近年来轨道交通在我国得到大力发展, 很多沿海港湾型城市开始着手发展过海轨道交通, 连接海域隔开的各城市区域, 实现融合发展。厦门轨道交通2号线、青岛地铁1号线跨海隧道均已于2015年开工建设, 但目前国内尚无建成的过海地铁区间隧道。跨海地铁区间一般线路长、埋深大, 一般都是全线的控制性节点, 作为投资巨大、风险高的大型工程, 其工法的选择和论证关系到工程的成败^[1,2]。在软弱地层中, 一般采用沉管法和盾构法施工, 如香港建成的5条过海隧道均采用沉管法施工, 港珠澳桥隧工程的隧道也采用了沉管法;英法海底隧道、丹麦大海峡工程、广深港客运专线狮子洋隧道都选择了盾构法施工^[3,4,5,6,7]。而在硬岩地层中, 目前我国公路厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾隧道均按钻爆法建成^[8,9]。本文结合青岛地铁1号线过海区间具体工程, 详细介绍硬岩地层长距离过海地铁区间的施工工法选择和关键技术。

青岛地铁1号线连接青岛主城区和西海岸黄岛区, 其中的过海隧道是1号线的重要咽喉、关键节点, 从黄岛区薛家岛胶州湾隧道收费站东南侧的瓦屋庄站出发, 沿既有胶州湾海底公路隧道东侧下穿胶州湾, 在主城区团岛登岸设站。区间隧道长约7.6km, 其中海底隧道长约3.5km。隧道纵断面设计采用V形坡, 海底最低点位于海平面下64.1 m, 最大坡度为28‰ (见图1) 。区间正线数目为双线, 最高设计允许速度80km/h, 采用B型车6辆编组。

青岛的团岛与薛家岛两岸陆域地层以花岗岩为主, 岩石完整性较好, 围岩级别II~III级为主。海域段岩性以火山爆发及喷溢相岩 (如含火山角砾凝灰岩、流纹岩、安山岩、粗安岩等) 为主, 次火山岩类 (如流纹斑岩、粗安斑岩、英安玢岩等) 、中深成相侵入岩 (如花岗岩) 、脉岩 (如正长斑岩、花岗斑岩、石英正长岩、辉绿岩等) 多为侵入接触, 断层处主要分布有动力变质岩 (如构造角砾岩、碎裂岩等) , 岩性复杂且变化频繁 (见表1) 。

对隧道所处岩层类型进行了统计, 结果显示微风化花岗岩占25%;微风化火山角砾凝灰岩占14%、英安玢岩占13%;火山角砾岩占11%、流纹斑岩占8%, 破碎岩体占12.5%。从强度分布上看, 80MPa以上强度的岩层将近4km。隧道洞身主要位于微风化火山岩及变质岩中, 岩层都比较完整, 强度为40~145MPa。

隧址区地质构造以中、新生代脆性断裂构造为主, 海域有2条北东向断裂 (辛岛断裂、李沧区政府———汇泉角断裂) 及2条北西向断裂 (团岛南断裂、薛家岛北断裂) 与隧道相交, 前2条断裂可视为劈石口断裂带的组成部分, 而后2条北西向断裂可能为朝连岛南断裂带的组成部分, 断层多为压扭性、张扭性断层。

胶州湾隧道海域段施工中揭露主要出水段落主要集中在2组断层f_2-1~f_2-3, f_4-1~f_4-4及其影响带范围内, 涉及范围约2km。对胶州湾隧道施工超前探孔探水的出水情况进行统计, 胶州湾湾口断层出水情况大概呈现以下特征:在f_2-1断层带范围内的单探孔出水量最大75L/min, 掌子面5探孔总涌水量115L/min;在f_2-3断层范围内单孔出水量也出现了单孔>30L/min的出水, 水量虽然不大, 但在整个掌子面施作的5个探孔出水较平均, 掌子面探孔的总涌水量也在100~150L/min;在f_4-2断层范围内单探孔出水量在10~20L/min, 出水量相对较小;在f_4-3~f_4-4断层范围, 出现了较大涌水, 其中最大出水点探孔单孔出水量达496L/min。其他地段探孔出水量均较小, <10L/min, 但开挖后局部地段洞壁出现了线状流水。一般水压力为0.4~0.6倍的静水压力, 最大水压力为静水压力的0.8倍。探孔最大出水量为570m³/ (h·孔) 。

国内外对于水下隧道修建技术主要有盾构法 (TBM) 、钻爆法、沉管法以及悬浮法。施工方法的选择最关键因素在于地质和水文条件以及周边环境, 同时要求所选择的施工方法应体现出技术先进、经济合理及安全适用。由于工程所在地青岛胶州湾湾底地层主要是基岩, 第四系覆盖很薄或缺失, 基岩以坚硬的火成岩为主, 因此适合本工程隧道修建的工法主要是钻爆法及TBM工法。

目前, 地铁隧道区间断面形式主要有分离式隧道 (双洞单线) 和单洞双线2种形式。本工程过海区间隧道段长约3.5km, 对于长距离地铁区间隧道, 通常需设置区间风井将区间分为几个通风区间, 以确保每个通风区间内只有1辆列车, 火灾工况下采用纵向通风方案。而海底隧道由于无法在海上设置通风竖井, 因此需采用半横向通风方案:两岸通风竖井间约4.0km, 区间隧道顶部设置排烟风道。按此要求单线方案隧道结构采用马蹄形断面, 隧道净空宽5.25m, 高7.5m;单洞双线无单独检修通道断面采用四心圆结构, 内轮廓宽10.2m, 高9m。

对于地铁区间可供选择的有单洞双线+中隔墙断面形式和双洞单线+联络横通道方案。考虑设置排烟风道后, 双洞方案盾构内径6.7m;单洞双线线间距5m, 隧道内径10.7m。隧道衬砌可以采用拼装管片结构和模筑二次衬砌结构2种方案。

在岩层内采用钻爆法修建隧道, 工法成熟、灵活多变、适应地层广泛、在国内外隧道长期修建史上积累了丰富的应对不良地质的经验, 而且相对于掘进机修建隧道更为经济。通过胶州湾隧道成功修建, 对隧道附近胶州湾的地质构造、地层岩性、不良地质等都有了非常清楚的认识, 在建设中研发了先进有效的施工技术及配套工艺。采用钻爆法修建地铁过海隧道技术成熟、可靠, 安全可控。

铁路部门通过实际施工经验, 总结了钻爆法隧道的进度指标 (见表2) 。

在钻爆法作业中, 通过对开挖、装运、锚喷支护、衬砌作业线进行机械配套, 可以使钻爆法适应性更强, 进度更快。胶州湾隧道施工中, II~III级围岩平均月掘进140~150m, Ⅳ级围岩为80~90m/月, 平均120m。

1) 超前地质预报探水

全程实施水平超前探孔探水、地质素描为主、物探为辅的综合超前地质预报技术, 以凿岩台车超前钻孔, 准确探明前方不良地质和富水情况。

2) 帷幕注浆

针对海底断层或其他裂隙带可能出现的塌方或突 (涌) 水情况, 采取开挖面外5~7m的全断面或帷幕超前注浆 (见图4) , 进行止水和预加固地层。在胶州湾隧道施工中, 采用该预报及处理技术, 共探明出水点28处, 最大单孔出水量496L/min, 有效降低了突 (涌) 水风险, 施工中未出现塌方、涌水。

钻爆法工艺灵活, 可以同其他辅助工法一起组合应对各种不良地质。目前, 在应对构造带突水、断层破碎带、软弱围岩、岩溶、高地应力软岩变形、硬岩岩爆以及软弱不均匀地层等方面都积累了成功经验。

全断面隧道掘进机具有高效、高速、安全、环保、优质等诸多优点, 本工程隧道穿越岩层总体来说岩质坚硬, 完整性好, 节理裂隙不甚发育, 且隧道长度>6km, 使得掘进机综合经济成本得以体现, 因此本隧道采用TBM工法基本可行。

隧道主要位于微风化花岗岩、微风化安玢岩、微风化火山角砾岩及角砾凝灰岩、流纹岩中, 强度在40~145MPa, >80MPa以上的岩层近4km。掘进效率降低, 刀具消耗量大。

瑞士弗莱纳隧道采用德国维尔特公司制造的直径7.64m开敞式TBM, 穿越围岩有86%是非常坚硬的火成岩, 平均抗压强度>100MPa, 根据统计, 该隧道平均掘进550m³岩石就需要换刀。

我国秦岭I线铁路隧道采用德国维特尔TB880掘进机。南口在混合花岗岩、混合片麻岩掘进5 621m, 掘进100~550m³岩石需要换刀;北口同样在混合花岗岩、混合片麻岩掘进5 244m, 共计换中心刀98把, 正滚刀1 852把, 边刀214把, 延米换刀消耗折合人民币1.16万元 (1999年价) 。

调研后对过海隧道TBM关键参数配置如表3所示。

1) TBM施工的主要地质问题 (见图5)

对国内外98例TBM施工工程实例分析后发现:在TBM施工中, 约有72%的重大工程事故由围岩大变形、突 (涌) 水涌泥引起, 其所占比例分别为37%和35%。

隧道海域段穿越4组14条断裂带, 在胶州湾隧道施工中共探明出水段落28处, 最大单孔出水量496L/min。结合胶州湾湾口海域地质情况, 及胶州湾隧道实际开挖揭露地层情况, 对影响TBM施工主要因素归纳总结如下:断层及影响带发育块状~碎块状镶嵌结构, 多数错动面之间夹有原岩碎屑和易软化的蚀变矿物, 软弱结构面发育, 岩体松散, 自稳能力差, 加之地下水的作用, 容易引起塌方事故, 造成TBM卡机;风化裂隙发育由于断层泥、遇水易软化的绿泥石化物的存在, 使掌子面岩层呈现软硬不均, 影响TBM的正常推进;断层带内有辉绿岩侵入, 地层风化深度加大, 辉绿岩两侧岩体破碎, 并且有张性裂隙发育, 自稳能力较差, 易发生坍塌及突 (涌) 水事故;断层破碎带及其影响带大且大量出水时, 掘进机无法通过, 需要停止掘进进行注浆堵水。但根据调研, 国内外TBM为防止拱部坍塌, 加装了超前探测钻机可用于超前探测和拱部范围的注浆, 不能进行全断面超前注浆。TBM对于出水段落帷幕注浆堵水困难。

针对TBM在施工中可能因断层破碎带、突 (涌) 水等地质引发的问题, 专门对国内外TBM类似事故进行了调研, 初步统计如表4所示。

2) TBM应对措施

为使TBM能够安全、顺利地通过断层破碎带, 一定要进行深入的地面地质调查和高密度电法等地球物理探测或超前钻探等对断层破碎带的位置、规模做出合理预测, 并及早采取对策。

如果断层破碎带规模较小, 采用低转速、大扭矩、小推力、快速掘进的方法直接掘进通过;如果断层破碎带规模较大, 则可对刀盘前方破碎带进行预处理 (如注浆预加固等) , 然后再缓慢掘进通过。

对于规模很大的断层破碎带, 采用以上方法均无法通过时, 则可以从旁边开挖绕洞, 对破碎带地段采用钻爆法进行开挖, 施工完毕后, TBM在空载状态下直接步进通过。

钻爆法断面形状灵活多变、对岩石强度适应性, 对海底断层、施工场地及工程造价等方面都具有明显优势, 而且有利于在水域下防治突 (涌) 水, 但在青岛市区下穿 (侧穿) 建筑物带来的爆破振动问题比TBM突出。TBM在处理海底断层破碎带突 (涌) 水段落施工困难, 需要停机进行注浆堵水, 掌子面作业条件困难。从断面形式、地层适应性、人员安全、不良地质应对、施工场地、工期和投资等方面进行加权综合比选, 如表5所示, 推荐采用钻爆法单洞双线方案。

1) 硬岩地层过海地铁区间隧道适合采用的施工方法包括钻爆法和TBM工法, 通过加权综合比选, 青岛地铁1号线过海区间适合采用钻爆法单洞双线方案。

2) 钻爆法机动灵活, 造价低, 在硬岩地层中适应性较强;TBM法机械化施工, 具有高效、高速、安全、环保、优质等诸多优点, 应是今后施工的发展趋势。2种方法相互配合则能应对不良地质难题。

3) 过海地铁区间较长, 考虑通风排烟要求需设置排烟隔板, 横断面可采取单线双洞分离式和双线单洞形式, 具体选择应结合施工方法和通风、防灾疏散等进一步比选。