复杂地质条件下轨道交通超长过海区间隧道方案研究

张竹清

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安∥高级工程师)



复杂地质条件下轨道交通超长过海区间隧道方案研究

张竹清

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安∥高级工程师)

以厦门轨道交通3号线过海区间隧道为例,介绍了复杂地质条件下轨道交通超长过海区间隧道方案设计需要注意的问题,及需要研究的内容,从线位方向、断面形式、施工方法、防灾救援、给排水等方面进行了全面比较,并重点对隧道掘进机的适用性进行了分析。

轨道交通; 超长过海隧道; 隧道掘进机

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

随着国内交通工程建设的不断发展,大量过海隧道工程将会出现。目前,已投入使用的有广深港狮子洋隧道、青岛胶州湾海底隧道、厦门翔安海底隧道,在建的有港珠澳大桥岛隧工程、汕头苏埃湾过海隧道、厦门轨道交通2号线过海区间隧道，开展前期方案研究的有大连湾海底隧道、渤海隧道工程等。从已有数据可以看出,公路、铁路海底隧道修建已经走在前列,城市轨道交通区间隧道稍显滞后,但可预见的是,随着邻海及岛屿城市城市轨道交通的不断发展,城市轨道交通过海区间隧道将会不断出现。仅厦门市就还有轨道交通3号线、5号线,以及厦漳泉轨道交通项目等过海隧道已进行了方案研究或规划。

轨道交通区间隧道工程不同于铁路、公路隧道,有其自身的特点和设计要求。因此,在方案研究时必须全面、周密考虑,从线路、地质、结构、防灾、排水、耐久性、投资、工期等因素进行综合比选,才能确保方案合理并满足功能需求。本文以厦门市轨道交通3号线过海区间隧道为背景,对轨道交通超长过海区间隧道方案研究方法及需要注意的问题等进行了总结,并给出了建议,以供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 工程基本概况与工程重点难点分析

厦门市轨道交通3号线过海区间隧道(以下简为“过海区间”)全长5.06 km,位于厦门本岛与翔安区之间海域。其中,海域段长3.68 km,位于厦门白海豚保护核心区,距既有翔安海底隧道1.4～2.7 km,距拟建厦门第二东通道1.2～ 1.7 km。海域段隧道区间两端连接车站分别为五缘湾站及会展中心站。隧道平面位置如图1所示。

图1 过海隧道平面位置示意图

过海区间所处地段风化槽发育,地质条件复杂,地下水丰富,建设工期紧,环境要求高。选择合理线路走向、埋深,以及与之相适应的施工方法,降低工程风险是本段工程的重点及难点。

过海区间总长5.2 km,其中海底段长3.7 km。因而防灾救援困难,选择合理的断面布置形式、通风模式和防灾救援体系将也是本段工程的难点。

过海区间地下水发育,水压高、水量大。因此,确定合理的结构防排水和运营期间排水模式,保证结构安全和耐久性,降低运营成本同样是本段工程的重点。

1.2 工程地质及水文地质[1-2]

根据物探及钻孔资料,过海区间工程范围地层上部为第四系全新统海积层,中部为花岗岩残积砂质黏性土,下部基岩为花岗闪长岩,局部段揭示有辉绿岩岩脉。地下水主要为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水及基岩裂隙水,受海水的垂直入渗补给。不良地质主要为风化深槽。特殊性岩土主要为软土、残积土及风化岩。中、微风化花岗岩岩石饱和抗压强度23～170 MPa。总体地质本岛侧较好,翔安侧较差。过海区间隧道岩石物理力学参数详见表1。

表1 过海区间隧道岩石物理力学参数表

2 方案比选

2.1 线路走向方案比选

根据过海区间工程地质条件,对“全矿山法、全盾构法、矿山法+盾构法、TBM (隧道掘进机)+盾构法”等方案进行线位的研究。经初步分析,主要以3个方案为比选对象。过海段线路走向研究总平面详见图2。

2.1.1 方案一

方案一为工程可行性方案。此方案中,线路自五缘湾站以半径为800 m曲线下穿至海底;随后,设置2个半径为1 500 m反向曲线,再以直线形式穿过海底;最终,以半径为800 m的曲线接入会展中心站。该方案线路线型顺畅,最大纵坡28‰。方案一中,本岛侧线路主要位于基岩段内,穿越3处风化槽带(总长300 m)。翔安侧线路主要位于第4系地层及风化槽,穿越1处长254 m的基岩突起。方案一较好地利用了地质特点。方案一纵断面示意图见图3。

2.1.2 方案二

方案二为方案一的优化方案。由于翔安区侧风化槽范围大,绕避困难,故线路出会展中心站后与方案一一致,也设置1个半径为1 500 m的曲线,使线路向北绕行,尽量绕避F1风化槽;最后以半径为800 m的曲线过海接入五缘湾站。方案二的线路较顺畅,最大纵坡为30‰。方案二中,本岛侧线路全部位于基岩中,隧道拱顶距中风化线最小距离为2.3 m,翔安区侧主要位于第4系地层及风化槽,穿越1处118 m长的基岩突起。方案二比方案一更好地利用了地质特点。方案二纵断面示意图见图4。

图2 过海段线路走向研究总平面图

图3 方案一地质纵断面示意图

图4 方案二地质纵断面示意图

2.1.3 方案三

方案三线路长896 m,线位主要穿越第四系地层和风化槽带,共5次穿越基岩突起。该方案采用盾构法施工,掘进穿越第四系地层时施工难度不大,但穿越基岩突起和风化槽段时,施工风险较高。方案三未能利用本岛段较好的地质条件。方案三纵断面示意图见图5。

方案一的线路虽然比较顺直,但本岛段线路穿过海区间线路走向方案的比选见表2。

图5 方案三地质纵断面示意图

2.1.4 线路方案比选分析

表2 过海区间线路走向研究方案比选总表

越了较长风化槽段。方案三线位走行于地质条件差且复杂地段,故施工方法选择较难。方案二本岛段线路位于基岩内,可采用合理的施工方法分段施工,故工程可实施性强。且方案二的节能坡设置更合理,有利于后期运营成本控制。

综上所述,采用本岛段线路全位于基岩中的方案二。

2.2 横断面方案比选

过海区间具有段落长、施工难度大、通风救援困难的特点。针对工程特点,对单洞双线(单大洞)、双洞单线(双中洞)、双洞单线+服务隧道(三小洞)等3种横断面形式布置方案进行比选。3种横断面示意图见图6,比选内容见表3。

图6 过海区间横断面形式示意图

横断面方案方案布置方案优点方案缺点单大洞方案采用单孔双线隧道,顶部设置排烟通道,中间设隔墙,两侧分设疏散平台①断面大,便于大型机械化施工;②隧道顶部设排烟通道,两侧设0.7m宽的疏散平台,便于事故状态下排烟和人员疏散①断面高,同等轨面埋深时的拱顶基岩覆盖层小;②高水压下,断面大,结构受力复杂;③疏散平台窄,人员疏散时易发生拥挤踩踏,疏散效果差;④排烟通道长,设备功率大双中洞方案采用2条分离的双孔单线隧道,顶部设置排烟通道,两侧设置疏散平台。每隔600m设1处联络通道①断面小,受力条件好;②同等轨面埋深,拱顶基岩覆盖层厚度比单大洞方案大3m左右;③顶部设置排烟通道,两侧设0.7m疏散平台,每隔600m设1处联络通道,便于事故状态下排烟和人员疏散①断面小,如选用钻爆法施工,施工组织复杂,不利于大型机械施工;②疏散平台窄,横通道间距大,人员疏散时易发生拥挤踩踏,疏散效果差;③排烟通道长,设备功率大三小洞方案采用2条分离的双孔单线隧道,两侧设置疏散平台。中间设1条服务隧道,其拱顶为排烟通道,其下部为疏散救援通道①断面最小,受力条件好;②同等轨面埋深,拱顶基岩覆盖层厚度比单大洞方案大4m左右;③单设1条服务隧道用于通风排烟,通风效果好,事故情况下人员可以迅速疏散到服务隧道内,并可直达地面,救援人员也可通过服务隧道直达事故现场,防灾救援疏散效果好①断面小,如选用钻爆法施工,施工组织复杂,不利于大型机械施工;②工程投资稍高

由于过海区间隧道长,防灾救援困难;因此,做好通风、防灾及救援专业设计,确保运营阶段安全是方案设计的首要控制因素。而选择合适的施工方法和机械配套,也可克服小断面施工的困难。故推荐采用三小洞断面方案。

2.3 施工方法比选

过海区间隧道所穿越的厦门西港海域为中华白海豚保护区。由于围堰明挖法和沉管法均需在海域内进行施工作业,会直接占用白海豚的栖息地,对白海豚造成直接影响;因此,围堰明挖法和沉管法显然不适合本过海隧道工程。盾构法、矿山法及TBM法从技术上讲均存在可行性。

翔安侧海域段位于第四系地层和风化槽带内,地层差,推荐采用泥水盾构法施工。本岛侧陆域段位于人工填土层及强风化花岗岩地层,推荐采用土压平衡盾构法施工。本岛侧海域段位于微风化地层,可采用矿山法、双护盾TBM法及复合式盾构法等施工方法。

本岛侧海域段隧道全位于微风化地层,且隧道拱顶微风化层最小覆盖厚度为2.3 m。岩石抗压强度为64～172 MPa,石英含量为15%～20%。岩石完整性系数为0.8～0.98,整体性好。地下水不发育。由于岩石强度高,而且需连续长时间掘进2.6 km,故采用复合盾构法施工时,施工风险高、地层适应性差,因此不推荐复合盾构法施工。矿山法与双护盾TBM法的比选见表4。

表4 过海区间施工方法比选

由表4可见,双护盾TBM法的环境影响小、施工风险低、施工简便质量好、工期短，因而综合考虑种种因素,推荐采用双护盾TBM法施工。过海区间各段采用的施工方法见图7。

双护盾TBM采用撑靴支撑提供强大推力,配置盘型滚刀,破岩能力强。根据已有的山岭隧道双护盾TBM施工经验,以及青岛地铁双护盾TBM施工专题研究和设计分析,海域段的地层非常适合于双护盾TBM法施工。

施工前需要进行详细的地质钻孔,以便揭示风化槽的具体位置及深度。采购TBM时需要加设超前预注浆设备。掘进过程中务必做好超前地质预报。

图7 过海区间分段施工方法示意图

3 工程难点重点设计

3.1 通风防灾设计

服务隧道内顶部风道一直延伸到区间竖井的位置,将机械通风系统的机房与活塞通风系统的机房设置在一起。过海区间具体的通风系统布置见图8。这样设置的优点是:区间风井内的跟随变电所、控制室、气瓶间等功能房间可共用,从而缩小机械通风系统机房的规模、降低工程投资、便于日常的运营、维护和管理。

图8 过海区间通风系统示意图

3.2 结构防水设计

结合过海区间隧道施工工法,推荐TBM及盾构法施工的隧道采用全包防水方案,矿山法施工的隧道采用断面全封闭与部分地段限量排放相结合的防水方案。

TBM及盾构法施工的隧道全包防水要求为:①管片裂缝在迎水面不大于0.15 mm,在背水面不大于0.2 mm。②管片接缝密封应满足在计算的接缝最大张开量和估算的错位量下不渗漏的要求。③管片接缝防水措施包括管片间的密封垫防水、隧道内侧相邻管片间的嵌缝防水,以及必要时向接缝内注浆等。④管片外防水采用防水防腐涂层。

矿山法施工的隧道防水要求为:①二衬裂缝在迎水面不大于0.2 mm,在背水面不大于0.3 mm。②根据超前地质预报及现场施工情况,对富水段落及涌水段落采用预注浆方式,将隧道开挖断面周围的涌水或渗水封堵于结构外。压注材料主要采用普通水泥单液浆、超细水泥单液浆及特制硫铝酸盐水泥单液浆等。③初期支护防渗喷射混凝土。④在全封闭段,隧道初期支护与二次衬砌之间设置无纺布+防水卷材;在限量排放段,隧道初期支护与二次衬砌拱墙之间设置无纺布+防水卷材,防水板与二衬之间埋设排水盲沟。⑤防水板采用分区设计。

3.3 给排水设计

首先,估算排水量。本工程排水主要包括结构渗漏水、消防废水、消防爆管水及风井雨水等。

(1) 结构渗漏量。五缘湾站—区间风井段属于二级防水,渗水量按1 L/(m2·d)计算。区间风井—会展中心站部分属于限量排水,渗漏水量按不得大于0.2 m3/(m2·d)的标准。则五缘湾站—会展中心站总渗水量约为840 m3/d。

(2) 消防废水量为36 m3/h。

(3) 消防爆管水量按2根DN 150管道的V坡存水量考虑,本工程约为187 m3。

(4) 风井雨水。过海区间设1座区间风井,暂按敞口考虑。风井敞口面积约为20 m2,暴雨强度按厦门市50年一遇计算,风井雨水量约为5 m3/h,则过海区间最高小时排水量约为260 m3/h。

设置排水系统时,由于过海区间的废水在最低点汇集,故综合考虑了区间排水量、道床排水沟允许容纳一定量废水、供电方式为一级负荷等因素,最终,确定过海区间设置2座主要排水泵站。具体的排水系统布置见图9。

在线路坡度最低点设置1座事故泵站(即海底泵站),其有效容积约为40 m3;并配4台耐腐蚀海水泵(2台正常使用,2台备用)。单台水泵的流量为100 m3/h,扬程为85 m,功率为33 kW。平时2台水泵工作,必要时4台水泵同时启动。废水经提升由施工斜井隧道排入市政管网。

在区间风井处设置1座排水泵站,其有效容积约为5 m3,配2台耐腐蚀海水泵(1台正常使用,1台备用),单台水泵的流量为10 m3/h,扬程为55 m,功率为2.2 kW。废水经提升直接排入市政管网。

此外,在施工斜井的洞口附近还应设置1座局部排水泵站,其有效容积约为5 m3;采用横截沟收集雨水;配2台耐腐蚀海水泵,1台正常使用1台备用,单台水泵流量为10 m3/h,扬程为15 m,功率为2.2 kW。废水经提升直接排入市政管网。

图9 过海区间排水方案布置图

4 结语

超长过海区间地铁隧道所处地域特殊。其周边环境及工程水文地质条件都十分复杂。同时,地铁的防灾救援及防排水要求十分严格。因此,在方案比选阶段必须经过全面细致的比较才能确定合理方案。为此,在进行必要的水上物探、钻探,初步掌握地层情况后,分别针对线位方向、断面形式、施工方法、防灾救援、给排水等专题进行了研究,为稳定线路方案提供了支持。

[1] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.厦门市轨道交通3 号线工程可行性研究报告[R].天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司,2014.

[2] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.厦门市轨道交通3 号线过海隧道工程专题研究报告[R].天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司,2014.

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.敞开式TBM在城市地铁工程应用的关键技术研究研究报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010.

[4] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.青岛市地铁二期工程(2号线)采用TBM掘进机施工可行性专题研究[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,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)