工程位置图
工程概况
妈湾跨海通道是连接南山港区和大铲湾港区的货运专用通道,同时兼顾两个片区的客运交通联系。妈湾跨海通道规划为城市快速路,主线设计车速80km/h,双向6车道,两端陆域段设双向6车道地面道路。道路设计起点位于妈湾大道和月亮湾大道相交处,终点接现状沿江高速大铲湾收费站,道路全长约7.3km,其中前海段2.5km,海域段1.1km,大铲湾段3.7km。
工程地址剖面图
工程水文地质
妈湾跨海通道是一条穿越人工填海造地区域和海域的疏港货运通道,采用深埋盾构方式敷设,断面大、埋深大,所通过地区的地质条件复杂,可以说是国内为数不多的大断面货运交通隧道,其主要工程特点:
(1)疏港货运交通为主,双向6车道,盾构直径大。该工程定位为疏港货运通道,运行车辆以集装箱货车为主,货运自然车占比高,需要采用双向6车道断面,从而导致盾构段直径大,技术难度也相应增大。(2)预留远期航道条件,以深埋隧道敷设,隧道内纵坡较大。该工程穿越前海湾,规划15万t级航道,需要采取深埋方式敷设,陆域段需设置进出口匝道,从而导致海域段与陆域段衔接的主线道路纵坡较大。(3)临海环境、复合地层,盾构面临上软下硬和高水压,风险极高。该工程所经过区域地质条件复杂,水压高,所经区域为人工填土、沉积淤泥、淤泥质黏土、砂质黏性土、构造岩、全~微风化的混合花岗岩及混合岩等。盾构段基本上处于上软下硬的地层,对盾构机性能及施工技术要求极高,风险也极高。
(4)超深基坑+复合地层,基坑支护难度大,风险高。盾构井位置处基坑深度超出一般水平,均属于超深基坑范畴,最大基坑深度达到27m,没有统一的规范和标准,结构受力复杂,计算难度大,给基坑支护带来巨大风险。
(5)连接前海和大铲湾片区,环保要求高。前海合作区定位为具有国际竞争力的现代服务业区域中心和现代化国际化滨海城市中心。大铲湾远期预留发展用地明确建设成为未来科技城,以“立体城市、绿色城市、未来城市”为理念,建设具有全球辐射引领作用的“互联网+”未来科技城。
(6)特长海底隧道以货运交通为主,火灾概率高,逃生救援难度大。项目隧道总长度超过5km,为特长隧道,同时交通组成以货运集装箱为主,火灾概率大,热释热率高,又穿越海域,对隧道通风消防及逃生救援要求极高。
(7)跨越海域,冲淤对隧道有影响。该项目海域与外海连通,潮汐每日涨退,所在海域水动力较小,容易形成海水中细颗粒土的沉淀,致使该区域淤泥沉淀量较大,开挖后回淤速度较快,隧道施工和建成后,都会受到冲淤的影响。
控制条件
(1)道路起终点:均与现状道路衔接,设置为互通式立交,需要考虑立交功能定位、立交型式及近远期结合方案。
(2)沿线重要的建筑及管线:包括前海段保税园区及现状高压燃气管线,大铲湾段主要是大铲湾港码头及其设施。
(3)海域段航道条件:预留远期航道通航条件。
(4)上软下硬的地质条件及高水压带来的高风险等制约技术方案。
(5)陆域段环保要求高,对隧道通风方案提出高要求。
隧道设计
主要技术标准确定
妈湾跨海通道规划为城市快速路。在这个大原则下,如何确定更为详细的技术标准以满足设计需求,在方案设计前应该尽早明确。
(1)道路等级与设计速度。根据区域交通组织、路网结构需要,结合妈湾跨海通道所承担的功能,确定妈湾跨海通道的道路等级为城市快速路。由于妈湾跨海通道以承担疏港交通功能为主,考虑大型集装箱货车行驶安全性、舒适度等因素,建议地下道路按高标准设计,设计行车速度取80km/h。
(2)道路最大纵坡。最大纵坡对道路竖向及工程方案、经济性均有较大影响。妈湾跨海通道以集装箱货运交通为主,兼顾客运,以深埋方式敷设。经过调研相关的集装箱车型,并采用驾驶模拟仓试验,考虑盾构段长度及出入口匝道设置满足交通功能需求等因素,初步确定地下道路最大纵坡取4%,既能适应车辆要求,又能达到工程设计经济合理。
隧道工法确定
国内外常用的水下隧道工法方案基本为盾构法、沉管法、堰筑法、钻爆法等,对比国内外的经验,结合航道条件、地质条件、规划条件、工期条件等因素,综合确定该项目的工法方案:
(1)工法方案比较。对几种水下隧道工法方案进行一个粗略对比,各有优缺点和适用情况。
(2)工法方案确定。根据妈湾跨海通道项目特点和条件,结合地质情况,从交通服务功能、工程规模、技术可行、风险可控、工期适应性、经济合理性、环境友好性、运营安全性等方面综合比选。由于盾构法具有受场地条件制约程度低、对环境影响小、经济性优、工程风险总体可控、外部协调工作量较小、行政成本低、有利于工程尽快实施等优点,经综合比较,推荐采用盾构工法。
路线设计
(1)盾构工法对海域段线位的影响:该项目海域段采用双圆盾构工法施工,根据盾构施工工法要求,两圆之间要保证一定的距离,保证隧道施工安全。相关规范对两圆之间间距做了要求:盾构法左右线双洞间距不小于1.0D(D为单个圆隧道直径,下同);平面半径不小于50D。确定海域段道路平面线形为“圆曲线+直线+圆曲线”布设形式。
(2)陆域段线位衔接:陆域段线位受前海、大铲湾两端的用地条件、规划红线位置、既有管线、出入口匝道布置等条件限制,路线平面布置调整余地小,同时需要与海域段大半径曲线衔接,以接顺两端规划中线。
(3)进出洞口线形设计:进出洞口是驾驶人视线明暗变化的节点,由于外围空间视觉不同,影响驾驶人员操作行为和心理的变化,从而对行车安全造成一定的影响。在该项目中,除了要保证线形连续外,在前海端洞口还要考虑与现状高架桥的衔接,通过曲线设置尽可能避免小偏角,保证行车安全。
进出匝道设置。妈湾跨海通道连接了前海合作区和大铲湾片区,客运交通联系需要通过妈湾通道来解决,因此需要在前海段和大铲湾段设置进出口匝道,满足客运交通需求,需要在前海段和大铲湾段各设置两对进出口,并且进出口要尽可能近海,以服务更多的地块交通。
节点设计
该项目的主要立交节点为起点月亮湾立交和终点大铲湾收费站立交节点。
(1)起点立交方案:根据前海合作区规划及妈湾通道规划,疏港交通的功能由妈湾通道承担,现有立交型式不能满足疏港交通组织功能需求,需要部分调整。保留原来的立交型式不变,调整南向东方向右转匝道,增加北向东方向的定向匝道,从而保证疏港货运交通组织更加完善。
(2)终点立交方案:按照“大铲湾港区客运交通与疏港交通相对分离”、“大铲湾港区疏港交通与南山港区疏港交通相对分离”的思路和原则,采用近远期结合、分期进行交通组织的方式来解决交通问题。
防灾救援
隧道工程的防灾体系是通过隧道的主体建筑结构、通风、照明、供配电、消防等各个子系统的安全或功能的冗余设计来实现,并通过监控系统将各子系统构成一个有机的整体,以实现隧道总体防灾、减灾和救灾的功能。
建筑防灾
主要体现在隧道的装修材料均选用防火耐火材料,在隧道顶部设置防火内衬。同时,考虑纵向和横向逃生相结合的逃生体系。在盾构段沿隧道纵向每隔一段距离设置逃生口和逃生楼梯,通过隧道的上、下层相互逃生;在明挖段采用设置横通道的方式进行左右互为逃生,从而保证人员在灾害情况下尽快疏散。
通风系统 妈湾通道工程射流风机悬吊于隧道顶部及侧壁,用来补充汽车低速行驶时交通通风力的不足。竖井内设有轴流风机,用于火灾时送风排烟。考虑不同火灾工况下的通风排烟模式,确保火灾事故工况下通风系统具有排烟功能,尽可能控制烟雾和热量扩散,并为逗留在隧道内的乘客、消防人员等提供一定的新风量,以利于人员疏散和灭火扑救。
消防系统
该工程隧道火灾主要为汽车油箱火灾、车载货物火灾等A、B类危险物的复合火灾。火灾蔓延速度快,危及隧道结构安全,交通恢复所需时间长。而且,一类城市交通隧道因隧道长,火灾时人员、车辆疏散及消防员的火灾救援相对困难,故对隧道初期火灾的控制非常重要。
综合监控系统
妈湾通道工程综合监控系统包括中央控制、闭路电视、紧急电话、火灾报警、有线广播、交通监控以及通风、照明设施,火灾报警及消防系统的联动控制等。
“妈湾号”盾构掘进机
“妈湾号”,是由中铁装备集团自主研发的重大装备成果,盾构机于2021年1月18日在中铁装备顺德基地成功下线。
2标段“妈湾号”盾构机
作为项目工程的关键控制性环节,“妈湾号”现场组装至关重要。中铁装备集团2021年4月7日正式开始组装,5月11日完成刀盘下井。项目团队历时100天完成了设备的组装、调试等工作。
“鹏城号”盾构掘进机
海瑞克“鹏城号”盾构机全长110m,重约2500t,盾构机刀盘直径达15.55m,高度超5层楼,开挖断面是常规地铁盾构的6倍。
1标段“鹏城号”盾构机
盾构段全长2060m,“鹏城号”盾构机在掘进过程中将面临全断面硬岩、上软下硬地层和软土地层等复合地层掘进施工挑战。全断面硬岩段总长超700m,最大强度高达193MPa,考验刀盘破岩能力的同时也造成刀具因磨损需要频繁更换情况;上软下硬地层是上部分为软土地层、下部为岩层的软硬复合层,容易导致盾构上部切削过快而造成盾构机整体姿态上抬,进而引起隧道管片错台、变形等问题;软土地层则容易引起刀盘结泥,使得刀盘被泥包裹无法有效掘进。
设计之初,就为盾构机配备了“刀盘系统常压可更换刀具技术”、“盾构刀具状态监测技术”和“盾构开挖面可视技术”等高精尖技术,能够实时观测盾构掘进的状态,监测刀具的情况并对磨损严重刀具及时安全更换。项目还配备了应急救援基地的隧道抢险全套设备材料,专业化队伍24h待命为盾构掘进保驾护航。
2标段“妈湾号”盾构始发
7月15日上午,深圳市妈湾跨海通道工程Φ15.53m“妈湾号”超大直径泥水平衡盾构机始发。
第2标段“妈湾号”盾构机始发
作为项目工程的关键控制性环节,“妈湾号”现场组装至关重要。中铁装备集团2021年4月7日正式开始组装,于5月11日完成刀盘下井。项目团队历时100d完成了设备的组装、调试等工作。
2标盾构段全长2063m,穿越高强度岩层距离长,推进线路上存在超过1km软硬不均岩层,700m全断面硬岩地层,对盾构机刀具磨损严重;穿越海底复杂地形,易造成盾构机上浮,偏离预设轨迹,存在刀具磨损大、换刀风险高等问题,施工难度较大;妈湾海底隧道上覆层厚度达35m,最大水压达5bar,岩石强度最高达193MPa;此外,妈湾隧道断面大,管片外径Φ15m,对设备性能和施工技术要求极高。
针对工程施工的难点和风险,“妈湾号”盾构机采用多项针对性的技术创新。安装磨损检测设备,对刀具磨损进行检测,充分保障施工安全;主驱动带摆动功能克服全断面硬岩及上软下硬地层卡盾壳的影响;利用破碎装置、气垫直排掘进模式和大流量冲刷系统设计等来解决堵舱滞排等问题。同时,为确保高水压地层掘进施工密封性和安全性,采取4道外密封+4道内密封的设计,驱动箱具备加压能力,盾尾设置5道盾尾刷等措施。除此之外,对浅覆土地层掘进,也针对性设计了四回路保压系统,保证盾构掘进顺利进行。
1标“鹏城号”盾构下井安装
妈湾跨海通道是超大直径海域复合地层盾构法隧道,需穿越海域“上软下硬”复杂地层、穿越南北岸重要保护构筑物、穿越高透水性断裂带及软基处理区域、高水压换刀等。针对这些难点,“鹏城号”盾构机刀盘配备了刀盘系统常压换刀技术、刀具状态监测技术、开挖面可视技术、驱动密封压力自动调节技术和无轨式车架技术等,确保完成左线隧道的掘进施工。2021年8月27日,妈湾跨海通道工程1标“鹏城号”盾构机刀盘下井。
第1标段“鹏城号”盾构刀盘下井
1标段“鹏城号”盾构机全长110m,重约2500t,已下井的盾构机刀盘直径达Φ15.55m,超过5层楼高。承建方正在对盾构机进行安装,开展明挖隧道以及进行电力隧道施工。
1标“鹏城号”盾构始发
2021年10月30日上午,随着刀盘的转动,上海隧道工程有限公司施工的妈湾跨海通道工程左线“鹏城号”盾构机顺利始发,如图18所示。为确保盾构机安全出洞,始发井端头支护桩采用玻璃纤维筋地墙新工艺,便于刀盘切削;同时进行满堂式三轴搅拌桩地基加固,具有良好的止水效果。
盾构机始发
妈湾跨海通道工程位于深圳市西部,途经前海妈湾及宝安大铲湾两区域。路线呈南北向布置,南起于妈湾大道与月亮湾大道相交处,向北穿越前海湾海域,最终止于沿江高速大铲湾收费站及金湾大道与西乡大道相交处,路线全长约8.05km。
妈湾跨海通道启动海底双盾构掘进
妈湾跨海通道工程包含2条大直径盾构隧道,其中位于2标段宝安大铲湾的“妈湾号”盾构机已于2021年7月15日始发,本次1标段的“鹏城号”盾构机始发,妈湾跨海通道正式开启“双盾构”海底掘进。
开启“双盾构”海底掘进
“鹏城号”正在穿越海底断裂层
“鹏城号”顺利掘进并进入海域段——穿越海底断裂层,如图20所示。妈湾跨海通道工程1标前海区域地质复杂,该断裂层相当于一块“夹心饼干”,简单而言,就是两块硬岩之间有碎石夹层,对盾构参数设置要求和性能提出极高要求。即将穿越的不良地质断裂带,岩体比较破碎、富水量大和渗透系数也大。断裂层和海水相通,如果掘进过程中,技术指标不到位后果不堪设想。“鹏城号”在推进过程中面临全断面硬岩、上软下硬地层、软土地层等复合地层掘进的施工挑战。
盾构掘进中碰到193兆帕高硬度岩石,在海域中推进面临很大风险。为保证盾构顺利推进,项目采用最为先进的常压刀盘,刀盘配备了78把滚刀,每一把都可以进行常压更换,并配备了刀具磨损、旋转、温度和荷载等监测系统,实时监控刀具的运行状态。同时,为盾构区间制定了严格的工程风险控制计划,针对不同工况下的地质环境都进行数值模拟分析,通过精确计算,及时纠偏和调整。
按照施工计划,“五一”期间,为保证“鹏城号”顺利穿越2个断裂带,如图21所示,整个项目管理团队按要求提级管理,主管领导带班履职,坚持24h应急值守。各部门进行风险评估,并落实相关技术措施。另一方面,不间断加强海域断裂带之间海床变形监测。
左线“鹏城号”与右线“妈湾号”在海底预定位置交会
妈湾跨海通道工2台直径15m级泥水平衡式盾构机,分别从前海和大铲湾段相向掘进,下穿前海湾海域。2022年8月30日11点18分,在海底隧道左线掘进的“鹏城号”盾构机与右线掘进的“妈湾号”盾构机在海底预定位置交会。交会处位于海平面以下30m全断面硬岩中,盾构机姿态及掘进参数一切正常,工程已克服海底掘进的最大风险。
精心施工,控制工程风险
左线掘进已超800m,右线掘进已超1600m
2022年10月24日,从深圳市交通运输局获悉,妈湾通道左线盾构掘进已超过800m,右线盾构掘进已经超过1600m。
妈湾跨海通道起于前海妈湾港区的妈湾大道与月亮湾大道交叉处,与沿江高速大铲湾收费站及金湾大道——西乡大道交叉口对接。全长8.05km,分为地面道路和地下道路两部分。地下道路为城市快速路,双向6车道,设计时速80km;地面道路为城市主干路,双向六车道,设计时速40km。其中,妈湾跨海通道工程1标(左线)盾构段全长2060m,工程2标(右线)盾构段全长2063m,均采用目前国内应用于水下隧道施工的最大直径盾构机进行施工。
按照目前的施工进度,妈湾通道预计最快于明年底建成通车。