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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
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。
（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。
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。
