王林輝

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

近年來，隨著軌道交通工程高速發(fā)展，跨江、跨海地鐵隧道工程越來越多。由于建設(shè)環(huán)境的特殊性，其工程風(fēng)險(xiǎn)往往較大，需要在項(xiàng)目前期對(duì)方案的可行性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。工程方案的選擇受多種因素影響，如工程地質(zhì)、海域環(huán)境、陸域段條件等，選擇一種可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的施工方法至關(guān)重要。結(jié)合國內(nèi)已經(jīng)建成的跨海地鐵工程，如大連5號(hào)線火—梭跨海區(qū)間(海域段2.3 km)、武漢8號(hào)線黃浦路站—徐家棚站越江隧道(越江段3.2 km)、青島8號(hào)線大洋站—青島北站過海段(海域段5.4 km)、廈門2號(hào)線?！獤|區(qū)間(海域段2.2 km)等設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)跨海地鐵隧道的選線[1-3]、跨海盾構(gòu)隧道大斷面穿越[4-7]等進(jìn)行相關(guān)研究，主要包括針對(duì)跨海段特殊地質(zhì)的選線研究；針對(duì)特殊地層(如巖溶)盾構(gòu)選型和襯砌形式研究；從耐久性、滲流場、應(yīng)力場、圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等對(duì)盾構(gòu)斷面的分析研究；管片受力及計(jì)算模型分析等。另外，在跨海隧道施工技術(shù)上也積累了一定的成果經(jīng)驗(yàn)[8-11]，主要包括海底隧道高水壓條件下防水及施工治水技術(shù)、高壓涌/突水情況工程處置技術(shù)、海域隧道襯砌參數(shù)的調(diào)整與修正分析等。然而，在項(xiàng)目前期，針對(duì)長距離跨海地鐵隧道工法、疏散救援、施工組織的系統(tǒng)研究較少，以廈門地鐵3號(hào)線五緣灣站—會(huì)展中心站跨海區(qū)間(海域段3.7 km)為例，從工法適應(yīng)性、工期、造價(jià)、斷面選型等對(duì)工程方案可行性進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為類似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 工程概況

廈門地鐵3號(hào)線五緣灣站—會(huì)展中心站區(qū)間出五緣灣站后，沿枋湖湖北二路敷設(shè)，下穿枋鐘路進(jìn)入北側(cè)海域，出海域后，進(jìn)入會(huì)展中心站。設(shè)計(jì)最高速度80 km/h。區(qū)間位于翔安隧道西側(cè)，總長約5.1 km，跨海段長約3.7 km[12]。區(qū)間平面見圖1。

圖1 廈門地鐵3號(hào)線五緣灣站—會(huì)展中心站區(qū)間平面

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

(1)工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)物探和鉆探資料，本工程島內(nèi)陸域段地表人工填土主要為素填土，厚2～4.6 m，靠近海邊分布有拋石，厚度大于6 m；翔安段陸域地表人工填土主要為填砂，厚6～13 m。

海域段屬濱海堆積區(qū)，海底地形總體上較為平緩，呈寬“U”形，上部主要為淤泥殘積土。

海域段下部主要為花崗巖，基巖風(fēng)化界面不均，本區(qū)間整體巖面由島內(nèi)向島外傾斜，局部基巖凸起，巖面較淺[13-14]。

(2)水文地質(zhì)

本工程陸域、海域地下水據(jù)其賦存形式分為：松散巖類孔隙水、風(fēng)化基巖孔隙裂隙水、基巖裂隙水。

陸域地下水主要受大氣降水的補(bǔ)給，就近向低洼地段排泄。海域地下水主要受海水的垂直入滲補(bǔ)給。

3 工程重難點(diǎn)及總體方案確定

3.1 工程重難點(diǎn)

本工程范圍海域段地層條件復(fù)雜、地下水豐富，需選擇安全、經(jīng)濟(jì)的工程總體方案；海域段長3.7 km，相較于正常地鐵區(qū)間，難以設(shè)置區(qū)間風(fēng)井，還需解決超長區(qū)間通風(fēng)救援等問題；在工程總體可行方案基礎(chǔ)上，綜合施工風(fēng)險(xiǎn)、工期、造價(jià)、通風(fēng)、排水等因素，確定合理的結(jié)構(gòu)斷面形式。

3.2 工程總體方案

根據(jù)國內(nèi)外水下隧道修建經(jīng)驗(yàn)[15]，常用工法主要有礦山法、盾構(gòu)法、沉管法和TBM法等，由于隧址范圍西港海域?yàn)橹腥A白海豚保護(hù)區(qū)，沉管法需在海域內(nèi)作業(yè)，對(duì)生態(tài)影響較大，故沉管法不適用。其他工法適應(yīng)性分析見表1。

表1 工程總體方案適應(yīng)性分析

綜上可知， TBM法受地層復(fù)雜多變影響，難以控制工期及造價(jià)，不推薦采用；島內(nèi)陸域段及翔安側(cè)海域段巖面埋深較深，推薦采用盾構(gòu)法施工，剩余海域段根據(jù)線路敷設(shè)深度采用礦山或盾構(gòu)法施工。因此，海域段工法可分為組合工法方案(礦山+盾構(gòu))和全盾構(gòu)方案。

4 組合工法方案

海域段采用組合工法方案，綜合造價(jià)、工期、工程安全風(fēng)險(xiǎn)、服務(wù)功能等因素，礦山法段考慮大洞、中洞、小洞3種方案，盾構(gòu)段均采用內(nèi)徑6 m泥水盾構(gòu)。盾構(gòu)法與礦山法在海域段對(duì)接，先施工礦山法區(qū)間，端頭設(shè)置玻璃纖維筋堵頭格柵，采用袖閥管注漿加固；再施作堵頭墻，安裝水密門，墻內(nèi)采用M10砂漿回填，在隧道周邊預(yù)留觀察孔和注漿孔；待盾構(gòu)進(jìn)入密封艙，打開觀察孔并觀察地下水情況，如發(fā)現(xiàn)滲漏，可通過堵頭墻預(yù)留注漿孔，盾尾、管片注漿孔注漿；再打開水密門，拆卸盾構(gòu)機(jī)；最后鑿除堵頭墻，在盾構(gòu)機(jī)鋼殼內(nèi)施作混凝土二襯，兩端設(shè)置環(huán)梁連接，完成隧道襯砌。

4.1 小洞方案(三洞方案)

(1)結(jié)構(gòu)斷面形式

三洞單線方案礦山法采用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的馬蹄形斷面結(jié)構(gòu)，單洞面積為34.9 m2，凈跨5.1 m，凈高5.45 m。初支厚度擬采用250 mm，二襯厚度擬采用300 mm，三洞單線斷面的最大寬度為6.2 m，考慮底部仰拱加厚，斷面最大高度為6.67 m。中間服務(wù)隧道(1900 m)頂部空間設(shè)置排煙道，下部為火災(zāi)時(shí)人員疏散通道，在行車左側(cè)設(shè)置縱向疏散平臺(tái)，滿足維修和防災(zāi)疏散功能。小洞方案見圖2。

圖2 小洞設(shè)計(jì)方案

(2)排煙

在跨海區(qū)段，根據(jù)行車運(yùn)行時(shí)分計(jì)算，需劃分為2個(gè)防火分區(qū)；由風(fēng)速、風(fēng)壓參數(shù)模擬計(jì)算得到風(fēng)道最小面積為10 m2(本方案取12 m2)。利用服務(wù)通道與聯(lián)絡(luò)通道，形成左右線連通的縱向通長風(fēng)道，將海域段平均分成2個(gè)通風(fēng)區(qū)段。事故工況下，正線內(nèi)由兩端車站、中間風(fēng)井及斜井風(fēng)機(jī)共同組織跨海段縱向分段通風(fēng)模式。

(3)疏散

旅客疏散時(shí)，通過左右線隧道間的橫向聯(lián)絡(luò)通道疏散到中間服務(wù)隧道區(qū)域中。間隔600 m設(shè)置疏散橫通道，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，乘客通過車輛側(cè)門或端頭門下車，沿疏散平臺(tái)或道床進(jìn)行疏散。乘客可通過橫通道到達(dá)非火災(zāi)隧道，然后走行至五緣灣站、區(qū)間風(fēng)井、斜井或會(huì)展中心站。

(4)排水

在區(qū)間風(fēng)井處設(shè)陸域泵站1座，在線路坡度最低點(diǎn)處設(shè)海底泵站1座，在距海底泵站600 m的兩側(cè)分別設(shè)島內(nèi)側(cè)廢水泵站和翔安側(cè)廢水泵站。

4.2 大洞方案(單洞雙線)

(1)結(jié)構(gòu)斷面形式

單洞雙線斷面方案線間距為5.0 m，根據(jù)通風(fēng)和防災(zāi)要求，單洞雙線斷面將隧道分為上部縱向排煙風(fēng)道，下部地鐵車行道。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(tái)，滿足維修和防災(zāi)疏散功能。上部風(fēng)道的面積約15 m2，中隔墻上每隔300 m設(shè)置1個(gè)疏散口并設(shè)置防火門。

礦山法單洞雙線斷面面積為72.52 m2，凈跨10.5 m，凈高9 m。擬采用350 mm厚初支、500 mm厚二襯，大洞方案見圖3。

圖3 大洞設(shè)計(jì)方案

(2)排煙

排煙：單洞雙線結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置縱向排煙道，在區(qū)間隧道1/3處頂部設(shè)置排煙口，將隧道的通風(fēng)分成3個(gè)區(qū)段。

(3)疏散

旅客疏散時(shí)，可通過最近中隔墻上的防火門到另一側(cè)防火區(qū)域。

4.3 中洞方案(雙洞單線)

礦山法雙洞單線方案采用2個(gè)馬蹄形結(jié)構(gòu)，單洞凈空面積為44.92 m2，凈跨6.7 m，凈高8.15 m。上部排煙風(fēng)道的面積為12.3 m2，通風(fēng)、防災(zāi)疏散與小洞、大洞方案類似，其中洞方案見圖4。

圖4 中洞設(shè)計(jì)方案

4.4 斷面比選

從開挖斷面面積、通風(fēng)救援及排水功能、施工風(fēng)險(xiǎn)、工期等方面進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2。單洞雙線大斷面方案工程風(fēng)險(xiǎn)高，工期、造價(jià)上也不占優(yōu)勢；三洞單線方案從工期與施工風(fēng)險(xiǎn)方面較其他方案有優(yōu)勢。因此，“礦山+盾構(gòu)”方案礦山段建議采用三洞單線小洞建設(shè)方案。

5 全盾構(gòu)方案斷面分析

綜合考慮通風(fēng)、疏散、工期、造價(jià)等因素，研究了盾構(gòu)管片外徑8.5，6.7，7.8 m三種方案。

5.1 φ8.5 m盾構(gòu)雙洞方案

該方案在陸域段設(shè)置區(qū)間風(fēng)井兼盾構(gòu)井，區(qū)間采用兩臺(tái)盾構(gòu)從會(huì)展中心站始發(fā)，在區(qū)間風(fēng)井處吊出，管片外徑8.5 m。利用頂部和側(cè)面空間進(jìn)行通風(fēng)排煙，每條隧道單獨(dú)設(shè)置疏散通道，與車站及區(qū)間風(fēng)井連通，區(qū)間海域段不設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。φ8.5 m盾構(gòu)雙洞設(shè)計(jì)方案見圖5。

表2 “礦山+盾構(gòu)”方案礦山段方案對(duì)比分析

圖5 φ8.5 m盾構(gòu)雙洞設(shè)計(jì)方案

陸域段長1 020 m，采用盾構(gòu)法，管片內(nèi)徑5.5 m，從區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，五緣灣站掉頭，最后在區(qū)間風(fēng)井處接收吊出；海域及翔安側(cè)陸域段長4 023 m，采用2臺(tái)泥水盾構(gòu)從會(huì)展中心站始發(fā)，在區(qū)間風(fēng)井處接收。

該方案盾構(gòu)穿越硬巖地層長969 m，事故工況下，利用兩側(cè)車站及中間風(fēng)井，共同組織跨海段縱向分段通風(fēng)模式。貫通方案總工期為47個(gè)月，如采用該方案，建議會(huì)展中心站提前開工，以確?？偣て?，造價(jià)約14.89億元。

5.2 φ6.7 m三洞方案

該方案在本島岸邊設(shè)置區(qū)間風(fēng)井兼盾構(gòu)始發(fā)接收井，會(huì)展中心—區(qū)間風(fēng)井段區(qū)間采用3臺(tái)盾構(gòu)從會(huì)展中心站始發(fā)，管片外徑6.7 m，方案見圖6。

圖6 φ6.7 m盾構(gòu)三洞設(shè)計(jì)方案

海域及翔安側(cè)陸域段總長4 035 m，采用3臺(tái)φ6.7 m泥水盾構(gòu)從會(huì)展中心站始發(fā)，其中2臺(tái)在區(qū)間風(fēng)井處接收，1臺(tái)掘進(jìn)1.7 km，洞內(nèi)解體并施作封堵墻，該方案海域及翔安側(cè)陸域段需施作聯(lián)絡(luò)橫通道及風(fēng)道11處，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。

該方案盾構(gòu)穿越硬巖地層長770.22 m，利用服務(wù)通道與聯(lián)絡(luò)通道，形成左右線連通的縱向通長風(fēng)道，事故工況下，正線內(nèi)由兩端車站、區(qū)間風(fēng)井風(fēng)機(jī)共同組織跨海段縱向分段通風(fēng)模式。

貫通方案總工期為43個(gè)月，造價(jià)13.6億，需控制會(huì)展中心站工期，確?？偣て谶_(dá)標(biāo)。

5.3 φ7.8 m雙洞方案

采用2臺(tái)φ7.8 m盾構(gòu)從會(huì)展中心站始發(fā)，在區(qū)間風(fēng)井處吊出。其施工組織與通風(fēng)模式與φ8.5 m盾構(gòu)相同，不同之處在于需設(shè)置橫向聯(lián)絡(luò)通道6處滿足人員疏散要求，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。φ7.8 m盾構(gòu)雙洞設(shè)計(jì)方案見圖7。該方案盾構(gòu)穿越硬巖地層長888.94 m。貫通方案總工期46個(gè)月，造價(jià)13.18億元。

圖7 φ7.8 m盾構(gòu)雙洞設(shè)計(jì)方案

5.4 斷面比選

(1)通風(fēng)、救援等問題

3種斷面均能滿足通風(fēng)、救援和排水等方面要求。

(2)隧道施工難度和風(fēng)險(xiǎn)

3種盾構(gòu)斷面實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)均可控，區(qū)別在于附屬設(shè)施的數(shù)量，8.5 m盾構(gòu)方案無需設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，風(fēng)險(xiǎn)最?。?.7 m盾構(gòu)方案需設(shè)置11個(gè)聯(lián)絡(luò)通道及風(fēng)道，7.8 m盾構(gòu)方案需設(shè)6個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道需采用暗挖法施工，所處地層為全、強(qiáng)風(fēng)化巖，風(fēng)險(xiǎn)較高。

(3)工程工期

3個(gè)方案施工工期均在4年左右，可滿足全線總體工期要求。

(4)綜合比選結(jié)論

通過上述各方面綜合分析，盡管8.5 m盾構(gòu)方案在穿硬巖長度、工期、造價(jià)上稍差，但無需設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，可極大減小施工風(fēng)險(xiǎn)，故推薦該方案。方案比較見表3。

表3 全盾構(gòu)方案對(duì)比

5.5 小結(jié)

綜合對(duì)比組合方案(礦山+盾構(gòu))和全盾構(gòu)方案，組合方案礦山法過風(fēng)化槽及斷裂帶是工程的關(guān)鍵重難點(diǎn)，海域礦山段推薦采用三洞方案；受海域段基巖凸起影響，全盾構(gòu)方案穿越硬巖段最短(長770 m)、施工難度較大、風(fēng)險(xiǎn)較高，推薦采用φ8.5 m雙洞盾構(gòu)方案。進(jìn)一步結(jié)合平面線位因素，組合工法線位較順直，宜作為本工程推薦采用首選工法。

6 結(jié)論

以廈門地鐵3號(hào)線超長跨海區(qū)間為例，從地質(zhì)、工期、造價(jià)等方面研究工法的適應(yīng)性，并結(jié)合施工組織、疏散、排煙等，對(duì)不同工法結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行深入對(duì)比，得出以下結(jié)論。

(1)根據(jù)本工程隧址施工環(huán)境、地層條件以及鄰近工程經(jīng)驗(yàn)，本工程總體施工方案推薦“礦山+盾構(gòu)”組合工法和全盾構(gòu)法。

(2)綜合考慮施工風(fēng)險(xiǎn)、通風(fēng)救援、工期、造價(jià)等因素，“礦山+盾構(gòu)”組合工法中，推薦施工風(fēng)險(xiǎn)較低的小洞方案。

(3)綜合考慮工期、造價(jià)、硬巖掘進(jìn)長度、施工風(fēng)險(xiǎn)等因素，全盾構(gòu)法中，推薦無需設(shè)置區(qū)間附屬、施工風(fēng)險(xiǎn)小的φ8.5 m盾構(gòu)方案。