【聚看点】穿海地铁，隧道是怎样建成的
2023-04-13 08:50:55来源：科技日报
近年来，我国已经有多条跨海地铁投入运营。地铁跨越大海的方式有两种，一种是在海面架设桥梁，另一种是借助隧道从海底穿行，后者是目前地铁跨海的主要方式，这样的地铁线路也被形象地称为穿海地铁。它们便利公众出行、推动城市发展，同时展现了我国交通工程建设领域的非凡成就。
春季的大连梭鱼湾，海风吹拂，碧波涌动。平静的海面之下，伴随鱼群游弋，一列列地铁列车从数十米深的海底疾驰而过。
今年3月中旬，大连地铁5号线正式开通运营，这是我国东北地区第一条跨海地铁线路。该地铁海底隧道段全长2.882公里，其中海域段全长2.31公里，列车从海底通过仅需3分钟。
(相关资料图)
除了大连地铁5号线，近年来我国已经有多条跨海地铁投入运营。它们便利公众出行、推动城市发展，同时展现了我国交通工程建设领域的非凡成就。
地铁穿海不再新鲜
地铁跨越大海的方式有两种，一种是在海面架设桥梁，另一种是借助隧道从海底穿行，后者是目前地铁跨海的主要方式，这样的地铁线路也被形象地称为穿海地铁。
我国目前已经有多条穿海地铁开通运行，其中最早投入运营的是于2019年底开通的厦门地铁2号线。该线路连接了厦门本岛与岛外的海沧区，其中穿海隧道全长2.784公里，从海沧湾公园站始发，沿海沧大道向北敷设，以0.5公里曲线半径下穿入海，经大兔屿、厦门西港，于国际邮轮码头上岸，再以0.35公里曲线半径下穿至邮轮中心，抵达终点邮轮中心站。该线路途经中华白海豚国家级自然保护区的核心区——海岸观光区，同时又下穿厦门西港主航道、国际邮轮码头，因此在施工过程中要严格控制各种污染源。
在厦门地铁2号线之后建设的厦门地铁3号线也是一条穿海地铁。该线路连接厦门本岛和岛外的翔安区，过海隧道长约6.5公里，其中海域段长度约为4公里，复杂的地质条件增加了施工难度。
除了厦门，青岛也拥有两条穿海地铁线路，分别是青岛地铁1号线和青岛地铁8号线。青岛地铁1号线的跨海隧道全长8.1公里，其中过海段长约3.49公里，连接了分布于胶州湾两侧的西海岸新区与主城区。线路海域段设置有两条主隧道，相距0.15公里以上，海底部分最深处达0.088公里，也是我国目前最深的穿海地铁线路。青岛地铁8号线则在北侧再次跨越了胶州湾，其海域段长5.4公里，过海隧道的最大埋深为海面下0.056公里。
最新开通的大连地铁5号线虽然在长度和深度上不及上述“前辈”，但其建设过程同样充满挑战，需要攻克“长、大、高、险”四大施工难题。
“长”是指在高强度硬岩地层中掘进距离长，盾构机需连续穿越长度为2.882公里的硬岩地层。“大”是指环境风险大，大盾构下穿航道、码头等重要构筑物及交通设施，有风化槽、断裂带、软硬不均地层，遍布灰岩、辉绿岩及钙质板岩，岩石抗压强度高，最大抗压强度118兆帕，施工难度大。“高”是指隧道埋深大、水压高，最大水头压力0.5兆帕。“险”是指隧道穿越长度为1.538公里的岩溶强烈发育区，勘探发现大小溶洞1000余个，溶洞探测、处理难度大且具有一定危险性。
正是由于这四个难点的存在，业内专家将大连地铁5号线建设称为“世界性难题”，而该项穿海工程最终获得了2021年国际隧道行业最高奖项——ITA隧道奖。
盾构机海底“显神通”
地铁穿海，隧道先行。地铁能够如游龙一般，在海底钻入又钻出，都要归功于海底隧道。我国在这一领域经验丰富，多条具有世界级难度的海底隧道诞生在中国，比如港珠澳大桥海底隧道。
虽然海底隧道看上去都差不多，但不同地质环境下海底隧道的建设方式存在差异。例如，港珠澳大桥海底隧道建设地点位于珠江入海口，此地有平整的海底淤泥环境，较适用于海底沉管隧道建设。沉管可以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。最后沉管隧道实际上是被放置在海底地基上的，依靠沉管本身的强度保持稳定。
不过，我国一些穿海地铁建设海域，其海底地形崎岖、地质环境复杂，并不适用于沉管隧道建设，此时泥水平衡的盾构施工法便派上用场，它可以在海底隧道建设中“大显神通”。该方法最为显著的特点是借助盾构机向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保持平衡，以保证开挖面土体结构稳定，不至于发生塌陷。
具体来讲，盾构施工法的操作过程是，盾构机在推进时，其开挖下来的土进入盾构机前部的泥水室，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后再被送入地下盾构的泥水室，不断地进行排渣净化，以供后续使用。这种施工方法的好处是可以控制地层沉降变形，同时也能够减少对周边环境的影响。
盾构施工法的好处虽多，但其施工过程往往充满不确定性。以厦门地铁2号线海底隧道建设为例，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，其抗压强度高达192兆帕，相当于普通混凝土的6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，极易造成盾构刀具磨损。
曾任中铁十四局集团有限公司厦门地铁隧道项目总工程师的徐磊回忆道，在进行厦门地铁2号线海底隧道掘进时，曾遇到一大堆史无前例的孤石群。经后期勘探，这堆孤石群的长度达13.5米，多由长度约1.2米的巨石组成。“由于孤石群阻挡，盾构机根本无法实现掘进，一往里推，孤石群就乱跑。”徐磊说。
后来，施工方又尝试了风镐凿除、静态爆破等传统办法，但均以失败告终。最终施工单位寻找到一种液压割锯，将每块巨石切割成小块，然后人工进仓运出。“累计带压进仓3475仓，人工清理孤石1000多立方米，海上爆破处理孤石2519立方米，海底带压换刀712把。”徐磊说，这在国内隧道施工史上十分罕见。
组合工法使效率倍增
盾构法已经成为我国穿海地铁隧道施工的主要工法，但为了提高施工效率，在高岩体强度的施工位置，为了配合盾构法施工有时还会采用矿山法，即利用爆破造成岩石破裂松动，以边爆破边支撑加固的方式向前掘进。例如，在厦门地铁3号线海底隧道建设中，采用了“矿山+盾构”的组合工法，这是我国首次在海底隧道建设中采用这一组合工法，此后在青岛地铁8号线等穿海地铁的建设中同样使用了这一组合工法。
厦门地铁3号线海域段区间长约4公里，存在多个风化槽、风化囊、基岩突起等地质现象，地质勘察整整用了一年半才完成。正是因为地质环境复杂，仅用一种工法难以应对，且施工风险极大，所以施工单位选择了“矿山+盾构”组合工法，大大提升了施工效率。
在采用矿山法施工的海域段，存在着多个风化槽，它们是施工的主要难点。风化槽是海底岩层因风化作用形成的深坑，它竖直地嵌入岩层，形成全强风化带。
“风化槽如同外脆内软的‘夹心饼干’，不动它时，它结构稳定，一旦有外力轻轻一碰，就有可能破碎。此外，风化槽与海水相连，极易产生涌水突泥及坍塌，风险极大。”时任厦门轨道交通集团建设分公司3号线过海段项目经理刘典基说，受风化槽影响，厦门地铁3号线矿山法隧道施工每月只能掘进大约0.13公里，而随着工程进度的推进，施工难度越来越大，到贯通前的几个月，每月掘进不足0.013公里，施工过程如履薄冰。
为了穿越如“夹心饼干”般的风化槽，工程人员用水泥浆和水玻璃配置出特殊的双液浆，注入风化槽断面内，挤走里面的水分，将“夹心饼干”固结，再用炸药炸碎，进行开挖。
不过，正是在一次次攻坚克难的奋战中，我国交通建设者积累了大量宝贵经验，使我国在隧道建设领域跻身国际一流行列。
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