中國大陸典型水下隧道工程案例與技術(shù) - 副本

一、引言中國陸地海岸線長達1.8×104

km，海島海岸線長達1.4×104

km，擁有島嶼約6萬多個，面積超過500m2的島嶼有6536個，其中有人居住的455個。眾多海灣和海峽的交通現(xiàn)狀造成了區(qū)域整體經(jīng)濟發(fā)展不協(xié)調(diào)和成本加大；另外內(nèi)陸江河發(fā)達，較大的河流有28條，兩岸交通的不便利對城鎮(zhèn)化發(fā)展空間造成了很大的影響；隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，克服江河湖海等天然水道對經(jīng)濟發(fā)展的制約已具有舉足輕重的影響。因此各種各樣的跨海通道建設成為必然，而我國面對人多地少的自然條件，在跨江越海通道建設中水下隧道具有較大的優(yōu)越性。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外近百年來已建的跨江越海交通隧道已逾百座。二、中國大陸水下隧道建設簡史與現(xiàn)狀（一）盾構(gòu)法修建水下隧道1965年5月大陸第一條越江隧道——跨越黃浦江的打浦路隧道開始修建，全長2761m，隧道江底段長約600m，于1971年6月建成通車（圖1）。自此以后，我國修建了大量的跨江越海盾構(gòu)隧道，包括地鐵、鐵路、公路、引水隧道和輸送油、氣、電的管廊隧道，隧道直徑范圍為2.4～15.2m，如當時世界直徑最大的上海公路與地鐵共用的上海長江隧道，時速350km連接廣州、深圳、香港高速鐵路的獅子洋隧道。這些隧道大部分為雙洞隧道（單層或雙層），但也有單洞雙層公路隧道（上海上中路隧道）。隧道所穿越的典型地層有華東的軟土地層、成都和蘭州的卵石地層、華南的強度差異大且強度高的復合地層等代表性的地層。目前建設中的汕頭蘇埃通道是挑戰(zhàn)性極大的盾構(gòu)海底隧道。圖1上海打浦路隧道

（二）沉管法修建水下隧道寧波甬江水下隧道是我國第一條用沉管法修建的水下交通隧道，設計為單孔雙車道隧道，隧道全長1019m，其中水下段420m采用“4×85m+80m”、寬11.9m的5節(jié)沉管，于1987年6月正式動工，1995年9月底建成通車。與此同期，于1990年10月開始修建廣州珠江沉管隧道，1993年12月建成，該隧道全長1380m、寬33.4m，沉管段5節(jié)總長457m，隧道分三孔，西側(cè)兩孔為雙向四車道隧道，東側(cè)為單孔雙線地鐵隧道。管節(jié)均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大部分采用岸控式浮運沉放、水力壓接方式（圖2）。之后修建了上海外環(huán)路隧道等11座沉管隧道（表1）。

（三）鉆爆法修建水下隧道廈門翔安隧道是我國首座采用鉆爆法施工的海底隧道，工程于2005年9月開工建設，2009年11月實現(xiàn)三條隧道全面貫通，2010年4月26日開通運營（圖3）。之后又陸續(xù)采用鉆爆法修建了多座水下隧道（表2）。圖2岸控式管節(jié)浮運圖3廈門翔安隧道

表1中國大陸沉管隧道一覽表

表2中國大陸采用鉆爆法修建的水下隧道一覽表

（四）我國水下隧道修建技術(shù)近十多年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提升，我國水下隧道的建設速度不斷提升，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已建成上百座水下隧道，在建水下隧道20多座，這些隧道主要是采用盾構(gòu)法工法，采用沉管法修建了13座，采用鉆爆法修建的僅有3座，個別采用了“鉆爆法+盾構(gòu)法”修建，在關(guān)鍵技術(shù)上有新的突破。（1）在鉆爆法隧道方面，開發(fā)了綜合超前地質(zhì)預報技術(shù)，創(chuàng)新了超前加固和徑向降滲注漿技術(shù)，解決了水下隧道穿越斷層破碎帶、風化深槽等難題，確保了施工安全。在城區(qū)水下軟弱圍巖下，創(chuàng)建了基于工程措施下的最小埋深確定方法，建立了分步控制變形標準，成功建成了跨度達25m、斷面面積為376m2、覆跨比僅為0.46的水下立交隧道。（2）在盾構(gòu)法方面，突破了直徑15m以上的盾構(gòu)制造與應用技術(shù)，在大斷面軟硬不均地層、花崗巖球狀風化地層、大卵石地層、高水壓（0.9MPa）等盾構(gòu)隧道難題，開發(fā)了限排減壓換刀技術(shù)與盾構(gòu)對接技術(shù)，創(chuàng)新了盾構(gòu)常壓換刀技術(shù)。（3）在沉管法隧道方面，開發(fā)了移動干塢管節(jié)預制和浮運、沉放技術(shù)，建立了海上大型人工島構(gòu)筑技術(shù)，創(chuàng)新了海中深埋、長大沉管隧道修建技術(shù)，在高水位差、大流速的江河中游修建了大型沉管隧道。三、已建成的幾座典型水下隧道

（一）廈門翔安海底隧道廈門翔安海底隧道全長6.05km，其中海域段4.2km，設計為雙向六車道隧道。隧道建成后，廈門本島到翔安區(qū)的時間由原來的1.5h縮短到10min。廈門翔安海底隧道在橫斷面上由兩個主隧道及一個服務隧道組成，兩側(cè)為正線隧道，開挖面積達170m2；中部為服務隧道，其上部為檢修車通道、逃生通道，下部為市政管廊。廈門翔安隧道為了解決運營通風問題，在近海岸處設兩座通風豎井，其通風豎井布置見圖4。為解決救災問題，全隧共設置12個橫向聯(lián)絡通道。隧道線路所處的最大海水深度為26.2m，海中最小覆土厚28.4m，隧道最低點位于海平面下約65m。圖4廈門翔安海底隧道平面、通風豎井布置與隧道開挖方法圖隧道主要處于微風化巖中，但兩岸全強風化層、翔安側(cè)淺灘段部分下穿透水砂層、海域段多處全強風化深槽（囊）對工程建設影響很大（圖5）。針對此情況，在岸灘采用洞內(nèi)洞外結(jié)合的降水方法，在海底采用超前地質(zhì)預報（圖6）、周邊超前注漿堵水與加固、超前支護等技術(shù)手段，以“周邊帷幕注漿”“上臺階注漿”取代“全斷面帷幕注漿”，使得注漿加固范圍大為縮小，并利用改進的裝備顯著地提高了施工效率。圖5廈門翔安隧道地質(zhì)斷面圖圖6地質(zhì)超前預報方法及超前注漿處理

（二）長沙湘江營盤路隧道長沙湘江營盤路隧道主線為雙向四車道，主線西起咸嘉湖路，東接營盤路，全長2850m，設計時速為50km。西岸設A、B匝道，東岸設C、D匝道，匝道為單車道，設計時速為40km，總長2752.4m，采用鉆爆法施工，其平面布置見圖7。營盤路隧道穿越的地層主要有圓礫層、全強風化板巖、回填新土，地層透水性強、自穩(wěn)能力差，開挖易坍塌涌水。在江底分別穿越3條斷層破碎帶。見圖7。在營盤路隧道上部為淤泥層、圓礫層、全強風化板巖的條件下，建立了基于工程措施下的最小埋深設計方法，制定變形分步控制標準，并采用“管超前、分步開挖、雙層協(xié)調(diào)支護”的技術(shù)手段，保證了隧道整體穩(wěn)定性，成功建成了斷面跨度25m、面積達376m2、覆跨比僅為0.46的超淺埋水下隧道。在圓礫層中的四洞立交節(jié)點上采用淺埋全暗挖法，采用“先下后上，錯開施工、超前支護、分步實施、及時襯砌”的方法，解決了上下層隧道凈厚不足0.5m、水平凈距2.8m的復雜技術(shù)難題。地下立交的方式很好地解決了湘江兩岸城市道路的連接問題，達到了工程與功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。圖7長沙湘江營盤路隧道平面與縱斷面圖

（三）廣深港高速鐵路獅子洋隧道獅子洋隧道位于廣州—深圳—香港（廣深港）高速鐵路客運專線東涌站—虎門站區(qū)間內(nèi)，隧道全長10.8km，其中盾構(gòu)隧道長9340m，隧道內(nèi)徑為9.8m、外徑為10.8m，兩隧間共設23個聯(lián)絡通道。獅子洋隧道是世界首座時速350km的鐵路水下隧道，也是我國首座特長水下隧道。獅子洋隧道盾構(gòu)段下穿小虎瀝、沙仔瀝、獅子洋三個珠江入海水道，獅子洋水道為珠江航運的主航道，最大水深26m。隧道最大覆土52.3m，最小覆土厚7.8m；水下最小覆土8.7m，設計水壓達0.67MPa。獅子洋隧道大部分處于微風化砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖中，巖石的最大單軸抗壓強度達82.8MPa，石英含量最高達55.2%。地層最大滲透系數(shù)達6.4×10–4

m·s–1。獅子洋隧道地質(zhì)斷面見圖8。圖8獅子洋隧道地質(zhì)斷面圖在該隧道建設中，首創(chuàng)了減壓限排換刀技術(shù)，在滲透性較大的破碎地層中，按照流固耦合理論，通過密閉艙內(nèi)排水減壓，從而建立了較低氣壓穩(wěn)定工作面進倉作業(yè)的方法。該技術(shù)在獅子洋隧道施工中取得了明顯效果，減壓率達到了34.4%。隧道施工采用“相向掘進、地中對接、洞內(nèi)解體”的施工技術(shù)，對接精度達到了平面偏差28.5mm、高程偏差19.6mm，圖9為實際對接效果圖。圖9實際對接效果（四）臺山核電取水隧洞臺山核電站取水隧洞位于陸域腰古咀至大襟島之間的海域中，隧洞全長4330.6m，開挖洞徑為9.03m，隧洞埋深10～29m，兩洞線間距為29.2m，采用氣墊式泥水盾構(gòu)施工，隧道管片內(nèi)設置了二次襯砌。取水隧洞出水段穿越燕山期花崗巖(γ5)地層，進水段穿越泥盆系老虎頭組(D2-3l)粉砂巖、變質(zhì)砂巖，其他地段為粗礫砂與礫砂質(zhì)黏土；工程施工最大難點為微風化花崗巖強度最高達到197MPa，局部還存在球狀風化花崗巖孤石，見圖10。圖10臺山核電取水隧洞工程示意圖及球狀花崗巖孤石

為解決上述難題，利用實時動態(tài)（RTK）系統(tǒng)，采取高頻高密度地震波，密點距多通道（CDP）疊加技術(shù)進行物探，開發(fā)了基巖突起與孤石海底精確探測技術(shù)，準確定位了基巖頂面和孤石位置；并創(chuàng)立了“海底定層位、定長度的碎裂爆破技術(shù)”。施工中對于高強度基巖采用了“水下地中爆破”，通過對爆破后基巖取芯發(fā)現(xiàn)：芯樣大多數(shù)在30cm以下，只有極少的部分為30～55cm。這些技術(shù)的運用使得約200m長的基巖段盾構(gòu)掘進非常順利（圖11）。圖11基巖頂面、孤石準確定位三維圖與完整基巖爆破后的取芯圖四、在建的典型水下隧道（一）佛莞城際鐵路獅子洋隧道佛山—東莞（佛莞）城際鐵路獅子洋隧道是珠三角城際東西主軸線的重要控制性工程，是繼廣深港高鐵獅子洋隧道之后修建的第二條下穿獅子洋的水下盾構(gòu)隧道。隧道全長6.15km，水域?qū)挾燃s1.8km，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)獨頭掘進距離為4.9km（圖12）。本工程最大的特點是水壓大且在長距離軟硬不均的地層中掘進，其設計水壓達0.9MPa，且在同一斷面內(nèi)軟硬強度差異達84.6MPa，對盾構(gòu)掘進與刀具更換帶來了極大的難度，為此采用了全斷面常壓滾刀更換技術(shù)。在施工過程中，為防止刀盤中心4.8m直徑范圍無開口而形成泥餅，建立了一套掘進速度、地層特性和中心沖刷流量的關(guān)系。為防止常壓刀盤下，渣土須經(jīng)歷長達3.97m距離才能進入吸漿口從而形成的堵塞與滯排問題，建立了一整套掘進控制技術(shù)，為我國超大埋深的水下盾構(gòu)隧道修建奠定技術(shù)基礎(chǔ)。圖12隧道縱斷面（二）汕頭蘇埃海底隧道蘇埃隧道工程是廣東省汕頭市干線公路網(wǎng)規(guī)劃縱線國道G324的復線，按Ⅰ級公路雙向6車道設計，兼具城市道路功能，主線設計行車速度60km·h–1。工程線路全長6.68km，其中，隧道長5.3km，盾構(gòu)段長3047.5m，盾構(gòu)隧道外徑為14.5m，隧道平面布置見圖13。該隧道是國內(nèi)首座位于8度地震烈度區(qū)的海底隧道，穿越極軟土、孤石和隧道斷面內(nèi)上部為海相淤泥質(zhì)土和強度超過216MPa的花崗巖等各類挑戰(zhàn)性地層。隧道設計創(chuàng)新性地應用抗震、減震和隔震等綜合性措施（圖14），如采用可適應較大變形的節(jié)點結(jié)構(gòu)，達到集中消能；采用具有較強的壓縮變形能力的同步注漿材料，起到一定的隔震作用。針對局部突起的強度大基巖，且隧道斷面上半部為極軟的砂黏土，為了解決掘進中破巖刀具會過載造成異常破壞的難題，開發(fā)了可以跟蹤刀具受力和運行狀態(tài)的技術(shù)。蘇埃隧道工程的地質(zhì)復雜程度、施工難度和風險在國際同類型項目中為最高，具有獨特的技術(shù)難度，本工程的建設將為國內(nèi)大直徑過海盾構(gòu)施工后續(xù)工程提供參考和借鑒。圖13隧道布置

圖14隧道縱斷面及消能減震節(jié)點布置（三）港珠澳通道沉管隧道香港—珠?！拈T（港珠澳）跨海通道主體工程長約29.6km，采用橋隧結(jié)合方案，其中穿越伶仃西航道和銅鼓航道段約6.7km采用雙向6車道的沉管隧道方案，隧道兩端各設置一個海中人工島，其余路段約22.9km采用橋梁方案。該隧道是我國首次在海中央修建的沉管隧道，也是目前世界上最長的、埋深最大的沉管隧道，海底沉管要安放到海床下45m的深度。港珠澳通道沉管隧道的平面、筑島圍堰、管節(jié)浮運圖見圖15。在該隧道的建設中，創(chuàng)新了海上大型人工島嶼建造技術(shù)、近入海口深基槽管節(jié)沉放的回淤控制與處理技術(shù)、180m長鋼筋混凝土管節(jié)工廠化預制技術(shù)、重80000t的長管段浮運技術(shù)，同時自主開發(fā)了海上沉管隧道施工大型裝備，推動了我國沉管隧道的技術(shù)進步。2017年5月25日，港珠澳大橋沉管隧道最終接頭與兩端的E29、E30沉管焊接合龍完成，這標志著港珠澳大橋6.7km長的沉管隧道永久結(jié)構(gòu)貫通，取得了決定性的成果。圖15港珠澳通道沉管隧道的平面、筑島圍堰、管節(jié)浮運圖五、關(guān)于三大海峽通道的思考瓊州海峽和渤海海峽是從黑龍江到海南島，經(jīng)11省市，全長5700km的中國東部鐵路、公路交通大動脈的咽喉，臺灣海峽是大陸與臺灣島相連的重要通道，這三大通道的建設對我國具有重要戰(zhàn)略意義。（一）瓊州海峽通道瓊州海峽最小寬度為18.3km，海水深度為20～117m，海床下200m范圍內(nèi)的地層主要為第三、第四系黏土、粉土和砂層、砂礫層。根據(jù)前期選擇的東、中、西線方案研究，中線隧道方案被認為是最優(yōu)方案，且可采用盾構(gòu)法施工?？紤]到海南島的生態(tài)環(huán)境，不宜大量地引入汽車自由穿行海峽，通道應以客貨兩用鐵路隧道方式來建設，部分汽車進出島可像英法海峽通道一樣，采用列車背馱汽車穿行海峽。根據(jù)國內(nèi)外目前20km以上運營隧道的經(jīng)驗，鐵路隧道可選擇在橫斷面上只布置雙洞單線隧道（圖16）。該隧道的特點是埋深大、水壓高，因此要采用常壓刀盤盾構(gòu)施工，同時根據(jù)盾構(gòu)設備的性能和壽命，可按照4臺盾構(gòu)機進行“相向掘進、地中對接”的方式組織施工。對接處地層的冷凍處理將會是該工程的技術(shù)難點與重點。圖16雙洞單線鐵路隧道（二）渤海灣海峽通道渤海灣通道為我國陸地上東北進入華東，乃至南下的最方便與快捷的通道，因老山水道為重要的海上航道，不能修建橋梁，且該水道寬達50km，目前建設公路隧道難以解決通風及防災救援問題，因此近期可優(yōu)先考慮修建鐵路通道，但應預留將來修建公路隧道的線位條件。渤海海峽通道地理位置見圖17。渤海灣通道沿線有眾多島嶼，對隧道采用分段施工非常有利，并能解決好施工與運營的通風問題，也有利于組織應急求援。考慮到應急救援與緊急疏散的要求，可按三洞平行布置，中間隧道可布置應急求援通道（圖18）。且隧道在較大埋深的情況下，隧道基本上處