武漢地鐵長(zhǎng)江隧道工程的總體技術(shù)探討

熊朝輝

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

2012 年，隨著首條穿越長(zhǎng)江的武漢地鐵2 號(hào)線建成通車，武漢市將在2020 年前建成通車4 條穿越長(zhǎng)江、2 條穿越漢江共計(jì)6 條地鐵線路。擬通過(guò)分析地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)越江隧道工程特殊的功能要求，再結(jié)合對(duì)武漢地鐵不同類型越江隧道總體技術(shù)方案研究，提出越江隧道設(shè)計(jì)工作中需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，以及各種斷面越江地鐵隧道技術(shù)解決方案。

1 武漢越江地鐵隧道規(guī)劃

武漢依水而生，受長(zhǎng)江、漢水天然阻隔自古以來(lái)形成武昌、漢口、漢陽(yáng)三鎮(zhèn)鼎立之勢(shì)，在“長(zhǎng)江兩岸均衡發(fā)展”的城市戰(zhàn)略目標(biāo)下，預(yù)測(cè)到2020 年，武漢主城區(qū)跨長(zhǎng)江客流量由現(xiàn)狀的75 萬(wàn)人次/日增加到200萬(wàn)人次/日，跨長(zhǎng)江車流量由現(xiàn)狀的30 萬(wàn)輛/日增加到50 ～60 萬(wàn)輛/日。單純依靠地面常規(guī)公交難以滿足客流需求，緩解過(guò)江交通矛盾。因此，建設(shè)過(guò)江軌道交通，開(kāi)辟新的跨江通道，作為了改善城市交通的當(dāng)務(wù)之急。

武漢市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃有下穿長(zhǎng)江的地鐵線路6 條，下穿漢江的地鐵線路3 條;除武漢地鐵2 號(hào)線已建成通車外，目前穿越漢江地鐵3 號(hào)線和穿越長(zhǎng)江的地鐵4 號(hào)線隧道工程正在施工建設(shè)中，年內(nèi)穿越長(zhǎng)江的地鐵7、8 號(hào)線也即將開(kāi)工建設(shè)。

2 穿漢江共計(jì)6 條地鐵過(guò)江通道

地鐵2、4 號(hào)線工程采用2 條外徑6．2m 單洞單線盾構(gòu)隧道過(guò)江方案，7 號(hào)線擬采用外徑2 條外徑15．2 m 公路地鐵合建盾構(gòu)方案，8 號(hào)線擬采用1 條外徑12．1 m 盾構(gòu)隧道單洞雙線方案。因?yàn)槌鞘熊壍澜煌üこ逃衅涮厥獾倪\(yùn)營(yíng)要求，地鐵越江隧道的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足其總體功能要求。

3 越江隧道地鐵運(yùn)營(yíng)功能要求

3．1 平縱斷面設(shè)計(jì)

地鐵工程線路縱斷面坡度的選擇居于國(guó)鐵和公路之間。普通地鐵正線段設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，線路標(biāo)準(zhǔn)一般采用35‰以內(nèi)。穿行于江底的線路縱坡，應(yīng)根據(jù)本條線路列車編組的動(dòng)力情況，并考慮越江隧道內(nèi)潮濕、鋼軌面車輪黏著系數(shù)低等環(huán)境因素綜合計(jì)算分析得出，原則上將越江地鐵線路坡道長(zhǎng)度控制在1 000 m左右，縱坡坡率控制在30‰以內(nèi)為宜。

平面設(shè)計(jì)順直優(yōu)先，但往往受避讓地面建構(gòu)筑物或展線影響存在彎道，設(shè)計(jì)時(shí)隧道工程線路平面半徑的確定應(yīng)為盾構(gòu)施工留有較寬松條件，保障隧道施工條件，對(duì)于百年工程十分重要。

縱斷面設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)與江中工程地質(zhì)情況相適應(yīng)，竭力避讓盾構(gòu)穿越軟硬不均地層?？紤]到江中鉆探的困難以及鉆孔對(duì)盾構(gòu)施工的影響，初詳勘宜同步實(shí)施，盡量作到一次性完成鉆探且今后不再在江中段線路改線。

3．2 地鐵通風(fēng)與疏散

常規(guī)地鐵隧道多采用縱向式通風(fēng)方式，運(yùn)營(yíng)階段早上運(yùn)營(yíng)前需通風(fēng)，以新增隧道內(nèi)新鮮空氣、同時(shí)排出濁氣;對(duì)于運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)的地鐵隧道，隧道通風(fēng)還具有降低隧道內(nèi)溫度效果，將隧道內(nèi)空氣溫度控制在40 ℃以內(nèi)，即解決地鐵隧道溫升問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)地鐵運(yùn)營(yíng)中列車在區(qū)間出現(xiàn)故障或?yàn)?zāi)害情況時(shí)，首選方案是將列車運(yùn)行至車站進(jìn)行疏散。當(dāng)列車失去動(dòng)力，停滯于隧道中的處理方案是通過(guò)列車(A 型車)端部的端門(mén)疏散至軌行區(qū)，或采用通過(guò)(B 型車)側(cè)門(mén)至隧道左側(cè)縱向疏散平臺(tái)的方式疏散。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范及消防技術(shù)要求地鐵行車隧道必須左右線隔離運(yùn)營(yíng)，區(qū)間地鐵隧道內(nèi)沿線路方向不小于600 m 應(yīng)設(shè)置連接左右線隧道的連通道，列車事故或故障情況下隧道中乘客可通過(guò)連通道疏解到相鄰區(qū)間，相鄰區(qū)間往往視作事故狀態(tài)下疏散乘客的安全區(qū)域。

區(qū)間兩端車站設(shè)有風(fēng)機(jī)均可向隧道通風(fēng)，事故狀態(tài)下通風(fēng)的方向與列車著火點(diǎn)位置相關(guān)。列車車頭著火，風(fēng)從車尾方向來(lái)，乘客向車尾逆風(fēng)方向疏散;車尾著火，風(fēng)從車頭方向來(lái)，乘客向逆風(fēng)方向疏散。阻塞狀況下隧道通風(fēng)的目的是排出有毒高溫?zé)煔?，同時(shí)為乘客提供新鮮空氣。

3．3 地鐵運(yùn)輸能力與隧道通風(fēng)

現(xiàn)行城市軌道交通建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)一般要求地鐵遠(yuǎn)期高峰小時(shí)設(shè)計(jì)運(yùn)能達(dá)到每小時(shí)30 對(duì)的發(fā)車密度，即前后列車追蹤間隔時(shí)間2 min。長(zhǎng)江武漢段江面遼闊，越江隧道一般區(qū)間長(zhǎng)度均超過(guò)3 km。高頻次發(fā)車時(shí)，長(zhǎng)江隧道區(qū)間內(nèi)一個(gè)行車方向必然會(huì)存在多列車追蹤運(yùn)行。

高峰時(shí)段追蹤運(yùn)行列車，出現(xiàn)前車尾車著火并失去動(dòng)力停滯于隧道內(nèi)，如何避免事故通風(fēng)煙氣對(duì)后車影響，妥善處理這一最不利工況是地鐵運(yùn)營(yíng)功能對(duì)隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵之處。

將長(zhǎng)大越江隧道沿運(yùn)行線路方向多分段通風(fēng)，是現(xiàn)階段地鐵設(shè)計(jì)解決煙氣問(wèn)題的主流作法。前車事故停車后，其司機(jī)應(yīng)及時(shí)利用運(yùn)營(yíng)通信手段通知后續(xù)列車司機(jī)停車，確保后續(xù)列車決不進(jìn)入到前車所處隧道通風(fēng)段，可避免事故通風(fēng)時(shí)前車煙氣對(duì)后車的影響。

隧道通風(fēng)段的形成，最常規(guī)的作法是在越江區(qū)間中部加設(shè)豎井并安裝風(fēng)機(jī)形成風(fēng)井，如果在堤外各設(shè)一處風(fēng)井，則可將越江隧道分為3 個(gè)通風(fēng)段。如若江面太寬，計(jì)算發(fā)現(xiàn)江中段仍會(huì)出現(xiàn)2 列追蹤列車停滯在同一通風(fēng)區(qū)段時(shí)，則必須尋找其它的解決方案，下文中將介紹加大隧道橫斷面、設(shè)置專用風(fēng)道解決該問(wèn)題。

可見(jiàn)，隧道通風(fēng)段的長(zhǎng)度和技術(shù)方案選擇對(duì)越江地鐵隧道大方案取舍至關(guān)重要，它是一項(xiàng)綜合河道情況、工程水文地質(zhì)情況、列車性能、隧道施工技術(shù)及地鐵運(yùn)營(yíng)要求于一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需綜合平衡總體把握后確定。

以下武漢地鐵4 條不同類型越江隧道技術(shù)方案案例，對(duì)于總體把握越江地鐵設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索。

4 不同類型隧道工程技術(shù)方案

4．1 長(zhǎng)江武漢段工程及水文地質(zhì)概況

武漢地區(qū)原屬云夢(mèng)澤東南角沼澤地帶，由于地殼滄桑變遷，水流夾帶大量泥沙落淤，江湖分離，水流歸槽，形成了河流的雛形。通過(guò)水流與河床的相互作用，汊道合并，洲灘與河岸反復(fù)分合，逐漸形成今日的雙汊形態(tài)。市區(qū)內(nèi)水系以長(zhǎng)江為主要干流，江面寬1 080 ～1 380 m，其支流主要為漢水，水面寬300 ～400 m。長(zhǎng)江武漢河段的水量、沙量主要來(lái)源于上游干流和漢江支流，其水沙變化受水文年的隨機(jī)影響，沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。

越江隧道場(chǎng)地區(qū)的地層巖性主要有第四系全新統(tǒng)新近沉積的松散粉細(xì)砂、中粗砂層;第四系全新統(tǒng)沖積的稍密～密實(shí)粉細(xì)砂、中粗砂層;卵礫石層，厚0．4 ～2．1 m;下伏白堊至下第三系礫巖和志留系泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、全風(fēng)化和弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、弱膠結(jié)礫巖層等沉積巖層。

長(zhǎng)江兩岸道路黃海高程在25 m 左右，河工模擬和模型測(cè)算河道的沖槽最深處達(dá)-14．9 m。修建橫穿長(zhǎng)江的城區(qū)淺層地鐵，盾構(gòu)工法是首選。

4．2 單洞單線(2、4 號(hào)線)工程技術(shù)方案

已建成通車的地鐵2 號(hào)線工程和正在實(shí)施建設(shè)的4 號(hào)線越江工程，均選擇了2 條單洞單線越江隧道方案。越江隧道總長(zhǎng)度3 100 m 左右，采用兩臺(tái)復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)實(shí)施，盾構(gòu)隧道外徑6．2 m，內(nèi)徑5．5 m，受長(zhǎng)江大堤兩側(cè)100m 范圍內(nèi)不能施工隧道中間風(fēng)井制約，兩岸隧道風(fēng)井間距控制在1 800 m以內(nèi)。車站與兩座中間風(fēng)井，將越江隧道劃分為3 個(gè)通風(fēng)段，可滿足事故通風(fēng)要求(見(jiàn)圖1)。

圖1 武漢地鐵2 號(hào)線越江隧道縱斷面示意圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)江兩岸地鐵車站均可采用島式站臺(tái)，地鐵車站功能好。盾構(gòu)掘進(jìn)中可利用中風(fēng)井檢修刀盤(pán)，更換刀具。

該方案存在的最大風(fēng)險(xiǎn)是需要在江中水下粉砂層中0．6 MPa 壓力條件下，礦山法實(shí)施隧道連通道和泵房。武漢地鐵2 號(hào)線利用冰凍法技術(shù)，成功解決了這一難題，在此條件下國(guó)內(nèi)首例。

其次，長(zhǎng)江大堤外超過(guò)45 m 深度的隧道中風(fēng)井施工、盾構(gòu)機(jī)穿越隧道中風(fēng)井等均存在很高風(fēng)險(xiǎn)，只能成功、不可失敗。

4．3 單洞雙線(8 號(hào)線)工程技術(shù)方案

武漢地鐵8 號(hào)線一期工程黃浦路至徐家棚站區(qū)間，越江隧道總長(zhǎng)度3 184 m 與2、4 號(hào)線相當(dāng)，隧址江面寬約1 400 m，河床開(kāi)闊，江底平順，北坡(左岸)平緩，南坡(右岸)較陡，主槽靠近武昌岸側(cè)。由于兩江堤距離約為1 750 m，若按堤防條例規(guī)定執(zhí)行，則兩風(fēng)井距離至少為1 950 m，超出一般地鐵隧道1 800 m的最大通風(fēng)距離要求，在江堤以內(nèi)設(shè)置風(fēng)井，具有巨大的防汛、防洪風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)選擇了單洞雙線型式的越江隧道方案，隧道管片外徑12．1 m，厚度0．5 m。該方案只需采用1 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)穿越長(zhǎng)江，即可實(shí)現(xiàn)越江區(qū)間工程，未來(lái)地鐵左右線將利用盾構(gòu)隧道內(nèi)砌筑的中隔墻分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)各自的單方向運(yùn)行。

該方案沒(méi)有中間風(fēng)井，利用大斷面隧道地鐵運(yùn)行區(qū)上部的半弧形空間組織隧道事故通風(fēng)，在排煙道中部對(duì)應(yīng)左右線各設(shè)一集中排煙口，排煙口尺寸20 m2，通過(guò)排煙口將左右線區(qū)間分為兩個(gè)通風(fēng)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段長(zhǎng)度1 600 m，可以保證每個(gè)區(qū)段內(nèi)同向只有一列車運(yùn)行，排煙道分別與黃浦路站大里程端和徐家棚站小里程端隧道風(fēng)機(jī)相連。列車火災(zāi)時(shí)采用縱向排煙方式，根據(jù)火災(zāi)列車位置通過(guò)集中排煙口或黃浦路與徐家棚站隧道風(fēng)機(jī)將煙氣排出，可以控制煙氣使非火災(zāi)列車處于無(wú)煙區(qū)域，確保人員的安全疏散。

該方案一定程度上減少了中間風(fēng)井所帶來(lái)的工程實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)利用大斷面隧道空間大的優(yōu)勢(shì)，在隧道最低處形成隧道泵房，左右線間連通道一墻之隔，大大降低江中實(shí)施礦山法泵房此類工程風(fēng)險(xiǎn)。

不足之處是12．1 m 外徑盾構(gòu)隧道較6．2 m 小直徑隧道的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)增加。其次，單洞雙線隧道使得地鐵左右線線間距小，從越江區(qū)間的小線間距過(guò)渡到正常地鐵較大線間距，必然會(huì)存在喇叭口線路，要么在車站，要么在明挖區(qū)間。長(zhǎng)江兩岸的車站一般客流會(huì)很大，特別是與順江線路換乘的車站，客流非常多，如8 號(hào)線黃浦路車站預(yù)測(cè)遠(yuǎn)期日客流量多達(dá)21 萬(wàn)，采用側(cè)站臺(tái)型式不利于車站客流的組織。

4．4 公鐵合建(7 號(hào)線)工程技術(shù)方案

武漢地鐵7 號(hào)線與規(guī)劃三陽(yáng)路過(guò)江公路隧道合建，三陽(yáng)路站～徐家棚站段工程兩岸各設(shè)一區(qū)間風(fēng)井兼做盾構(gòu)工作井，穿越江底段采用公軌合建大斷面盾構(gòu)施工，分南北兩條隧道。本段區(qū)間兩風(fēng)井之間為大盾構(gòu)直徑15．2 m(泥水平衡盾構(gòu))，設(shè)計(jì)為上部空間作為3 車道單向公路，下部空間為1 條單向軌道交通;其余段上部為明挖公路隧道，下部為地鐵6．2 m 小盾構(gòu)隧道(土壓平衡盾構(gòu))。

兩大盾構(gòu)工作井間距離2 710 m，兩工作井之間的越江區(qū)間長(zhǎng)2 600 m，按照遠(yuǎn)期高峰小時(shí)行車運(yùn)營(yíng)能力要求，行車間隔為2 min 時(shí)，高峰時(shí)段在工作井之間的越江區(qū)間必然存在兩列車同時(shí)運(yùn)行工況。設(shè)計(jì)考慮利用地鐵行車隧道右側(cè)富?？臻g作為排煙道(對(duì)側(cè)為疏散通道)，將列車著火時(shí)產(chǎn)生的煙氣通過(guò)排煙道排出，為了在中部預(yù)留江中泵房和管線廊道的空間，在靠近漢口側(cè)和武昌側(cè)分別設(shè)置排煙道，排煙道長(zhǎng)度均為600 m，江中端約1 400 m 長(zhǎng)度不設(shè)煙道，因此越江區(qū)間可以不設(shè)中間風(fēng)井。越江段漢口和武昌側(cè)排煙道將大盾構(gòu)工作井之間的過(guò)江區(qū)間分為三個(gè)通風(fēng)區(qū)段，加上大盾構(gòu)井共5 個(gè)通風(fēng)分段(見(jiàn)圖2)。正常行車工況采用活塞通風(fēng)，通過(guò)三陽(yáng)路車站和徐家棚車站的活塞風(fēng)井以及車站排熱風(fēng)機(jī)對(duì)區(qū)間通風(fēng)換氣，保證區(qū)間隧道溫度和乘客新風(fēng)量的要求;阻塞時(shí)采用縱向通風(fēng)，根據(jù)列車阻塞所處通風(fēng)區(qū)段開(kāi)啟漢口、武昌工作井與三陽(yáng)路站和徐家棚站隧道風(fēng)機(jī)對(duì)阻塞列車送排風(fēng)，滿足通風(fēng)排煙要求。

圖2 風(fēng)井風(fēng)道布置示意圖(單位:m)

公鐵合建盾構(gòu)隧道，對(duì)于地鐵工程相當(dāng)于單洞單線工程，由于地鐵行車隧道左側(cè)空間可作為安全疏散的專用通道，故不需設(shè)置聯(lián)絡(luò)左右線的地鐵連通道，同樣大斷面的隧道工程江中泵房也可在隧道內(nèi)解決。

公鐵合建隧道的優(yōu)勢(shì)在于整合了城市核心區(qū)內(nèi)有限的越江通道資源。為今后其它城市交通建設(shè)發(fā)展提供了新的思路。但隨著盾構(gòu)隧道斷面尺寸的加大，工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更高。

5 結(jié)論與思考

武漢地鐵2/4、7、8 號(hào)線采用不同的隧道實(shí)施方案穿越長(zhǎng)江，始終圍繞著地鐵功能核心，確保地鐵運(yùn)能、防災(zāi)通風(fēng)疏散等要求開(kāi)展工作，總體平衡運(yùn)營(yíng)、土建、工程投資與風(fēng)險(xiǎn)等多項(xiàng)因素的思路，其相關(guān)工程案例可供同行探討和交流。國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)中如杭州地鐵1 號(hào)線、南京地鐵3 號(hào)線、福州地鐵1 號(hào)線等均存在穿越江海等大范圍水域隧道工程。今后，隨著城市軌道交通進(jìn)一步發(fā)展，可能會(huì)出現(xiàn)穿越更遼闊水域更復(fù)雜工程地質(zhì)情況，以及地鐵與城市道路共通道的工程，未來(lái)的發(fā)展將更加富有挑戰(zhàn)性。

地鐵信號(hào)系統(tǒng)基于通信的CBTC 技術(shù)發(fā)展，可達(dá)到對(duì)先、后運(yùn)行列車最小間距控制的保障，將為可靠實(shí)現(xiàn)不同隧道通風(fēng)段內(nèi)精確停車提供運(yùn)營(yíng)安全方面的技術(shù)支持。

考慮到地鐵越江隧道工程防災(zāi)和今后維修問(wèn)題，對(duì)于即將開(kāi)工建設(shè)的地鐵7、8 號(hào)線越江隧道，將在國(guó)內(nèi)首次采取雙層襯砌的技術(shù)措施，為百年后的地鐵運(yùn)營(yíng)，留下可持續(xù)發(fā)展空間。