穿越海底的地铁隧道怎么修?厦门地铁二号线这么干

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出品 | 网易新闻

作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

在中国发展最迅速的城市名单中,厦门名列前茅,最初的厦门只是福建沿海一座不起眼的小岛,但随着经济的发展和人口的聚集,狭窄的海岛已经远远满足不了厦门城市扩张的需要。陆地上的城区面积越来越大,厦门岛与陆上的海沧、集美等区之间隔着一条数公里宽的海峡,为厦门的交通带来了许多不便。

作为连接厦门岛西侧陆地上的海沧区与厦门岛的交通干线,厦门地铁二号线是厦门地铁交通线网中的中心放射骨干线,全长41.5公里,共设32个车站,中间需自西向东穿过2760米的海峡。

这条两千多米长的海底隧道是整条地铁线路中最大的难点,是全国首条采用盾构法施工的海底隧道。

穿越海底的地铁隧道怎么修?厦门地铁二号线这么干

(一)用盾构法修海底地铁隧道,这还是第一次

跨海隧道并不是什么新鲜科技。

21世纪以来,中国人已经修建了多条世界级海底隧道,比如最富盛名的港珠澳大桥的隧道,就是一条典型的海底沉管隧道。6.75公里长的隧道由33节沉管连接而成,每节标准沉管段长180米,宽38米,高11.4米,预先在加工基地进行制造,随后用拖船运输到安装现场逐节进行安装。这样的沉管隧道实际上是被放置在海底地基上的,其稳定所依靠的是沉管本身的强度。

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(海底隧道的沉管)

而厦门地铁二号线跨海隧道的修建模式则是盾构,使用一台盾构机,在地下岩体内如同老鼠打洞一般向前掘进,在盾构机后面将渣土运出,同时用混凝土盾片支护新鲜开挖出的隧道壁。


这种模式通常适用于穿山隧道,或城区内地铁的修建,很少用于修建海底隧道。

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(厦门地铁海底隧道施工所采用的盾构设备——成功号)

(二)厦门地铁二号线隧道为何要用盾构法来修?

厦门岛附近水域的地质环境非常复杂,与珠江入海口较为平整的海底淤泥不同,厦门岛海峡处岩层硬度变化大,海底崎岖,地质断层多,因此不适用于港珠澳大桥那样的沉管隧道模式,而适宜采用泥水平衡的盾构施工法在地下贯穿。

具体地,在盾构开挖面的密封隔仓内注入泥水,通过泥水加压和外部压力平衡,以保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土进入盾构前部的泥水室,经搅拌装置进行搅拌,搅拌后的高浓度泥水用泥水泵送到地面,泥水在地面经过分离,然后进入地下盾构的泥水室,不断地排渣净化使用。

采用这种施工方法,既可以减轻对周边环境的影响,又可以控制地层沉降变形。

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(厦门地铁隧道地质剖面图)

作为穿越海底的地铁隧道,采用盾构法尚属首次,没有成熟的规范和类似经验可供工程师们参考,因此对于工程的每一项要点,项目部都积极组织开展了专题研究和风险调查梳理工作,进行科研攻关和专家咨询。

除攻克技术难题外,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。

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,而且提高了工程的科技含量,为后续类似工程提供了宝贵的经验。

海峡内的岩层中淤泥、细岩颗粒较多,挖掘过程中如若难以分离会造成废气浆液,污染环境,因此采用分级压滤技术来处理排放的淤泥。


工程总共采用了2台海瑞克复合式泥水平衡盾构机,同时配备2套600平米压滤机,以实现泥浆零排放。整套设备全长104米,最快向前掘进速度可达每小时3米。

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(三)盾构海底地铁隧道,究竟难在哪?

为什么许多年来,工程师们极少修建盾构海底隧道?原因就在于其施工难点。

以厦门海峡为例,其海底的工程地质和水文条件复杂,盾构机需要穿越花岗岩、泥质砂岩、凝灰砂岩、石英砂岩等多种岩层,其中强度最高的石英砂岩高达192兆帕,相当于普通混凝土的六倍;同时,盾构机还要穿越强度极低的6条风化槽、软岩、软弱破碎带、挤压带、富水带等特殊地层,地质软硬严重不均。

在这种地质环境中施工,很容易造成盾构刀具的磨损。

海水中的最大水压高达5.5个大气压,在这样的环境下进行换刀作业的技术要求很高。

由于盾构隧道直接依托于海底本身的结构,其抗侵蚀能力不如沉管隧道,要达到100年的耐久性设计标准难度更高。

为了对抗海洋环境对混凝土结构的侵蚀,隧道结构主体采用C50,抗渗等级P12的混凝土材料,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优质粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等矿物掺合料以提高混凝土的密实度。此外,还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,以阻绝外界水分和氯离子的渗入。

此外,在高岩体强度的施工位置,配合盾构法施工还采用了矿山法,利用爆破造成岩石破裂松弛,进而增加施工效率。

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与地上结构不同,海底结构不具备结构维修的条件,需要预留二衬空间为后期处理提供可能,隧道所穿过的软硬不均区段更容易出现管片错台的可能,故而也需要二次衬砌。


结合国内外长大隧道(编者注:一般规定单洞长度10千米以上即为长大隧道)的建设经验与教训,工程预留出了施作二衬的空间,作为预留的变形量和后期的补强加固。最终确定,在盾构隧道内部预留250毫米的二次衬砌空间。

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(二次衬砌示意图)

除了海底隧道的施工建设外,其使用期间的防灾通风、人员疏散以及防排水工作也是重点。

地铁的交通运量大,发车间隔短,保障运营和乘客安全是头等大事。

过海区间隧道的消防安全目标是保证在发生火灾时,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。

在隧道中设置防灾通风区段,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,风道内设置直通地面的疏散楼梯,采用分段纵向通风排烟模式。

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烟气。当火灾发生时,若列车失去动力无法行驶至车站,可以就地停车,乘客通过列车侧门或端头门到达疏散平台或道床,通过联络横通道疏散至非火灾隧道中。

穿越海底的地铁隧道怎么修?厦门地铁二号线这么干

结语

2019年底,厦门地铁2号线计划开通试运营,总工期60个月,其构建了本岛与海沧区的快速过海连接通道,是促进岛内外城市新功能区的开发建设、增加地铁沿线土地利用价值、改善投资环境、生态环境、城市环境的一条重要地铁交通线路。

工程共采用了新技术、新工艺20多项,为中国建设海底盾构隧道、攻克复杂地质难题积累了宝贵经验。孤石与基岩突起海上爆破处理技术、海底盾构接收技术等9项技术成果已申报国家技术专利。

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编辑| 史文慧

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