南京长江隧道疏散通道专题研究

南京长江隧道咨询项目

南京长江隧道疏散通道专题研究

北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心

2005年9月26日

目录

第一章概述

1.1 南京过江隧道概况及背景 (3)

1.2 南京过江通道隧道段地质及水文特点 (6)

1.3 专题研究的目的意义 (10)

1.4 专题主要研究内容 (11)

第二章国内外江（海）底隧道疏散通道设置方式及主要案例

2.1 国内外江（海）底隧道疏散通道设置方式 (13)

2.2 国内外江（海）底隧道疏散通道设置的主要案例 (13)

2.3 国内外江（海）底隧道疏散通道设置方式的优缺点分析 (34)

第三章横通道作为南京长江隧道疏散通道的分析

3.1横通道主要施工方法及施工风险分析 (36)

3.2主隧道——横通道应力变形分析 (44)

第四章东京湾海底公路隧道疏散通道（纵向）案例分析研究

4.1 工程概况 (53)

4.2 日本公路隧道紧急系统标准 (54)

4.3 东京湾海底公路隧道通风系统 (57)

4.4 东京湾海底公路隧道安全设施 (58)

4.5 东京湾海底公路隧道的疏散设施 (63)

4.6 其它 (65)

第五章南京过江隧道疏散通道的设置

5.1南京过江隧道疏散通道可能选用的设置方式 (68)

5.2南京过江隧道疏散通道设置的方案比选 (69)

5.3 结论与建议 (69)

附件1 关于消防系统与工程技术问题与日本早稻田大学小泉淳教授等专家的会谈纪要 (71)

第一章概述

1.1 南京过江隧道概况及背景

长江南京段上游过江通道是《南京城市总体规划》确定的一条重要的城市过江快速通道。江南接主城滨江大道和纬七路（即应天西路），通过纬七路再接城西干道和城东干道；江北接江北滨江大道和浦珠路，将江南江北的快速交通网络连为一体，形成横跨长江的一条东西向城市快速通道。该通道的建设可促进城市跨江快速交通网架的构建、实现南北交通的顺畅联系、加速江南江北的一体化发展，有利于改善南京市江北新市区与老城区及中心区、河西新城区的交通联系，促进实现一城三区的均衡发展；同时还有利于带动沿江地区的发展，促进江心州的开发利用，解决城市过江交通严重饱和，机动车发展迅猛，过江瓶颈制约江北发展等问题。过江通道总体规划见图1.1。

长江南京段上游过江通道主要包括左汊隧道工程、右汊桥梁工程、接线道路、立交以及附属工程等。其中隧道工程有以下五种横断面形式：圆形隧道横断面、矩形隧道横断面、引道光过渡段横断面以及引道敞开段横断面。各段在左右线隧道的长度分布如表1.1及表1.2所示。

南京长江隧道设计为双管盾构隧道，隧道江北起点为进口里程为K3+380m，梅子洲隧道出口里程为K6+854.053，隧道总长度3474.053m，其中盾构段自K3+600至K6+532.756，盾构长度为2932.756m，选用两台泥水加压盾构同向掘进。

圆形隧道段基本位于隧道中部的水底，是主要的隧道断面形式。圆形隧道断面经过双管单层、双管双层和四管单层三种断面方案的比选，最终选定双管单层

方案，其横断面见图1.2。盾构隧道内径13.30m，外径14.50m，衬砌厚度0.60m。

隧道覆土厚度最大30m，最小5.5m（始发段）。江中段按最小覆土厚度不小于1倍盾构直径控制，局部不足1倍洞径，江中最小覆土厚度10.2m。为满足梅子洲接线道路290m的最小变坡长度要求，隧道内线路最大纵坡4.5%、最小坡度0.6％，最大坡长1130m，最小坡长850m；隧道段共设3个竖曲线，最小竖曲线半径R=7500m。

图1.1 南京过江通道总体规划图

表1.1 左线隧道分段长度表

表1.2 右线隧道分段长度表

1.2 南京过江通道隧道段地质及水文特点

隧道穿越场地为长江冲积平原区，主要为堤外滩地、堤内高漫滩、堤内低漫滩，长江水域及江心洲。拟建隧道除了横穿长江两侧大堤外，未见穿越主要道路，穿越区均为农田及堤防。隧道穿越重点水利设施为南京长江大堤，为高级别堤防，堤防近水侧采用干砌块石护坡和浆砌块石护脚，岸坡及堤防稳定。

1.场地工程地质条件

隧道主要穿越第四系和白垩系地层，隧道场地通过部位不存在断裂或破碎带。

上部第四系地层主要有：长江段水下地层上部由第四系全新统新近沉积松散粉细砂组成。中部由第四系中密～密实粉细砂组成，下部为上更新统密实状砾砂、圆砾等组成；第四系地层下伏基岩为白垩系钙质泥岩夹钙质细砂岩。

拟建长江隧道的盾构段的主要岩土参数见下表1.3、1.4。

表1.3 隧道岩土层承载力、侧壁摩阻力、垂直基床系数

表1.4 盾构段岩石参数统计表

2.场地水文地质条件

（1）拟建长江隧道范围内的地表水主要为长江水。

（2）孔隙潜水

主要赋存于长江漫滩区上部地层，含水介质为粘性土、淤泥质土及粉土，其渗透性差，含水量贫乏，渗透系数1.75～19.5×10-7cm/s，场地地下水水位埋深0.40～1.40m，平均0.70m。

（3）孔隙（微）承压水

主要分布于基岩上部松散层中，在漫滩区上覆淤泥质土及粘性土，在长江河道区直接与江水相通。含水介质为粉细砂及卵砾石层。粉细砂层渗透系数1.293～1.556×10－4cm/s，卵砾石层渗透系数较大，

（4）基岩裂隙水

赋存在钙质泥岩、钙质砂岩中。白垩系泥岩裂隙不发育，岩性较软，塑性强，富水性差，可视为相对隔水层。

3.施工环境和条件

（1）气象

南京属北温带区北亚热季风气候区，全年四季分明，春秋季较长，夏季炎热，冬季寒冷，风雾较多。历年最高气温43℃，最低气温-14℃，年平均气温15.3℃。

多年年平均降雨量为1033mm，年最大降雨量为1825.8mm，年平均降雨日120天。年平均蒸发量为1121mm。年平均相对湿度为75%。

季风气候显著，春夏季多东、东南风，秋冬季多北东北、东北风，常风向东北风，出现频率为10%。最大风力9～10级。

（2）长江河道水文特征

长江南京河段多年平均年径流量约为8940×108m3，年内水量分配过程，1月份最小（枯），到4月份水量开始增长，4～5月增长率最大，7、8月份出现最大值，然后逐渐减小，10月份以后水量明显减小，至次年1月，水量又出现最枯。年内水量分配主要集中在汛期，汛期（5～10月）水量约6400×108m3，占全

年水量的71%。南京水位的涨落主要决定于长江径流的变化，也兼受潮汐、下游支流入汇和风力等影响。南京属感潮河段半日潮型，潮差枯季大，汛期小，随径流的增大而减小。

实测历史最高潮（水）位：10.22m

实测历史最低潮（水）位：1.54 m

历年最高潮水位多年平均：8.37m

历年最底潮水位多年平均值：2.20m

历史最大潮水位变幅：7.70m

最大潮差：1.73m

最小潮差：0.01m

4.场地地质与水文特点

（1）地质条件恶劣、风险大

盾构隧道通过的地层以粉细砂为主，但江中地段数百米长度为粉细砂、砾砂和卵石混合地层，掌子面岩性明显差异、上下软硬不均，土质缺乏粘性，呈松散、流塑状态，稳定性很差，易坍方冒顶、造成严重后果；地层软硬不均，隧道易产生不均匀沉降，造成衬砌结构的局部附加应力和与应力集中。

隧道场地20m以内的1层粉细砂、7-1层粉细砂具液化性，为可液化土层。液化指数0.2～14.9，液化等级轻微～中等。

（2）工作水压高

目前，荷兰格林哈特隧道最大水压为5.5bar；长江上的另外两条盾构隧道，上海沪崇苏和武汉过江隧道，水压为5～5.5bar。而南京长江隧道盾构机工作压力约6.5bar，在同等直径及更大直径泥水盾构项目中是世界最大的。

（3）地层透水性强

长江南京河段的江中地层主要为松散、稍密～中密的粉细砂地层，以及部分砾砂、卵石层，透水系数是粘土土质的千倍以上，地层渗透系数与武汉比较接近，但是水压比武汉过江隧道高0.1MPa以上；与上海沪崇苏相比，上海地层渗

透系数一般为10-7cm/s，而南京长江隧道高的多，达到10-3～10-4cm/s。在如此高透水性地层条件下，而最大水压力达0.65MPa。

由上述地质及水文条件可以看出，南京长江隧道地层具有强度低、含水量大、透水性强、水压高等不利条件，在此条件下修建横向通道，地层冻结效果差，降水困难，对施工措施的选择、施工经验、施工造价及施工安全，都是一个严峻的考验，具有较高风险。

1.3 专题研究的目的及意义

1.目的及意义

为防灾、救援及通风需要，双线隧道一般按规范要求应设置安全联络通道。长江南京段上游过江隧道功能定位为城市主干道，属市政工程。为解决隧道在发生火灾时洞内人员的避难逃生问题，防灾救援系统非常重要，而《城市道路设计规范》（CJJ37-90）对于水底隧道的避难疏散设施的设置尚无确切的规范，隧道疏散通道的设置没有设计依据。

一般，联络通道间距设计应从隧道使用者的逃生速度和救援人员的活动范围进行考虑。国内外关于双线隧道的联络通道规定为：

（1）国外公路隧道的联络通道间距设计在300m—350m；瑞士的公路隧道设计规程规定为300m左右，日本设定为800m。

（2）我国《公路隧道交通工程设计规范》（GTG／T D71－2004）要求―双洞上下分离的公路隧道之间应设置避难设施‖，避难设施包括行人横洞和行车横洞，行人横洞间距最大不超过400 m，行车横洞间距最大不超过1000 m；

（3）我国《地铁设计规范》（GB50157－2003）要求―两条单线区间隧道之间，当隧道连贯长度大于600 m时，应设联络通道‖。

如参照国内外双线隧道规范，南京长江隧道宜设置横向联络通道，作为防灾、

救援疏散之用。但由于南京长江隧道位于水下60 m深处，水压很高，最大水压达0.65MPa；工程地质条件恶劣，地层渗透性很强，隧道通过的地层以粉细砂为主，还有砾砂和卵石等，洞顶的覆土层几乎全都是松散、稍密的粉细砂，从施工角度分析，联络通道施工条件非常不利，稍有不慎就会造成严重后果，施工风险很大。

根据国内外调研，横向联络通道是隧道防灾救援的一种常见的疏散型式，但并不是唯一的方式。在南京长江隧道这种复杂的条件下安全疏散通道，以怎样的形式设置，不但关系到工程施工的安全及经济性，也关系到隧道运营期的防灾与安全。

因此，本课题研究拟通过调查分析与定量研究，在保证达到防灾救援目的的前提下，探讨疏散通道的设置方案及逃生救援对策。

2.研究目标

本课题将通过对设置横向通道的施工风险和设置下通道作为疏散通道的可行性进行综合论证，通过对南京过江隧道包括火灾后隧道内的火灾蔓延、烟气扩散、人员疏散及结构安全等多参数复合分析和研究，对隧道疏散通道的设置方案进行分析与论证，从而为隧道安全疏散通道设计方案的审批及逃生救援对策提供科学依据。

1.4 专题研究内容

（1）南京过江隧道的特点南京长江段地质水文特点

（2）国内外疏散通道设置方式及主要案例

（3）国内外江（海）底隧道疏散通道设置方式的优缺点分析

（4）联络通道主要施工方法及施工风险分析

（5）东京湾海底公路隧道疏散通道案例分析研究

（6）南京过江隧道疏散通道可能选用的设置方式及方案比选（7）下通道作为疏散通道火灾情况下疏散救援风险分析（8）火灾作用下衬砌结构安全性验算

第二章国内外江（海）底隧道疏散通道设置方式

及主要案例

2.1 国内外江（海）底隧道疏散通道设置方式

对国内外江（海）底隧道疏散通道设置情况的调研表明，隧道防灾疏散可以通过以下几种方式来实现：

（1）横向联络通道逃生

沿主隧道纵向，每隔一定间距设置横向联络通道将主隧道联通，实现火灾逃生及救援。

（2）纵向通道逃生

利用隧道内行车路面以下的空间建成纵向逃生通道，每隔一定间距设置紧急出口及滑行坡道与路面之下的逃生通道联通，以逃离火灾危险。

（3）隧道内上下层互通逃生（纵向）

当隧道内部空间较大时，可在隧道内设置上下双层车道，隧道内每隔一定间距设置联通口及通行梯，实现上下层之间的互联。

2.2 国内外江（海）底隧道疏散通道设置的主要案例

1.英法海峡隧道

英法海峡，英国称为多佛海峡，法国称为加莱海峡。海峡隧道是由英国的福克斯通(切尔顿)至法国的加莱(科凯勒)，全长约50公里。其中海底隧道部分由英国的莎士比亚·克利夫至法国桑加持，长度近38公里。

（1）隧道地质条件

隧道沿线有三个主要岩层，从上到下以次为中白垩、晚白垩及泥灰质黏土。

中白垩和晚白垩的上面部分是脆弱的破碎白垩。晚白垩的下面部分是粘土与白垩混杂在一起，表现为白垩质泥灰岩。白垩质泥灰岩为中等强度、均质和稍具塑性，并且一般没有张开断裂，具有较好的不透水性。海峡隧道岩层分布见图2.1。

（2）英法海峡隧道设置

英国和法国之间，海峡隧道经过的地质地形情况，存在极大的差异。英国一侧的隧道是在包含粘土质碳酸盐泥岩的泥灰岩地层中施工，法国一侧的隧道要穿越多处断层的泥灰岩地层，故两侧分别采用了不同类型的土压平衡盾构进行施工。

海峡隧道全长英国一侧的隧道埋深在21～70m之间，平均40m。整个隧道系统组成为：（a）两条直径7.6m的铁路区间隧道，相距30m；（b）一条直径4.8m 的服务隧道，供管理、维护及防灾救援之用；（c）横向通道：每隔375m设置一条与服务隧道相连接的横向通道，每隔250m设置连接两条铁路隧道的横向活塞式泄压风道。每第二条横向通道为双通道，以便每隔375m设置一个人行通道，每隔750m设置一个电力控制室或变电站。整个隧道系统组成如图2.2所示，隧道通风系统如图5所示。为了在修补时能保证列车顺利运行，在海底隧道中设置了两处交叉渡线，其垃置约在全长50公里中的两个三等分点上。

正常状态下，一条隧道内列车从法国驶向英国，另一条则相反。三处进行日常维护的交叉区在紧急状态下可以用做安全区域。每条横向通道，从中心服务隧道经防火门通向行车隧道。这使得乘客用正常的方式不能离开行车隧道时，可以疏散到中心服务隧道中去，将中心服务隧道作为一个安全等待区，直至搭乘从另一条行车隧道驶来的救援车离开。中心服务隧道也被用作隧道系统的通风道，它内部的空气压力要比行车隧道的压力高．这样即使横向通道上的门打开，烟气也不会侵入服务隧道。

横向联络通道内径一般为3.3m，少数为4.0m，内径尺寸与服务隧道相近。

由于通道内尺寸较小，机械化作业受到限制，因此采用易于安装的轻型铸铁管片衬砌，并以螺栓相连。

主隧道与横向通道的接合口部位，最初采用先拆除主隧道中的衬砌管片，再安装钢框架的施工方法。这种方法太费时间，随后研制了一种钢与混凝土的复合衬砌结构，围绕连接口的衬砌结构是建造在铸铁管片衬砌之内，而这些铸铁管片衬砌是装设在主隧道标准混凝土管片衬砌之内。因此，这种复合衬砌结构的每一环都是铸铁管片与预制混凝土管片的结合物。

泄压风道设计内径为2.0m，由于列车活塞压力作用，要求内壁光滑。因此在铸铁管片衬砌拱弧内侧，又设计了现浇混凝土内衬。英国一侧的泄压风道的管片之间以及环间无连接螺栓，靠垫片防水。

图2.1 英法海峡隧道地质纵断面图

图2.2 英法海峡隧道组成

图2.3 英法海峡隧道通风系统

（3）英法海峡隧道的防灾救援安全设计

据当时预测，对于英法海峡隧道，两条隧道的任何一条的乘客和服务人员随时都可能达到1000人以上，现在这一数字已经成倍增加，因此进行了谨慎的火灾模拟试验及联络分析，取得了以下几点经验。

英法海峡隧道有关隧道火灾的几点经验：

（a）在隧道内任何地方发生火灾时，由燃烧产生的包含高毒性一氧化碳的气体，都要由风气流传播到其余的整个风道。这就意味着靠近通风网路入口处发生火灾必然会杀死在入口网路出口间的每个人，有时可能杀死离火源几英里以外的人。很少有人能从这有毒烟雾中幸免，因为通常烟雾的传播速度比大多数人奔

跑的速度快。

（b）隧道内一旦起火会非常迅速传播，它的大部分能量去加热通风的空气。顺风下空气温度可到达1000℃，炽热的空气在它的经过途中可把它的热传递到任何易燃或可分解的材料。这样火就能从一个燃料的火源―跳越‖相当的隧道长度，传到下一个燃料点，实验表明，这距离超过50倍隧道直径。

（c）隧道内的空气压力分布明显地受大火及烟雾的影响，这取决于如坡度、低于隧道出口的深度和断面等特征，这些特征可能导致通风气流流动的加速、减速或者完全逆向流动。由于浮力，烟雾燃烧的热生成物趋向于顺通风方向传播，同时也可上升到隧道顶棚处（此处空气流动速度比断面上任何地方都低）而与通风方向逆向传播。在强烈的火灾中，浮力将大于空气流动度，絮状的热生成物在水平隧道内可以逆向流动相当大的距离，如在一个顺通风方向的下倾隧道内，这种逆向流动可向无限远处进行，一直到达逆风端的隧道洞口。因此，由于火灾产生大量的热，只能从逆风端去救火，但是烟的这种逆向流动甚至可能阻止去救火。

（d）逃生和救援：对在火灾逆风方向上的已组织离开列车的旅客，要引导他们进到新鲜空气的服务隧道内．他们将要通过在逆风方向最近的安全门，这就是说要在非常困难的条件下行走达375m的行程，对老年或体弱者这可能要花费15分钟之多。而在火灾顺风方向的旅客逃离的机会更要小得多．除非在穿梭列车运行区所有通风实际上已停止，前面列车的活塞效应几乎全部被抵消，否则他们很可能在到达避难处之前就被烟雾所压倒。这一效应在穿梭列车附近区得到增强，这是由于隧道断面被列车的货车厢部分堵塞，因而使隧道周边的通风速度几乎加倍。因此，旅客的逃生和救援很大程度上取决于海峡隧道正常条件下的通风方法。

为使避难人容易通过，安全门应做成双门以便形成一气闸．安全门应在事故期间能人工操纵以便防止安全门被行李或身体阻塞不能打开。

2.日本东京湾海底公路隧道

（1）概况

东京湾公路连接川崎和木更津，全长15.1km ，海中设川崎人工岛（作为盾构始发基地和通风之用）和木更津人工岛（桥隧连接处），如图2.4所示。隧道段位于川崎侧与木更津人工岛之间，长9.5km ，采用泥水盾构掘进施工，盾构直径14.14m ，设计断面为单层双管，双向4车道，如图2.5所示。

图2.4 东京湾公路平面图

图2.5 东京湾海底公路隧道断面图

（2）地质及施工条件 东京湾公路隧道所处位置的海底，整体呈船底地形，最大水深在海湾中央约电子集尘机 风扇 摄像机 电缆 自动火灾检测器 诱导指示灯 消火拴 隧道内供水阀 灭火拴 灭火器 检查清扫车 配水管 送泡沫管 电缆 移动无线用同轴电缆 墙壁清扫车

28m深。隧道区段地层属于极软弱的冲积粘土层（有乐町层），其厚度按海底面算起为20~30m；其下为洪积黏性土层（称之为7号地层），N值仅为0～12。木更津人工岛一端，是在此基础上夹有洪积砂土层（N值为20~70）的地层。隧道平均覆盖层厚度为15m左右，在海底部分为 1.0D，斜坡段的覆盖层厚度仅为0.7D。

东京湾地区地震活动频繁，历史上发生过多次大地震，隧道设计必须考虑结构的抗震和防震。

筑造的川崎人工岛在施工时作为4台盾构的始发基地，在隧道建成后作为隧道通风塔的立足之地。

（3）疏散通道设置

东京湾海底公路隧道地质条件恶劣，为减少施工时的风险，并避免地震时由于相邻隧道的相位不一致引起横通道连接部位隧道主体结构的损害，在长度超过9km的两条隧道之间未设横通道。隧道利用车道板下的空间作为安全通道，每隔300m设置一处逃生滑梯和消防人员出入口，两出入口间距约30m，并在车行道一侧以明显的标志标明紧急出口。逃生滑梯设置如图2.6所示。

图2.6 东京湾公路隧道逃生滑梯设计

3. 丹麦斯多贝尔特大海峡隧道

丹麦斯多贝尔特大海峡通道工程连接菲英岛与西兰岛及哥本哈根，全长18km，为桥隧相接方式，其中隧道长7.9km，为铁路和公路两用。

（1）地质条件

为查明地层情况，自60年代中期以来，为大海峡隧道施工方案进行了多次的现场勘测，如深层钻孔、振动岩心和地震探测等。据综合调查结果，隧道位于3D地质模式区段，地质形成是由于经过冰渍和泥灰岩层状地层冰川侵蚀和冰渍、泥灰岩覆盖在石灰层所致，见图2.7。大海峡隧道埋深在冰渍和泥灰岩之间，隧道中心底部至下面石灰岩地层的间距不超过10m。

冰渍层与砂质冰渍处于互层状态（主要夹有粉砂层或砂质粘土层），包括有粒状融水土囊，加上大到2m的花岗岩和片麻岩漂砾。泥灰岩地层呈开裂状态，伴随出现有软弱夹层的断裂破碎地带。大部分冰渍层渗透性很低，但融水土囊的渗透性能高达10-4m/s。另外，海底地下水的氯化程度为1900mg/L，几乎与海水相差无几。

大海峡中央1.6km处，隧道在海平面75m下通过，该处海水深度达55m，在这个最低点，静水压力最大，而隧道覆盖层要求最小。冰渍层组成的的融化冰积土含水压力达到0.4MPa；冰渍和泥灰岩地层分界面充满砾石和含水粒状土囊，有的泥灰岩地层断裂很深，伴随的静水压力高达0.8MPa，这对盾构和横通道施工都是非常恶劣的地层。

图2.7 大海峡隧道地质纵断面图