線位，繞避突起的花崗巖，有效降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(見圖5)。

圖5 海東區(qū)間隧道線位圖Fig.5 The line map of Haidong tunnel

3 工程重、難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

國內(nèi)還沒有軌道交通于海底盾構(gòu)隧道建成的先例，設(shè)計過程中關(guān)鍵技術(shù)難題較多。為保證項(xiàng)目設(shè)計方案的先進(jìn)性、科學(xué)性以及實(shí)用性，同時為海底隧道順利實(shí)施和廈門軌道交通未來的發(fā)展繪制美好藍(lán)圖，針對工程的關(guān)鍵技術(shù)問題先后展開了多個科研課題研究和技術(shù)攻關(guān)，在實(shí)現(xiàn)科技和施工緊密結(jié)合、科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力方面取得了重要突破。

3.1 工程重、難點(diǎn)

作為國內(nèi)大陸地區(qū)首個穿越海底的地鐵隧道，本過海區(qū)間具有以下工程特點(diǎn)和重難點(diǎn)：

1) 確定合理線位及施工方案是關(guān)鍵：選擇最優(yōu)的過海線位、隧道埋深和安全可靠的過海施工方案，以確保施工、運(yùn)營安全是本工程的重中之重。

2) 工程地質(zhì)及水文條件復(fù)雜：盾構(gòu)機(jī)需穿越花崗巖、泥質(zhì)砂巖、凝灰熔巖、石英砂巖等多種巖層，其中微風(fēng)化變質(zhì)石英砂巖強(qiáng)度高達(dá)192 MPa；同時，還需穿越6條風(fēng)化槽、軟巖、軟弱破碎帶、擠壓帶及富水帶等特殊地層，地質(zhì)軟硬不均。

3) 盾構(gòu)設(shè)備選型和施工技術(shù)要求高：盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)距離長，基巖強(qiáng)度高，地層軟弱不均，對刀具磨損大；海中最大水壓高達(dá)0.55 MPa，海底換刀技術(shù)要求高。

4) 海洋環(huán)境復(fù)雜：選擇可靠的隧道結(jié)構(gòu)及防水方案，確保百年耐久性要求。

3.2 預(yù)留二襯研究

過海隧道是否預(yù)留二次襯砌從一開始就是本工程關(guān)注的重點(diǎn)，需考慮以下方面：

1) 本工程跨海隧道穿越地質(zhì)極為復(fù)雜，存在大量軟硬不均區(qū)段，且為高水壓環(huán)境，管片錯臺的可能性和錯臺量較一般地層大；

2) 本工程為重要的跨海隧道工程，隧道位于海水環(huán)境，對結(jié)構(gòu)腐蝕性強(qiáng)，耐久性要求高；

3) 海底通道資源的重要性、特殊性以及海底地下工程不具備地面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修的條件，須預(yù)留二襯空間為后期處理提供可能；

4) 地鐵管片預(yù)留二襯空間已經(jīng)慢慢成為工程界共識，上海、廣州、武漢等地新建地鐵線路管片內(nèi)徑均在推行擴(kuò)大斷面方式；

5) 在現(xiàn)有荷載條件下，單層裝配式管片完全能夠滿足跨海段盾構(gòu)隧道的承載要求，施作二襯以后管片的受力更為均勻，內(nèi)力圖更為接近勻質(zhì)圓環(huán)模型，但與只有單層襯砌時相比，管片受力有所減小，拱頂最大沉降稍有增大，從縱向不均勻沉降的計算結(jié)果來看，襯砌形式為雙層襯砌時的沉降比單層襯砌的沉降有明顯的減小，施作二襯對抑制沉降能起到一定的作用。

該工程就是否預(yù)留二次襯砌進(jìn)行了深入系統(tǒng)的比選，考慮海底隧道有可能發(fā)生地震、撞擊、火災(zāi)等事故，或發(fā)生管片開裂、錯臺等，導(dǎo)致海水滲入隧道內(nèi)部對隧道結(jié)構(gòu)侵蝕，為了不至于在地震等災(zāi)害情況下發(fā)生太大的變形導(dǎo)致侵限，結(jié)合國內(nèi)外長大隧道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，預(yù)留施作二襯的空間，作為預(yù)留變形量和便于后期補(bǔ)強(qiáng)加固，且二次襯砌的施作與否對隧道橫斷面方向的抗震性能影響不大，最終確定在盾構(gòu)隧道的內(nèi)部預(yù)留250 mm二次襯砌空間，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為6.0 m、外徑為6.7 m(見圖6)。

圖6 隧道斷面Fig.6 Tunnel Cross Section

3.3 防災(zāi)通風(fēng)及疏散研究

軌道交通運(yùn)量大、發(fā)車間隔短，保證運(yùn)營和乘客安全是頭等大事。通過對國內(nèi)外主要城市軌道交通事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軌道交通事故主要包括火災(zāi)、人群踩踏、乘客墜落、水災(zāi)停電、恐怖襲擊時的爆炸和毒氣泄漏、設(shè)備故障、列車出軌或相撞事故等，火災(zāi)事故是威脅地鐵安全的主要因素，因而在進(jìn)行地鐵事故研究時，火災(zāi)是首要研究對象。

3.3.1 隧道火災(zāi)安全目標(biāo)

過海區(qū)間隧道的消防安全目標(biāo)是保證發(fā)生火災(zāi)時，乘客能從著火區(qū)域疏散到安全區(qū)域，其次為消防隊(duì)員進(jìn)入滅火提供必要條件，以便控制火災(zāi)規(guī)模，限制火災(zāi)大面積蔓延；明確司乘人員在火災(zāi)工況下的生命及財產(chǎn)安全評估準(zhǔn)則(見表2)。

表2 火災(zāi)工況下生命及財產(chǎn)安全評估準(zhǔn)則

3.3.2 隧道防災(zāi)通風(fēng)

過海區(qū)間遠(yuǎn)期高峰時刻共有2列車同時運(yùn)行，根據(jù)通風(fēng)防災(zāi)要求，需保證每個通風(fēng)區(qū)段僅有一輛列車通行，在中部大兔嶼設(shè)置通風(fēng)風(fēng)道一座(見圖7)、風(fēng)道內(nèi)設(shè)置直通地面的疏散樓梯，采用分段縱向通風(fēng)排煙模式。區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時，通過區(qū)間風(fēng)道軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行，以保證火災(zāi)隧道通風(fēng)風(fēng)速大于臨界風(fēng)速，及時排出火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣。

圖7 風(fēng)道設(shè)置位置Fig.7 Air Duct Setting

3.3.3 隧道疏散救援

過海區(qū)間采用礦山+盾構(gòu)組合工法，共設(shè)置4座聯(lián)絡(luò)橫通道、1座中間風(fēng)道，橫通道間距600 m，隧道疏散平臺寬度不小于700 mm，風(fēng)道內(nèi)設(shè)置直通地面的疏散樓梯。當(dāng)過海區(qū)間發(fā)生火災(zāi)時，若列車未失去動力，則需行駛至兩端車站開展疏散救援；若列車失去動力無法行駛至車站時，就地停車，乘客通過列車側(cè)門或端頭門達(dá)到疏散平臺或道床，通過聯(lián)絡(luò)橫通道疏散至非火災(zāi)隧道。

3.3.4 海洋環(huán)境隧道耐久性研究

過海隧道場區(qū)屬于典型的海洋氯化物環(huán)境，作用等級為Ⅲ-E，對結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能要求極高。為滿足地鐵100年設(shè)計使用年限，對建筑材料，摻合料，結(jié)構(gòu)構(gòu)造等各個環(huán)節(jié)均進(jìn)行了深入研究。

隧道結(jié)構(gòu)主體采用C50，抗?jié)B等級P12混凝土材料，并嚴(yán)格控制混凝土水灰比、氯離子滲透系數(shù)、通電量、骨料粒度等指標(biāo)；在混凝土中加入大量的礦物摻和料，包括優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉、硅粉等，以提高混凝土的密實(shí)度；添加適量的聚丙烯纖維，以減少初期裂縫，提高混凝土的斷裂韌性，改善混凝土的抗裂防滲性能；在混凝土管片迎水面涂刷防腐抗?jié)B性能優(yōu)良的高滲透性環(huán)氧涂料；預(yù)留二襯空間的設(shè)計理念為后期維修補(bǔ)強(qiáng)和延長結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)留條件。

3.3.5 長大過海隧道防排水研究

海底隧道防排水方案是另一道難題。由于海底隧道的V型縱坡以及海水無限補(bǔ)給等特點(diǎn)，海底隧道防排水方案就成為了設(shè)計中必須突破的難關(guān)。長大過海區(qū)間隧道具有海域段跨度大，結(jié)構(gòu)滲水量大等特點(diǎn)，對隧道施工與運(yùn)營期間的排水能力提出了很大的考驗(yàn)。

首先，經(jīng)過大量的調(diào)研、分析、咨詢、研究，確定了 “以堵為主，限量排放”的設(shè)計原則。制定合理的隧道滲漏水排放標(biāo)準(zhǔn)，通過超前注漿等措施嚴(yán)格控制隧道的排水量。其次，考慮在隧道運(yùn)營階段排水系統(tǒng)必須通暢，設(shè)計了可維護(hù)的隧道防排水系統(tǒng)。再次，在區(qū)間沿線科學(xué)布置臨時廢水中轉(zhuǎn)泵站，并充分利用斜井及豎井廢水泵房。施工期間，區(qū)間廢水匯入臨時集水坑，通過中轉(zhuǎn)水倉轉(zhuǎn)入永臨結(jié)合中轉(zhuǎn)泵站，然后提升至地面廢水處理站進(jìn)行處理。最后，為滿足運(yùn)營期間的排水需求，在線路最低點(diǎn)及兩側(cè)設(shè)置大型廢水泵房，并根據(jù)隧道施工期間的涌水量量測對泵房的容量進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使其至少能容納24 h的隧道滲漏水量。

3.3.6 國內(nèi)首次海底凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道

海東區(qū)間隧道4座聯(lián)絡(luò)通道均位于西港海域下，聯(lián)絡(luò)通道施工是盾構(gòu)隧道的高風(fēng)險點(diǎn)，需在聯(lián)絡(luò)通道開挖前對地層進(jìn)行加固處理，結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道所處地層條件，開創(chuàng)性提出了海底凍結(jié)法，即通過冷凍的方法將土體變成凍土，有效減少滲漏、涌水，實(shí)施成功后將有效填補(bǔ)國內(nèi)海底聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)的空白。

3.3.7 盾構(gòu)法與礦山法隧道水中對接

該島側(cè)分布有變質(zhì)石英砂巖，最大強(qiáng)度高達(dá)190 MPa，盾構(gòu)施工難度大、刀具磨耗嚴(yán)重，為此提出了先從陸地上施作礦山法隧道進(jìn)海迎接盾構(gòu)方案，二者在主航道前方的水底進(jìn)行對接，該處水深30 m，為有效降低對接風(fēng)險，在礦山法隧道內(nèi)先施作臨時密封盒，然后盾構(gòu)機(jī)安全進(jìn)入“盒子”，再打開“盒子”讓盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入礦山法隧道內(nèi)。

4 結(jié)語

作為國內(nèi)首個海底地鐵盾構(gòu)隧道，無成熟規(guī)范和類似經(jīng)驗(yàn)可供參考，必須高度重視過海區(qū)間的設(shè)計、施工管理，積極組織開展關(guān)鍵技術(shù)專題研究和風(fēng)險調(diào)查梳理工作，針對重大風(fēng)險點(diǎn)制定詳細(xì)的施工應(yīng)對措施，從現(xiàn)場勘察到方案比選，從科研攻關(guān)到專家咨詢，無數(shù)雄關(guān)漫道被一一攻克，在過海隧道設(shè)計、施工中還采用了多項(xiàng)新技術(shù)和新工藝。例如采用過海隧道盾構(gòu)換刀、提前進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘、全程超前探孔探水、滲透水壓力數(shù)值模擬計算、承壓水環(huán)境下巖石裂隙注漿堵水技術(shù)、微震爆破等一系列新技術(shù)。這些以科技創(chuàng)新為支撐的新技術(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)用不僅保證了隧道的安全、經(jīng)濟(jì)、合理，更使得“科技隧道”的理念得以貫徹，提高了工程的科技含量。隨著項(xiàng)目的進(jìn)一步推進(jìn)以及地質(zhì)條件的不確定性等，難免會遇到新的問題，筆者將與參建各方一起迎接新的挑戰(zhàn)，深入總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，全面提煉研究成果，為過海盾構(gòu)隧道的設(shè)計、施工、運(yùn)營、管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，同時也為后續(xù)建設(shè)如廈門軌道交通3號線過海隧道及其他類似工程等提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.廈門軌道交通2號線一期工程過海隧道線位及工法研究專題報告[A].武漢，2014.

[2] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.廈門市軌道交通2號線一期工程可行性研究報告[A].武漢，2014.

[3] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.廈門市軌道交通2號線一期工程總體設(shè)計[A].武漢，2014.

[4] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.廈門市軌道交通2號線一期工程過海段初步設(shè)計暨專題研究[A].武漢，2014.

KeyTechnologiesfortheFirstCross-SeaMetroShieldTunnelinChina

XULiming

(Xiamen Rail Transit Group Limited Corporation, Xiamen Fujian 361000)

The author studies the key technologies adopted for the cross-sea shield tunnel for Line 2 of Xiamen Metro, including the selection of the line route, the second preset liner, ventilation and evacuation in a disaster, durability of the undersea tunnel structure, waterproof and drainage technology, building of undersea connecting passages for the tunnel by freezing, as well as the end-to-end joint between the shield tunnel and undersea mining tunnel, etc., which are expected to be helpful for the design, construction, operation and management of cross-sea tunnels in the future.

metro; shield tunnel; undersea tunnel; key technologies

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.009

U231

A

1672-6073(2017)06-0051-05

2017-03-20

2017-06-23

許黎明，男，高級工程師，從事城市軌道交通建設(shè)管理及技術(shù)研究工作，xlm1962@163.com

廈門市科技計劃重大項(xiàng)目(3502Z20151006)

(編輯：郝京紅)