國內首條過海地鐵盾構隧道關鍵技術攻關研究

許黎明

(廈門軌道交通集團有限公司, 福建廈門 361000)

國內首條過海地鐵盾構隧道關鍵技術攻關研究

許黎明

(廈門軌道交通集團有限公司, 福建廈門 361000)

結合廈門軌道交通2號線工程過海區間隧道關鍵技術的研究與探索，從線位選擇、預留二襯、防災通風及疏散、海洋環境隧道耐久性、防排水、海底凍結法施工聯絡通道、盾構法與礦山法隧道水中對接等方面對過海盾構地鐵隧道技術進行了全面的論證和比較，為過海盾構隧道的設計、施工、運營、管理提供強有力的技術支持。采用過海隧道盾構換刀、提前進行地質補勘、全程超前探孔探水、滲透水壓力數值模擬計算、承壓水環境下巖石裂隙注漿堵水技術、微震爆破等一系列新技術，也為后續建設類似工程提供參考和借鑒。

地鐵； 盾構； 海底隧道； 關鍵技術

對海洋的開拓，源于對城市發展、百姓安居、社會安定的渴望，而城市的發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色經濟發展的規劃。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，成為構建現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、環灣聯絡”的軌道交通網絡框架，線網規模約270 km，連接廈門本島和環灣四區，引領“跨島發展”戰略，促進城鄉融合、共同發展。目前，軌道交通1～4號線已經陸續開工建設。其中，2號線和3號線分別穿越廈門西海域和東海域，過海區間隧道作為我國大陸首批建設的軌道交通跨海隧道，建設經驗少、設計難度大、工程地質與水文地質復雜、專業涉及面廣、施工風險高，極具挑戰性，軌道交通集團建設者們充滿了建設熱情與獨立思維，通過現場實踐，不斷探索跨海工程領域的新方法、新技術。

1 工程概況

海滄大道站—東渡路站區間是廈門軌道交通2號線一期工程的第3個區間，線路出海滄大道站后由北轉向東，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，轉向東南下穿郵輪城二期地塊后到達東渡路站，是2號線一期工程的控制性節點工程。

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1座獨立風道和4座聯絡通道，線路縱坡為V型節能坡，最大縱坡為29‰，最小縱坡為3.1‰；區間隧道覆土厚度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；區間隧道穿越了多種地層，地質條件復雜，涉及的地層主要有：淤泥、中粗砂、殘積土、全強風化層((全)強風化花崗巖、(全)強風化輝綠巖、(全)強風化安山巖、(全)強風化變質砂巖)、碎裂狀強風化層、中等風化變質砂巖、中等風化變質石英砂巖、微風化變質石英砂巖、中等風化凝灰熔巖(見圖1)。

圖1 地質剖面圖Fig.1 Geological profile

結合過海隧道所處的地層條件，經多次研究論證提出了“盾構法+礦山法”的組合施工方案，為確保隧道的建成質量，采用礦山法，以盾構拼裝管片通過作為二次襯砌。

作為國內大陸地區首個穿越海底的地鐵隧道(見圖2)，采用盾構法尚屬首次，為盡量減少對周邊環境的影響，盾構設備選擇對地層沉降變形控制更好的泥水平衡盾構。為確保盾構設備對地層的適應性，結合地質詳細勘察資料進行了跨海隧道盾構設備選型與性能配置專題研究，將盾構設備選型要求落實到施工招標中，同時考慮到穿越淤泥、泥巖細顆粒多，難以分離會造成廢棄漿液，污染環境，因此特要求采取分級壓濾處理技術，經國際化招標確定選用2臺海瑞克復合式泥水平衡盾構，并配備2套600 m2壓濾機，以實現泥漿零排放。

2 線位選擇及工法比選

過海段地質條件復雜，設計施工風險大，為解決工程難點、降低工程風險、確保工程安全順利實施，從方案設計開始就高度重視，貫徹地質選線原則，先后組織了多項專題研究和論證。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]，該報告從地質選線角度出發，對南、中、北4個線站位方案、共計9個建設方案進行了綜合比選，經認真研究，認為北線淺埋雙小洞方案具有明顯的優勢，重點研究北線方案。詳見圖3、4及表1。

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

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

表1 主要線位綜合比選

在后續工可階段，總體設計、初步設計階段繼續深化研究，最終推薦實施風險較小的北線線位[2]、單洞單線盾構工法、盾構內徑預留二襯空間后為6 m的方案[3-4]。至此，穩定了過海段方案，為過海段的順利開工打下了堅實基礎。

施工圖階段根據地質詳細勘察資料局部優化北線線位，繞避突起的花崗巖，有效降低盾構施工風險(見圖5)。

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

3 工程重、難點及關鍵技術

國內還沒有軌道交通于海底盾構隧道建成的先例，設計過程中關鍵技術難題較多。為保證項目設計方案的先進性、科學性以及實用性，同時為海底隧道順利實施和廈門軌道交通未來的發展繪制美好藍圖，針對工程的關鍵技術問題先后展開了多個科研課題研究和技術攻關，在實現科技和施工緊密結合、科研成果轉化為生產力方面取得了重要突破。

3.1 工程重、難點

作為國內大陸地區首個穿越海底的地鐵隧道，本過海區間具有以下工程特點和重難點：

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

2) 工程地質及水文條件復雜：盾構機需穿越花崗巖、泥質砂巖、凝灰熔巖、石英砂巖等多種巖層，其中微風化變質石英砂巖強度高達192 MPa；同時，還需穿越6條風化槽、軟巖、軟弱破碎帶、擠壓帶及富水帶等特殊地層，地質軟硬不均。

3) 盾構設備選型和施工技術要求高：盾構連續掘進距離長，基巖強度高，地層軟弱不均，對刀具磨損大；海中最大水壓高達0.55 MPa，海底換刀技術要求高。

4) 海洋環境復雜：選擇可靠的隧道結構及防水方案，確保百年耐久性要求。

3.2 預留二襯研究

過海隧道是否預留二次襯砌從一開始就是本工程關注的重點，需考慮以下方面：

1) 本工程跨海隧道穿越地質極為復雜，存在大量軟硬不均區段，且為高水壓環境，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，隧道位于海水環境，對結構腐蝕性強，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構進行維修的條件，須預留二襯空間為后期處理提供可能；

4) 地鐵管片預留二襯空間已經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徑均在推行擴大斷面方式；

5) 在現有荷載條件下，單層裝配式管片完全能夠滿足跨海段盾構隧道的承載要求，施作二襯以后管片的受力更為均勻，內力圖更為接近勻質圓環模型，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。

該工程就是否預留二次襯砌進行了深入系統的比選，考慮海底隧道有可能發生地震、撞擊、火災等事故，或發生管片開裂、錯臺等，導致海水滲入隧道內部對隧道結構侵蝕，為了不至于在地震等災害情況下發生太大的變形導致侵限，結合國內外長大隧道的建設經驗與教訓，預留施作二襯的空間，作為預留變形量和便于后期補強加固，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，最終確定在盾構隧道的內部預留250 mm二次襯砌空間，盾構隧道內徑為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 防災通風及疏散研究

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

3.3.1 隧道火災安全目標

過海區間隧道的消防安全目標是保證發生火災時，乘客能從著火區域疏散到安全區域，其次為消防隊員進入滅火提供必要條件，以便控制火災規模，限制火災大面積蔓延；明確司乘人員在火災工況下的生命及財產安全評估準則(見表2)。

表2 火災工況下生命及財產安全評估準則

3.3.2 隧道防災通風

過海區間遠期高峰時刻共有2列車同時運行，根據通風防災要求，需保證每個通風區段僅有一輛列車通行，在中部大兔嶼設置通風風道一座(見圖7)、風道內設置直通地面的疏散樓梯，采用分段縱向通風排煙模式。區間隧道發生火災時，通過區間風道軸流風機運行，以保證火災隧道通風風速大于臨界風速，及時排出火災產生的煙氣。

圖7 風道設置位置Fig.7 Air Duct Setting

3.3.3 隧道疏散救援

過海區間采用礦山+盾構組合工法，共設置4座聯絡橫通道、1座中間風道，橫通道間距600 m，隧道疏散平臺寬度不小于700 mm，風道內設置直通地面的疏散樓梯。當過海區間發生火災時，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，乘客通過列車側門或端頭門達到疏散平臺或道床，通過聯絡橫通道疏散至非火災隧道。

3.3.4 海洋環境隧道耐久性研究

過海隧道場區屬于典型的海洋氯化物環境，作用等級為Ⅲ-E，對結構的耐腐蝕性能要求極高。為滿足地鐵100年設計使用年限，對建筑材料，摻合料，結構構造等各個環節均進行了深入研究。

隧道結構主體采用C50，抗滲等級P12混凝土材料，并嚴格控制混凝土水灰比、氯離子滲透系數、通電量、骨料粒度等指標；在混凝土中加入大量的礦物摻和料，包括優質粉煤灰、磨細礦渣粉、硅粉等，以提高混凝土的密實度；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滲性能優良的高滲透性環氧涂料；預留二襯空間的設計理念為后期維修補強和延長結構使用壽命預留條件。

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給等特點，海底隧道防排水方案就成為了設計中必須突破的難關。長大過海區間隧道具有海域段跨度大，結構滲水量大等特點，對隧道施工與運營期間的排水能力提出了很大的考驗。

首先，經過大量的調研、分析、咨詢、研究，確定了 “以堵為主，限量排放”的設計原則。制定合理的隧道滲漏水排放標準，通過超前注漿等措施嚴格控制隧道的排水量。其次，考慮在隧道運營階段排水系統必須通暢，設計了可維護的隧道防排水系統。再次，在區間沿線科學布置臨時廢水中轉泵站，并充分利用斜井及豎井廢水泵房。施工期間，區間廢水匯入臨時集水坑，通過中轉水倉轉入永臨結合中轉泵站，然后提升至地面廢水處理站進行處理。最后，為滿足運營期間的排水需求，在線路最低點及兩側設置大型廢水泵房，并根據隧道施工期間的涌水量量測對泵房的容量進行動態調整，使其至少能容納24 h的隧道滲漏水量。

3.3.6 國內首次海底凍結法施工聯絡通道

海東區間隧道4座聯絡通道均位于西港海域下，聯絡通道施工是盾構隧道的高風險點，需在聯絡通道開挖前對地層進行加固處理，結合聯絡通道所處地層條件，開創性提出了海底凍結法，即通過冷凍的方法將土體變成凍土，有效減少滲漏、涌水，實施成功后將有效填補國內海底聯絡通道凍結法施工技術的空白。

3.3.7 盾構法與礦山法隧道水中對接

該島側分布有變質石英砂巖，最大強度高達190 MPa，盾構施工難度大、刀具磨耗嚴重，為此提出了先從陸地上施作礦山法隧道進海迎接盾構方案，二者在主航道前方的水底進行對接，該處水深30 m，為有效降低對接風險，在礦山法隧道內先施作臨時密封盒，然后盾構機安全進入“盒子”，再打開“盒子”讓盾構機進入礦山法隧道內。

4 結語

作為國內首個海底地鐵盾構隧道，無成熟規范和類似經驗可供參考，必須高度重視過海區間的設計、施工管理，積極組織開展關鍵技術專題研究和風險調查梳理工作，針對重大風險點制定詳細的施工應對措施，從現場勘察到方案比選，從科研攻關到專家咨詢，無數雄關漫道被一一攻克，在過海隧道設計、施工中還采用了多項新技術和新工藝。例如采用過海隧道盾構換刀、提前進行地質補勘、全程超前探孔探水、滲透水壓力數值模擬計算、承壓水環境下巖石裂隙注漿堵水技術、微震爆破等一系列新技術。這些以科技創新為支撐的新技術、新工藝、新材料的應用不僅保證了隧道的安全、經濟、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。隨著項目的進一步推進以及地質條件的不確定性等，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，深入總結經驗與教訓，全面提煉研究成果，為過海盾構隧道的設計、施工、運營、管理提供強有力的技術支持，同時也為后續建設如廈門軌道交通3號線過海隧道及其他類似工程等提供寶貴經驗。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.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] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.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] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.廈門市軌道交通2號線一期工程總體設計[A].武漢，2014.

[4] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.廈門市軌道交通2號線一期工程過海段初步設計暨專題研究[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管理及技術研究工作，xlm1962@163.com

廈門市科技計劃重大項目(3502Z20151006)

(編輯：郝京紅)