渤海海峽隧道豎井設置及施工技術探討

王云龍，譚忠盛

（北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

渤海海峽隧道豎井設置及施工技術探討

王云龍，譚忠盛

（北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

渤海海峽隧道是國家鐵路網和高速公路的重要組成部分，修建跨海隧道意義重大。本文以渤海海峽全隧道方案為基礎，研究渤海海峽海底隧道豎井的設置及施工技術。通過對隧道掘進機（TBM）壽命的分析選取北隍城島和北長山島兩處作為豎井布置點，并通過施工通風及運營通風的計算和島嶼場地的研究論證豎井設置方案的可行性。通過對礦山豎井、鐵路隧道及公路隧道豎井的施工技術分析，得出渤海海峽海底隧道豎井應采用鑿巖爆破一次成型法進行施工的結論，同時明確了豎井表土施工應以堵水為主，基巖段施工采取以合理的裂隙注漿技術為主的技術方案。

海底隧道；豎井；通風；施工技術

1 前言

豎井是長大隧道中施工通風、運營通風的重要組成部分，同時也是施工工作的重要組成部分。相對隧道、橫通道、斜井而言，豎井的施工不僅需要大量的提升設備，而且施工安全要求較高，制約因素多且進度慢。因此，對于渤海海峽海底隧道豎井的設置應在保證隧道通風需要的同時考慮施工的經濟性；豎井的施工則應充分考慮渤海海峽隧道的自身特點，選擇相應的施工方案。

跟據渤海海峽的地質情況，初步確定的隧道線路如圖1所示。全隧道方案自旅順老鐵山下穿老鐵山水域后，向南依次下穿北隍城島、小欽島、大欽島、砣磯島、北長山島和南長山島后，在蓬萊縣城東側上岸，隧道總長度約為125 km。

圖1 渤海海峽隧道線路圖Fig.1 The plan layout of Bohai Strait tunnel

本文以圖1中初步確定的隧道線路為基礎，分析該隧道豎井的布置情況及施工方案。

2 豎井的布置

2.1 隧道掘進機（TBM）壽命分析

豎井的布置主要考慮以下因素：a.豎井之間的間隔需滿足TBM的壽命要求；b.豎井的設置應保證施工通風的要求，并滿足運營通風的要求；c.充分考慮利用現(xiàn)有島嶼條件，避免設置人工島。

在TBM壽命方面，TBM整機使用壽命主要是由關鍵部件的壽命決定的，如主軸承、刀盤、刀盤驅動系統(tǒng)等。不同品牌的TBM對設備壽命的設計理念有所區(qū)別，歐美系列的TBM關鍵部件設計壽命按照工作小時計算，通常在隧道主體工程完工后剩余壽命富裕度較大，而日本TBM的壽命設計以滿足某一具體工程為準，該工程完工后設備到達使用壽命。根據目前國內外TBM施工情況，在TBM使用壽命上主要有以下經驗：a.TBM的壽命一般由支承刀盤旋轉的大軸承壽命和刀盤驅動裝置的壽命決定；b.TBM關鍵部件主軸承和主驅動組件的設計壽命都大于15000 h，一般可累計掘進20～25 km隧道；c.TBM的大軸承直徑一般為刀盤直徑的60%左右，軸承直徑越大，其承載條件越好，壽命越長；d.我國遼寧省大伙房輸水隧道長85 km，其中約60 km隧道分為3段，采用3臺TBM施工，每臺TBM的壽命按掘進20 km的隧道長度設計；e.高速鐵路客運專線特長隧道長度大于20 km時，選用TBM施工的極限掘進長度應達到25 km。

按照現(xiàn)有技術，能夠保證TBM使用壽命達到20～25 km。

根據TBM的壽命分析，只有老鐵山水道寬度為42 km，因此必須在老鐵山水道的臨近島嶼——北隍城島和北岸岸邊設置豎井。此外按照圖1所示的隧道線路，北隍城島距離北長山島49 km，在北長山島設置豎井，TBM的單向掘進長度為25.5 km，能夠滿足TBM壽命要求。北長山島距離蓬萊端23 km，滿足TBM壽命要求。因此，初步設置豎井的方案如圖2所示。

圖2 渤海海峽隧道豎井初步設置方案Fig.2 Shaft layout in Bohai Strait tunnel

2.2 施工通風的可行性

TBM施工通風量通常按掘進工作面最多作業(yè)人數(shù)所需風量、不同地段不同風速所需風量、排除作業(yè)粉塵至允許濃度所需風量、沖淡內燃機械所排的有害氣體至允許濃度所需風量以及機械散熱至允許溫度所需風量分別計算，再取其中最大值作為掘進工作面的所需通風量。

按照這些要求，計算渤海海峽隧道通風風量如下。

風機最大供風距離L與風機壓風量Qj、工作面需風量Qi、管道漏風系數(shù)Pi等參數(shù)有關，這幾個參數(shù)的關系應滿足以下計算公式

式（1）中，P100為風管百米漏風系數(shù)。

基于TBM施工特點，在通風設計時不用考慮鉆爆法施工時稀釋、排放爆破有毒煙塵這一通風要求，而只需滿足TBM及其后配套工作人員呼吸新鮮空氣、TBM各部件發(fā)熱導致空氣溫度過高、稀釋排除TBM掘進工作面內粉塵、運輸車輛產生的有害氣體稀釋與排放等4個方面的需求。綜合上述4個因素后，TBM后配套對風速的要求不低于v=0.5 m/s，考慮襯砌施工隨后同步展開，因此按 v=0.5 m/s計算TBM工作面的風量。例如，設計隧道斷面面積A=78.86 m2，則工作面需風量為Q=vA=39.43 m3/s。

由于初步擬定的渤海海峽隧道斷面為“主隧道+服務隧道+主隧道”的形式，所以可以采用巷道式通風方案，有關巷道通風的理論計算將另文介紹。根據我國大梁山隧道、麥積山隧道、泥巴山隧道等巷道式通風經驗，巷道式通風目前在10～15 km的特長隧道中均取得了良好的通風效果，對于更長的隧道通風尚無具體工程實例，但采用巷道式通風這種通風形式時，只要采用足夠多的風機就能保證長隧道的通風要求。

2.3 運營通風的可行性

2007年8月，原鐵道部科技研究開發(fā)計劃“長大隧道通風關鍵技術研究”項目組對烏鞘嶺隧道內的空氣環(huán)境衛(wèi)生狀況進行了實測，認為對于電力牽引鐵路隧道，在隧道長度大于20 km時有必要設置機械通風。

如渤海海峽隧道每段通風長度以25 km記，隧道斷面面積A=78.86 m2，當量直徑為d=10 m，隧道壁面沿程阻力系數(shù)取0.015，空氣密度ρ=1.225 kg/m3，則計算隧道需風量為

其中，LT為通風長度，m；t為通風時間，s。需要風速

隧道阻力及自然風壓

其中，ξn為自然風阻力系數(shù)；λ為隧道壁面沿程阻力系數(shù)；Pλ為摩擦風阻；Pξ為局部風阻；Pn為隧道自然風壓；vn為隧道內自然風速。

根據以上計算得到的所需風量及隧道阻力等信息可選擇符合條件的風機類型及風機數(shù)量。

總體上，對于電氣化鐵路隧道運營通風而言，根據現(xiàn)有研究成果，實現(xiàn)20 km以上隧道的運營通風在技術上是可行的。

2.4 島嶼自身條件

北隍城島與北長山島的衛(wèi)星圖見圖3和圖4。

圖3 北隍城島Fig.3 Beihuangcheng Island

圖4 北長山島Fig.4 Beichangshan Island

根據國內地鐵隧道豎井施工的場地需求經驗，豎井施工所需場地一般為2000～3000 m2。根據渤海海峽隧道的初步施工安排，北隍城島應具備能放置6臺TBM的豎井施工場地，北長山島應具備能放置3臺TBM的豎井施工場地。從圖3和圖4可以看出，兩座島嶼的面積較大且平整場地多，初步分析可滿足施工的場地要求。經初步估算，北隍城島豎井要負責1.4×107m3的出碴量，碴土可堆積于附近海域。北長山島豎井要負責6.7×106m3的出碴量，島上地形與面積對于設置豎井都較為有利，不利之處在于該島村落和耕地面積較大，且環(huán)島海岸地形平整，均為旅游或養(yǎng)殖的有利場地，隧道棄碴場的選擇較為困難，初步分析后建議棄碴場選擇在島嶼西側利用價值較小的山區(qū)，利用島上公路進行運輸。

旅順端岸邊豎井及蓬萊端岸邊豎井只用于施工通風和運營通風，而不作為TBM的施工工區(qū)，TBM分別由兩端洞口始發(fā)，因此豎井施工場地很容易滿足要求。

綜上所述，經初步分析研究，渤海海峽隧道只需設置旅順端岸邊豎井、北隍城島豎井、北長山島豎井和蓬萊端岸邊豎井等4座豎井即可滿足施工和運營要求，并做到最大限度減小豎井設置數(shù)量。

2.5 臨時豎井

在圖1的線路中，大欽島與砣磯島面積分別為6.56 km2和7.37 km2，這兩處島嶼都有幾千人居住。按照上述豎井布置情況，北隍城島和北長山島兩處豎井可基本滿足施工通風與運營通風的要求，但從大欽島與砣磯島兩島常住人口數(shù)量看，在兩島設置臨時豎井以備布置車站供島上居民出行，同時設置臨時豎井對緩解北隍城島的出碴也有重要作用。

3 豎井的施工技術

3.1 常見豎井施工方法

目前豎井的應用主要為礦山工程及長大公路隧道，少數(shù)特長鐵路隧道中也設置通風豎井[1～5]。

1）礦山豎井的施工方法可基本概括為兩種，普通的鉆爆法施工與特殊豎井施工法。普通的鉆爆法施工用人工或機械鑿巖爆破的方法進行豎井開挖。施工程序是先進行鎖口施工，然后進行表土施工和基巖施工。這種豎井開挖法是目前豎井施工中比較常見的方法，適用于一般性豎井，并且取得了良好的應用效果。

特殊豎井施工法，采取的方法主要有板樁法、沉井法、凍結法、預注漿法、混凝土帷幕法和鉆井法等。采用特殊豎井施工法主要是考慮到采用普通掘進法難以達到目的，并且受到其他因素的影響，難以開展正常的豎井掘進。在實際豎井施工過程中，采用的具體方法很多，最終的目的都是為了取得良好效果。

2）公路隧道與鐵路隧道豎井的常用施工技術與礦山豎井施工技術大同小異。常見的兩種施工方法為鑿巖爆破一次成型法和反井法（先導井、后擴挖法）。

鑿巖爆破一次成型法采用機械化配套作業(yè)自上而下施工，先開挖豎井井頸與表土段后，砌鎖口圈，往下施工30～40 m后安設多層吊盤，進行提升、懸吊等輔助設施的安裝，然后轉入井筒施工。多層吊盤的使用使多道工序能平行進行，提高了工作效率。井筒施工一次鑿巖爆破成型，采用抓巖機裝碴，單鉤提升吊桶出碴，碴石全部由井口運出，用自卸汽車運至棄碴場。噴混凝土初期支護，液壓滑動模板整體澆灌混凝土。為保持工作面空氣清新，必須進行機械通風。

采用這種方法的類似工程有瑞士圣哥達鐵路隧道Sedrun中間豎井（豎井深為836 m，開挖直徑為8.6 m）、瑞士圣哥達公路隧道的兩個豎井（Hospental豎井深為303 m、開挖直徑為6.76 m；Guspeisbach豎井深為522 m、開挖直徑為7.7 m）、中國江西曲江主井井筒的施工（豎井深為887 m、開挖直徑為5.7～5.9 m）以及加拿大薩德伯里的Graig豎井（豎井深為1500 m、開挖直徑為6.3 m）。

國內較有借鑒意義的工程為廈門翔安海底隧道豎井。該工程豎井砂層段涌砂現(xiàn)象較為嚴重，在該段豎井施工中因原設計的高壓旋噴樁在動海水中的成樁效果差、鋼板樁未能穿過卵石層等原因造成涌砂，在后續(xù)施工中開挖前采用鉆孔切合樁加豎井內TSS管周邊注漿預加固，取得了良好的施工效果，對富水地段的豎井施工有借鑒意義。該處切合樁及TSS管圍護圖如圖5所示[6]。

反井法利用普通反井法、吊罐法、爬罐法或反井鉆機由下向上先施工一個小斷面導井，然后利用導井作為溜碴孔由上向下采用爆破法擴大到設計斷面，擴大過程中需進行必要的臨時支護，再砌筑所要求的混凝土結構。這種方法充分利用反井法速度快和鉆眼爆破法破巖效率高等特點，實現(xiàn)豎井井筒快速施工[7]。

圖5 豎井切合樁及TSS管Fig.5 Pile of contact and TSS tube in shaft

反井法在雪峰山隧道3號豎井、龍?zhí)端淼兰扒貛X終南山隧道中都得到很好的應用，其施工步驟如圖6所示[3]。

圖6 反井法施工步驟Fig.6 Construction sequence of after-expanding excavation

反井法在施工進度、施工能耗方面都有很大的優(yōu)勢，但如圖6所示，在有豎井底部施工隧道的前提下才能使用該法，因此對渤海海峽隧道并不適用。

3.2 渤海海峽隧道豎井施工技術

按照TBM斷面設計，主隧道外輪廓直徑為11.3 m，并且每個豎井均負責3條隧道的施工通風，因此豎井直徑需達到13 m左右，開挖面積較大。反井法并不適用，豎井的施工仍采用全井筒一次開挖，初期支護到達井底，井壁二次襯砌與中隔板采用滑模工藝由下至上整體澆注成井。這種方法的施工過程如下。

1）鎖口施工。鎖口由井頸上部的臨時井壁和鎖口框組成。鎖口框采用木材、鋼材、鋼木結構；臨時井壁段長度一般為1～2 m，采用磚、料石、混凝土塊砌筑。若表土層穩(wěn)定，可采用一次施工永久鎖口。

2）表土施工。表土施工是渤海海峽隧道豎井施工較為關鍵的部分，由于豎井在島上，施工時極易受水的影響，所以處理地下水問題十分重要。

海島淡水資源稀缺，采用排水法對地下水影響較大，而凍結法與沉管法受場地制約明顯，因此最為有利的方法是通過旋噴樁、鋼板樁并結合注漿堵水等方法解決地下水的影響問題，輔助工法的選擇應密切結合地質情況。

3）基巖施工[8]。渤海海峽隧道初步設置的4座豎井均穿越第四系地層約30 m，其余地段為石英巖、板巖、花崗巖地層，且無較大斷層，基巖施工最大的制約因素是裂隙水問題，因此注漿技術是豎井基巖段施工的關鍵。

根據基巖情況較為類似的青島膠州灣海底隧道施工經驗，注漿采用“裂隙注漿、堵水限排、統(tǒng)一標準、分類治理、預注后補”的原則。首先，統(tǒng)一注漿效果控制標準；其次，按圍巖條件、涌水量等條件對工況進行分類，采用適用的注漿方式；最后，在每次注漿時均采取超前預注漿的方式，當開挖后發(fā)現(xiàn)未達到預期目標時，則采用補充注漿方案對滲水部位進行封堵。

根據圍巖破碎情況、地下水涌水量等選擇全斷面注漿、周邊裂隙注漿、局部斷面超前裂隙注漿和補充裂隙注漿等注漿方式。

4 結語

通過對渤海海峽隧道豎井布置方法及施工技術的研究得出如下結論。

1）通過對TBM的壽命分析，在目前技術水平下TBM掘進距離可達到25 km，因此設置北隍城島、北長山島兩處施工豎井能夠滿足TBM掘進距離的要求，且保證豎井設置數(shù)量最少。

2）通過對施工通風及運營通風的分析，采用巷道通風技術，本文提出的豎井設置方案能夠滿足要求；且北隍城島與北長山島均能滿足TBM施工場地的要求。

3）借鑒礦山豎井及鐵路、公路隧道豎井的施工經驗，渤海海峽隧道豎井采用鑿巖爆破一次成型法進行施工，表土施工時采用旋噴樁、鋼板樁及注漿堵水等輔助工法，基巖段施工則重點進行裂隙注漿堵水，減小高水壓的影響。

[1]齊小勇.秦嶺終南山公路隧道通風豎井的施工技術與數(shù)值模擬[D].西安：長安大學，2008.

[2]徐愛民，尹復辰，郭小紅.雪峰山隧道3號豎井天井施工[J].中南公路工程，2006，31（1）：131-134.

[3]王 鑫.西山特長隧道2號豎井開挖施工技術[J].山西建筑，2010，36（8）：320-321.

[4]李小林.山嶺隧道豎井施工方案[J].鐵路設計標準，2008（1）：79-81，87.

[5]任少杰.礦山豎井掘進方法分類探討[J].中國高新技術企業(yè)，2013（10）：133-134.

[6]程正明.潮間帶富水砂層海底隧道及豎井施工技術探討[J].蘭州交通大學學報，2012，31（6）：33-38.

[7]劉志強.反井鉆井法施工特長公路隧道的通風豎井[J].公路，2007（4）：208-211.

[8]徐玉峰，楊建華.不同地質條件下豎井施工方法[J].施工技術，2009，38（1）：55-57.

The location choice and construction technology of shafts in Bohai Strait tunnel

Wang Yunlong，Tan Zhongsheng

（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Bohai Strait tunnel is an important part of the national railway network and the highway；the construction of the crossing is significant.Based on the whole tunnel scheme of Bohai Strait，the location choice and construction technology of shafts in Bohai Strait subsea tunnel were researched in this paper.Through the analysis of the tunnel boring machine（TBM）life，Beihuangcheng Island and Beichangshan Island were selected as the locations for two shafts；and through the calculations of construction and operation ventilation and the research of the island sites，the feasibility of the shaft location choice scheme was demonstrated.According to the construction technology analyses of shafts in mine，railway tunnel and road tunnel，a molding method of drilling and blasting was used to construct the Bohai Strait tunnel shaft；the main measure of the construction of shaft topsoil should be plugging；the main technology program of the construction of base rock section should take the reasonable crack grouting technology.

subsea tunnel；shaft；ventilation；construction technology

U459.2

A

1009-1742（2013）12-0085-05

2013-10-09

王云龍（1982—），男，河北承德市人，博士研究生，主要從事隧道工程方面的研究；E-mail：wylbest@163.com