朱 劍 李興盛 王 建

（1.北京城市快軌建設(shè)管理有限公司，北京 100027；2.中鐵一局集團第二工程有限公司，河北唐山 063004；3.中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，國外近百年來已建的跨海和海峽交通隧道已逾百座[1]。我國跨海隧道已有多條，2005年底廣深港客運專線獅子洋海底盾構(gòu)隧道開工建設(shè)[2]，2010年中國大陸第一條海底隧道廈門翔安隧道建成[3]，接著青島膠州灣海底隧道、港珠澳大橋海底隧道、汕頭海灣隧道、深中海底隧道、廈門地鐵2號線和3 號線跨海隧道陸續(xù)開建。

前人對跨海隧道的技術(shù)要點做了大量的研究。孫 鈞[4?5]介紹了國內(nèi)外跨海隧道工程建設(shè)現(xiàn)況及其特色，認為在規(guī)劃跨江越海工程時，應(yīng)綜合當?shù)氐淖匀弧⑸鷳B(tài)、地質(zhì)、水文、河工、港口、航道和航運等相關(guān)條件選擇方案，同時也對隧道最小埋置深度進行討論。趙月[6]從地質(zhì)選線、工法選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，闡述了超長跨海隧道的土建方案設(shè)計理念。徐安寧[7]介紹了深圳媽灣跨海隧道總體方案設(shè)計的關(guān)鍵技點。周華貴等[8]為有效解決汕頭市蘇埃通道工程遇到的海底硬巖、孤石群及高烈度抗震等技術(shù)難題，從海底隧道橫斷面、平面及縱斷面方案進行研究。樂貴平等[9]對地鐵隧道鋼筋混凝土管片的結(jié)構(gòu)形式、管片的環(huán)寬進行了討論。張金龍等[10]從管片拼裝方式與分塊、管片連接方式等方面，分析了管片結(jié)構(gòu)的選型方法。肖明清等[11]在國內(nèi)首次提出了“通用楔形環(huán)、2 m 環(huán)寬、九等分”的大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)新型式。

大連某地鐵線路穿越大連灣，周邊條件極其復(fù)雜，不僅穿越鐵路、公路、加油站，大量建筑群還有軍港碼頭和航道，采用隧道的形式跨越海灣優(yōu)勢明顯?？绾Ｋ淼来┰椒秶刭|(zhì)條件復(fù)雜，地層軟硬不均，地層破碎，與海水連通性好，水壓力高且?guī)r溶發(fā)育，在跨海工程中實屬罕見。隧道平縱斷面的布置需考慮如何減少穿越溶洞強發(fā)育范圍，同時又能保證施工安全的覆土厚度以及航道規(guī)劃海底標高、船舶錨擊深度。為解決上述難點，盡量降低施工難度和工程風(fēng)險，從路由方案、工法方案、橫斷面方案、平縱斷面方案等幾方面進行研究，成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

大連某地鐵線是大連軌道交通二期建設(shè)中首條建設(shè)的地鐵線。工程沿線串聯(lián)青泥洼、梭魚灣兩大城市中心。跨海段是地鐵線路的重要節(jié)點工程，跨海線路起點為火車站站，終點至梭魚灣南站。區(qū)間長度為3.3 km，其中，海域段全長2.3 km。

1.2 工程地質(zhì)

本工程跨海范圍內(nèi)上層為厚1～6 m 的海積中粗砂或淤泥，中間層為1～12 m 厚亞黏土，下伏基巖，南北岸兩側(cè)全、強風(fēng)化覆蓋層厚度分別為5～9 m 及2～5 m。南側(cè)主要中、強風(fēng)化板巖及鈣質(zhì)板巖，北側(cè)為中等、強風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r地層，中等風(fēng)化基巖強度在15～45 MPa，在板巖和鈣質(zhì)板巖交界處有輝綠巖脈侵入，形成輝綠巖帶。北側(cè)白云質(zhì)灰?guī)r巖溶發(fā)育，洞內(nèi)由黏土和角礫全填充或半充填，個別為空洞，充填物呈軟塑?可塑狀態(tài)。

1.3 水文地質(zhì)

大連灣的潮流受朝鮮沿岸海流影響，流向東南，灣內(nèi)潮流沿大港防波堤呈東西向。中等風(fēng)化板巖和中等風(fēng)化白云巖的滲透系數(shù)為5～10 m/d，均為中、強透水地層，上覆第四系無絕對隔水層。溶洞為地下水提供了滲流通道，場地地下水與地表海水連通。

2 路由方案研究

線路走向應(yīng)滿足城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃要求，并盡量與海域兩端的城市規(guī)劃相結(jié)合[12]。地鐵線路穿越梭魚灣海域是本條線的關(guān)鍵路由，結(jié)合海域兩岸的發(fā)展規(guī)劃與規(guī)劃道路的建設(shè)，確定3 個比選方案（見圖1）。比選結(jié)果見表1。

表1 跨海隧道路由綜合比選

圖1 跨海段路由方案比選示意圖

由于西線方案下穿造船廠存在敏感的軍事區(qū)域，東線方案未能從規(guī)劃層面與城市核心區(qū)未來發(fā)展很好地結(jié)合，線路沿友好街穿海方案避免了西線和東線方案的不足，最具有優(yōu)勢，推薦采用中線方案。

本段區(qū)間主要的控制點為：（1）快軌3 號線；（2）財富小區(qū)高層；（3）碼頭線貨運鐵路；（4）軍港碼頭；（5）軍港公寓及加油站；（6）大型船舶制造基地；（7）香爐樵航道。

線路方案走向如下：在站北廣場西側(cè)設(shè)置火車站站后，線路向北從快軌3 號線兩根橋墩中間穿過，后為避開財富小區(qū)居民樓小角度北轉(zhuǎn)后繼續(xù)向北分別下穿貨運鐵路、疏港路、加油站，從軍港碼頭進入海域，下穿香爐樵航道，在海域北岸鉆石灣設(shè)站。

3 工法研究

目前修建海底隧道的施工方法主要有：鉆爆法、掘進機法（盾構(gòu)法、TBM 法）、沉管法、圍堰明挖法等。工程穿越香爐樵航道在任何情況下不允許中斷，對航道和軍用碼頭建設(shè)管理影響很大的沉管法和圍堰明挖法在本項目中不予考慮。因此，重點針對盾構(gòu)法與鉆爆法從橫斷面方案和縱斷面方案進行詳細比選研究。

3.1 橫斷面方案研究

3.1.1 布置原則

（1）限界要求

車輛采用B 型車，車輛寬2.8 m，高3.8 m。隧道斷面布置應(yīng)滿足地鐵B 型車的建筑限界要求：區(qū)間馬蹄形隧道建筑限界由上部R=2440 mm 的半圓和下部兩條R=4880 mm 的弧線組成，線路中心線兩側(cè)1200 mm 范圍內(nèi)，軌道結(jié)構(gòu)高度不小于560 mm。區(qū)間圓形隧道軌道結(jié)構(gòu)高度740 mm，建筑限界為φ5300 mm。

（2）通風(fēng)要求

經(jīng)行車計算，區(qū)間內(nèi)同一個方向存在3 列車同時運行，需在區(qū)間中間設(shè)置中間風(fēng)井或直通地面的專用疏散出口[13]。根據(jù)周邊場地條件，結(jié)合施工和運營需求，在南岸設(shè)區(qū)間風(fēng)井一座，北岸距離海域僅約180 m，無設(shè)置區(qū)間風(fēng)井條件，因此需要在隧道內(nèi)設(shè)置專用風(fēng)道。根據(jù)計算，單洞單線斷面頂部排煙道面積不應(yīng)小于10 m2，單洞雙線斷面頂部排煙道面積不應(yīng)小于13 m2。

（3）防災(zāi)救援要求

規(guī)范強條要求：“載客運營地下區(qū)間內(nèi)應(yīng)設(shè)置縱向疏散平臺”[14]。相關(guān)研究的模擬計算結(jié)果表明，疏散平臺寬度的略微增加，可以使得疏散時間大大減小，疏散效率大大提高，因此疏散平臺的寬度不小于800 mm。

（4）襯砌結(jié)構(gòu)形式要求

本區(qū)間地下水氯化物環(huán)境作用等級為Ⅲ-E 類，考慮地鐵工程耐久性要求高，隧道預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)抗變形能力不如現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)好，尤其是處于對混凝土耐久性不利的地層環(huán)境時，管片結(jié)構(gòu)易腐蝕且修復(fù)比較困難，可考慮在管片內(nèi)部澆筑鋼筋混凝土內(nèi)襯[15]。因此在盾構(gòu)管片內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)襯，不僅解決了管片耐久性的問題，同時也避免了內(nèi)部結(jié)構(gòu)施作對管片的損傷。

3.1.2 鉆爆法斷面方案

（1）單洞單線方案

采用兩個凈跨度6.5 m 的單線隧道，隧道內(nèi)設(shè)置折板，將斷面劃分為排煙風(fēng)道和行車空間，根據(jù)通風(fēng)防災(zāi)、給排水等系統(tǒng)要求單獨設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道、排水泵房，見圖2（a）。

（2）單洞雙線方案

采用線間距5.1 m 的馬蹄形斷面。根據(jù)通風(fēng)和防災(zāi)要求，上部設(shè)縱向排煙道，下部為行車及疏散區(qū)，凈跨度為10 m。下部左右線行車道設(shè)置中隔墻，兩側(cè)設(shè)置縱向疏散平臺，供隧道維修和防災(zāi)疏散使用，見圖2（b）。

3.1.3 盾構(gòu)法斷面方案

（1）單洞單線方案

該方案盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為7.2 m，見圖3（a），利用頂部空間設(shè)置排煙道，在疏散平臺側(cè)設(shè)置縱向疏散通道，每隔一定間距設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，以滿足防災(zāi)疏散要求。在線路最低點設(shè)置泵房，與聯(lián)絡(luò)通道合建。該方案不僅隧道斷面較大，且仍需設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道及外設(shè)廢水泵房，比單洞帶疏散通道方案斷面稍小，但功能較差，因此不考慮此方案。

（2）單洞雙線方案

該方案盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為10.2 m，在單個隧道內(nèi)并列設(shè)置上下行線，將隧道分為上下兩層，其中上層作為防災(zāi)送風(fēng)排煙通道，下層中間設(shè)置隔離墻和疏散通道，并通過兩線之間的安全門進行疏散。在軌道結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置排水溝，并可在隧底填充區(qū)域設(shè)置中心排水溝，在隧道最低點處隧道底設(shè)置排水泵房，見圖3（b）。

圖3 盾構(gòu)法橫斷面方案

3.2 縱斷面研究

3.2.1 縱斷面布置原則

（1）兩端車站合理埋深，減少長距離沖坡和爬坡，縱坡不大于28‰。

（2）香爐礁航道規(guī)劃寬度及埋深，遠期航道最大拓寬寬度及最大清理深度。

（3）滿足施工安全及運營抗浮要求，隧道結(jié)構(gòu)位于遠期穩(wěn)定海床面及遠期規(guī)劃航道深度以下盾構(gòu)法不小于1 倍洞徑，鉆爆法不小于1.5 倍洞徑。

（4）軍港遠期清淤深度要求。

（5）船舶制造基地航道遠期清理深度。

（6）盾構(gòu)盡量減少穿越半軟半硬、左右不均地層。礦山法盡量深埋，以減少隧道穿越斷層破碎帶的長度。

3.2.2 鉆爆法縱斷面方案研究

跨海區(qū)間穿越巖體主要為強、中等風(fēng)化板巖和灰?guī)r，巖體為較破碎和較完整，海域段水深約6～14 m。鉆爆法方案的縱斷面擬定情況見圖4、圖5。

圖4 鉆爆單洞單線方案縱斷面

圖5 鉆爆單洞雙線方案縱斷面

3.2.3 盾構(gòu)法縱斷面方案研究

與鉆爆法相比，盾構(gòu)隧道埋深相對較淺，應(yīng)盡量避開軟、硬不均地層，滿足施工期及運營期抗浮安全性要求。盾構(gòu)方案的縱斷面擬定情況如圖6 和圖7所示。

圖6 盾構(gòu)單洞單線方案縱斷面圖

圖7 盾構(gòu)單洞雙線方案縱斷面圖

4 工法綜合比選

4.1 地層適應(yīng)性分析

根據(jù)地質(zhì)資料，盾構(gòu)穿越硬巖比例較小，采用滾刀破巖模式為主的重型刀盤可滿足掘進破巖的要求。通過多種勘察和物探手段可以基本準確地探明溶洞分布，并采取預(yù)處理措施，有效減小盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)段的施工風(fēng)險，因此盾構(gòu)的適應(yīng)性較好。采用鉆爆法施工存在較大突泥涌水風(fēng)險。鉆爆法超前地質(zhì)探測及預(yù)報比盾構(gòu)方案靈活、方便，地質(zhì)不確定性風(fēng)險低于盾構(gòu)方案，同時對溶洞等不良地質(zhì)條件的輔助施工措施較多。

4.2 對車站的影響分析

跨海區(qū)間兩段車站距離入?？诤芙?，采用盾構(gòu)法方案，隧道海底埋深相對較淺，因此車站埋深相應(yīng)較小，海域南岸車站為地下兩層站，海域北岸車站為地下三層站。本區(qū)間若采用鉆爆法方案，為了降低鉆爆法修建海底隧道施工過程中的風(fēng)險，隧道埋深一般比盾構(gòu)法修建的隧道埋深大，海域南岸車站為地下三層站，海域北岸車站為地下五層站。本區(qū)間兩端車站均位于海漫灘地貌，地下水豐富，地質(zhì)條件較差，隧道采用盾構(gòu)法方案，車站基坑深度顯著減小，風(fēng)險可控，投資更小，對車站方案具有顯著的優(yōu)勢。

4.3 對周邊環(huán)境的影響分析

本區(qū)間沿線存在多處敏感性建構(gòu)筑物。區(qū)間線路近距離側(cè)穿民用加油站，西側(cè)臨近船舶制造基地，同時區(qū)間還下穿運營中的碼頭線鐵路、軍港碼頭，其中船舶制造基地和軍港碼頭的精密儀器對環(huán)境噪聲、振動要求均極高。根據(jù)軍港碼頭及油庫管理要求，300 m 范圍內(nèi)嚴禁爆破，若采用鉆爆法施工，部分范圍需要采用機械開挖。

通過上述幾種方案的分析，根據(jù)地質(zhì)資料及周邊環(huán)境，參照國內(nèi)外類似工程的實踐經(jīng)驗，跨海區(qū)間無論是采用鉆爆法還是盾構(gòu)法，從技術(shù)理論上都是可行的。爆破震動對周邊環(huán)境帶來的問題比盾構(gòu)突出，若部分鉆爆斷面采用機械開挖則工期太長，因此排除鉆爆法，采用盾構(gòu)法進行詳細比選（見表2）。

表2 跨海隧道盾構(gòu)方案綜合對比表

根據(jù)跨海隧道通風(fēng)防災(zāi)的要求，在海域南岸設(shè)置區(qū)間風(fēng)井一座，采用單洞雙線方案時，海域北岸車站為側(cè)式站臺，南岸結(jié)合區(qū)間風(fēng)井明挖一段將線間距分開后可設(shè)置島式車站。海域北岸場地條件很好，有利于盾構(gòu)始發(fā)掘進，根據(jù)全線其他站點征地拆遷的實施難度，本段跨海區(qū)間不是控制性節(jié)點工程。采用單洞單線盾構(gòu)方案不僅穿越更多的溶洞，增大了施工風(fēng)險，而且海域范圍需要修建4 條聯(lián)絡(luò)通道，實施難度也很大，總投資也比單洞雙線高。綜合上述分析，本區(qū)間采用盾構(gòu)法掘進在對環(huán)境影響較鉆爆法具有顯著優(yōu)勢。本區(qū)間推薦采用單洞雙線盾構(gòu)法施工。

5 盾構(gòu)管片設(shè)計

5.1 管片厚度

管片結(jié)構(gòu)橫向受力時可近似按平面應(yīng)變模型考慮。在管片接頭處，其圓環(huán)剛度小于管片本體截面剛度，但仍能傳遞一定彎矩，整個襯砌圓環(huán)是一個含多個彈簧鉸的襯砌圓環(huán)，本文計算模型采用修正慣用法，修正慣用法將接頭的影響表現(xiàn)為管片整體剛度的折減[16]。拱頂豎向土壓力按照覆土深度分工況1：H≤D、工況2：D1.5D（D為盾構(gòu)直徑）三種工況進行計算，結(jié)果見表3。隧道覆土最深處為控制工況，采用襯砌厚度為500 mm。

表3 盾構(gòu)管片內(nèi)力計算結(jié)果

5.2 管片環(huán)寬

管片的寬度要根據(jù)管片接縫數(shù)量、防水要求、螺栓數(shù)量、工期、造價等因素綜合確定。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)外已建的36 座盾構(gòu)隧道（外徑10 m 以上）的實例中，27 座隧道采用2.0 m 管片環(huán)寬，6 座隧道采用1.5 m管片環(huán)寬[17]。環(huán)寬2 m 的管片相對環(huán)寬1.5 m 的管片，隧道內(nèi)環(huán)縫數(shù)量減少約25%，降低了漏水概率，管片拼裝時間節(jié)省約20%，最終帶來了可觀的經(jīng)濟效益?？绾６尉€路最小曲線半徑為800 m，采用環(huán)寬2 m 的管片完全滿足轉(zhuǎn)彎半徑的要求。根據(jù)目前國內(nèi)盾構(gòu)機廠家的技術(shù)水平，2 m 環(huán)寬可滿足盾構(gòu)機千斤頂行程的能力。綜合線路特點、結(jié)構(gòu)耐久性、造價、工期、盾構(gòu)設(shè)備等因素，管片環(huán)寬取2 m。

5.3 襯砌環(huán)類型

盾構(gòu)隧道是以若干段折線來擬合設(shè)計的光滑曲線的，為滿足盾構(gòu)隧道在曲線上偏轉(zhuǎn)及施工中糾偏的需要，應(yīng)設(shè)計楔形襯砌環(huán)，目前采用較多的類型有三種：（1）楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的組合；（2）左、右楔形襯砌環(huán)；（3）通用型管片環(huán)。通用環(huán)管片由于只需一種管片類型，可節(jié)約鋼模數(shù)量，管片拼裝自動化程度高，適用自動化作業(yè)，易于糾偏。因此，本方案采用通用型管片環(huán)方案。

5.4 管片環(huán)、縱向連接方案

管片的連接方式有三種：螺栓連接、銷釘連接、構(gòu)造連接。國內(nèi)盾構(gòu)隧道基本均采用螺栓連接。螺栓連接方式主要包括直螺栓連接、彎螺栓連接和斜螺栓連接。直螺栓連接對精度要求不高，但其開手孔較大，對管片截面削弱較大。彎螺栓連接對精度要求較高，開手孔較小，對管片截面削弱較小，但容易變形，拼裝麻煩，用料多。斜螺栓開手孔最小，對管片截面削弱最小，耗鋼量最省，施工也最方便，但對螺栓和預(yù)埋件精度要求最高。本工程襯砌直徑大、地層軟硬不均、結(jié)構(gòu)受力大，同時考慮抗震要求，綜合考慮管片環(huán)、縱向連接接頭均采用斜螺栓連接。

6 結(jié)論

（1）從線路線形條件、車站選址、對重點地區(qū)的服務(wù)、工程難度以及投資等方面綜合考慮，跨海隧道推薦沿友好街的路由方案。

（2）基于現(xiàn)有地質(zhì)資料，綜合考慮隧道建設(shè)對周圍環(huán)境影響程度、施工難度、車站規(guī)模等因素，推薦采用單洞雙線大盾構(gòu)方案。

（3）管片厚度由隧道覆土最深的工況控制，為提高隧道的耐久性、加快施工進度，節(jié)約造價管片環(huán)寬取2 m。

（4）本工程采用拼裝自動化程度較高的通用型管片環(huán)方案，管片環(huán)、縱向連接接頭均采用斜螺栓連接。