復雜地質條件下軌道交通超長過海區間隧道方案研究

張竹清

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安∥高級工程師)

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復雜地質條件下軌道交通超長過海區間隧道方案研究

張竹清

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安∥高級工程師)

以廈門軌道交通3號線過海區間隧道為例,介紹了復雜地質條件下軌道交通超長過海區間隧道方案設計需要注意的問題,及需要研究的內容,從線位方向、斷面形式、施工方法、防災救援、給排水等方面進行了全面比較,并重點對隧道掘進機的適用性進行了分析。

軌道交通; 超長過海隧道; 隧道掘進機

Author′s address China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,710043,Xi′an,China

隨著國內交通工程建設的不斷發展,大量過海隧道工程將會出現。目前,已投入使用的有廣深港獅子洋隧道、青島膠州灣海底隧道、廈門翔安海底隧道,在建的有港珠澳大橋島隧工程、汕頭蘇埃灣過海隧道、廈門軌道交通2號線過海區間隧道，開展前期方案研究的有大連灣海底隧道、渤海隧道工程等。從已有數據可以看出,公路、鐵路海底隧道修建已經走在前列,城市軌道交通區間隧道稍顯滯后,但可預見的是,隨著鄰海及島嶼城市城市軌道交通的不斷發展,城市軌道交通過海區間隧道將會不斷出現。僅廈門市就還有軌道交通3號線、5號線,以及廈漳泉軌道交通項目等過海隧道已進行了方案研究或規劃。

軌道交通區間隧道工程不同于鐵路、公路隧道,有其自身的特點和設計要求。因此,在方案研究時必須全面、周密考慮,從線路、地質、結構、防災、排水、耐久性、投資、工期等因素進行綜合比選,才能確保方案合理并滿足功能需求。本文以廈門市軌道交通3號線過海區間隧道為背景,對軌道交通超長過海區間隧道方案研究方法及需要注意的問題等進行了總結,并給出了建議,以供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 工程基本概況與工程重點難點分析

廈門市軌道交通3號線過海區間隧道(以下簡為“過海區間”)全長5.06 km,位于廈門本島與翔安區之間海域。其中,海域段長3.68 km,位于廈門白海豚保護核心區,距既有翔安海底隧道1.4～2.7 km,距擬建廈門第二東通道1.2～ 1.7 km。海域段隧道區間兩端連接車站分別為五緣灣站及會展中心站。隧道平面位置如圖1所示。

圖1 過海隧道平面位置示意圖

過海區間所處地段風化槽發育,地質條件復雜,地下水豐富,建設工期緊,環境要求高。選擇合理線路走向、埋深,以及與之相適應的施工方法,降低工程風險是本段工程的重點及難點。

過海區間總長5.2 km,其中海底段長3.7 km。因而防災救援困難,選擇合理的斷面布置形式、通風模式和防災救援體系將也是本段工程的難點。

過海區間地下水發育,水壓高、水量大。因此,確定合理的結構防排水和運營期間排水模式,保證結構安全和耐久性,降低運營成本同樣是本段工程的重點。

1.2 工程地質及水文地質[1-2]

根據物探及鉆孔資料,過海區間工程范圍地層上部為第四系全新統海積層,中部為花崗巖殘積砂質黏性土,下部基巖為花崗閃長巖,局部段揭示有輝綠巖巖脈。地下水主要為松散巖類孔隙水、風化基巖孔隙裂隙水及基巖裂隙水,受海水的垂直入滲補給。不良地質主要為風化深槽。特殊性巖土主要為軟土、殘積土及風化巖。中、微風化花崗巖巖石飽和抗壓強度23～170 MPa。總體地質本島側較好,翔安側較差。過海區間隧道巖石物理力學參數詳見表1。

表1 過海區間隧道巖石物理力學參數表

2 方案比選

2.1 線路走向方案比選

根據過海區間工程地質條件,對“全礦山法、全盾構法、礦山法+盾構法、TBM (隧道掘進機)+盾構法”等方案進行線位的研究。經初步分析,主要以3個方案為比選對象。過海段線路走向研究總平面詳見圖2。

2.1.1 方案一

方案一為工程可行性方案。此方案中,線路自五緣灣站以半徑為800 m曲線下穿至海底;隨后,設置2個半徑為1 500 m反向曲線,再以直線形式穿過海底;最終,以半徑為800 m的曲線接入會展中心站。該方案線路線型順暢,最大縱坡28‰。方案一中,本島側線路主要位于基巖段內,穿越3處風化槽帶(總長300 m)。翔安側線路主要位于第4系地層及風化槽,穿越1處長254 m的基巖突起。方案一較好地利用了地質特點。方案一縱斷面示意圖見圖3。

2.1.2 方案二

方案二為方案一的優化方案。由于翔安區側風化槽范圍大,繞避困難,故線路出會展中心站后與方案一一致,也設置1個半徑為1 500 m的曲線,使線路向北繞行,盡量繞避F1風化槽;最后以半徑為800 m的曲線過海接入五緣灣站。方案二的線路較順暢,最大縱坡為30‰。方案二中,本島側線路全部位于基巖中,隧道拱頂距中風化線最小距離為2.3 m,翔安區側主要位于第4系地層及風化槽,穿越1處118 m長的基巖突起。方案二比方案一更好地利用了地質特點。方案二縱斷面示意圖見圖4。

圖2 過海段線路走向研究總平面圖

圖3 方案一地質縱斷面示意圖

圖4 方案二地質縱斷面示意圖

2.1.3 方案三

方案三線路長896 m,線位主要穿越第四系地層和風化槽帶,共5次穿越基巖突起。該方案采用盾構法施工,掘進穿越第四系地層時施工難度不大,但穿越基巖突起和風化槽段時,施工風險較高。方案三未能利用本島段較好的地質條件。方案三縱斷面示意圖見圖5。

方案一的線路雖然比較順直,但本島段線路穿過海區間線路走向方案的比選見表2。

圖5 方案三地質縱斷面示意圖

2.1.4 線路方案比選分析

表2 過海區間線路走向研究方案比選總表

越了較長風化槽段。方案三線位走行于地質條件差且復雜地段,故施工方法選擇較難。方案二本島段線路位于基巖內,可采用合理的施工方法分段施工,故工程可實施性強。且方案二的節能坡設置更合理,有利于后期運營成本控制。

綜上所述,采用本島段線路全位于基巖中的方案二。

2.2 橫斷面方案比選

過海區間具有段落長、施工難度大、通風救援困難的特點。針對工程特點,對單洞雙線(單大洞)、雙洞單線(雙中洞)、雙洞單線+服務隧道(三小洞)等3種橫斷面形式布置方案進行比選。3種橫斷面示意圖見圖6,比選內容見表3。

圖6 過海區間橫斷面形式示意圖

橫斷面方案方案布置方案優點方案缺點單大洞方案采用單孔雙線隧道,頂部設置排煙通道,中間設隔墻,兩側分設疏散平臺①斷面大,便于大型機械化施工;②隧道頂部設排煙通道,兩側設0.7m寬的疏散平臺,便于事故狀態下排煙和人員疏散①斷面高,同等軌面埋深時的拱頂基巖覆蓋層小;②高水壓下,斷面大,結構受力復雜;③疏散平臺窄,人員疏散時易發生擁擠踩踏,疏散效果差;④排煙通道長,設備功率大雙中洞方案采用2條分離的雙孔單線隧道,頂部設置排煙通道,兩側設置疏散平臺。每隔600m設1處聯絡通道①斷面小,受力條件好;②同等軌面埋深,拱頂基巖覆蓋層厚度比單大洞方案大3m左右;③頂部設置排煙通道,兩側設0.7m疏散平臺,每隔600m設1處聯絡通道,便于事故狀態下排煙和人員疏散①斷面小,如選用鉆爆法施工,施工組織復雜,不利于大型機械施工;②疏散平臺窄,橫通道間距大,人員疏散時易發生擁擠踩踏,疏散效果差;③排煙通道長,設備功率大三小洞方案采用2條分離的雙孔單線隧道,兩側設置疏散平臺。中間設1條服務隧道,其拱頂為排煙通道,其下部為疏散救援通道①斷面最小,受力條件好;②同等軌面埋深,拱頂基巖覆蓋層厚度比單大洞方案大4m左右;③單設1條服務隧道用于通風排煙,通風效果好,事故情況下人員可以迅速疏散到服務隧道內,并可直達地面,救援人員也可通過服務隧道直達事故現場,防災救援疏散效果好①斷面小,如選用鉆爆法施工,施工組織復雜,不利于大型機械施工;②工程投資稍高

由于過海區間隧道長,防災救援困難;因此,做好通風、防災及救援專業設計,確保運營階段安全是方案設計的首要控制因素。而選擇合適的施工方法和機械配套,也可克服小斷面施工的困難。故推薦采用三小洞斷面方案。

2.3 施工方法比選

過海區間隧道所穿越的廈門西港海域為中華白海豚保護區。由于圍堰明挖法和沉管法均需在海域內進行施工作業,會直接占用白海豚的棲息地,對白海豚造成直接影響;因此,圍堰明挖法和沉管法顯然不適合本過海隧道工程。盾構法、礦山法及TBM法從技術上講均存在可行性。

翔安側海域段位于第四系地層和風化槽帶內,地層差,推薦采用泥水盾構法施工。本島側陸域段位于人工填土層及強風化花崗巖地層,推薦采用土壓平衡盾構法施工。本島側海域段位于微風化地層,可采用礦山法、雙護盾TBM法及復合式盾構法等施工方法。

本島側海域段隧道全位于微風化地層,且隧道拱頂微風化層最小覆蓋厚度為2.3 m。巖石抗壓強度為64～172 MPa,石英含量為15%～20%。巖石完整性系數為0.8～0.98,整體性好。地下水不發育。由于巖石強度高,而且需連續長時間掘進2.6 km,故采用復合盾構法施工時,施工風險高、地層適應性差,因此不推薦復合盾構法施工。礦山法與雙護盾TBM法的比選見表4。

表4 過海區間施工方法比選

由表4可見,雙護盾TBM法的環境影響小、施工風險低、施工簡便質量好、工期短，因而綜合考慮種種因素,推薦采用雙護盾TBM法施工。過海區間各段采用的施工方法見圖7。

雙護盾TBM采用撐靴支撐提供強大推力,配置盤型滾刀,破巖能力強。根據已有的山嶺隧道雙護盾TBM施工經驗,以及青島地鐵雙護盾TBM施工專題研究和設計分析,海域段的地層非常適合于雙護盾TBM法施工。

施工前需要進行詳細的地質鉆孔,以便揭示風化槽的具體位置及深度。采購TBM時需要加設超前預注漿設備。掘進過程中務必做好超前地質預報。

圖7 過海區間分段施工方法示意圖

3 工程難點重點設計

3.1 通風防災設計

服務隧道內頂部風道一直延伸到區間豎井的位置,將機械通風系統的機房與活塞通風系統的機房設置在一起。過海區間具體的通風系統布置見圖8。這樣設置的優點是:區間風井內的跟隨變電所、控制室、氣瓶間等功能房間可共用,從而縮小機械通風系統機房的規模、降低工程投資、便于日常的運營、維護和管理。

圖8 過海區間通風系統示意圖

3.2 結構防水設計

結合過海區間隧道施工工法,推薦TBM及盾構法施工的隧道采用全包防水方案,礦山法施工的隧道采用斷面全封閉與部分地段限量排放相結合的防水方案。

TBM及盾構法施工的隧道全包防水要求為:①管片裂縫在迎水面不大于0.15 mm,在背水面不大于0.2 mm。②管片接縫密封應滿足在計算的接縫最大張開量和估算的錯位量下不滲漏的要求。③管片接縫防水措施包括管片間的密封墊防水、隧道內側相鄰管片間的嵌縫防水,以及必要時向接縫內注漿等。④管片外防水采用防水防腐涂層。

礦山法施工的隧道防水要求為:①二襯裂縫在迎水面不大于0.2 mm,在背水面不大于0.3 mm。②根據超前地質預報及現場施工情況,對富水段落及涌水段落采用預注漿方式,將隧道開挖斷面周圍的涌水或滲水封堵于結構外。壓注材料主要采用普通水泥單液漿、超細水泥單液漿及特制硫鋁酸鹽水泥單液漿等。③初期支護防滲噴射混凝土。④在全封閉段,隧道初期支護與二次襯砌之間設置無紡布+防水卷材;在限量排放段,隧道初期支護與二次襯砌拱墻之間設置無紡布+防水卷材,防水板與二襯之間埋設排水盲溝。⑤防水板采用分區設計。

3.3 給排水設計

首先,估算排水量。本工程排水主要包括結構滲漏水、消防廢水、消防爆管水及風井雨水等。

(1) 結構滲漏量。五緣灣站—區間風井段屬于二級防水,滲水量按1 L/(m2·d)計算。區間風井—會展中心站部分屬于限量排水,滲漏水量按不得大于0.2 m3/(m2·d)的標準。則五緣灣站—會展中心站總滲水量約為840 m3/d。

(2) 消防廢水量為36 m3/h。

(3) 消防爆管水量按2根DN 150管道的V坡存水量考慮,本工程約為187 m3。

(4) 風井雨水。過海區間設1座區間風井,暫按敞口考慮。風井敞口面積約為20 m2,暴雨強度按廈門市50年一遇計算,風井雨水量約為5 m3/h,則過海區間最高小時排水量約為260 m3/h。

設置排水系統時,由于過海區間的廢水在最低點匯集,故綜合考慮了區間排水量、道床排水溝允許容納一定量廢水、供電方式為一級負荷等因素,最終,確定過海區間設置2座主要排水泵站。具體的排水系統布置見圖9。

在線路坡度最低點設置1座事故泵站(即海底泵站),其有效容積約為40 m3;并配4臺耐腐蝕海水泵(2臺正常使用,2臺備用)。單臺水泵的流量為100 m3/h,揚程為85 m,功率為33 kW。平時2臺水泵工作,必要時4臺水泵同時啟動。廢水經提升由施工斜井隧道排入市政管網。

在區間風井處設置1座排水泵站,其有效容積約為5 m3,配2臺耐腐蝕海水泵(1臺正常使用,1臺備用),單臺水泵的流量為10 m3/h,揚程為55 m,功率為2.2 kW。廢水經提升直接排入市政管網。

此外,在施工斜井的洞口附近還應設置1座局部排水泵站,其有效容積約為5 m3;采用橫截溝收集雨水;配2臺耐腐蝕海水泵,1臺正常使用1臺備用,單臺水泵流量為10 m3/h,揚程為15 m,功率為2.2 kW。廢水經提升直接排入市政管網。

圖9 過海區間排水方案布置圖

4 結語

超長過海區間地鐵隧道所處地域特殊。其周邊環境及工程水文地質條件都十分復雜。同時,地鐵的防災救援及防排水要求十分嚴格。因此,在方案比選階段必須經過全面細致的比較才能確定合理方案。為此,在進行必要的水上物探、鉆探,初步掌握地層情況后,分別針對線位方向、斷面形式、施工方法、防災救援、給排水等專題進行了研究,為穩定線路方案提供了支持。

[1] 鐵道第三勘察設計院集團有限公司.廈門市軌道交通3 號線工程可行性研究報告[R].天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司,2014.

[2] 鐵道第三勘察設計院集團有限公司.廈門市軌道交通3 號線過海隧道工程專題研究報告[R].天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司,2014.

[3] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.敞開式TBM在城市地鐵工程應用的關鍵技術研究研究報告[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.青島市地鐵二期工程(2號線)采用TBM掘進機施工可行性專題研究[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010.

Long Cross-ocean Tunnel Construction Scheme under Complex Geological Conditions

ZHANG Zhuqing

Taking the long cross-ocean tunnel on Xiamen metro Line 3 as an example,problems in the tunnel design under complicated geological conditions are introduced,including line direction,section form,construction method,disaster prevention and rescue,water supply and drainage,etc.Through comprehensive comparison,the applicability of TBM is specially analyzed.

subway; long cross-ocean tunnel; TBM (tunnel boring machine)

U459.5

10.16037/j.1007-869x.2017.06.007

2015-11-16)