廈門軌道交通3號線超長跨海地鐵隧道土建設(shè)計方案比選

趙 月

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

0 引言

超長跨海隧道在國際上較為普遍，但由于受技術(shù)、經(jīng)濟和運營管理水平的限制，我國在2000年以前未有工程案例。近20年來，我國城市地鐵、市政及公路隧道的建設(shè)及管理水平明顯提高，對超長跨海隧道的建設(shè)運營理論認(rèn)知度趨于完善，瀕海及島嶼城市修建地鐵已經(jīng)成為可能［1］，廣東、廈門和青島等城市已經(jīng)開始建設(shè)超長跨海隧道來滿足城市交通需求。2005年底廣深港客運專線獅子洋海底盾構(gòu)隧道動工［2］，2010年4月中國大陸第一條海底隧道廈門翔安隧道建成［3］。工程建設(shè)過程中，參建者積累了大量的寶貴經(jīng)驗［4－7］，為我國啟動跨海隧道建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。目前我國正在迎接跨海隧道建設(shè)的高潮，臺灣海峽隧道［8］、渤海灣海底隧道［9］和瓊州海峽隧道［10］等超長跨海工程方案的構(gòu)想已經(jīng)開始謀劃。但在超長地鐵跨海隧道方面，國內(nèi)剛剛起步，廈門軌道交通2號線跨海隧道為國內(nèi)首條(2014年底完成施工招標(biāo))在建地鐵跨海區(qū)間隧道，該隧道總長2.739 km，海域長2.2 km，利用海中小島設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。海域段地質(zhì)條件比較單一(軟巖地層為主)，采用盾構(gòu)法施工，廈門本島陸域段采用礦山法開挖(盾構(gòu)空推拼管片)。廈門軌道交通3號線跨海隧道與2號線跨海隧道相比具有海域?qū)?3.68 km，海域沒有設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的條件)、工程地質(zhì)條件更加復(fù)雜(基巖凸起嚴(yán)重，風(fēng)化槽多，且分布有較大范圍的中砂層)的特點。以廈門市軌道交通3號線跨海區(qū)間隧道為例，闡述超長地鐵跨海隧道工程設(shè)計的思路及方法，重點對超長跨海地鐵隧道的地質(zhì)選線、工法選擇、通風(fēng)排煙、土建方案設(shè)計及方案比選過程進(jìn)行闡述。

1 工程概況及特點

廈門軌道交通3號線跨海隧道全長5.068 km，其中海域段長3.68 km，小里程車站為地下三層14 m島式明挖車站，大里程為地下二層12 m島式明挖車站，本工程是國內(nèi)第一條擬采用盾構(gòu)與礦山組合工法的地鐵海底隧道。跨海隧道平面位置如圖1所示。

圖1 跨海隧道平面位置Fig.1 Plan of the sea-crossing tunnel

本工程與普通地鐵區(qū)間隧道相比具有以下特點:1)區(qū)間穿越較大范圍的水域，地下水與海水聯(lián)通，而且工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，建設(shè)風(fēng)險高;2)海域范圍不具有直接設(shè)置中間風(fēng)井的條件;3)跨海距離較長，區(qū)間運營模式(尤其是事故工況)較一般區(qū)間不同。

2 工程環(huán)境條件

2.1 環(huán)境保護

本跨海隧道工程位于廈門市同安灣口白海豚保護核心區(qū)內(nèi)，根據(jù)海洋環(huán)評對本區(qū)域的評價，白海豚保護核心區(qū)范圍海域不得實施海上工程作業(yè)。因此本隧道不具有沉管施工的條件，沉管工法被否決。

2.2 工程地質(zhì)

本跨海隧道穿越地層特點突出，地層分布特點如下:

1)廈門本島側(cè)陸域段。覆蓋有較厚的全強花崗巖風(fēng)化層，厚度不小于25 m。

2)中部海域段。水深0～25 m，海底地形西高東低，較為平緩。花崗巖風(fēng)化槽、風(fēng)化囊非常發(fā)育，局部基巖凸出形成礁石，中風(fēng)化基巖面起伏非常大。中風(fēng)化花崗巖的單軸抗壓強度約為60 MPa，微風(fēng)化花崗巖的單軸抗壓強度約為100 MPa，局部微風(fēng)化花崗巖的單軸抗壓強度達(dá)到190 MPa。

3)翔安側(cè)陸域段。覆蓋有較厚的回填土及全強花崗巖風(fēng)化層，厚度大于40 m，且在翔安側(cè)海岸下分布有較厚的中砂層，厚度約5 m，埋深15～20 m。

2.3 水文地質(zhì)

主要考慮地層滲透性及地下水與海水的連通性。各地層滲透系數(shù)見表1，根據(jù)抽水試驗，海域及翔安側(cè)(受砂層影響)地下水與海水聯(lián)通，海水是地層水的主要補給源，本島側(cè)地層以全強風(fēng)化花崗巖地層為主，全強風(fēng)化層為弱透水地層，地下水與海水的聯(lián)通性較差，補給來源為地表水及地層滲流。跨海隧道最低點水壓最大達(dá)到7 MPa。

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3 地質(zhì)選線及工法

3.1 選線原則

1)線路宜順直，以利運營;

2)隧道洞身盡可能位于單一地層內(nèi)，以利施工，礦山法宜選擇中、硬巖地層，盾構(gòu)法宜選擇軟土地層。

3.2 線路及工法選擇

為控制隧道建設(shè)風(fēng)險，并為線路運營創(chuàng)造較好的條件，對跨海隧道開展了大范圍的地質(zhì)選線工作，從工法適應(yīng)性、施工風(fēng)險、運營條件、造價和工期等方面對區(qū)域范圍的可能方案進(jìn)行了對比、分析和研究。可研階段經(jīng)過大范圍海底物探，并結(jié)合兩側(cè)相鄰工程(東二通道、翔安隧道)的地質(zhì)資料對工程所在區(qū)域的隧道方案進(jìn)行了梳理和比較，最終確定了一條比較順直的平面線位，采用了有利于提高結(jié)構(gòu)抗腐蝕、抗震及人防能力的深埋隧道方案。經(jīng)過地質(zhì)資料分析，本段隧道地層前后軟硬差異很大，確定采用“盾構(gòu)+礦山+盾構(gòu)”的組合工法。線路平縱斷面及工法分布如圖2和圖3所示。

圖2 跨海隧道線路平面圖Fig.2 Plan of route of the sea-crossing tunnel

圖3 跨海隧道線路縱斷面及工法分布圖Fig.3 Profile showing route and construction methods of the sea-crossing tunnel

3.3 線路及工法選擇的主要依據(jù)及結(jié)論

1)經(jīng)過大范圍地質(zhì)選線研究，從擬建的第二東通道至翔安隧道，海底地形及基巖面起伏形態(tài)基本相似，區(qū)域范圍內(nèi)無理想地層條件，線路選擇應(yīng)盡可能順直。

2)五緣灣站至陸域風(fēng)井段(第1段)類似于普通的陸域軟土區(qū)間，參考廈門1，2號線在建類似工程地質(zhì)條件的區(qū)間設(shè)計情況，本段推薦盾構(gòu)法施工，陸域風(fēng)井兼作區(qū)間盾構(gòu)吊裝井。

3)在陸域風(fēng)井至礦山盾構(gòu)對接處范圍(第2段)，盾構(gòu)覆土以1.5倍洞徑設(shè)計，所有線路方案盾構(gòu)區(qū)間均需穿越較大范圍的基巖突起段落，同時考慮海底花崗巖基巖面起伏較大，球狀風(fēng)化體難以查明，盾構(gòu)掘進(jìn)存在很大的不確定性風(fēng)險，盾構(gòu)施工風(fēng)險極高。綜合以上因素，海域基巖面較淺的第2段區(qū)間優(yōu)選礦山法施工。

4)礦山與盾構(gòu)對接處至?xí)怪行恼?第3段)，考慮軟土層較厚且穿越較大范圍的中粗砂層，參考相鄰翔安隧道施工經(jīng)驗，礦山法穿越砂層存在極大風(fēng)險，為此此段優(yōu)選盾構(gòu)法施工。設(shè)計中綜合工期因素，考慮本段盾構(gòu)工期較為寬松，且盾構(gòu)在洞內(nèi)解體，刀盤將做廢棄處理，結(jié)合盾構(gòu)與礦山對接工藝的安全需求，將礦山與盾構(gòu)的分界點定在倒數(shù)第2處基巖凸起內(nèi)，第1處基巖凸起通過盾構(gòu)選型及刀盤定制等措施強行掘進(jìn)通過。第2段礦山區(qū)間與本段盾構(gòu)區(qū)間在海域下對接，由于海域范圍沒有盾構(gòu)井設(shè)置條件，盾構(gòu)按照海底解體工藝設(shè)計。

4 隧道斷面設(shè)計

4.1 五緣灣站至陸域風(fēng)井盾構(gòu)段(第1段)

本段長1.1 km，站端線間距17 m，工程地質(zhì)條件及建設(shè)環(huán)境與1，2號線普通地鐵區(qū)間類似，因此左右線均推薦采用與1，2號線普通盾構(gòu)區(qū)間一致的斷面，管片內(nèi)徑5.5 m，管片厚350 mm，擬采用普通的土壓平衡盾構(gòu)。

4.2 盾構(gòu)對接處至?xí)怪行恼径軜?gòu)段(第3段)

本段長1.5 km，站端線間距15 m，大部分位于海域范圍內(nèi)，考慮隧道防水、耐久性需求，并結(jié)合廈門軌道交通2號線跨海隧道的科研成果(其水壓及腐蝕性與3號線類似)，本段左右線盾構(gòu)區(qū)間管片內(nèi)徑采用6.0 m(預(yù)留250 mm二次襯砌厚度，初期不實施)、厚350 mm、管片外徑6.7 m，擬采用2臺與2號線跨海隧道一致的泥水平衡盾構(gòu)(考慮利用2號線盾構(gòu)的可能性)。

4.3 陸域風(fēng)井至盾構(gòu)對接處礦山段(第2段)

4.3.1 超長跨海區(qū)間運營通風(fēng)分析

本段大部分位于海域下，由于海域?qū)挾容^大(3.68 km)，且不具有設(shè)置出露海面建筑的條件，故區(qū)間風(fēng)井的數(shù)量及設(shè)置方式直接影響工程方案。為落實區(qū)間運營通風(fēng)排煙需求并保證工程的合理性，設(shè)計對陸域風(fēng)井至?xí)怪行恼緟^(qū)間段可能存在的最多列車數(shù)量進(jìn)行了系統(tǒng)計算，以遠(yuǎn)期高峰小時客流、線路條件和車輛參數(shù)等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過行車計算得到陸域風(fēng)井至?xí)怪行恼緟^(qū)段在遠(yuǎn)期高峰小時時段每側(cè)線路上最多可能出現(xiàn)2趟列車，根據(jù)規(guī)范要求，該段區(qū)間應(yīng)劃分2個防火區(qū)段，需在該段海域中間設(shè)置通風(fēng)排煙口，并經(jīng)過通風(fēng)排煙道通向陸域地面。

4.3.2 海域區(qū)間通風(fēng)排煙道設(shè)置方案

由于環(huán)境保護要求，海域范圍禁止設(shè)置任何出露海面的建筑，因此如何解決海域范圍內(nèi)區(qū)間風(fēng)井的設(shè)置成為本區(qū)間的難點之一。經(jīng)過專家組討論，推薦方案為:在陸域風(fēng)井與會展中心站中間部位、區(qū)間正線上方設(shè)置通風(fēng)排煙口(以下簡稱海域風(fēng)口)，在行車設(shè)備限界之外設(shè)置獨立通風(fēng)排煙道(以下簡稱海域風(fēng)道)與海域風(fēng)口聯(lián)通，海域風(fēng)道延伸至海岸上，在岸上設(shè)置風(fēng)井(風(fēng)井獨立設(shè)置或與陸域風(fēng)井合建或與站端風(fēng)井合并均可，相當(dāng)于一座風(fēng)道加長的區(qū)間風(fēng)井)，其作用為區(qū)間事故風(fēng)井(不具有活塞風(fēng)功能)。煙道內(nèi)風(fēng)速取12 m/s，風(fēng)壓不大于2 000 kPa，通過對隧道事故工況通風(fēng)排煙的模擬計算，得獨立煙道斷面凈面積應(yīng)不小于10 m2。

4.3.3 海域風(fēng)道在陸域的風(fēng)井位置選擇

方案1:海域風(fēng)道自海域風(fēng)口向小里程引至岸邊，風(fēng)井與陸域風(fēng)井合建;方案2:海域風(fēng)道自海域風(fēng)口向小里程延伸，以斜井方式將風(fēng)井引至路側(cè)綠化帶內(nèi);方案3:海域風(fēng)道自海域風(fēng)口向大里程延伸，風(fēng)井設(shè)于翔安側(cè)。

方案3的海域風(fēng)道結(jié)構(gòu)穿越翔安側(cè)軟弱地層，在海底中粗砂地層中礦山法施工風(fēng)險極高，若采用盾構(gòu)施工海域風(fēng)道，則又需調(diào)整線間距，會對會展中心站建筑布局造成很大的影響。綜合以上因素，方案3被排除。方案1是可行的，但由于跨海隧道施工工期較為緊張，施工階段必須設(shè)置輔助施工斜井。為充分利用斜井，減少海域風(fēng)道工程量，同時避免廢棄工程，本工程推薦利用施工斜井作為通風(fēng)排煙風(fēng)井的方案2。

4.3.4 隧道結(jié)構(gòu)斷面形式選擇

1)海域風(fēng)口至礦山與盾構(gòu)對接處。本段區(qū)間地層以硬巖為主，采用礦山法施工，考慮接收盾構(gòu)的需要，采用2個標(biāo)準(zhǔn)礦山法區(qū)間斷面，在盾構(gòu)解體處，結(jié)構(gòu)做局部特殊處理，受篇幅限制此處不做介紹。

2)陸域風(fēng)井至海域風(fēng)口。根據(jù)海域風(fēng)道與區(qū)間主體洞身是否結(jié)合的關(guān)系，擬定區(qū)間結(jié)構(gòu)斷面，結(jié)合功能需求、施工可實施性、經(jīng)濟性和工期等多種因素，經(jīng)過認(rèn)真篩選，遴選出以下3種方案:①大小洞組合斷面。主體斷面由2個隧道組成，線間距約20 m，大斷面(主洞與海域風(fēng)道結(jié)合設(shè)計)開挖寬度約8.5 m，開挖高度約8.2 m，斷面開挖面積約60 m2，小斷面為標(biāo)準(zhǔn)礦山區(qū)間，斷面寬度約6.0 m，開挖面積約35 m2;②三洞組合斷面。海域風(fēng)道獨立設(shè)置，主體由3個隧道組成，線間距約30 m，三洞合計開挖面積約105 m2;③單大洞斷面。主體采用1個雙線單洞斷面，線間距5 m，海域風(fēng)道設(shè)于結(jié)構(gòu)拱部，斷面開挖寬度12 m，高度11 m，斷面開挖面積103 m2。各土建方案斷面型式見圖4—6。

5 土建方案設(shè)計及比選

5.1 土建方案設(shè)計

根據(jù)陸域風(fēng)井至海域風(fēng)口段主體洞身斷面的類型，跨海隧道形成3個綜合土建方案。

1)大小洞組合方案。區(qū)間正線為單線雙洞斷面，左線隧道與海域風(fēng)道合并，形成一大一小的斷面組合型式，受地面環(huán)境條件限制，風(fēng)井設(shè)于正線左側(cè)，海域風(fēng)井及煙道設(shè)置方式見圖4。

圖4 大小洞組合方案示意圖Fig.4 Scheme of“l(fā)arge cross-section tube+small cross-section tube”

2)三洞組合方案。海域風(fēng)道位于區(qū)間左右線隧道之間，斷面由3個標(biāo)準(zhǔn)的礦山法斷面組成，中間的隧道上部為海域風(fēng)道，下部為疏散通道。海域風(fēng)井及海域風(fēng)道設(shè)置方式見圖5。

3)單大洞方案。區(qū)間結(jié)構(gòu)采用雙線單洞斷面，海域風(fēng)道設(shè)于隧道拱部，左右線之間采用防火墻分割。海域風(fēng)井及海域風(fēng)道設(shè)置方式見圖6。

圖5 三洞組合方案示意圖Fig.5 Scheme of“three parallel tubes”

圖6 單大洞方案示意圖Fig.6 Scheme of“single large cross-section tube”

5.2 土建方案比選

土建方案比選情況見表2。

從表2可以看出，3個方案在兩端——五緣灣至陸域風(fēng)井、海域風(fēng)口至?xí)怪行恼痉秶O(shè)計思路相同，結(jié)構(gòu)方案基本一致，僅在陸域風(fēng)井至海域風(fēng)口段由于受獨立排煙道的影響，結(jié)構(gòu)方案區(qū)別較大。為簡化方案比選內(nèi)容，僅對中間區(qū)別較大段進(jìn)行比較，斷面比較情況見表3。

結(jié)合陸域風(fēng)井至海域風(fēng)口段的工程地質(zhì)特點，地層雖以硬巖為主，但節(jié)理、風(fēng)化槽發(fā)育，且地下水與海水聯(lián)通。為控制礦山法穿越節(jié)理、風(fēng)化槽部位的施工風(fēng)險，減少聯(lián)絡(luò)通道數(shù)量，控制工程造價，對運營、施工風(fēng)險、施工可實施性、造價和工期等進(jìn)行加權(quán)綜合比選，見表4。

通過綜合比選，擬推薦大小洞方案。

6 下階段需重點解決的問題

6.1 海底盾構(gòu)與礦山對接關(guān)鍵技術(shù)研究

在海域下礦山法與盾構(gòu)法對接為國內(nèi)首例，盾構(gòu)在海域下接收，無地面加固條件，無盾構(gòu)吊裝井，且地下水位較高(約40 m)，具有較一般地鐵盾構(gòu)接收更為復(fù)雜的工藝要求，未知因素多，且2種工法的工期存在不確定性，盾構(gòu)接收處防水難度和風(fēng)險很大，對盾構(gòu)接收提出了更高的要求，需要為各種可能性做好接收預(yù)案。

6.2 海底超長地鐵隧道防災(zāi)救援關(guān)鍵技術(shù)研究

國內(nèi)長大跨海地鐵隧道消防疏散運營模式的系統(tǒng)理論尚不完善，長大跨海地鐵隧道緊急工況運營模式的安全性有待進(jìn)一步研究。

6.3 高水壓跨海隧道結(jié)構(gòu)防排水措施研究

首先，高水壓是本工程防水的難點，如何有效控制仰拱下水頭壓力，防止仰拱病害發(fā)生，對本工程至關(guān)重要。其次，隧道滲漏水量計算尚無可靠依據(jù)，本工程需研究解決隧道滲漏水量計算原則和具體方法，為隧道排水系統(tǒng)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。再者，為防止?jié)B漏水影響運營，排水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)針對跨海工程特點(高腐蝕、高揚程和維修難)及各種運營工況研究安全、可靠和方便維護的設(shè)計方案。

7 結(jié)論與建議

1)超長跨海隧道的線位及工法選擇與工程環(huán)境(規(guī)劃、環(huán)保、地質(zhì)、地貌)、工程特點(長度、功能、工期、造價)密切相關(guān)，本工程通過大面積地質(zhì)選線、多次專家咨詢和多單位方案征集，最終選擇了平面比較順直的深埋線路方案，擬推薦“盾構(gòu)+礦山+盾構(gòu)”的組合施工工法。

2)超長跨海地鐵隧道工程與普通地鐵區(qū)間有所不同，區(qū)間防火分區(qū)及運營疏散對結(jié)構(gòu)的影響較大。本工程采用“陸域風(fēng)井+海域縱向風(fēng)道+海域中間風(fēng)口”的方式解決了超長跨海區(qū)間海域段的通風(fēng)排煙分區(qū)問題，該思路可為類似工程提供借鑒，具有較好的可實施性。

3)超長跨海隧道海域段結(jié)構(gòu)斷面型式靈活多樣(單洞、雙洞、三洞)，斷面設(shè)計應(yīng)結(jié)合環(huán)保及功能需求、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特點、施工風(fēng)險、工期、施工可實施性和造價等因素綜合比選。本工程經(jīng)過多輪方案咨詢和評審，推薦采用大小洞組合斷面。

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表3 斷面方案比較表Table 3 Comparison and contrast among three different cross-section types

表4 土建方案加權(quán)綜合比較表Table 4 Weighing of three different schemes

4)超長跨海地鐵隧道工程與普通地鐵區(qū)間有所不同，其地下水與海水聯(lián)通，結(jié)構(gòu)所處環(huán)境較為特殊，除工程施工風(fēng)險控制外，工程對結(jié)構(gòu)耐久性、防排水及運營的安全性保證要求更高，建議下一階段開展相關(guān)專題研究。

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