復(fù)雜地質(zhì)條件下軌道交通超長(zhǎng)過(guò)海區(qū)間隧道方案研究

張竹清

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,710043,西安∥高級(jí)工程師)

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復(fù)雜地質(zhì)條件下軌道交通超長(zhǎng)過(guò)海區(qū)間隧道方案研究

張竹清

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,710043,西安∥高級(jí)工程師)

以廈門(mén)軌道交通3號(hào)線過(guò)海區(qū)間隧道為例,介紹了復(fù)雜地質(zhì)條件下軌道交通超長(zhǎng)過(guò)海區(qū)間隧道方案設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題,及需要研究的內(nèi)容,從線位方向、斷面形式、施工方法、防災(zāi)救援、給排水等方面進(jìn)行了全面比較,并重點(diǎn)對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)的適用性進(jìn)行了分析。

軌道交通; 超長(zhǎng)過(guò)海隧道; 隧道掘進(jìn)機(jī)

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

隨著國(guó)內(nèi)交通工程建設(shè)的不斷發(fā)展,大量過(guò)海隧道工程將會(huì)出現(xiàn)。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(mén)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(guò)海隧道、廈門(mén)軌道交通2號(hào)線過(guò)海區(qū)間隧道，開(kāi)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(shù)據(jù)可以看出,公路、鐵路海底隧道修建已經(jīng)走在前列,城市軌道交通區(qū)間隧道稍顯滯后,但可預(yù)見(jiàn)的是,隨著鄰海及島嶼城市城市軌道交通的不斷發(fā)展,城市軌道交通過(guò)海區(qū)間隧道將會(huì)不斷出現(xiàn)。僅廈門(mén)市就還有軌道交通3號(hào)線、5號(hào)線,以及廈漳泉軌道交通項(xiàng)目等過(guò)海隧道已進(jìn)行了方案研究或規(guī)劃。

軌道交通區(qū)間隧道工程不同于鐵路、公路隧道,有其自身的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。因此,在方案研究時(shí)必須全面、周密考慮,從線路、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、防災(zāi)、排水、耐久性、投資、工期等因素進(jìn)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(mén)市軌道交通3號(hào)線過(guò)海區(qū)間隧道為背景,對(duì)軌道交通超長(zhǎng)過(guò)海區(qū)間隧道方案研究方法及需要注意的問(wèn)題等進(jìn)行了總結(jié),并給出了建議,以供類(lèi)似工程參考。

1 工程概況

1.1 工程基本概況與工程重點(diǎn)難點(diǎn)分析

廈門(mén)市軌道交通3號(hào)線過(guò)海區(qū)間隧道(以下簡(jiǎn)為“過(guò)海區(qū)間”)全長(zhǎng)5.06 km,位于廈門(mén)本島與翔安區(qū)之間海域。其中,海域段長(zhǎng)3.68 km,位于廈門(mén)白海豚保護(hù)核心區(qū),距既有翔安海底隧道1.4～2.7 km,距擬建廈門(mén)第二東通道1.2～ 1.7 km。海域段隧道區(qū)間兩端連接車(chē)站分別為五緣灣站及會(huì)展中心站。隧道平面位置如圖1所示。

圖1 過(guò)海隧道平面位置示意圖

過(guò)海區(qū)間所處地段風(fēng)化槽發(fā)育,地質(zhì)條件復(fù)雜,地下水豐富,建設(shè)工期緊,環(huán)境要求高。選擇合理線路走向、埋深,以及與之相適應(yīng)的施工方法,降低工程風(fēng)險(xiǎn)是本段工程的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

過(guò)海區(qū)間總長(zhǎng)5.2 km,其中海底段長(zhǎng)3.7 km。因而防災(zāi)救援困難,選擇合理的斷面布置形式、通風(fēng)模式和防災(zāi)救援體系將也是本段工程的難點(diǎn)。

過(guò)海區(qū)間地下水發(fā)育,水壓高、水量大。因此,確定合理的結(jié)構(gòu)防排水和運(yùn)營(yíng)期間排水模式,保證結(jié)構(gòu)安全和耐久性,降低運(yùn)營(yíng)成本同樣是本段工程的重點(diǎn)。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)[1-2]

根據(jù)物探及鉆孔資料,過(guò)海區(qū)間工程范圍地層上部為第四系全新統(tǒng)海積層,中部為花崗巖殘積砂質(zhì)黏性土,下部基巖為花崗閃長(zhǎng)巖,局部段揭示有輝綠巖巖脈。地下水主要為松散巖類(lèi)孔隙水、風(fēng)化基巖孔隙裂隙水及基巖裂隙水,受海水的垂直入滲補(bǔ)給。不良地質(zhì)主要為風(fēng)化深槽。特殊性巖土主要為軟土、殘積土及風(fēng)化巖。中、微風(fēng)化花崗巖巖石飽和抗壓強(qiáng)度23～170 MPa。總體地質(zhì)本島側(cè)較好,翔安側(cè)較差。過(guò)海區(qū)間隧道巖石物理力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 過(guò)海區(qū)間隧道巖石物理力學(xué)參數(shù)表

2 方案比選

2.1 線路走向方案比選

根據(jù)過(guò)海區(qū)間工程地質(zhì)條件,對(duì)“全礦山法、全盾構(gòu)法、礦山法+盾構(gòu)法、TBM (隧道掘進(jìn)機(jī))+盾構(gòu)法”等方案進(jìn)行線位的研究。經(jīng)初步分析,主要以3個(gè)方案為比選對(duì)象。過(guò)海段線路走向研究總平面詳見(jiàn)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(shè)置2個(gè)半徑為1 500 m反向曲線,再以直線形式穿過(guò)海底;最終,以半徑為800 m的曲線接入會(huì)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(cè)線路主要位于基巖段內(nèi),穿越3處風(fēng)化槽帶(總長(zhǎng)300 m)。翔安側(cè)線路主要位于第4系地層及風(fēng)化槽,穿越1處長(zhǎng)254 m的基巖突起。方案一較好地利用了地質(zhì)特點(diǎn)。方案一縱斷面示意圖見(jiàn)圖3。

2.1.2 方案二

方案二為方案一的優(yōu)化方案。由于翔安區(qū)側(cè)風(fēng)化槽范圍大,繞避困難,故線路出會(huì)展中心站后與方案一一致,也設(shè)置1個(gè)半徑為1 500 m的曲線,使線路向北繞行,盡量繞避F1風(fēng)化槽;最后以半徑為800 m的曲線過(guò)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(cè)線路全部位于基巖中,隧道拱頂距中風(fēng)化線最小距離為2.3 m,翔安區(qū)側(cè)主要位于第4系地層及風(fēng)化槽,穿越1處118 m長(zhǎng)的基巖突起。方案二比方案一更好地利用了地質(zhì)特點(diǎn)。方案二縱斷面示意圖見(jiàn)圖4。

圖2 過(guò)海段線路走向研究總平面圖

圖3 方案一地質(zhì)縱斷面示意圖

圖4 方案二地質(zhì)縱斷面示意圖

2.1.3 方案三

方案三線路長(zhǎng)896 m,線位主要穿越第四系地層和風(fēng)化槽帶,共5次穿越基巖突起。該方案采用盾構(gòu)法施工,掘進(jìn)穿越第四系地層時(shí)施工難度不大,但穿越基巖突起和風(fēng)化槽段時(shí),施工風(fēng)險(xiǎn)較高。方案三未能利用本島段較好的地質(zhì)條件。方案三縱斷面示意圖見(jiàn)圖5。

方案一的線路雖然比較順直,但本島段線路穿過(guò)海區(qū)間線路走向方案的比選見(jiàn)表2。

圖5 方案三地質(zhì)縱斷面示意圖

2.1.4 線路方案比選分析

表2 過(guò)海區(qū)間線路走向研究方案比選總表

越了較長(zhǎng)風(fēng)化槽段。方案三線位走行于地質(zhì)條件差且復(fù)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(nèi),可采用合理的施工方法分段施工,故工程可實(shí)施性強(qiáng)。且方案二的節(jié)能坡設(shè)置更合理,有利于后期運(yùn)營(yíng)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(guò)海區(qū)間具有段落長(zhǎng)、施工難度大、通風(fēng)救援困難的特點(diǎn)。針對(duì)工程特點(diǎn),對(duì)單洞雙線(單大洞)、雙洞單線(雙中洞)、雙洞單線+服務(wù)隧道(三小洞)等3種橫斷面形式布置方案進(jìn)行比選。3種橫斷面示意圖見(jiàn)圖6,比選內(nèi)容見(jiàn)表3。

圖6 過(guò)海區(qū)間橫斷面形式示意圖

橫斷面方案方案布置方案優(yōu)點(diǎn)方案缺點(diǎn)單大洞方案采用單孔雙線隧道,頂部設(shè)置排煙通道,中間設(shè)隔墻,兩側(cè)分設(shè)疏散平臺(tái)①斷面大,便于大型機(jī)械化施工;②隧道頂部設(shè)排煙通道,兩側(cè)設(shè)0.7m寬的疏散平臺(tái),便于事故狀態(tài)下排煙和人員疏散①斷面高,同等軌面埋深時(shí)的拱頂基巖覆蓋層小;②高水壓下,斷面大,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜;③疏散平臺(tái)窄,人員疏散時(shí)易發(fā)生擁擠踩踏,疏散效果差;④排煙通道長(zhǎng),設(shè)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(shè)置排煙通道,兩側(cè)設(shè)置疏散平臺(tái)。每隔600m設(shè)1處聯(lián)絡(luò)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(shè)置排煙通道,兩側(cè)設(shè)0.7m疏散平臺(tái),每隔600m設(shè)1處聯(lián)絡(luò)通道,便于事故狀態(tài)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(fù)雜,不利于大型機(jī)械施工;②疏散平臺(tái)窄,橫通道間距大,人員疏散時(shí)易發(fā)生擁擠踩踏,疏散效果差;③排煙通道長(zhǎng),設(shè)備功率大三小洞方案采用2條分離的雙孔單線隧道,兩側(cè)設(shè)置疏散平臺(tái)。中間設(shè)1條服務(wù)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(shè)1條服務(wù)隧道用于通風(fēng)排煙,通風(fēng)效果好,事故情況下人員可以迅速疏散到服務(wù)隧道內(nèi),并可直達(dá)地面,救援人員也可通過(guò)服務(wù)隧道直達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng),防災(zāi)救援疏散效果好①斷面小,如選用鉆爆法施工,施工組織復(fù)雜,不利于大型機(jī)械施工;②工程投資稍高

由于過(guò)海區(qū)間隧道長(zhǎng),防災(zāi)救援困難;因此,做好通風(fēng)、防災(zāi)及救援專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì),確保運(yùn)營(yíng)階段安全是方案設(shè)計(jì)的首要控制因素。而選擇合適的施工方法和機(jī)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(guò)海區(qū)間隧道所穿越的廈門(mén)西港海域?yàn)橹腥A白海豚保護(hù)區(qū)。由于圍堰明挖法和沉管法均需在海域內(nèi)進(jìn)行施工作業(yè),會(huì)直接占用白海豚的棲息地,對(duì)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(guò)海隧道工程。盾構(gòu)法、礦山法及TBM法從技術(shù)上講均存在可行性。

翔安側(cè)海域段位于第四系地層和風(fēng)化槽帶內(nèi),地層差,推薦采用泥水盾構(gòu)法施工。本島側(cè)陸域段位于人工填土層及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層,推薦采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。本島側(cè)海域段位于微風(fēng)化地層,可采用礦山法、雙護(hù)盾TBM法及復(fù)合式盾構(gòu)法等施工方法。

本島側(cè)海域段隧道全位于微風(fēng)化地層,且隧道拱頂微風(fēng)化層最小覆蓋厚度為2.3 m。巖石抗壓強(qiáng)度為64～172 MPa,石英含量為15%～20%。巖石完整性系數(shù)為0.8～0.98,整體性好。地下水不發(fā)育。由于巖石強(qiáng)度高,而且需連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間掘進(jìn)2.6 km,故采用復(fù)合盾構(gòu)法施工時(shí),施工風(fēng)險(xiǎn)高、地層適應(yīng)性差,因此不推薦復(fù)合盾構(gòu)法施工。礦山法與雙護(hù)盾TBM法的比選見(jiàn)表4。

表4 過(guò)海區(qū)間施工方法比選

由表4可見(jiàn),雙護(hù)盾TBM法的環(huán)境影響小、施工風(fēng)險(xiǎn)低、施工簡(jiǎn)便質(zhì)量好、工期短，因而綜合考慮種種因素,推薦采用雙護(hù)盾TBM法施工。過(guò)海區(qū)間各段采用的施工方法見(jiàn)圖7。

雙護(hù)盾TBM采用撐靴支撐提供強(qiáng)大推力,配置盤(pán)型滾刀,破巖能力強(qiáng)。根據(jù)已有的山嶺隧道雙護(hù)盾TBM施工經(jīng)驗(yàn),以及青島地鐵雙護(hù)盾TBM施工專(zhuān)題研究和設(shè)計(jì)分析,海域段的地層非常適合于雙護(hù)盾TBM法施工。

施工前需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)鉆孔,以便揭示風(fēng)化槽的具體位置及深度。采購(gòu)TBM時(shí)需要加設(shè)超前預(yù)注漿設(shè)備。掘進(jìn)過(guò)程中務(wù)必做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

圖7 過(guò)海區(qū)間分段施工方法示意圖

3 工程難點(diǎn)重點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 通風(fēng)防災(zāi)設(shè)計(jì)

服務(wù)隧道內(nèi)頂部風(fēng)道一直延伸到區(qū)間豎井的位置,將機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)房與活塞通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)房設(shè)置在一起。過(guò)海區(qū)間具體的通風(fēng)系統(tǒng)布置見(jiàn)圖8。這樣設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是:區(qū)間風(fēng)井內(nèi)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(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)房的規(guī)模、降低工程投資、便于日常的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和管理。

圖8 過(guò)海區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

3.2 結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

結(jié)合過(guò)海區(qū)間隧道施工工法,推薦TBM及盾構(gòu)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(jié)合的防水方案。

TBM及盾構(gòu)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(yīng)滿足在計(jì)算的接縫最大張開(kāi)量和估算的錯(cuò)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(nèi)側(cè)相鄰管片間的嵌縫防水,以及必要時(shí)向接縫內(nèi)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(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況,對(duì)富水段落及涌水段落采用預(yù)注漿方式,將隧道開(kāi)挖斷面周?chē)挠克驖B水封堵于結(jié)構(gòu)外。壓注材料主要采用普通水泥單液漿、超細(xì)水泥單液漿及特制硫鋁酸鹽水泥單液漿等。③初期支護(hù)防滲噴射混凝土。④在全封閉段,隧道初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置無(wú)紡布+防水卷材;在限量排放段,隧道初期支護(hù)與二次襯砌拱墻之間設(shè)置無(wú)紡布+防水卷材,防水板與二襯之間埋設(shè)排水盲溝。⑤防水板采用分區(qū)設(shè)計(jì)。

3.3 給排水設(shè)計(jì)

首先,估算排水量。本工程排水主要包括結(jié)構(gòu)滲漏水、消防廢水、消防爆管水及風(fēng)井雨水等。

(1) 結(jié)構(gòu)滲漏量。五緣灣站—區(qū)間風(fēng)井段屬于二級(jí)防水,滲水量按1 L/(m2·d)計(jì)算。區(qū)間風(fēng)井—會(huì)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(biāo)準(zhǔn)。則五緣灣站—會(huì)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(fēng)井雨水。過(guò)海區(qū)間設(shè)1座區(qū)間風(fēng)井,暫按敞口考慮。風(fēng)井敞口面積約為20 m2,暴雨強(qiáng)度按廈門(mén)市50年一遇計(jì)算,風(fēng)井雨水量約為5 m3/h,則過(guò)海區(qū)間最高小時(shí)排水量約為260 m3/h。

設(shè)置排水系統(tǒng)時(shí),由于過(guò)海區(qū)間的廢水在最低點(diǎn)匯集,故綜合考慮了區(qū)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(jí)負(fù)荷等因素,最終,確定過(guò)海區(qū)間設(shè)置2座主要排水泵站。具體的排水系統(tǒng)布置見(jiàn)圖9。

在線路坡度最低點(diǎn)設(shè)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(tái)耐腐蝕海水泵(2臺(tái)正常使用,2臺(tái)備用)。單臺(tái)水泵的流量為100 m3/h,揚(yáng)程為85 m,功率為33 kW。平時(shí)2臺(tái)水泵工作,必要時(shí)4臺(tái)水泵同時(shí)啟動(dòng)。廢水經(jīng)提升由施工斜井隧道排入市政管網(wǎng)。

在區(qū)間風(fēng)井處設(shè)置1座排水泵站,其有效容積約為5 m3,配2臺(tái)耐腐蝕海水泵(1臺(tái)正常使用,1臺(tái)備用),單臺(tái)水泵的流量為10 m3/h,揚(yáng)程為55 m,功率為2.2 kW。廢水經(jīng)提升直接排入市政管網(wǎng)。

此外,在施工斜井的洞口附近還應(yīng)設(shè)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(tái)耐腐蝕海水泵,1臺(tái)正常使用1臺(tái)備用,單臺(tái)水泵流量為10 m3/h,揚(yáng)程為15 m,功率為2.2 kW。廢水經(jīng)提升直接排入市政管網(wǎng)。

圖9 過(guò)海區(qū)間排水方案布置圖

4 結(jié)語(yǔ)

超長(zhǎng)過(guò)海區(qū)間地鐵隧道所處地域特殊。其周邊環(huán)境及工程水文地質(zhì)條件都十分復(fù)雜。同時(shí),地鐵的防災(zāi)救援及防排水要求十分嚴(yán)格。因此,在方案比選階段必須經(jīng)過(guò)全面細(xì)致的比較才能確定合理方案。為此,在進(jìn)行必要的水上物探、鉆探,初步掌握地層情況后,分別針對(duì)線位方向、斷面形式、施工方法、防災(zāi)救援、給排水等專(zhuān)題進(jìn)行了研究,為穩(wěn)定線路方案提供了支持。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.廈門(mén)市軌道交通3 號(hào)線工程可行性研究報(bào)告[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2014.

[2] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.廈門(mén)市軌道交通3 號(hào)線過(guò)海隧道工程專(zhuān)題研究報(bào)告[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2014.

[3] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.敞開(kāi)式TBM在城市地鐵工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究研究報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2010.

[4] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.青島市地鐵二期工程(2號(hào)線)采用TBM掘進(jìn)機(jī)施工可行性專(zhuān)題研究[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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)