王林辉

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

近年来，随着轨道交通工程高速发展，跨江、跨海地铁隧道工程越来越多。由于建设环境的特殊性，其工程风险往往较大，需要在项目前期对方案的可行性进行系统的研究。工程方案的选择受多种因素影响，如工程地质、海域环境、陆域段条件等，选择一种可靠、安全、经济的施工方法至关重要。结合国内已经建成的跨海地铁工程，如大连5号线火—梭跨海区间(海域段2.3 km)、武汉8号线黄浦路站—徐家棚站越江隧道(越江段3.2 km)、青岛8号线大洋站—青岛北站过海段(海域段5.4 km)、厦门2号线海—东区间(海域段2.2 km)等设计、施工经验，对跨海地铁隧道的选线[1-3]、跨海盾构隧道大断面穿越[4-7]等进行相关研究，主要包括针对跨海段特殊地质的选线研究；针对特殊地层(如岩溶)盾构选型和衬砌形式研究；从耐久性、渗流场、应力场、围岩稳定性评价等对盾构断面的分析研究；管片受力及计算模型分析等。另外，在跨海隧道施工技术上也积累了一定的成果经验[8-11]，主要包括海底隧道高水压条件下防水及施工治水技术、高压涌/突水情况工程处置技术、海域隧道衬砌参数的调整与修正分析等。然而，在项目前期，针对长距离跨海地铁隧道工法、疏散救援、施工组织的系统研究较少，以厦门地铁3号线五缘湾站—会展中心站跨海区间(海域段3.7 km)为例，从工法适应性、工期、造价、断面选型等对工程方案可行性进行系统分析，以期为类似工程提供参考。

2 工程概况

2.1 工程概况

厦门地铁3号线五缘湾站—会展中心站区间出五缘湾站后，沿枋湖湖北二路敷设，下穿枋钟路进入北侧海域，出海域后，进入会展中心站。设计最高速度80 km/h。区间位于翔安隧道西侧，总长约5.1 km，跨海段长约3.7 km[12]。区间平面见图1。

图1 厦门地铁3号线五缘湾站—会展中心站区间平面

2.2 工程地质及水文地质

(1)工程地质

根据地质物探和钻探资料，本工程岛内陆域段地表人工填土主要为素填土，厚2～4.6 m，靠近海边分布有抛石，厚度大于6 m；翔安段陆域地表人工填土主要为填砂，厚6～13 m。

海域段属滨海堆积区，海底地形总体上较为平缓，呈宽“U”形，上部主要为淤泥残积土。

海域段下部主要为花岗岩，基岩风化界面不均，本区间整体岩面由岛内向岛外倾斜，局部基岩凸起，岩面较浅[13-14]。

(2)水文地质

本工程陆域、海域地下水据其赋存形式分为：松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水。

陆域地下水主要受大气降水的补给，就近向低洼地段排泄。海域地下水主要受海水的垂直入渗补给。

3 工程重难点及总体方案确定

3.1 工程重难点

本工程范围海域段地层条件复杂、地下水丰富，需选择安全、经济的工程总体方案；海域段长3.7 km，相较于正常地铁区间，难以设置区间风井，还需解决超长区间通风救援等问题；在工程总体可行方案基础上，综合施工风险、工期、造价、通风、排水等因素，确定合理的结构断面形式。

3.2 工程总体方案

根据国内外水下隧道修建经验[15]，常用工法主要有矿山法、盾构法、沉管法和TBM法等，由于隧址范围西港海域为中华白海豚保护区，沉管法需在海域内作业，对生态影响较大，故沉管法不适用。其他工法适应性分析见表1。

表1 工程总体方案适应性分析

综上可知， TBM法受地层复杂多变影响，难以控制工期及造价，不推荐采用；岛内陆域段及翔安侧海域段岩面埋深较深，推荐采用盾构法施工，剩余海域段根据线路敷设深度采用矿山或盾构法施工。因此，海域段工法可分为组合工法方案(矿山+盾构)和全盾构方案。

4 组合工法方案

海域段采用组合工法方案，综合造价、工期、工程安全风险、服务功能等因素，矿山法段考虑大洞、中洞、小洞3种方案，盾构段均采用内径6 m泥水盾构。盾构法与矿山法在海域段对接，先施工矿山法区间，端头设置玻璃纤维筋堵头格栅，采用袖阀管注浆加固；再施作堵头墙，安装水密门，墙内采用M10砂浆回填，在隧道周边预留观察孔和注浆孔；待盾构进入密封舱，打开观察孔并观察地下水情况，如发现渗漏，可通过堵头墙预留注浆孔，盾尾、管片注浆孔注浆；再打开水密门，拆卸盾构机；最后凿除堵头墙，在盾构机钢壳内施作混凝土二衬，两端设置环梁连接，完成隧道衬砌。

4.1 小洞方案(三洞方案)

(1)结构断面形式

三洞单线方案矿山法采用3个标准的马蹄形断面结构，单洞面积为34.9 m2，净跨5.1 m，净高5.45 m。初支厚度拟采用250 mm，二衬厚度拟采用300 mm，三洞单线断面的最大宽度为6.2 m，考虑底部仰拱加厚，断面最大高度为6.67 m。中间服务隧道(1900 m)顶部空间设置排烟道，下部为火灾时人员疏散通道，在行车左侧设置纵向疏散平台，满足维修和防灾疏散功能。小洞方案见图2。

图2 小洞设计方案

(2)排烟

在跨海区段，根据行车运行时分计算，需划分为2个防火分区；由风速、风压参数模拟计算得到风道最小面积为10 m2(本方案取12 m2)。利用服务通道与联络通道，形成左右线连通的纵向通长风道，将海域段平均分成2个通风区段。事故工况下，正线内由两端车站、中间风井及斜井风机共同组织跨海段纵向分段通风模式。

(3)疏散

旅客疏散时，通过左右线隧道间的横向联络通道疏散到中间服务隧道区域中。间隔600 m设置疏散横通道，发生火灾时，乘客通过车辆侧门或端头门下车，沿疏散平台或道床进行疏散。乘客可通过横通道到达非火灾隧道，然后走行至五缘湾站、区间风井、斜井或会展中心站。

(4)排水

在区间风井处设陆域泵站1座，在线路坡度最低点处设海底泵站1座，在距海底泵站600 m的两侧分别设岛内侧废水泵站和翔安侧废水泵站。

4.2 大洞方案(单洞双线)

(1)结构断面形式

单洞双线断面方案线间距为5.0 m，根据通风和防灾要求，单洞双线断面将隧道分为上部纵向排烟风道，下部地铁车行道。下部左右线行车道设置中隔墙，两侧设置纵向疏散平台，满足维修和防灾疏散功能。上部风道的面积约15 m2，中隔墙上每隔300 m设置1个疏散口并设置防火门。

矿山法单洞双线断面面积为72.52 m2，净跨10.5 m，净高9 m。拟采用350 mm厚初支、500 mm厚二衬，大洞方案见图3。

图3 大洞设计方案

(2)排烟

排烟：单洞双线结构顶部设置纵向排烟道，在区间隧道1/3处顶部设置排烟口，将隧道的通风分成3个区段。

(3)疏散

旅客疏散时，可通过最近中隔墙上的防火门到另一侧防火区域。

4.3 中洞方案(双洞单线)

矿山法双洞单线方案采用2个马蹄形结构，单洞净空面积为44.92 m2，净跨6.7 m，净高8.15 m。上部排烟风道的面积为12.3 m2，通风、防灾疏散与小洞、大洞方案类似，其中洞方案见图4。

图4 中洞设计方案

4.4 断面比选

从开挖断面面积、通风救援及排水功能、施工风险、工期等方面进行对比分析，结果见表2。单洞双线大断面方案工程风险高，工期、造价上也不占优势；三洞单线方案从工期与施工风险方面较其他方案有优势。因此，“矿山+盾构”方案矿山段建议采用三洞单线小洞建设方案。

5 全盾构方案断面分析

综合考虑通风、疏散、工期、造价等因素，研究了盾构管片外径8.5，6.7，7.8 m三种方案。

5.1 φ8.5 m盾构双洞方案

该方案在陆域段设置区间风井兼盾构井，区间采用两台盾构从会展中心站始发，在区间风井处吊出，管片外径8.5 m。利用顶部和侧面空间进行通风排烟，每条隧道单独设置疏散通道，与车站及区间风井连通，区间海域段不设置联络通道。φ8.5 m盾构双洞设计方案见图5。

表2 “矿山+盾构”方案矿山段方案对比分析

图5 φ8.5 m盾构双洞设计方案

陆域段长1 020 m，采用盾构法，管片内径5.5 m，从区间风井始发，五缘湾站掉头，最后在区间风井处接收吊出；海域及翔安侧陆域段长4 023 m，采用2台泥水盾构从会展中心站始发，在区间风井处接收。

该方案盾构穿越硬岩地层长969 m，事故工况下，利用两侧车站及中间风井，共同组织跨海段纵向分段通风模式。贯通方案总工期为47个月，如采用该方案，建议会展中心站提前开工，以确保总工期，造价约14.89亿元。

5.2 φ6.7 m三洞方案

该方案在本岛岸边设置区间风井兼盾构始发接收井，会展中心—区间风井段区间采用3台盾构从会展中心站始发，管片外径6.7 m，方案见图6。

图6 φ6.7 m盾构三洞设计方案

海域及翔安侧陆域段总长4 035 m，采用3台φ6.7 m泥水盾构从会展中心站始发，其中2台在区间风井处接收，1台掘进1.7 km，洞内解体并施作封堵墙，该方案海域及翔安侧陆域段需施作联络横通道及风道11处，施工风险极高。

该方案盾构穿越硬岩地层长770.22 m，利用服务通道与联络通道，形成左右线连通的纵向通长风道，事故工况下，正线内由两端车站、区间风井风机共同组织跨海段纵向分段通风模式。

贯通方案总工期为43个月，造价13.6亿，需控制会展中心站工期，确保总工期达标。

5.3 φ7.8 m双洞方案

采用2台φ7.8 m盾构从会展中心站始发，在区间风井处吊出。其施工组织与通风模式与φ8.5 m盾构相同，不同之处在于需设置横向联络通道6处满足人员疏散要求，施工风险较高。φ7.8 m盾构双洞设计方案见图7。该方案盾构穿越硬岩地层长888.94 m。贯通方案总工期46个月，造价13.18亿元。

图7 φ7.8 m盾构双洞设计方案

5.4 断面比选

(1)通风、救援等问题

3种断面均能满足通风、救援和排水等方面要求。

(2)隧道施工难度和风险

3种盾构断面实施风险均可控，区别在于附属设施的数量，8.5 m盾构方案无需设置联络通道，风险最小；6.7 m盾构方案需设置11个联络通道及风道，7.8 m盾构方案需设6个联络通道，联络通道需采用暗挖法施工，所处地层为全、强风化岩，风险较高。

(3)工程工期

3个方案施工工期均在4年左右，可满足全线总体工期要求。

(4)综合比选结论

通过上述各方面综合分析，尽管8.5 m盾构方案在穿硬岩长度、工期、造价上稍差，但无需设置联络通道，可极大减小施工风险，故推荐该方案。方案比较见表3。

表3 全盾构方案对比

5.5 小结

综合对比组合方案(矿山+盾构)和全盾构方案，组合方案矿山法过风化槽及断裂带是工程的关键重难点，海域矿山段推荐采用三洞方案；受海域段基岩凸起影响，全盾构方案穿越硬岩段最短(长770 m)、施工难度较大、风险较高，推荐采用φ8.5 m双洞盾构方案。进一步结合平面线位因素，组合工法线位较顺直，宜作为本工程推荐采用首选工法。

6 结论

以厦门地铁3号线超长跨海区间为例，从地质、工期、造价等方面研究工法的适应性，并结合施工组织、疏散、排烟等，对不同工法结构断面进行深入对比，得出以下结论。

(1)根据本工程隧址施工环境、地层条件以及邻近工程经验，本工程总体施工方案推荐“矿山+盾构”组合工法和全盾构法。

(2)综合考虑施工风险、通风救援、工期、造价等因素，“矿山+盾构”组合工法中，推荐施工风险较低的小洞方案。

(3)综合考虑工期、造价、硬岩掘进长度、施工风险等因素，全盾构法中，推荐无需设置区间附属、施工风险小的φ8.5 m盾构方案。