厦门轨道交通3号线超长跨海地铁隧道土建设计方案比选

赵 月

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

0 引言

超长跨海隧道在国际上较为普遍，但由于受技术、经济和运营管理水平的限制，我国在2000年以前未有工程案例。近20年来，我国城市地铁、市政及公路隧道的建设及管理水平明显提高，对超长跨海隧道的建设运营理论认知度趋于完善，濒海及岛屿城市修建地铁已经成为可能［1］，广东、厦门和青岛等城市已经开始建设超长跨海隧道来满足城市交通需求。2005年底广深港客运专线狮子洋海底盾构隧道动工［2］，2010年4月中国大陆第一条海底隧道厦门翔安隧道建成［3］。工程建设过程中，参建者积累了大量的宝贵经验［4－7］，为我国启动跨海隧道建设奠定了坚实的基础。目前我国正在迎接跨海隧道建设的高潮，台湾海峡隧道［8］、渤海湾海底隧道［9］和琼州海峡隧道［10］等超长跨海工程方案的构想已经开始谋划。但在超长地铁跨海隧道方面，国内刚刚起步，厦门轨道交通2号线跨海隧道为国内首条(2014年底完成施工招标)在建地铁跨海区间隧道，该隧道总长2.739 km，海域长2.2 km，利用海中小岛设置区间风井。海域段地质条件比较单一(软岩地层为主)，采用盾构法施工，厦门本岛陆域段采用矿山法开挖(盾构空推拼管片)。厦门轨道交通3号线跨海隧道与2号线跨海隧道相比具有海域宽(3.68 km，海域没有设置区间风井的条件)、工程地质条件更加复杂(基岩凸起严重，风化槽多，且分布有较大范围的中砂层)的特点。以厦门市轨道交通3号线跨海区间隧道为例，阐述超长地铁跨海隧道工程设计的思路及方法，重点对超长跨海地铁隧道的地质选线、工法选择、通风排烟、土建方案设计及方案比选过程进行阐述。

1 工程概况及特点

厦门轨道交通3号线跨海隧道全长5.068 km，其中海域段长3.68 km，小里程车站为地下三层14 m岛式明挖车站，大里程为地下二层12 m岛式明挖车站，本工程是国内第一条拟采用盾构与矿山组合工法的地铁海底隧道。跨海隧道平面位置如图1所示。

图1 跨海隧道平面位置Fig.1 Plan of the sea-crossing tunnel

本工程与普通地铁区间隧道相比具有以下特点:1)区间穿越较大范围的水域，地下水与海水联通，而且工程地质条件极为复杂，建设风险高;2)海域范围不具有直接设置中间风井的条件;3)跨海距离较长，区间运营模式(尤其是事故工况)较一般区间不同。

2 工程环境条件

2.1 环境保护

本跨海隧道工程位于厦门市同安湾口白海豚保护核心区内，根据海洋环评对本区域的评价，白海豚保护核心区范围海域不得实施海上工程作业。因此本隧道不具有沉管施工的条件，沉管工法被否决。

2.2 工程地质

本跨海隧道穿越地层特点突出，地层分布特点如下:

1)厦门本岛侧陆域段。覆盖有较厚的全强花岗岩风化层，厚度不小于25 m。

2)中部海域段。水深0～25 m，海底地形西高东低，较为平缓。花岗岩风化槽、风化囊非常发育，局部基岩凸出形成礁石，中风化基岩面起伏非常大。中风化花岗岩的单轴抗压强度约为60 MPa，微风化花岗岩的单轴抗压强度约为100 MPa，局部微风化花岗岩的单轴抗压强度达到190 MPa。

3)翔安侧陆域段。覆盖有较厚的回填土及全强花岗岩风化层，厚度大于40 m，且在翔安侧海岸下分布有较厚的中砂层，厚度约5 m，埋深15～20 m。

2.3 水文地质

主要考虑地层渗透性及地下水与海水的连通性。各地层渗透系数见表1，根据抽水试验，海域及翔安侧(受砂层影响)地下水与海水联通，海水是地层水的主要补给源，本岛侧地层以全强风化花岗岩地层为主，全强风化层为弱透水地层，地下水与海水的联通性较差，补给来源为地表水及地层渗流。跨海隧道最低点水压最大达到7 MPa。

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3 地质选线及工法

3.1 选线原则

1)线路宜顺直，以利运营;

2)隧道洞身尽可能位于单一地层内，以利施工，矿山法宜选择中、硬岩地层，盾构法宜选择软土地层。

3.2 线路及工法选择

为控制隧道建设风险，并为线路运营创造较好的条件，对跨海隧道开展了大范围的地质选线工作，从工法适应性、施工风险、运营条件、造价和工期等方面对区域范围的可能方案进行了对比、分析和研究。可研阶段经过大范围海底物探，并结合两侧相邻工程(东二通道、翔安隧道)的地质资料对工程所在区域的隧道方案进行了梳理和比较，最终确定了一条比较顺直的平面线位，采用了有利于提高结构抗腐蚀、抗震及人防能力的深埋隧道方案。经过地质资料分析，本段隧道地层前后软硬差异很大，确定采用“盾构+矿山+盾构”的组合工法。线路平纵断面及工法分布如图2和图3所示。

图2 跨海隧道线路平面图Fig.2 Plan of route of the sea-crossing tunnel

图3 跨海隧道线路纵断面及工法分布图Fig.3 Profile showing route and construction methods of the sea-crossing tunnel

3.3 线路及工法选择的主要依据及结论

1)经过大范围地质选线研究，从拟建的第二东通道至翔安隧道，海底地形及基岩面起伏形态基本相似，区域范围内无理想地层条件，线路选择应尽可能顺直。

2)五缘湾站至陆域风井段(第1段)类似于普通的陆域软土区间，参考厦门1，2号线在建类似工程地质条件的区间设计情况，本段推荐盾构法施工，陆域风井兼作区间盾构吊装井。

3)在陆域风井至矿山盾构对接处范围(第2段)，盾构覆土以1.5倍洞径设计，所有线路方案盾构区间均需穿越较大范围的基岩突起段落，同时考虑海底花岗岩基岩面起伏较大，球状风化体难以查明，盾构掘进存在很大的不确定性风险，盾构施工风险极高。综合以上因素，海域基岩面较浅的第2段区间优选矿山法施工。

4)矿山与盾构对接处至会展中心站(第3段)，考虑软土层较厚且穿越较大范围的中粗砂层，参考相邻翔安隧道施工经验，矿山法穿越砂层存在极大风险，为此此段优选盾构法施工。设计中综合工期因素，考虑本段盾构工期较为宽松，且盾构在洞内解体，刀盘将做废弃处理，结合盾构与矿山对接工艺的安全需求，将矿山与盾构的分界点定在倒数第2处基岩凸起内，第1处基岩凸起通过盾构选型及刀盘定制等措施强行掘进通过。第2段矿山区间与本段盾构区间在海域下对接，由于海域范围没有盾构井设置条件，盾构按照海底解体工艺设计。

4 隧道断面设计

4.1 五缘湾站至陆域风井盾构段(第1段)

本段长1.1 km，站端线间距17 m，工程地质条件及建设环境与1，2号线普通地铁区间类似，因此左右线均推荐采用与1，2号线普通盾构区间一致的断面，管片内径5.5 m，管片厚350 mm，拟采用普通的土压平衡盾构。

4.2 盾构对接处至会展中心站盾构段(第3段)

本段长1.5 km，站端线间距15 m，大部分位于海域范围内，考虑隧道防水、耐久性需求，并结合厦门轨道交通2号线跨海隧道的科研成果(其水压及腐蚀性与3号线类似)，本段左右线盾构区间管片内径采用6.0 m(预留250 mm二次衬砌厚度，初期不实施)、厚350 mm、管片外径6.7 m，拟采用2台与2号线跨海隧道一致的泥水平衡盾构(考虑利用2号线盾构的可能性)。

4.3 陆域风井至盾构对接处矿山段(第2段)

4.3.1 超长跨海区间运营通风分析

本段大部分位于海域下，由于海域宽度较大(3.68 km)，且不具有设置出露海面建筑的条件，故区间风井的数量及设置方式直接影响工程方案。为落实区间运营通风排烟需求并保证工程的合理性，设计对陆域风井至会展中心站区间段可能存在的最多列车数量进行了系统计算，以远期高峰小时客流、线路条件和车辆参数等为基础数据，通过行车计算得到陆域风井至会展中心站区段在远期高峰小时时段每侧线路上最多可能出现2趟列车，根据规范要求，该段区间应划分2个防火区段，需在该段海域中间设置通风排烟口，并经过通风排烟道通向陆域地面。

4.3.2 海域区间通风排烟道设置方案

由于环境保护要求，海域范围禁止设置任何出露海面的建筑，因此如何解决海域范围内区间风井的设置成为本区间的难点之一。经过专家组讨论，推荐方案为:在陆域风井与会展中心站中间部位、区间正线上方设置通风排烟口(以下简称海域风口)，在行车设备限界之外设置独立通风排烟道(以下简称海域风道)与海域风口联通，海域风道延伸至海岸上，在岸上设置风井(风井独立设置或与陆域风井合建或与站端风井合并均可，相当于一座风道加长的区间风井)，其作用为区间事故风井(不具有活塞风功能)。烟道内风速取12 m/s，风压不大于2 000 kPa，通过对隧道事故工况通风排烟的模拟计算，得独立烟道断面净面积应不小于10 m2。

4.3.3 海域风道在陆域的风井位置选择

方案1:海域风道自海域风口向小里程引至岸边，风井与陆域风井合建;方案2:海域风道自海域风口向小里程延伸，以斜井方式将风井引至路侧绿化带内;方案3:海域风道自海域风口向大里程延伸，风井设于翔安侧。

方案3的海域风道结构穿越翔安侧软弱地层，在海底中粗砂地层中矿山法施工风险极高，若采用盾构施工海域风道，则又需调整线间距，会对会展中心站建筑布局造成很大的影响。综合以上因素，方案3被排除。方案1是可行的，但由于跨海隧道施工工期较为紧张，施工阶段必须设置辅助施工斜井。为充分利用斜井，减少海域风道工程量，同时避免废弃工程，本工程推荐利用施工斜井作为通风排烟风井的方案2。

4.3.4 隧道结构断面形式选择

1)海域风口至矿山与盾构对接处。本段区间地层以硬岩为主，采用矿山法施工，考虑接收盾构的需要，采用2个标准矿山法区间断面，在盾构解体处，结构做局部特殊处理，受篇幅限制此处不做介绍。

2)陆域风井至海域风口。根据海域风道与区间主体洞身是否结合的关系，拟定区间结构断面，结合功能需求、施工可实施性、经济性和工期等多种因素，经过认真筛选，遴选出以下3种方案:①大小洞组合断面。主体断面由2个隧道组成，线间距约20 m，大断面(主洞与海域风道结合设计)开挖宽度约8.5 m，开挖高度约8.2 m，断面开挖面积约60 m2，小断面为标准矿山区间，断面宽度约6.0 m，开挖面积约35 m2;②三洞组合断面。海域风道独立设置，主体由3个隧道组成，线间距约30 m，三洞合计开挖面积约105 m2;③单大洞断面。主体采用1个双线单洞断面，线间距5 m，海域风道设于结构拱部，断面开挖宽度12 m，高度11 m，断面开挖面积103 m2。各土建方案断面型式见图4—6。

5 土建方案设计及比选

5.1 土建方案设计

根据陆域风井至海域风口段主体洞身断面的类型，跨海隧道形成3个综合土建方案。

1)大小洞组合方案。区间正线为单线双洞断面，左线隧道与海域风道合并，形成一大一小的断面组合型式，受地面环境条件限制，风井设于正线左侧，海域风井及烟道设置方式见图4。

图4 大小洞组合方案示意图Fig.4 Scheme of“large cross-section tube+small cross-section tube”

2)三洞组合方案。海域风道位于区间左右线隧道之间，断面由3个标准的矿山法断面组成，中间的隧道上部为海域风道，下部为疏散通道。海域风井及海域风道设置方式见图5。

3)单大洞方案。区间结构采用双线单洞断面，海域风道设于隧道拱部，左右线之间采用防火墙分割。海域风井及海域风道设置方式见图6。

图5 三洞组合方案示意图Fig.5 Scheme of“three parallel tubes”

图6 单大洞方案示意图Fig.6 Scheme of“single large cross-section tube”

5.2 土建方案比选

土建方案比选情况见表2。

从表2可以看出，3个方案在两端——五缘湾至陆域风井、海域风口至会展中心站范围，设计思路相同，结构方案基本一致，仅在陆域风井至海域风口段由于受独立排烟道的影响，结构方案区别较大。为简化方案比选内容，仅对中间区别较大段进行比较，断面比较情况见表3。

结合陆域风井至海域风口段的工程地质特点，地层虽以硬岩为主，但节理、风化槽发育，且地下水与海水联通。为控制矿山法穿越节理、风化槽部位的施工风险，减少联络通道数量，控制工程造价，对运营、施工风险、施工可实施性、造价和工期等进行加权综合比选，见表4。

通过综合比选，拟推荐大小洞方案。

6 下阶段需重点解决的问题

6.1 海底盾构与矿山对接关键技术研究

在海域下矿山法与盾构法对接为国内首例，盾构在海域下接收，无地面加固条件，无盾构吊装井，且地下水位较高(约40 m)，具有较一般地铁盾构接收更为复杂的工艺要求，未知因素多，且2种工法的工期存在不确定性，盾构接收处防水难度和风险很大，对盾构接收提出了更高的要求，需要为各种可能性做好接收预案。

6.2 海底超长地铁隧道防灾救援关键技术研究

国内长大跨海地铁隧道消防疏散运营模式的系统理论尚不完善，长大跨海地铁隧道紧急工况运营模式的安全性有待进一步研究。

6.3 高水压跨海隧道结构防排水措施研究

首先，高水压是本工程防水的难点，如何有效控制仰拱下水头压力，防止仰拱病害发生，对本工程至关重要。其次，隧道渗漏水量计算尚无可靠依据，本工程需研究解决隧道渗漏水量计算原则和具体方法，为隧道排水系统设计提供基础数据。再者，为防止渗漏水影响运营，排水系统设计应针对跨海工程特点(高腐蚀、高扬程和维修难)及各种运营工况研究安全、可靠和方便维护的设计方案。

7 结论与建议

1)超长跨海隧道的线位及工法选择与工程环境(规划、环保、地质、地貌)、工程特点(长度、功能、工期、造价)密切相关，本工程通过大面积地质选线、多次专家咨询和多单位方案征集，最终选择了平面比较顺直的深埋线路方案，拟推荐“盾构+矿山+盾构”的组合施工工法。

2)超长跨海地铁隧道工程与普通地铁区间有所不同，区间防火分区及运营疏散对结构的影响较大。本工程采用“陆域风井+海域纵向风道+海域中间风口”的方式解决了超长跨海区间海域段的通风排烟分区问题，该思路可为类似工程提供借鉴，具有较好的可实施性。

3)超长跨海隧道海域段结构断面型式灵活多样(单洞、双洞、三洞)，断面设计应结合环保及功能需求、工程地质及水文地质特点、施工风险、工期、施工可实施性和造价等因素综合比选。本工程经过多轮方案咨询和评审，推荐采用大小洞组合断面。

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表3 断面方案比较表Table 3 Comparison and contrast among three different cross-section types

表4 土建方案加权综合比较表Table 4 Weighing of three different schemes

4)超长跨海地铁隧道工程与普通地铁区间有所不同，其地下水与海水联通，结构所处环境较为特殊，除工程施工风险控制外，工程对结构耐久性、防排水及运营的安全性保证要求更高，建议下一阶段开展相关专题研究。

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