海底隧道工程环境风险评价与防范措施

2016-03-23国家海洋局第三海洋研究所

海峡科学 2016年8期

国家海洋局第三海洋研究所

海底隧道工程环境风险评价与防范措施

国家海洋局第三海洋研究所

郭晓峰姜尚*郭洲华

海底隧道不同于陆地隧道，海底地质情况复杂，且工程施工是在巨大水系之下进行，遇到的环境风险几率及风险危害程度均比陆地隧道高。本文对海底隧道施工和运营中具有共性的风险因素进行了辨识，并重点分析了几种典型风险因素的控制措施，以供国内当前在建和待建的海底隧道设计方、施工方和运营方参考。

海底隧道环境风险防范措施

近年来，随着海洋经济的高速发展，以跨海大桥、海底隧道、大型海港码头为代表的海洋工程建设得到飞速发展[1]。与跨海桥梁相比，海底隧道位于海床下方，不受上方海域船舶通行的限制，而且通常也不受台风、大雾等极端天气的影响，具有稳定的通行能力，因此国内越来越多的沿海地区拟规划修建海底隧道工程。以厦门市为例，根据2016年最新批复的《厦门市城市总体规划（2011—2020年）》，随着“岛内外一体化”战略的推进，到2020年，厦门市将建成10条海底隧道[2]。由此可见，探讨分析海底隧道施工和运营可能存在的环境风险，并提出相应的风险防范措施显得尤为迫切。

1 海底隧道特点及施工工艺简介

与其他工程项目相比，隧道工程具有隐蔽性、复杂性和不确定性等突出的特点，和陆域隧道相比，海底隧道具有以下特点：

（1）隧道大部分被水包围，地质勘探难度大且勘察准确性降低。

（2）隧道上覆水体。须承受高水压作用，在施工过程中如遇风化槽等不良地质，一旦发生涌水涌沙，将给施工带来极大困难。

（3）由于海水的无限补给，海底隧道运营期存在渗水，且海水渗水对隧道内设施有腐蚀作用，将给海底隧道的运营带来安全隐患[3]。

目前，国内外常见的跨海域水下隧道施工方法主要有沉管法、盾构法及钻爆法三种[4]。沉管法是在水下开挖并逐节沉放预制管段的施工工艺，但对海域的通航限制明显，而且沉管基槽开挖施工对周围海洋环境影响很大。盾构法是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法，一般在小断面的地铁隧道中使用较多。钻爆法是通过钻眼、爆破、出砟而形成地下结构空间，并将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种开挖方法，经过许多国家研究人员的深入实践和理论分析，已成为现代隧道工程新技术标志之一，一般较多使用在大断面的公路隧道中。国内已建成通车的厦门翔安隧道和青岛胶州湾海底隧道均采用钻爆法的施工工艺。

2 海底隧道工程环境风险分析

2.1 施工期隧道坍塌涌水风险分析

海底隧道通常具有复杂的地质条件和周围环境。海底隧道修建时，由于海底隧道处于巨大水系之下[5]，地下水富存，并且在勘测、定位和选线方面比陆域隧道受限制大，故其穿越断层破碎带的几率大、数量也多。钻爆法施工过程中如果爆破药量过大，或者盾构法隧道从海底断层破碎带通过，随时都可能给工程带来淹没、塌通、涌水或形成泥石流的危险；轻则给工程进展造成影响，重则使工程的安全和施工人员的生命毁于一旦。因此海底隧道施工期环境风险主要是隧道坍塌导致的涌水涌沙风险，一旦发生大量的塌方或涌水，则一方面将延缓建设工期，增加工程投资，另一方面将造成人员伤亡的可能。如日本丹那隧道，在1925年12月施工时遇到高压涌水，水压达21kg/cm2，并夹带泥石流，花费了42个月才渡过险关。

2.2 运营期隧道火灾环境风险分析

地铁火灾是地铁运营期主要的风险。隧道建筑结构复杂，环境相对密闭，在封闭空间内热量不易消散，火灾时温度较高，一旦发生隧道火灾，将对隧道结构和人员财产安全造成巨大威胁，海底隧道还可能因结构被破坏而导致隧道修复困难。地铁隧道内发生火灾时，具有如下特点：

（1）烟雾大，温度高，扩散难度大。隧道内一旦发生火灾，由于隧道空间小，近似处于密闭状态，不可能自然排烟，因此烟雾比较大，燃烧产生的热量不易散发；火灾可能将隧道照明系统破坏，能见度低，给火灾扑救和人员疏散带来困难。地面建筑发生火灾时，近80%的烟气可以通过破损的门窗扩散到大气中，而被土石包裹的地下隧道，烟气和热量无法扩散，温度骤然升高，这些流动性很强的有毒烟气和热量会在隧道内四处流窜，短时间内充满整个地下空间。

（2）疏散困难。隧道内没有自然采光，完全依靠人工照明，火灾发生后正常电源被切断，采光靠事故照明和疏散标志指示灯，加上火场中产生的浓烟和大量刺激性气体使人睁不开眼睛，人员疏散极为困难，几乎无法逃离火场。

（3）灭火救援难度大。由于地铁特殊的建筑结构，发生火灾后比起地面建筑的扑救要困难得多。地铁发生火灾时无法直观做出准确判断，需要查询工程图纸，分析可能发生火灾的部位和可能出现的情况后才能做出灭火方案；同时由于地铁的出入口又是火灾发生时的冒烟口，消防人员不易接近着火点，扑救工作难以展开，而大型消防设备无法进入地铁车站内部，也给灭火增加了难度。

（4）火势容易产生蔓延和引起轰燃。地铁隧道内空气不足，发生火灾时可燃物主要是不完全燃烧，产生的一氧化碳等气体随高温烟气流动，当有空气补充并遇到新的可燃物时即会引发新的燃烧，从而出现火灾从一节车厢蔓延到另一节车厢的情况；加之隧道空间的相对封闭性，列车起火燃烧后，随着温度升高，空气体积膨胀，压力增高，极易产生“轰燃”爆炸。

2.3 运营期偶然性荷载风险分析

一般而言，海底隧道下穿海域往往涉及现有或规划的港区、航道等，码头、航道未来存在疏浚问题；另一方面，航道上航行和泊位上靠泊的船舶，在遭遇灾害性气候或发生其他紧急状态时，可能紧急抛锚，甚至发生沉船事故。当紧急抛锚、沉船、疏浚等偶然荷载作用于隧道顶时，可能对隧道结构安全造成一定威胁。因此工程设计应考虑偶然荷载的风险，并采取必要的防护措施，避免偶然荷载对隧道结构的损害。

3 海底隧道环境风险防范措施

3.1 施工期隧道坍塌涌水风险防范措施

3.1.1 深化前期地质勘探

海底隧道工程前期应深化地质勘察工作，探明并准确评价岩石覆盖层高度、岩体风化界面位置、断裂破碎带形状及程度、区域内各层的物理力学性质、渗透系数等。特别是应进一步查清探明存在风化深槽的三维形状和分布情况，摸清风化槽的物理力学性质和渗透性能，并对隧道通过风化槽的工程处理措施进行相应的专题研究，解决施工中可能存在涌水涌沙的难点问题，降低施工风险。

3.1.2 应用注浆等辅助施工措施

为防范涌水，盾构施工必须将盾尾与衬砌之间的建筑空间及时注浆充填，封堵从隧道后部向前流动的地下水；钻爆施工同时应根据地质、岩性情况，采用超前预注浆、帷幕注浆法等措施加固地层，尽可能地截断水源，防止大量涌水。海底隧道开挖时同步注浆为主、二次注浆为辅的注浆作业已成为防范隧道坍塌和涌水的有效手段[6]。

3.2 运营期火灾风险防范措施

3.2.1 选用不燃材料及新型防火材料

地铁中使用的建筑、装修材料，车站用具和设备，列车车体和车上用具等制作材料必须满足难燃、阻燃、无毒、环保的要求，以减少火灾发生时有毒气体产生的数量及发生“轰燃”的可能性，最大限度地满足人员逃生的需求。

3.2.2 优化火灾自动报警系统（FAS）

由于地铁发生火灾时，从外部救援难度很大，在一定程度上要依靠其自身的建筑消防设施控制并扑灭火灾，因此在地铁全线应全面设置火灾自动报警系统，系统分为中央、车站、就地三级控制，对地铁车站、区间隧道、车辆基地、控制中心等与地铁运营密切相关的建筑和设施进行可靠监视，当发现火情时，系统可在几秒钟内准确、迅速报警，接到报警信号后，控制系统将自动开启并操作风机、水泵、紧急照明、气体灭火装置等各种紧急救援设备。

3.2.3 完善地铁紧急疏散系统

紧急疏散系统的完善对火灾的控制和人员的安全疏散起着决定性的作用，设计中应该充分考虑高峰时期人员数量、疏散宽度、出口数量、疏散距离等条件能够满足在紧急状况下6分钟内安全疏散全部乘客的要求；火灾发生时所有闸机、车门应自动向安全方向敞开，不能堵塞；所有电梯朝安全方向行驶；引导标志清晰明确，并在断电情况下能够利用自身的蓄能发光。另外，列车上还应备有紧急疏散梯，使乘客安全离开列车，同时还应设置足够的滚动显示条、液晶显示屏以及广播系统，以备火灾时引导乘客疏散。

3.3 偶然性荷载风险防范措施

海底隧道建成后，应根据实际情况在海底隧道中心线两侧的一定范围内划定安全保护区。禁止在隧道的安全保护区内从事挖沙、采石、采矿、取土、倾倒废弃物、实施爆破作业；禁止在隧道的安全保护区设立易燃易爆仓库、存放危险化学品；船舶停靠时应当采取安全措施，确保不会对隧道结构造成安全危害。

4 结束语

近年来，我国经济的腾飞带来了交通基础设施事业的大发展，目前国内多地拟规划建设跨海隧道，但由于其地质环境的特殊性和工程特点也孕育了极大的风险，因此，科学辨识海底隧道工程施工和运营中的各种风险因素，采取有针对性的措施进行有效的风险管控，对于减少环境风险带来的损失、维护隧道施工和运营安全具有重要意义[7]。