臺灣隧道的若干技術(shù)問題

臺灣隧道的若干技術(shù)問題

建設(shè)臺灣（以下簡稱“臺風”）通道是兩岸人民共同努力最終實現(xiàn)的中國夢想?！皩崿F(xiàn)夢想”需要時間，每個人都必須依靠彼此的不懈努力和努力。此處只就方案階段技術(shù)層面上的若干問題談點粗淺認識:1)若干技術(shù)關(guān)鍵;2)橋、隧方案比選;3)隧道越海施工方案與工期進度。1航道結(jié)構(gòu)及服務(wù)隧道的建設(shè)先對在有關(guān)會議上所述問題作些簡要歸納［1－2］:1)有關(guān)臺海地域的海床水文、工程地質(zhì)、地震地質(zhì)、海床地形地貌、主要地質(zhì)缺陷及其嚴重程度,以及氣象、地震、港口、水工和航運等自然和人文方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都是首位必要的。這些都是該過海通道工程線位選擇和工程方案比選以及后續(xù)總體規(guī)劃設(shè)計的前提與基礎(chǔ)。2)就當前認識看,在可能的北、中、南3條過海線位選擇中,福州平潭(島)—臺北新竹一線似屬最優(yōu)勢的選位。筆者擬推薦全隧道過海方案。3)筆者認為,修建鐵路隧道過海、另將公路車輛放上鐵路平板車背馱汽車過海的方案比較現(xiàn)實可行。這在英法海峽隧道建設(shè)中已有成功先例。如單獨修建公路隧道過海,則在通航頻繁的臺海航道中,再聯(lián)動其他大片水域,共需修建10多座碩大的通風豎井。由于隧址位處國際航運黃金水道,除必須征得兩岸有關(guān)部門的會簽外,還需通過國際航運界的認可。4)構(gòu)建海底工程,為保證長期安全運營,要考慮日后結(jié)構(gòu)和防水材料的耐久性問題。海洋環(huán)境條件下,除重點探討海水Cl－和洞內(nèi)汽車尾氣對隧道襯砌混凝土保護層碳化(CO2/CO)效應等外部腐蝕因素外,對混凝土和鋼筋的選材、混凝土養(yǎng)護和施工工藝,特別是在漫長運營期間的日常維護與保養(yǎng),進而研究在局部受腐損區(qū)段的及時修繕與加固,將是從設(shè)計期間就應亟切關(guān)注的重大技術(shù)問題。這項世紀工程的使用基準期應在150年以上。5)特長隧道的開挖施工,應以采用隧道硬巖掘進機(TBM)為主;但計及鉆爆法開挖的機動性及適應面廣的特點,擬建議此處以鉆爆法為掘進機開挖的輔佐和配合,作為正、副兩手考慮,可能是合適的。此處在上、下行主隧道之間,與之相平行地增設(shè)輔助性的服務(wù)隧道將是十分必要的。6)加建中間服務(wù)隧道(ue7885.5)(見圖1)的必要性及其主要功能,在于:1服務(wù)隧道先行開鑿作為施工先導,再利用它從其兩側(cè)施打平洞,從而使主隧道增加開挖作業(yè)面,做到“長洞短打”,大大加快了施工進度;2服務(wù)隧道可起到先導的超前探洞作用,以補充原先地質(zhì)勘探、地下水文資料的不足,并用于地質(zhì)、水文超前預報和險情預警;3服務(wù)隧道在施工階段和日后長期運營期間,可用作主隧道的進風或排風通道,以大大減少沿程布設(shè)通風豎井,還可兼作火災工況下的排煙道(上方須吊設(shè)煙道板);4服務(wù)隧道在施工期間,可作為工程機具和器材等進洞時的運輸通道;5火災工況下服務(wù)隧道也是消防、救援通道,救護車和消防車通過服務(wù)隧道可直達火災現(xiàn)場,就近施救;6在服務(wù)隧道一側(cè),可安裝過海隧道的各種管線設(shè)施,但對電纜、煤氣等過海要有妥善的防護措施;7服務(wù)隧道居上、下行主隧道的中間偏下位置,以便于主洞中清洗污水的排放,在服務(wù)隧道最低位置處設(shè)置地下泵站,像這種特長隧道將在隧道中部、由下向上直至洞口設(shè)置不少于12~15座的接力式地下泵站。2從施工影響方面分析海面臺風和濃霧、地震頻發(fā)等惡劣氣象、地質(zhì)條件,對建橋?qū)⑹菄乐氐闹萍s因素。與橋梁方案相比,此處選擇隧道過海的最大優(yōu)越性,主要反映在［3］:1)全天候通行,對風、雨、霧、震都基本無阻,隧道過海對海工、航運方面也沒有大的障礙和影響。2)隧道深埋于地下,即使在大地震情況下,除了洞口部位需要重點加固外,其主體隧洞的抗震性能優(yōu)良,在地層巖盤的圍護下因受震害而破壞的幾率比地上建(構(gòu))筑物相對要低得多。興建橋、隧兩者其他方面的不同,還反映在:1)在施工工期要求下,特長橋梁方案的長引橋工程有利于分區(qū)、分段平行作業(yè)施工,大橋引橋架梁的裝配化、工業(yè)化程度高。2)隧道方案往往受制于掘進開挖的作業(yè)面有限,一般都要比建橋的工期長得多。3)隧道位處深海地下、水下,作業(yè)的隨機風險(主要是作業(yè)面突水受淹和開挖時圍巖失穩(wěn)土石方坍塌)比較高,這方面的風險控制會有相當難度并需要更多投入。4)長大隧道的運營通風和防災問題(特別是公路隧道防火)是需要重點、細致研討的要害,它將很大程度上關(guān)系到建隧方案的成敗。5)相對橋跨>1000m的主跨,就巖盤穩(wěn)固、節(jié)理裂隙不發(fā)育且滲水量不大的隧洞圍巖而言,在工程造價方面,采用鉆爆法開挖的投入將比特大主跨橋梁的投入低;但對小跨引橋而言,則一般地引橋造價都比隧道造價為廉。6)在日后運營和維護費用方面,隧道需要全天通風和晝夜照明用電,內(nèi)部裝修的防潮要求高,等等,通常比較昂貴;而大跨主橋油漆、定期抽換鋼梁和主纜等也耗資不菲。對臺海大通道橋、隧方案的比選和優(yōu)化,日后定將是前期方案和工程可行性設(shè)計中的重中之重,這個問題涉及工程全局,應從長計議,妥慎抉擇,決不能、也不會倉促定奪。3大直徑tbm制作臺海隧道橫斷面布置的不同方案如表1所示。施工中可選用的機械設(shè)備如圖2所示。對隧洞施工工序和工期的預估測算暫按表1中方案2(即鐵路單線、雙洞):主洞ф8.0m,服務(wù)隧道ф5.5m考慮。主隧道大洞TBM通過小直徑服務(wù)隧道的技術(shù)關(guān)鍵在于:需專門定制設(shè)計加工,將主洞TBM的刀盤和掘進機作業(yè)艙,先拆卸成一分為三,機后車架部分也拆零后先進小洞,在平洞口轉(zhuǎn)彎,彎口做成放大尺寸的弧形;另外,在主洞作業(yè)面后方約180m空間處再用機械手將大直徑TBM組裝成整體。平洞轉(zhuǎn)彎處和作業(yè)面后方180m地段,均先用鉆爆法開挖成ф10m的大洞,即比主洞直徑再加大2m。3.1酶解開洞方案按表1中的方案2,將越海施工方案再分為以下2種方案。第1方案:中間服務(wù)隧道先行,用作施工期的輔助通道(ф5.5m),主洞大型TBM(ф8.0m)和后面的車架均需先拆卸成塊(機子中央的4m核心塊仍為整體,不能拆解),以便從服務(wù)隧道和平洞進入主隧道內(nèi),經(jīng)洞內(nèi)組裝后再開挖掘進。在主隧道起始段(平洞進主洞后的兩側(cè)各180m)先用鉆爆法成洞,其長度應大于TBM全長再加40m,毛洞高、寬均擴挖2m,以便TBM及其后配套拖車均能先在洞內(nèi)組裝,然后再開挖掘進。第2方案(備選):先用ф5.5m的TBM開挖(經(jīng)橫洞時仍需拆卸,待進入主隧道后再在洞內(nèi)組裝);主洞先形成ф5.5m小洞后,隨后再用鉆爆法擴挖成型ф8.0m。當然,也可以改用先將橫洞擴挖,使ф5.5m機子打彎進主洞時不需拆解。此法前些年在終南山秦嶺鐵路隧道復線曾成功采用,并采用此復線洞作為服務(wù)隧道,在其一側(cè)加打8條施工平洞,為側(cè)翼后續(xù)施工的公路隧道(18km)增設(shè)了16個作業(yè)面。后面的隧道工期進度分析情況設(shè)定為按第1方案實施。臺海隧道工程屬在深海巖盤中掘進開挖的特長過海隧道,其暗挖段部分可能長達130~150km,然后再上兩岸地面接線。由于海床地質(zhì)情況不明,隧道埋深和縱剖面走向、縱坡等均不能準確確定,故影響隧道的暗挖段長度也尚不能完全確定。3.2隧道150km4'3.2.1大的綜合指標定額我的一位做了一輩子隧道施工工作的老學長說,對此處150km,ф8.0m的特長大隧道,即使采用TBM雙頭對打,一年總的成洞(這里說的“成洞”,不只是完成襯砌,而是連通風、照明、排水、電網(wǎng)架設(shè)和鋪軌等一并完成的大的綜合指標定額,當然,這只是個極粗約數(shù)估算)按5km算,也要150/5=30年,不算保守吧。再具體點做些粗估計算:如按東、西向雙頭打5km/年,則單頭2500m/年,這樣掘進的月進度為200多m,平均日進尺約為7m(天/臺)(指ф8的大洞子),從上述的大的綜合指標定額來看是難以做到的;另外,還要加打先行的服務(wù)隧道(ф5.5),而它主要只能靠從東、西兩邊單頭掘進。就這樣算,恐怕太粗、也不會這樣做。3.2.2服務(wù)隧道的分段30km1)就如上述的具體情況而言,似應有以下4點需著重考慮:1利用建設(shè)籌劃階段(有關(guān)方曾說,約需10年左右),服務(wù)隧道作為地質(zhì)、水文探洞可以在該籌劃階段就先行開挖;2利用服務(wù)隧道,從其兩側(cè)橫向設(shè)置施工平洞,則主隧洞可分成5個區(qū)段“長洞短打”,各為150km/5=30km/區(qū)段,先后進行流水、平行作業(yè);3服務(wù)隧道則只能是單頭掘進(只有到了中央最后一個區(qū)段,才為雙頭對打),ф5.5,按250m/月估算,其年掘進250m×12月=3km/年。這樣,服務(wù)隧道一個區(qū)段30km要耗時10年打通(這里也是指上述的“完全成洞”);4左、右主隧道,按分割成的5個區(qū)段,每條隧洞共10個掘進作業(yè)面,按雙頭對打,因為是大尺寸隧洞(ф8.0),其石方量是服務(wù)隧道的1倍多,其單頭進度暫按ф5.5折半計算,即進尺減緩為按單頭125m/月(一天進尺4m多);雙頭對打后,2頭×125m/月×12月=3km/年,則一個主隧道分段30km“完全成洞”也需耗時10年。2)如上述,假設(shè)2020年為籌劃建設(shè)的起始年,則粗略設(shè)想的工程進度———施工組織安排,如圖3和表2所示。這只是一個極粗略的估計,并需設(shè)定在施工期內(nèi)施工組織工作一切正常運行,不發(fā)生任何重大突發(fā)事故(含工程決策不調(diào)整、不改動,所要求的所有器材、物資、設(shè)備均能及時到位)為先決條件。最要害的一點是:要研制和開發(fā)一種專門為洞內(nèi)拼裝TBM零部件成整體機的新型圓形拼裝機械手,以用于拼裝作業(yè)可以在洞內(nèi)快速、有序進行。在前期規(guī)劃與勘察、審批、籌款、投融資、設(shè)備購置、有關(guān)各方會簽和現(xiàn)場“三通一平”等各個環(huán)節(jié),按需要耗時8~12年作最樂觀的估計,則可利用這一期間,以進行地勘名義同步施工服務(wù)隧道作為探洞,并為主隧道開挖提供“長洞短打”的客觀條件。這樣,如能兩岸各先完成2個服務(wù)隧道的開挖區(qū)段(2段×30km/段=60km/頭),以形成左右主隧道各有10個開挖作業(yè)面的前提下,可做到主洞10個作業(yè)面同時平行開挖作業(yè)。在主洞完成5個區(qū)段貫通并襯砌成洞的年限內(nèi),其中需包括TBM的洞內(nèi)組裝、維修、刀具刀盤更換、大修和拆換零部件等,在這些不得已的間歇期間,將以鉆爆法作輔助手段而不停工歇業(yè)等待。4風、水、電和鋪軌作業(yè)的同步運行如上所述,如預期從2020年規(guī)劃籌建時刻起,大體將歷時30年,要抓緊土建及后續(xù)配套的風、水、電和鋪軌作業(yè),使能同步竣工。這樣,將在2050年實現(xiàn)通車。屆時,按國家遠景發(fā)