廈門軌道交通3號線超長跨海地鐵隧道土建設計方案比選

趙 月

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，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、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及管理水平明顯提高，對超長跨海隧道的建設運營理論認知度趨于完善，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奠定了堅實的基礎。目前我國正在迎接跨海隧道建設的高潮，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想已經(jīng)開始謀劃。但在超長地鐵跨海隧道方面，國內剛剛起步，廈門軌道交通2號線跨海隧道為國內首條(2014年底完成施工招標)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，利用海中小島設置區(qū)間風井。海域段地質條件比較單一(軟巖地層為主)，采用盾構法施工，廈門本島陸域段采用礦山法開挖(盾構空推拼管片)。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寬(3.68 km，海域沒有設置區(qū)間風井的條件)、工程地質條件更加復雜(基巖凸起嚴重，風化槽多，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計的思路及方法，重點對超長跨海地鐵隧道的地質選線、工法選擇、通風排煙、土建方案設計及方案比選過程進行闡述。

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，本工程是國內第一條擬采用盾構與礦山組合工法的地鐵海底隧道?？绾Ｋ淼榔矫嫖恢萌鐖D1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，而且工程地質條件極為復雜，建設風險高;2)海域范圍不具有直接設置中間風井的條件;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，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

本跨海隧道穿越地層特點突出，地層分布特點如下:

1)廈門本島側陸域段。覆蓋有較厚的全強花崗巖風化層，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?；◢弾r風化槽、風化囊非常發(fā)育，局部基巖凸出形成礁石，中風化基巖面起伏非常大。中風化花崗巖的單軸抗壓強度約為60 MPa，微風化花崗巖的單軸抗壓強度約為100 MPa，局部微風化花崗巖的單軸抗壓強度達到190 MPa。

3)翔安側陸域段。覆蓋有較厚的回填土及全強花崗巖風化層，厚度大于40 m，且在翔安側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

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(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，本島側地層以全強風化花崗巖地層為主，全強風化層為弱透水地層，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?？绾Ｋ淼雷畹忘c水壓最大達到7 MPa。

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3 地質選線及工法

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，以利施工，礦山法宜選擇中、硬巖地層，盾構法宜選擇軟土地層。

3.2 線路及工法選擇

為控制隧道建設風險，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選線工作，從工法適應性、施工風險、運營條件、造價和工期等方面對區(qū)域范圍的可能方案進行了對比、分析和研究?？裳须A段經(jīng)過大范圍海底物探，并結合兩側相鄰工程(東二通道、翔安隧道)的地質資料對工程所在區(qū)域的隧道方案進行了梳理和比較，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構抗腐蝕、抗震及人防能力的深埋隧道方案。經(jīng)過地質資料分析，本段隧道地層前后軟硬差異很大，確定采用“盾構+礦山+盾構”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)及結論

1)經(jīng)過大范圍地質選線研究，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)域范圍內無理想地層條件，線路選擇應盡可能順直。

2)五緣灣站至陸域風井段(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條件的區(qū)間設計情況，本段推薦盾構法施工，陸域風井兼作區(qū)間盾構吊裝井。

3)在陸域風井至礦山盾構對接處范圍(第2段)，盾構覆土以1.5倍洞徑設計，所有線路方案盾構區(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，球狀風化體難以查明，盾構掘進存在很大的不確定性風險，盾構施工風險極高。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)礦山與盾構對接處至會展中心站(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險，為此此段優(yōu)選盾構法施工。設計中綜合工期因素，考慮本段盾構工期較為寬松，且盾構在洞內解體，刀盤將做廢棄處理，結合盾構與礦山對接工藝的安全需求，將礦山與盾構的分界點定在倒數(shù)第2處基巖凸起內，第1處基巖凸起通過盾構選型及刀盤定制等措施強行掘進通過。第2段礦山區(qū)間與本段盾構區(qū)間在海域下對接，由于海域范圍沒有盾構井設置條件，盾構按照海底解體工藝設計。

4 隧道斷面設計

4.1 五緣灣站至陸域風井盾構段(第1段)

本段長1.1 km，站端線間距17 m，工程地質條件及建設環(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號線普通盾構區(qū)間一致的斷面，管片內徑5.5 m，管片厚350 mm，擬采用普通的土壓平衡盾構。

4.2 盾構對接處至會展中心站盾構段(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，考慮隧道防水、耐久性需求，并結合廈門軌道交通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)，本段左右線盾構區(qū)間管片內徑采用6.0 m(預留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(考慮利用2號線盾構的可能性)。

4.3 陸域風井至盾構對接處礦山段(第2段)

4.3.1 超長跨海區(qū)間運營通風分析

本段大部分位于海域下，由于海域寬度較大(3.68 km)，且不具有設置出露海面建筑的條件，故區(qū)間風井的數(shù)量及設置方式直接影響工程方案。為落實區(qū)間運營通風排煙需求并保證工程的合理性，設計對陸域風井至會展中心站區(qū)間段可能存在的最多列車數(shù)量進行了系統(tǒng)計算，以遠期高峰小時客流、線路條件和車輛參數(shù)等為基礎數(shù)據(jù)，通過行車計算得到陸域風井至會展中心站區(qū)段在遠期高峰小時時段每側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)間應劃分2個防火區(qū)段，需在該段海域中間設置通風排煙口，并經(jīng)過通風排煙道通向陸域地面。

4.3.2 海域區(qū)間通風排煙道設置方案

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

4.3.3 海域風道在陸域的風井位置選擇

方案1:海域風道自海域風口向小里程引至岸邊，風井與陸域風井合建;方案2:海域風道自海域風口向小里程延伸，以斜井方式將風井引至路側綠化帶內;方案3:海域風道自海域風口向大里程延伸，風井設于翔安側。

方案3的海域風道結構穿越翔安側軟弱地層，在海底中粗砂地層中礦山法施工風險極高，若采用盾構施工海域風道，則又需調整線間距，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，施工階段必須設置輔助施工斜井。為充分利用斜井，減少海域風道工程量，同時避免廢棄工程，本工程推薦利用施工斜井作為通風排煙風井的方案2。

4.3.4 隧道結構斷面形式選擇

1)海域風口至礦山與盾構對接處。本段區(qū)間地層以硬巖為主，采用礦山法施工，考慮接收盾構的需要，采用2個標準礦山法區(qū)間斷面，在盾構解體處，結構做局部特殊處理，受篇幅限制此處不做介紹。

2)陸域風井至海域風口。根據(jù)海域風道與區(qū)間主體洞身是否結合的關系，擬定區(qū)間結構斷面，結合功能需求、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(主洞與海域風道結合設計)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，小斷面為標準礦山區(qū)間，斷面寬度約6.0 m，開挖面積約35 m2;②三洞組合斷面。海域風道獨立設置，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，海域風道設于結構拱部，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 土建方案設計及比選

5.1 土建方案設計

根據(jù)陸域風井至海域風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，風井設于正線左側，海域風井及煙道設置方式見圖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。海域風道位于區(qū)間左右線隧道之間，斷面由3個標準的礦山法斷面組成，中間的隧道上部為海域風道，下部為疏散通道。海域風井及海域風道設置方式見圖5。

3)單大洞方案。區(qū)間結構采用雙線單洞斷面，海域風道設于隧道拱部，左右線之間采用防火墻分割。海域風井及海域風道設置方式見圖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——五緣灣至陸域風井、海域風口至會展中心站范圍，設計思路相同，結構方案基本一致，僅在陸域風井至海域風口段由于受獨立排煙道的影響，結構方案區(qū)別較大。為簡化方案比選內容，僅對中間區(qū)別較大段進行比較，斷面比較情況見表3。

結合陸域風井至海域風口段的工程地質特點，地層雖以硬巖為主，但節(jié)理、風化槽發(fā)育，且地下水與海水聯(lián)通。為控制礦山法穿越節(jié)理、風化槽部位的施工風險，減少聯(lián)絡通道數(shù)量，控制工程造價，對運營、施工風險、施工可實施性、造價和工期等進行加權綜合比選，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 海底盾構與礦山對接關鍵技術研究

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

6.2 海底超長地鐵隧道防災救援關鍵技術研究

國內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一步研究。

6.3 高水壓跨海隧道結構防排水措施研究

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)設計提供基礎數(shù)據(jù)。再者，為防止?jié)B漏水影響運營，排水系統(tǒng)設計應針對跨海工程特點(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計方案。

7 結論與建議

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、地貌)、工程特點(長度、功能、工期、造價)密切相關，本工程通過大面積地質選線、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+礦山+盾構”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)及運營疏散對結構的影響較大。本工程采用“陸域風井+海域縱向風道+海域中間風口”的方式解決了超長跨海區(qū)間海域段的通風排煙分區(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構斷面型式靈活多樣(單洞、雙洞、三洞)，斷面設計應結合環(huán)保及功能需求、工程地質及水文地質特點、施工風險、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，結構所處環(huán)境較為特殊，除工程施工風險控制外，工程對結構耐久性、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專題研究。

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