一、越江隧道地鐵運營功能要求
1.平縱斷面設計
地鐵工程線路縱斷面坡度的選擇居于國鐵和公路之間。普通地鐵正線段設計時速80km/h，線路標準一般采用35‰以內。穿行于江底的線路縱坡，應根據本條線路列車編組的動力情況，并考慮越江隧道內潮濕、鋼軌面車輪黏著系數低等環境因素綜合計算分析得出，原則上將越江地鐵線路坡道長度控制在1000m左右，縱坡坡率控制在30‰以內為宜。平面設計順直優先，但往往受避讓地面建構筑物或展線影響存在彎道，設計時隧道工程線路平面半徑的確定應為盾構施工留有較寬松條件，保障隧道施工條件，對于百年工程十分重要。縱斷面設計同時應與江中工程地質情況相適應，竭力避讓盾構穿越軟硬不均地層。考慮到江中鉆探的困難以及鉆孔對盾構施工的影響，初詳勘宜同步實施，盡量作到一次性完成鉆探且今后不再在江中段線路改線。
2.地鐵通風與疏散
常規地鐵隧道多采用縱向式通風方式，運營階段早上運營前需通風，以新增隧道內新鮮空氣、同時排出濁氣;對于運營時間較長的地鐵隧道，隧道通風還具有降低隧道內溫度效果，將隧道內空氣溫度控制在40℃以內，即解決地鐵隧道溫升問題。國內地鐵運營中列車在區間出現故障或災害情況時，首選方案是將列車運行至車站進行疏散。當列車失去動力，停滯于隧道中的處理方案是通過列車(A型車)端部的端門疏散至軌行區，或采用通過(B型車)側門至隧道左側縱向疏散平臺的方式疏散。國內現行地鐵設計規范及消防技術要求地鐵行車隧道必須左右線隔離運營，區間地鐵隧道內沿線路方向不小于600m應設置連接左右線隧道的連通道，列車事故或故障情況下隧道中乘客可通過連通道疏解到相鄰區間，相鄰區間往往視作事故狀態下疏散乘客的安全區域。區間兩端車站設有風機均可向隧道通風，事故狀態下通風的方向與列車著火點位置相關。列車車頭著火，風從車尾方向來，乘客向車尾逆風方向疏散;車尾著火，風從車頭方向來，乘客向逆風方向疏散。阻塞狀況下隧道通風的目的是排出有毒高溫煙氣，同時為乘客提供新鮮空氣。
3.地鐵運輸能力與隧道通風
現行城市軌道交通建設標準一般要求地鐵遠期高峰小時設計運能達到每小時30對的發車密度，即前后列車追蹤間隔時間2min。長江武漢段江面遼闊，越江隧道一般區間長度均超過3km。高頻次發車時，長江隧道區間內一個行車方向必然會存在多列車追蹤運行。高峰時段追蹤運行列車，出現前車尾車著火并失去動力停滯于隧道內，如何避免事故通風煙氣對后車影響，妥善處理這一最不利工況是地鐵運營功能對隧道設計關鍵之處。將長大越江隧道沿運行線路方向多分段通風，是現階段地鐵設計解決煙氣問題的主流作法。前車事故停車后，其司機應及時利用運營通信手段通知后續列車司機停車，確保后續列車決不進入到前車所處隧道通風段，可避免事故通風時前車煙氣對后車的影響。隧道通風段的形成，最常規的作法是在越江區間中部加設豎井并安裝風機形成風井，如果在堤外各設一處風井，則可將越江隧道分為3個通風段。如若江面太寬，計算發現江中段仍會出現2列追蹤列車停滯在同一通風區段時，則必須尋找其它的解決方案，下文中將介紹加大隧道橫斷面、設置專用風道解決該問題。可見，隧道通風段的長度和技術方案選擇對越江地鐵隧道大方案取舍至關重要，它是一項綜合河道情況、工程水文地質情況、列車性能、隧道施工技術及地鐵運營要求于一體的復雜系統工程，需綜合平衡總體把握后確定。以下武漢地鐵4條不同類型越江隧道技術方案案例，對于總體把握越江地鐵設計進行了探索。
二、不同類型隧道工程技術方案
1.長江武漢段工程及水文地質概況
武漢地區原屬云夢澤東南角沼澤地帶，由于地殼滄桑變遷，水流夾帶大量泥沙落淤，江湖分離，水流歸槽，形成了河流的雛形。通過水流與河床的相互作用，汊道合并，洲灘與河岸反復分合，逐漸形成今日的雙汊形態。市區內水系以長江為主要干流，江面寬1080～1380m，其支流主要為漢水，水面寬300～400m。長江武漢河段的水量、沙量主要來源于上游干流和漢江支流，其水沙變化受水文年的隨機影響，沒有明顯的變化趨勢。越江隧道場地區的地層巖性主要有第四系全新統新近沉積的松散粉細砂、中粗砂層;第四系全新統沖積的稍密～密實粉細砂、中粗砂層;卵礫石層，厚0．4～2．1m;下伏白堊至下第三系礫巖和志留系泥質粉砂巖、泥巖、全風化和弱風化粉砂質泥巖、弱膠結礫巖層等沉積巖層。長江兩岸道路黃海高程在25m左右，河工模擬和模型測算河道的沖槽最深處達－14．9m。修建橫穿長江的城區淺層地鐵，盾構工法是首選。
2.單洞單線(2、4號線)工程技術方案
已建成通車的地鐵2號線工程和正在實施建設的4號線越江工程，均選擇了2條單洞單線越江隧道方案。越江隧道總長度3100m左右，采用兩臺復合式泥水平衡盾構機掘進實施，盾構隧道外徑6．2m，內徑5．5m，受長江大堤兩側100m范圍內不能施工隧道中間風井制約，兩岸隧道風井間距控制在1800m以內。車站與兩座中間風井，將越江隧道劃分為3個通風段，可滿足事故通風要求。該方案的優點是長江兩岸地鐵車站均可采用島式站臺，地鐵車站功能好。盾構掘進中可利用中風井檢修刀盤，更換刀具。該方案存在的最大風險是需要在江中水下粉砂層中0．6MPa壓力條件下，礦山法實施隧道連通道和泵房。武漢地鐵2號線利用冰凍法技術，成功解決了這一難題，在此條件下國內首例。其次，長江大堤外超過45m深度的隧道中風井施工、盾構機穿越隧道中風井等均存在很高風險，只能成功、不可失敗。
3.單洞雙線(8號線)工程技術方案
武漢地鐵8號線一期工程黃浦路至徐家棚站區間，越江隧道總長度3184m與2、4號線相當，隧址江面寬約1400m，河床開闊，江底平順，北坡(左岸)平緩，南坡(右岸)較陡，主槽靠近武昌岸側。由于兩江堤距離約為1750m，若按堤防條例規定執行，則兩風井距離至少為1950m，超出一般地鐵隧道1800m的最大通風距離要求，在江堤以內設置風井，具有巨大的防汛、防洪風險。設計選擇了單洞雙線型式的越江隧道方案，隧道管片外徑12．1m，厚度0．5m。該方案只需采用1臺盾構機穿越長江，即可實現越江區間工程，未來地鐵左右線將利用盾構隧道內砌筑的中隔墻分開，實現各自的單方向運行。該方案沒有中間風井，利用大斷面隧道地鐵運行區上部的半弧形空間組織隧道事故通風，在排煙道中部對應左右線各設一集中排煙口，排煙口尺寸20m2，通過排煙口將左右線區間分為兩個通風區段，每個區段長度1600m，可以保證每個區段內同向只有一列車運行，排煙道分別與黃浦路站大里程端和徐家棚站小里程端隧道風機相連。列車火災時采用縱向排煙方式，根據火災列車位置通過集中排煙口或黃浦路與徐家棚站隧道風機將煙氣排出，可以控制煙氣使非火災列車處于無煙區域，確保人員的安全疏散。該方案一定程度上減少了中間風井所帶來的工程實施風險，同時利用大斷面隧道空間大的優勢，在隧道最低處形成隧道泵房，左右線間連通道一墻之隔，大大降低江中實施礦山法泵房此類工程風險。不足之處是12．1m外徑盾構隧道較6．2m小直徑隧道的掘進風險增加。其次，單洞雙線隧道使得地鐵左右線線間距小，從越江區間的小線間距過渡到正常地鐵較大線間距，必然會存在喇叭口線路，要么在車站，要么在明挖區間。長江兩岸的車站一般客流會很大，特別是與順江線路換乘的車站，客流非常多，如8號線黃浦路車站預測遠期日客流量多達21萬，采用側站臺型式不利于車站客流的組織。
4.公鐵合建(7號線)工程技術方案
武漢地鐵7號線與規劃三陽路過江公路隧道合建，三陽路站～徐家棚站段工程兩岸各設一區間風井兼做盾構工作井，穿越江底段采用公軌合建大斷面盾構施工，分南北兩條隧道。本段區間兩風井之間為大盾構直徑15．2m(泥水平衡盾構)，設計為上部空間作為3車道單向公路，下部空間為1條單向軌道交通;其余段上部為明挖公路隧道，下部為地鐵6．2m小盾構隧道(土壓平衡盾構)。兩大盾構工作井間距離2710m，兩工作井之間的越江區間長2600m，按照遠期高峰小時行車運營能力要求，行車間隔為2min時，高峰時段在工作井之間的越江區間必然存在兩列車同時運行工況。設計考慮利用地鐵行車隧道右側富裕空間作為排煙道(對側為疏散通道)，將列車著火時產生的煙氣通過排煙道排出，為了在中部預留江中泵房和管線廊道的空間，在靠近漢口側和武昌側分別設置排煙道，排煙道長度均為600m，江中端約1400m長度不設煙道，因此越江區間可以不設中間風井。越江段漢口和武昌側排煙道將大盾構工作井之間的過江區間分為三個通風區段，加上大盾構井共5個通風分段。正常行車工況采用活塞通風，通過三陽路車站和徐家棚車站的活塞風井以及車站排熱風機對區間通風換氣，保證區間隧道溫度和乘客新風量的要求;阻塞時采用縱向通風，根據列車阻塞所處通風區段開啟漢口、武昌工作井與三陽路站和徐家棚站隧道風機對阻塞列車送排風，滿足通風排煙要求。公鐵合建盾構隧道，對于地鐵工程相當于單洞單線工程，由于地鐵行車隧道左側空間可作為安全疏散的專用通道，故不需設置聯絡左右線的地鐵連通道，同樣大斷面的隧道工程江中泵房也可在隧道內解決。公鐵合建隧道的優勢在于整合了城市核心區內有限的越江通道資源。為今后其它城市交通建設發展提供了新的思路。但隨著盾構隧道斷面尺寸的加大，工程建設風險相對更高。
三、結論與思考
武漢地鐵2/4、7、8號線采用不同的隧道實施方案穿越長江，始終圍繞著地鐵功能核心，確保地鐵運能、防災通風疏散等要求開展工作，總體平衡運營、土建、工程投資與風險等多項因素的思路，其相關工程案例可供同行探討和交流。國內地鐵建設中如杭州地鐵1號線、南京地鐵3號線、福州地鐵1號線等均存在穿越江海等大范圍水域隧道工程。今后，隨著城市軌道交通進一步發展，可能會出現穿越更遼闊水域更復雜工程地質情況，以及地鐵與城市道路共通道的工程，未來的發展將更加富有挑戰性。地鐵信號系統基于通信的CBTC技術發展，可達到對先、后運行列車最小間距控制的保障，將為可靠實現不同隧道通風段內精確停車提供運營安全方面的技術支持。考慮到地鐵越江隧道工程防災和今后維修問題，對于即將開工建設的地鐵7、8號線越江隧道，將在國內首次采取雙層襯砌的技術措施，為百年后的地鐵運營，留下可持續發展空間。
作者：熊朝輝 單位：中鐵第四勘察設計院集團有限公司