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国内首条过海地铁盾构隧道关键技术攻关研究
发布日期:2018-08-22 14:04:50

许黎明

( 厦门轨道交通集团有限公司,  福建厦门 361000)

 
摘    要: 结合厦门轨道交通 2 号线工程过海区间隧道关键技术的研究与探索,从线位选择、预留二衬、防灾通 风及疏散、海洋环境隧道耐久性、防排水、海底冻结法施工联络通道、盾构法与矿山法隧道水中对接等方面对 过海盾构地铁隧道技术进行了全面的论证和比较,为过海盾构隧道的设计、施工、运营、管理提供强有力的技 术支持。  采用过海隧道盾构换刀、提前进行地质补勘、全程超前探孔探水、渗透水压力数值模拟计算、承压水 环境下岩石裂隙注浆堵水技术、微震爆破等一系列新技术,也为后续建设类似工程提供参考和借鉴。
关键词: 地铁; 盾构; 海底隧道; 关键技术
中图分类号: U231         文献标志码: A        文章编号: 1672  6073(2017)06  0051 05
 

Key TechnoIogiesfortheFirstCross  Sea Metro ShieIdTunneIinChina
XULiming
( Xiamen Rai1TransitGroup Limited Corporation, Xiamen FuJian 361000)

Abstract: Theauthorstudiesthekey technologiesadopted forthecross-seashield tunnelforLine2 ofXiamen Metro, including theselection ofthelineroute, thesecond presetliner, ventilation and evacuation in adisaster, durability oftheunderseatunnel structure, waterproofand drainagetechnology, building ofunderseaconnecting passagesforthetunnelby  freezing, aswellas theend-to-end jointbetween theshield tunneland underseamining tunnel, etc., which areexpected to behelpfulforthedesign, construction, operation and managementofcross-seatunnelsin thefuture.
Keywords: metro; shield tunnel; underseatunnel; key technologies


      对海洋的开拓,源于对城市发展、百姓安居、社会 安定的渴望, 而城市的发展又基于完善的城市功能。 近年来,越来越多的沿海城市开始重视对于蓝色经济 发展的规划。  连接大陆与海岛,消除海洋天壁的阻隔, 完善自身城市的交通路网,成为构建现代化都市的必 不可少的组成部分。
      到 2020 年,厦门将形成“ 中心放射、环湾联络” 的 轨道交通网络框架,线网规模约 270  km,连接厦门本岛 和环湾四区,引领“ 跨岛发展” 战略,促进城乡融合、共 同发展。  目前, 轨道交通 1  ~4  号线已经陆续开工建 设。  其中,2 号线和 3 号线分别穿越厦门西海域和东海域,过海区间隧道作为我国大陆首批建设的轨道交通跨 海隧道,建设经验少、设计难度大、工程地质与水文地质 复杂、专业涉及面广、施工风险高,极具挑战性,轨道交通 集团建设者们充满了建设热情与独立思维,通过现场实 践,不断探索跨海工程领域的新方法、新技术。

1   工程概况
      海沧大道站 东渡路站区间是厦门轨道交通 2 号 线一期工程的第 3 个区间,线路出海沧大道站后由北 转向东,于沧林东路与海沧大道交叉口处入海,先后下 穿厦门西港海域、大兔屿、主航道、1 # 泊位后上岸,转向 东南下穿邮轮城二期地块后到达东渡路站,是 2 号线 一期工程的控制性节点工程。
      过海隧道右线长 2 736  m,左线长 2 769  m,海域段 长约 2 120 m,设 1 座独立风道和 4 座联络通道,线路纵坡为 V型节能坡,最大纵坡为 290,最小纵坡为3.10;区间隧道覆土厚度 8.7 ~66  m,最高潮位至隧道最低距 离约 55  m,主航道处最大水深约 30  m;区间隧道穿越 了多种地层,地质条件复杂,涉及的地层主要有:淤泥、 中粗砂、 残 积 土、 全 强 风 化 层 (( 全) 强 风 化 花 岗 岩、( 全) 强风化辉绿岩、( 全) 强风化安山岩、( 全) 强风化 变质砂岩)、碎裂状强风化层、中等风化变质砂岩、中等 风化变质石英砂岩、微风化变质石英砂岩、中等风化凝 灰熔岩( 见图 1)。

      结合过海隧道所处的地层条件,经多次研究论证 提出了“ 盾构法 +矿山法” 的组合施工方案,为确保隧 道的建成质量,采用矿山法,以盾构拼装管片通过作为 二次衬砌。
      作为国内大陆地区首个穿越海底的地铁隧道( 见 图 2),采用盾构法尚属首次,为尽量减少对周边环境 的影响,盾构设备选择对地层沉降变形控制更好的泥 水平衡盾构。  为确保盾构设备对地层的适应性,结合 地质详细勘察资料进行了跨海隧道盾构设备选型与性 能配置专题研究,将盾构设备选型要求落实到施工招 标中,同时考虑到穿越淤泥、泥岩细颗粒多,难以分离 会造成废弃浆液,污染环境,因此特要求采取分级压滤 处理技术,经国际化招标确定选用 2 台海瑞克复合式 泥水平衡盾构,并配备 2 套 600 m2  压滤机,以实现泥浆 零排放。

2       线位选择及工法比选
      过海段地质条件复杂,设计施工风险大,为解决工 程难点、降低工程风险、确保工程安全顺利实施,从方 案设计开始就高度重视,贯彻地质选线原则,先后组织 了多项专题研究和论证。  2013 年 1 月开始启动过海隧道线位及工法专题研究,为确保研究成果的可靠性,比 选线路的勘察均按初步勘察深度开展工作,2014 年 12 月完成了《厦门轨道交通 2 号线一期工程过海隧道线位 及工法研究专题报告》[1J ,该报告从地质选线角度出发, 对南、中、北 4 个线站位方案、共计 9 个建设方案进行了 综合比选,经认真研究,认为北线浅埋双小洞方案具有 明显的优势,重点研究北线方案。  详见图 3、4 及表 1。

      在后续工可阶段,总体设计、初步设计阶段继续深 化研究,最终推荐实施风险较小的北线线位[2] 、 单洞 单线盾构工法、盾构内径预留二衬空间后为 6  m的方 案[3 4] 。  至此,稳定了过海段方案,为过海段的顺利开 工打下了坚实基础。
      施工图阶段根据地质详细勘察资料局部优化北线 线位,绕避突起的花岗岩,有效降低盾构施工风险( 见 图 5)。

3   工程重、难点及关键技术
      国内还没有轨道交通于海底盾构隧道建成的先 例,设计过程中关键技术难题较多。  为保证项目设计 方案的先进性、科学性以及实用性,同时为海底隧道顺 利实施和厦门轨道交通未来的发展绘制美好蓝图,针 对工程的关键技术问题先后展开了多个科研课题研究 和技术攻关,在实现科技和施工紧密结合、科研成果转 化为生产力方面取得了重要突破。

 3.1工程重、难点
作为国内大陆地区首个穿越海底的地铁隧道,本 过海区间具有以下工程特点和重难点:
      1)  确定合理线位及施工方案是关键:选择最优的过海线位、隧道埋深和安全可靠的过海施工方案,以确 保施工、运营安全是本工程的重中之重。
      2)  工程地质及水文条件复杂:盾构机需穿越花岗岩、泥质砂岩、凝灰熔岩、石英砂岩等多种岩层,其中微 风化变质石英砂岩强度高达 192  MPa;同时,还需穿越 6 条风化槽、软岩、软弱破碎带、挤压带及富水带等特殊 地层,地质软硬不均。
      3)  盾构设备选型和施工技术要求高:盾构连续掘 进距离长,基岩强度高,地层软弱不均,对刀具磨损大; 海中最大水压高达 0.55  MPa,海底换刀技术要求高。
      4)  海洋环境复杂:选择可靠的隧道结构及防水方案,确保百年耐久性要求。

3.2  预留二衬研究
      过海隧道是否预留二次衬砌从一开始就是本工程 关注的重点,需考虑以下方面:
      1)  本工程跨海隧道穿越地质极为复杂,存在大量软硬不均区段,且为高水压环境,管片错台的可能性和错台量较一般地层大;
      2)  本工程为重要的跨海隧道工程,隧道位于海水 环境,对结构腐蚀性强,耐久性要求高;
      3)  海底通道资源的重要性、特殊性以及海底地下 工程不具备地面对结构进行维修的条件,须预留二衬 空间为后期处理提供可能;
      4)  地铁管片预留二衬空间已经慢慢成为工程界 共识,上海、广州、武汉等地新建地铁线路管片内径均 在推行扩大断面方式;
      5)  在现有荷载条件下,单层装配式管片完全能够 满足跨海段盾构隧道的承载要求,施作二衬以后管片 的受力更为均匀,内力图更为接近匀质圆环模型,但与 只有单层衬砌时相比,管片受力有所减小,拱顶最大沉 降稍有增大,从纵向不均匀沉降的计算结果来看,衬砌 形式为双层衬砌时的沉降比单层衬砌的沉降有明显的 减小,施作二衬对抑制沉降能起到一定的作用。
      该工程就是否预留二次衬砌进行了深入系统的比 选,考虑海底隧道有可能发生地震、撞击、火灾等事故, 或发生管片开裂、错台等,导致海水渗入隧道内部对隧 道结构侵蚀,为了不至于在地震等灾害情况下发生太 大的变形导致侵限,结合国内外长大隧道的建设经验 与教训,预留施作二衬的空间,作为预留变形量和便于 后期补强加固,且二次衬砌的施作与否对隧道横断面 方向的抗震性能影响不大,最终确定在盾构隧道的内 部预留 250 mm二次衬砌空间,盾构隧道内径为 6.0 m、 外径为 6.7  m( 见图 6)。

3.3  防灾通风及疏散研究

      轨道交通运量大、发车间隔短,保证运营和乘客安 全是头等大事。  通过对国内外主要城市轨道交通事故 进行分析,发现轨道交通事故主要包括火灾、 人群踩踏、乘客坠落、水灾停电、恐怖袭击时的爆炸和毒气泄 漏、设备故障、列车出轨或相撞事故等,火灾事故是威 胁地铁安全的主要因素,因而在进行地铁事故研究时, 火灾是首要研究对象。

3.3.1  隧道火灾安全目标
      过海区间隧道的消防安全目标是保证发生火灾 时,乘客能从着火区域疏散到安全区域,其次为消防队 员进入灭火提供必要条件,以便控制火灾规模,限制火 灾大面积蔓延;明确司乘人员在火灾工况下的生命及 财产安全评估准则( 见表 2)。

3.3.2  隧道防灾通风
      过海区间远期高峰时刻共有 2 列车同时运行,根 据通风防灾要求,需保证每个通风区段仅有一辆列车 通行,在中部大兔屿设置通风风道一座( 见图 7)、风道 内设置直通地面的疏散楼梯,采用分段纵向通风排炯 模式。 区间隧道发生火灾时,通过区间风道轴流风机 运行,以保证火灾隧道通风风速大于临界风速,及时排 出火灾产生的炯气。

3.3.3  隧道疏散救援

      过海区间采用矿山 +盾构组合工法,共 设置 4 座 联络横通道、1 座中间风道,横通道间距 600  m,隧道疏 散平台宽度不小于 700  mm,风道内设置直通地面的疏 散楼梯。  当过海区间发生火灾时,若列车未失去动力, 则需行驶至两端车站开展疏散救援;若列车失去动力 无法行驶至车站时,就地停车,乘客通过列车侧门或端头门达到疏散平台或道床,通过联络横通道疏散至非 火灾隧道。

3.3.4  海洋环境隧道耐久性研究
      过海隧道场区属于典型的海洋氯化物环境,作用 等级为ill   E,对结构的耐腐蚀性能要求极高。  为满足 地铁 100 年设计使用年限,对建筑材料,掺合料,结构 构造等各个环节均进行了深入研究。
      隧道结构主体采用 C50,抗 渗等级 P12  混凝土材 料,并严格控制混凝土水灰比、氯离子渗透系数、通电 量、骨料粒度等指标;在混凝土中加入大量的矿物掺和 料,包括优质粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等,以提高混凝 土的密实度; 添加适量的聚丙烯纤维, 以减少初期裂 缝,提高混凝土的断裂韧性,改善混凝土的抗裂防渗性 能;在混凝土管片迎水面涂刷防腐抗渗性能优良的高 渗透性环氧涂料;预留二衬空间的设计理念为后期维 修补强和延长结构使用寿命预留条件。

3.3.5  长大过海隧道防排水研究
       海底隧道防排水方案是另一道难题。  由于海底隧 道的 V型纵坡以及海水无限补给等特点,海底隧道防 排水方案就成为了设计中必须突破的难关。  长大过海 区间隧道具有海域段跨度大,结构渗水量大等特点,对 隧道施工与运营期间的排水能力提出了很大的考验。
      首先,经过大量的调研、分析、咨询、研究,确定了 “ 以堵为主,限量排 放” 的 设 计 原 则。  制 定 合 理 的 隧 道渗漏水排放标准,通过超前注浆等措施严格控制隧 道的排水量。  其次,考虑在隧道运营阶段排水系统必 须通畅,设计了可维护的隧道防排水系统。  再次, 在 区间沿线科学布置临时废水中转泵站,并充分利用斜 井及竖井废水泵房。  施工期间,区间废水汇入临时集 水坑,通过中转水仓转入永临结合中转泵站,然后提 升至地面废水处理站进行处理。  最后,为满足运营期 间的排水需求,在线路最低点及两侧设置大型废水泵 房,并根据隧道施工期间的涌水量量测对泵房的容量 进行动 态 调 整, 使 其 至 少 能 容 纳 24  h  的 隧 道 渗 漏 水量。

3.3.6  国内首次海底冻结法施工联络通道
      海东区间隧道 4 座联络通道均位于西港海域下, 联络通道施工是盾构隧道的高风险点,需在联络通道 开挖前对地层进行加固处理,结合联络通道所处地层 条件,开创性提出了海底冻结法,即通过冷冻的方法将 土体变成冻土,有效减少渗漏、涌水,实施成功后将有效填补国内海底联络通道冻结法施工技术的空白。

3.3.7  盾构法与矿山法隧道水中对接
      该岛侧分布有变质石英砂岩,最大强度高达 190 MPa, 盾构施工难度大、刀具磨耗严重,为此提出了先从陆地 上施作矿山法隧道进海迎接盾构方案,二者在主航道 前方的水底进行对接,该处水深 30  m,为有效降低对接 风险,在矿山法隧道内先施作临时密封盒,然后盾构机 安全进入“ 盒子”,再打开“ 盒子” 让盾构机进入矿山法 隧道内。


4   结语
      作为国内首个海底地铁盾构隧道,无成熟规范和 类似经验可供参考,必须高度重视过海区间的设计、施 工管理,积极组织开展关键技术专题研究和风险调查 梳理工作,针对重大风险点制定详细的施工应对措施, 从现场勘察到方案比选,从科研攻关到专家咨询,无数 雄关漫道被一一攻克,在过海隧道设计、施工中还采用 了多项新技术和新工艺。  例如采用过海隧道盾构换 刀、提前进行地质补勘、全程超前探孔探水、渗透水压 力数值模拟计算、承压水环境下岩石裂隙注浆堵水技 术、微震爆破等一系列新技术。  这些以科技创新为支 撑的新技术、新工艺、新材料的应用不仅保证了隧道的 安全、经济、合理,更使得“ 科技隧道” 的理念得以贯彻, 提高了工程的科技含量。  随着项目的进一步推进以及 地质条件的不确定性等,难免会遇到新的问题,笔者将 与参建各方一起迎接新的挑战,深入总结经验与教训, 全面提炼研究成果,为过海盾构隧道的设计、施工、运 营、管理提供强有力的技术支持,同时也为后续建设如 厦门轨道交通 3 号线过海隧道及其他类似工程等提供 宝贵经验。


收稿日期 2017 03 20 修回日期 2017 06 23
作者简介  许黎明,男,高级工程师,从事城市轨道交通建设管理及 技术研究工作,xim1962@163 com
基金项目  厦门市科技计划重大项目(3502Z20151006)

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