水下隧道的營建方法及關(guān)鍵技術(shù)

1水下隧道的建設(shè)背景及設(shè)備選型比選應(yīng)綜合了2.在河流和湖泊的選擇方法上，主要包括渡輪、橋梁和水下隧道。輪渡方式雖然投資少,但由于其受交通運(yùn)輸量小、等候時間長、氣候影響大等不利因素的限制,與現(xiàn)代城市快節(jié)奏交通運(yùn)輸不相適應(yīng),所以現(xiàn)在選用較少。跨越江河湖海的方式越來越多地在水下隧道與橋梁之間做出選擇。選擇橋梁還是選擇水下隧道,主要應(yīng)依據(jù)航運(yùn)、水文、地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境以及工程成本等具體建設(shè)條件進(jìn)行全面的比較、論證而定[1~5]。經(jīng)論證,水下隧道與橋梁相比有以下優(yōu)勢:(1)具有很強(qiáng)的抵抗戰(zhàn)爭破壞、自然災(zāi)害(如地震)和突發(fā)事件的能力。(2)不侵占航道凈空,不破壞航運(yùn),不干擾岸上航務(wù)設(shè)施,不影響海域生態(tài)環(huán)境,能避免噪聲塵土對周圍環(huán)境的影響,有利于環(huán)境的保護(hù)。(3)不受天氣和氣候變化的影響,有穩(wěn)定暢通的通行能力。(4)具有很強(qiáng)的承載能力,一般無通行車輛載重限制。(5)結(jié)構(gòu)耐久性好,可以做到百年一遇工程,且結(jié)構(gòu)維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用一般比橋梁低很多。(6)在建設(shè)時能做到不拆遷或少拆遷,占地少,不破壞環(huán)境,引線比橋梁短;建設(shè)鋼用量比橋梁少,且只需普通建筑鋼,工程總造價低于橋梁。(7)設(shè)計可以做到一洞多用,可以把城市供水、供電、供氣和通訊等設(shè)施安排在比較安全穩(wěn)定的環(huán)境中。(8)易于和兩端交通接線,形成路網(wǎng)。在市區(qū)修建過江、過海隧道時這一點(diǎn)更為明顯。近20a來,國外有優(yōu)先考慮采用水下隧道作為跨越江河湖海方式的趨勢。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、隧道修建技術(shù)的日臻完善以及人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng),水下隧道也逐漸被國人所接受,并付諸建設(shè)。2中國及其他大陸國家據(jù)不完全統(tǒng)計,國外近百年來已建的跨海和海峽交通隧道已逾百座,其中,挪威所建隧道占大多數(shù)。國外著名的跨海隧道有:(1)日本青函海峽隧道(見圖1);(2)英吉利海峽隧道(見圖2);(3)日本東京灣水下隧道(見圖3);(4)丹麥斯特貝爾海峽隧道;(5)挪威的萊爾多隧道等。這些已建的跨海隧道對中國類似工程建設(shè)具有很好的參考價值。中國建成的水下隧道有很多條,而跨海隧道只有6條,且它們均集中在港澳臺地區(qū),大陸建成的水下隧道均為跨越江域的水下隧道,它們主要集中在上海地區(qū),有多條隧道穿越黃浦江;正在建設(shè)中的水下隧道:中國第一條跨海隧道——廈門翔安海底隧道、膠州灣灣口海底隧道、廣州生物島—大學(xué)城隧道以及獅子洋海底鐵路隧道等。擬建的水下隧道:瓊州海峽跨海工程、渤海灣(大連—蓬萊)跨海工程(含隧道和海中懸浮隧道橋方案)、杭州灣(上海—寧波)外海工程以及大連灣水下隧道和臺灣海峽跨海隧道(實(shí)施尚有待時日)等。表1~3為國內(nèi)外建成、在建、擬建的水下隧道和跨海橋隧結(jié)合工程一覽表。3法律依據(jù)研究水下隧道的主要修建方法[6~8]有以下幾種:圍堤明挖法、鉆爆法、TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)法、盾構(gòu)法、沉管法和懸浮隧道。圍堤明挖法受到地質(zhì)條件限制,且生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,不經(jīng)常采用。而水中懸浮隧道現(xiàn)在還停留在研究階段。到目前,還沒有一項成功實(shí)例。水下隧道施工經(jīng)常使用的方法有鉆爆法、盾構(gòu)法、TBM法和沉管法。3.1鉆爆法技術(shù)特點(diǎn)人們一般把埋置于基巖,用傳統(tǒng)鉆爆法或臂式掘進(jìn)機(jī)開挖隧道的方法稱為鉆爆法(也稱礦山法),這些隧道被稱為深埋隧道或暗挖法隧道。鉆爆法在國外水下隧道施工中的應(yīng)用很多,20世紀(jì)40年代日本修建的關(guān)門海峽水下隧道,是世界最早用鉆爆法修建的水下隧道,之后又用鉆爆法修建了世界聞名的青函海底隧道。作為世界上最長的水下隧道,日本青函海底隧道穿過津輕海峽,全長53.85km,海底段長23.30km,該隧道在水平鉆探,超前注漿加固地層,噴射混凝土等技術(shù)上有巨大發(fā)展,尤其在處理海底涌水技術(shù)方面,獨(dú)具一格,為工程界所津津樂道。挪威已建成的約100km的水下隧道均采用鉆爆法施工,最長一座隧道為4.70km,最大水深達(dá)180m。挪威采用鉆爆法修筑水下隧道的技術(shù)發(fā)展迅速,在應(yīng)對海底不良地質(zhì)段的施工方面,除應(yīng)用注漿法之外,還針對不同地質(zhì)情況和圍巖條件,有的隧道可設(shè)或不設(shè)二次混凝土襯砌。中國目前也在積極修建水下隧道,以緩解交通壓力?；诙嗄晟綆X隧道和城市淺埋暗挖地鐵隧道施工的經(jīng)驗(yàn)以及國外水下隧道成功經(jīng)驗(yàn),目前正在采用鉆爆法和淺埋暗挖法修建廈門東通道翔安水下隧道以及青島—黃島水下隧道,還有些隧道正在商議擬建當(dāng)中。隨著鉆爆技術(shù)的發(fā)展完善,鉆爆法和沉管法、盾構(gòu)法一樣,已經(jīng)成為獨(dú)具特點(diǎn)的修筑水下隧道的一種方法,其技術(shù)難點(diǎn)主要有:(1)通過深水進(jìn)行海底地質(zhì)勘測比在陸地地質(zhì)勘測更困難、造價更高,而且準(zhǔn)確性相對較低,所以遇到未預(yù)測到的不良地質(zhì)情況風(fēng)險更大。因此,在隧道施工時必須進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報。(2)水下隧道施工的主要困難是突然涌水,特別是斷層破碎帶的涌水。因此,必須加強(qiáng)施工期間對不良地質(zhì)體和涌水點(diǎn)的預(yù)測,并采取針對措施提前整治。(3)水下隧道的單口掘進(jìn)長度很大,從而對施工期間的通風(fēng)有更高的要求。(4)很高的孔隙水壓力會降低隧道圍巖的有效應(yīng)力,造成較低的成拱作用,從而影響地層的穩(wěn)定性。(5)水下隧道不能自然排水,堵水技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。先注漿加固圍巖,堵住出水點(diǎn),然后再開挖。在堵水的同時加強(qiáng)機(jī)械排水,以堵為主,堵抽結(jié)合。(6)由于受長期較大的水壓力作用,襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循一次支護(hù)承受全部水壓力,二襯只承受水壓力的設(shè)計理念進(jìn)行。(7)由于單口連續(xù)掘進(jìn)的距離很長而導(dǎo)致工期較長,財政投資很高,因此必須采用快速掘進(jìn)設(shè)備。因此,采用小直徑TBM(直徑小于φ5m)超前支護(hù),后部鉆爆法擴(kuò)大是既快又便宜,且較為安全的施工方法。大斷面TBM掘進(jìn)機(jī)造價貴、風(fēng)險大,不宜采用。3.2海底盾構(gòu)隧道盾構(gòu)施工法是用被稱作盾(shield)的鋼殼在保持掌子面穩(wěn)定的同時進(jìn)行安全掘進(jìn),而后面則裝上管片襯砌組件,利用其反作用力掘進(jìn)的一種隧道施工方法。盾構(gòu)法也是修建水下隧道的一種重要施工方法,尤其是在軟土地層中。自從1843年第一條盾構(gòu)法隧道在倫敦泰晤士河建成以來,盾構(gòu)法隧道的設(shè)計和施工技術(shù)得到了很大發(fā)展,出現(xiàn)了泥水加壓式和土壓平衡式盾構(gòu),襯砌由鑄鐵轉(zhuǎn)向鋼筋混凝土或鋼材組成。用盾構(gòu)法施工的世界著名水下隧道有英吉利海峽隧道和后來日本東京灣水下隧道。中國在20世紀(jì)50年代就開始研究盾構(gòu)法施工,1962年用氣壓盾構(gòu),采用鑄鋼管片+鋼筋混凝土襯砌建成了上海市第一條黃浦江越江道路隧道。目前用盾構(gòu)建造水下隧道的案例很多,如武漢長江第一隧道(見圖4)。表4為國內(nèi)外部分已(在)建成的大直徑盾構(gòu)水下隧道。盾構(gòu)法采用現(xiàn)代化的生產(chǎn)手段,速度快,效率高,工作人員作業(yè)環(huán)境較好,安全保證程度高。但是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)構(gòu)筑的隧道斷面形式和線型受限,靈活度不大,曲線半徑不能太小;機(jī)件復(fù)雜,設(shè)備昂貴,建設(shè)成本中設(shè)備費(fèi)用占用比率較高;對地層地質(zhì)和水文情況敏感度極高,在掘進(jìn)前方不良地質(zhì)、嚴(yán)重水害和障礙物難以探明的情況下,建設(shè)風(fēng)險較大;在隧道掘進(jìn)中途需要更換刀具和整修刀盤,工藝復(fù)雜,操作困難;隧道洞口附近需要有較大的施工整備場地,包括預(yù)制管片的場地,代價較高。另外,水底盾構(gòu)隧道與一般陸地地鐵、市政管線盾構(gòu)隧道相比,有其自身特點(diǎn)有:(1)隧道施工過程中承受較大水壓力、土壓力,盾構(gòu)施工需克服高水壓,尤其是大直徑盾構(gòu)推進(jìn)中需克服頂?shù)讐翰?保持工作面穩(wěn)定,其施工難度較大。(2)隧道出露海底后兩端斜坡段類型復(fù)雜,盾構(gòu)在人工島、海堤或河堤中穿越,且存在軟硬圍巖的交界面,因此縱坡轉(zhuǎn)換和地層突變處盾構(gòu)推進(jìn)難度較大,海底盾構(gòu)隧道設(shè)計包括人工島的結(jié)構(gòu)及功能,并滿足橋隧轉(zhuǎn)換功能和環(huán)保要求。(3)海底盾構(gòu)隧道需要著重考慮隧道抗浮、管片耐久性、防水、抗?jié)B等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計、施工及效果評估。工程經(jīng)驗(yàn)表明,在管片內(nèi)增設(shè)混凝土襯砌對減小運(yùn)營風(fēng)險有好處。目前,中國獅子洋鐵路盾構(gòu)隧道已在管片內(nèi)增設(shè)混凝土襯砌。(4)受航道及海(江、河)口天然口門寬度控制,水下隧道一般較長,盾構(gòu)機(jī)設(shè)計需考慮長距離掘進(jìn)、海底檢修和海中對接等因素;隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計需充分考慮通風(fēng)、照明、消防及防災(zāi)等因素。(5)環(huán)境評價、風(fēng)險性評估也是海底盾構(gòu)隧道建設(shè)的突出特點(diǎn)。3.3沉埋段施工概況沉管法是在海岸邊的干塢里或在大型船臺上將隧道管節(jié)預(yù)制好(見圖5),再浮拖至設(shè)計位置沉放對接而后溝通成隧。沉管隧道一般由敞開段、暗埋段及沉埋段等部分組成,部分工程在沉埋段兩端設(shè)置岸邊豎井,供通風(fēng)、供電和排水等使用。自1910年在美國首次興建沉管隧道以來,長盛不衰。世界各國,特別是美國、荷蘭和日本等幾個國家在沉埋技術(shù)領(lǐng)域有了長足的進(jìn)展。中國建成的有廣州珠江、寧波甬江和常洪以及上海外環(huán)線沉管隧道等。上海外環(huán)線沉管隧道,其規(guī)模位居世界第二位。表5為國內(nèi)外部分沉管隧道的建設(shè)情況。同鉆爆法和盾構(gòu)法修建水下隧道相比,沉管法有以下特點(diǎn):(1)地質(zhì)條件(2)隧道又深又深(3)防水性能(4)受限制(5)職業(yè)環(huán)境(6)連接過程(7)工程(8)干擾運(yùn)輸3.4方法的歷史和現(xiàn)狀懸浮隧道(submergedfloatingtunnel,SFT),在意大利又稱“阿基米德橋”,簡稱“PDA”橋。懸浮隧道是通過水浮力和錨固力的平衡作用使隧道懸浮在適當(dāng)水深位置的管狀結(jié)構(gòu)物,如圖6所示。該方法已經(jīng)有幾十年的研究歷史,遺憾的是截至目前還沒有一項成功案例。懸浮隧道結(jié)構(gòu)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn):(1)對結(jié)構(gòu)物周圍的環(huán)境影響很小。(2)與鉆爆法、盾構(gòu)法、TBM法以及沉管隧道等其他方法修建的隧道相比,懸浮隧道坡度更小,通行車輛的能量消耗大大減少。(3)可以方便鋪設(shè)跨江、海峽的各種供水、電力管線。對于長度超過1000m及水深超過50m的連接工程,采用懸浮隧道比其他解決方案可能更具有競爭力。另外,作為臨時隧道、觀光隧道很有推廣價值。(4)土方開挖量最小,如果懸索錨固技術(shù)突破的話,懸浮隧道將成為修建成本最低的隧道,但需要考慮運(yùn)營中安全風(fēng)險問題,如大型動物襲擊等。4隧道工程、施工要點(diǎn)分析和關(guān)鍵技術(shù)4.1海水滲襯的特點(diǎn)(1)深水海洋地質(zhì)勘察的難度高、投入大,漏勘與情況失真的風(fēng)險程度增大。(2)飽和巖體強(qiáng)度軟化,其有效應(yīng)力降低,使圍巖穩(wěn)定條件惡化。(3)高滲透性巖體施工開挖所引發(fā)涌/突水(泥)的可能性大,且多數(shù)與海水有直接水力聯(lián)系,達(dá)到較高精度的施工探水和治水等均較為困難。(4)海上施工豎井布設(shè)難度高,致使堵頭單口掘進(jìn)的長度加大,施工技術(shù)難度增加。(5)全水壓襯砌與限壓/限裂襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求高。(6)受海水長期浸泡、腐蝕,高性能、高抗?jié)B襯砌混凝土配制工藝與結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和耐久性,以及洞內(nèi)裝修與機(jī)電設(shè)施的防潮去濕要求嚴(yán)格。(7)長(大)水下隧道的運(yùn)營通風(fēng)、防災(zāi)救援和交通監(jiān)控,需有周密設(shè)計與技術(shù)保障措施。(8)水下隧道是一項高風(fēng)險的地下工程,存在較高的風(fēng)險源,而同時缺乏系統(tǒng)的風(fēng)險評估方法,為水下隧道施工風(fēng)險管理帶來很大的困難。4.2地下通道的設(shè)計和施工技術(shù)(1)道深度幾何時修建水下隧道時,在深水和厚覆蓋層下有計劃地鉆探到隧道深度比較困難,有時根本是不可能的。采用其他的地質(zhì)勘探方法(如物探、地面抽樣勘探和深海測量法等)目前都不可能給出隧道線路上詳細(xì)的地質(zhì)剖面[10~13]。(2)覆蓋層厚度跨海線路走向方案大致確定后,在隧道縱剖面設(shè)計時對隧道上方巖體最小覆蓋層厚度,也即隧道最小埋深的擬選,密切關(guān)系到隧道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)和安全問題。覆蓋層厚度過薄,隧道施工作業(yè)面局部或整體性失穩(wěn)與涌、突水患的險情加大,在輔助工法(如注漿封堵、各種預(yù)支護(hù)及預(yù)加固等)上的投入將急劇增加。覆蓋層過厚,水下隧道長度加大,作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的水頭壓力增大。如何確定最優(yōu)的覆蓋層厚度是設(shè)計、施工的關(guān)鍵。對遠(yuǎn)離城市長距離過海隧道的埋深,從減少不可控的工程地質(zhì)出發(fā),應(yīng)深埋(>50m)在未風(fēng)化的巖石內(nèi)。(3)管片襯砌的影響水下隧道設(shè)計的另一個重要問題是襯砌設(shè)計時要考慮靜水荷載。與陸地隧道相比,水下隧道除了實(shí)際的覆蓋層以外還有很高的靜水荷載。隧道掘進(jìn)機(jī)實(shí)際上只能采取預(yù)制的管片襯砌,對很深的水下隧道(如青函海底隧道、直布羅陀水下隧道)會產(chǎn)生很高的靜水壓力,襯砌上的荷載會很大。盡管這種荷載是均勻的,并且不會引起彎矩,但最終產(chǎn)生的軸向力可能要求采用的混凝土管片厚度大于600mm。在很長的水下隧道中,龐大而笨重的管片運(yùn)輸與裝卸非常麻煩。因此,盡可能降低管片上的靜水壓力是非常重要的。近期,從百年一遇的設(shè)計考慮,采用增設(shè)二次鋼筋混凝土襯砌是安全、可靠的方案。(4)地質(zhì)情況預(yù)報由于地質(zhì)勘探資料的不足,水下隧道施工中,需通過各種地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)預(yù)報前方的地質(zhì)情況,以便指導(dǎo)設(shè)計和施工,并及時調(diào)整隧道設(shè)計施工方案。其中施工探水與治水是水下隧道施工的重要環(huán)節(jié),是關(guān)系到工程建設(shè)成敗的主要因素之一。(5)高堿性混凝土材料海底隧道鋼筋混凝土襯砌長期受到含鹽水質(zhì)、生物、礦物質(zhì)及高水壓力等的持續(xù)作用,錨桿、噴層、防水薄膜和高堿性混凝土與鋼筋等材料因物化損傷的積累與演化(腐蝕)而影響其耐久性。采用加入少量粉煤灰和礦粉等防腐劑的耐腐蝕高性能海工合成纖維混凝土、少設(shè)鋼筋并保證鋼筋保護(hù)層厚度不小于7cm等方案可滿足海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性要求。(6)大水下隧道方案比選在長大水下隧道的建設(shè)中,通風(fēng)方案的優(yōu)劣及通風(fēng)運(yùn)營效果的好壞,將直接關(guān)系到隧道的工程造價、運(yùn)營環(huán)境、救災(zāi)功能及運(yùn)營效益。長大水下隧道宜采取雙洞單向方案,以利于施工和運(yùn)營通風(fēng)。另外,長大水下隧道通風(fēng)方案宜采取縱向通風(fēng)方案,盡管該方案在隧道內(nèi)的衛(wèi)生狀況保持和防排煙效果方面不如橫向通風(fēng)方案好,可是縱向通風(fēng)土建工程量小,設(shè)備運(yùn)營費(fèi)用低,布置方式靈活多樣,且對長大水下隧道可采取分段縱向通風(fēng)方案,必要時可以增設(shè)靜電除塵器以改善通風(fēng)效果。(7)開敞式tbm硬巖掘進(jìn)機(jī)一般來講,在圍巖條件較好時,修建長大水下隧道的最佳方式趨向于采用鉆爆法施工。但有時在圍巖足以承受撐靴壓力的硬巖中可采用硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)施工,它有較高的掘進(jìn)速度,可縮短工期。在掘進(jìn)機(jī)的選擇上應(yīng)優(yōu)先選用開敞式(TBM)硬巖掘進(jìn)機(jī)(見圖7),不宜采用雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)(見圖8)和單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)。雖然雙護(hù)盾式TBM有圓筒形護(hù)盾保護(hù)結(jié)構(gòu),可在掘進(jìn)同時進(jìn)行了管片的安裝,但是它適用的地層是相對穩(wěn)定、巖石抗壓強(qiáng)度適中、地下水不太豐富的條件,護(hù)盾式TBM的高速掘進(jìn)記錄也大都在這類地質(zhì)中創(chuàng)造的。當(dāng)它通過地應(yīng)力變化大、破碎以及塊狀圍巖時,如不能及迅速通過,則護(hù)盾有被卡住的危險。采用雙護(hù)盾施工時,由于施工經(jīng)驗(yàn)及對護(hù)盾姿態(tài)控制等原因,會產(chǎn)生盾尾管片拼裝空隙不足,從而引起管片錯臺、管片裂縫,嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致隧道軸線偏離,應(yīng)引起注意。此外追求掘進(jìn)速度而忽視管片背后吹注豆礫石、灌漿,也會帶來嚴(yán)重的質(zhì)量事故。開敞式(TBM)硬巖掘進(jìn)機(jī)具有以下特點(diǎn):①長度/直徑≤1、靈敏度高,易于調(diào)整方向,且精確度高(可在±30mm內(nèi))。而雙護(hù)盾、單護(hù)盾TBM則靈敏度較低,很難精確快速調(diào)整到位。②能夠及時對不良地層進(jìn)行支護(hù),時空效應(yīng)好,不易塌方。而雙護(hù)盾、單護(hù)盾TBM由于后盾較長,不易及時支護(hù),易塌方,易卡死,如臺灣坪林隧道就出現(xiàn)了護(hù)盾被卡的問題。③工程造價相對于護(hù)盾TBM較低,前者約為后者的0.7倍。敞開式TBM在對付較完整、有一定自穩(wěn)性的圍巖時,能充分發(fā)揮出優(yōu)勢,特別是在硬~中硬巖石掘進(jìn)中,強(qiáng)大的支撐系統(tǒng)為刀盤提供了足夠的推力;使用敞開式TBM施工可以直接觀測到被開挖的巖面,從而方便對已開挖的隧道進(jìn)行地質(zhì)描述。由于開挖和支護(hù)分開進(jìn)行,使敞開式TBM刀盤附近有足夠的空間用來安裝一些臨時、初期支護(hù)的設(shè)備,如鋼拱架安裝器、錨桿鉆機(jī)、超前鉆機(jī)及噴射混凝土設(shè)備等,應(yīng)用新奧法原理使這些輔助設(shè)備可及時地、有效地對不穩(wěn)定圍巖進(jìn)行支護(hù)。以維護(hù)和利用圍巖的自穩(wěn)能力為基點(diǎn),將錨桿和噴射混凝土集合在一起為主要支護(hù)手段,及時進(jìn)行支護(hù),以便控制圍巖的變形與松弛,使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分,形成了以錨桿、噴射混凝土和隧道圍巖三位一體的承載結(jié)構(gòu),共同支承山體壓力。由于任何隧道的地質(zhì)狀況、圍巖性質(zhì)都存在不一致性、以及不對應(yīng)性,因此選擇開敞式掘進(jìn)機(jī)除發(fā)揮出其所具備的硬巖掘進(jìn)性能外,還應(yīng)具備在不借助其他手段和措施的條件下,有通過軟弱圍巖、斷層等不良地質(zhì)的能力,并獨(dú)立地完成不良地質(zhì)隧道的掘進(jìn)。敞開式TBM既適用于硬巖,也很適用于軟巖地層,已在大伙房供水工地87km長的隧道中推廣應(yīng)用。另外,在軟弱不穩(wěn)定地層中,由撐靴引起的局部應(yīng)力可能造成巖層松弛而使圍巖強(qiáng)度降低時,多采用泥水式盾構(gòu)機(jī)施工。(8)安全防范技術(shù)超大型盾構(gòu)機(jī)長距離掘進(jìn)設(shè)計施工存在的問題有:①飽水松散砂性地層、高水壓力條件下,大斷面隧道淺層掘進(jìn),泥水加壓超大型盾構(gòu)開挖作業(yè)面的穩(wěn)定與安全性問題。②長距離掘進(jìn)中,盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)姿態(tài)的控制與自動化糾偏,以及行進(jìn)中在高壓條件下的刀盤檢修,刀具更換,故障處理與排險。③隧道縱向不均勻沉降和整體側(cè)移、超大型管片接頭剛度不足導(dǎo)致環(huán)向彎曲變形過大,防范管片縱縫、環(huán)縫滲漏水/泥的接頭防水密封材料、工藝及其構(gòu)造,以及管片自防水工藝等。這些施工風(fēng)險很大,另外大直徑(>12m)盾構(gòu)機(jī)造價很貴,要慎用、少用。(9)基巖結(jié)構(gòu)施工深水急流海底沉管隧道應(yīng)注意:①水深流急、波高浪涌,海中自然條件惡劣,海底挖溝成槽施工中的防塌和防淤問題,尤其是海底為砂性土質(zhì)時。②沉管隧道受河床沖刷的頂板最小埋置深度,及對局部沖刷防護(hù)的設(shè)計與施工。③沉管隧道與橋梁相接時,需要設(shè)置人工島,在技術(shù)和造價上是不推薦的,即沉管隧道與橋梁相接方案不可取。5兩岸專家、專家傾向選擇的方案為了溝通海峽兩岸,加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)、文化聯(lián)系,方便老百姓,修建海底隧道十分必要。臺灣海峽隧道工程線路有3個方案(見圖9):(1)北線方案:福清—平潭島—新竹,長約122km。(2)中線方案:莆田笏石—南日島—苗栗,長約128km。(3)南線方案:廈門—金門—澎湖—嘉義,長約174km。對上述3個方案的優(yōu)化、比選,海峽兩岸專家及技術(shù)人員做了大量工作。目前看來,大陸專家傾向于選擇北線方案,原因是這條通道路程最短,海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)有斷裂帶,且水深較淺,為40~60m,工程造價最低。另外,北線方案兩端分別靠近福建和臺灣兩省的政治經(jīng)濟(jì)文化中心福州市和臺北市,可以最大限度發(fā)揮其輻射作用,提升海峽隧道的價值。臺灣專家考慮到海床較淺及經(jīng)濟(jì)效益等因素,傾向選擇南線方案,此線路涵蓋澎湖、金門,串連臺灣及離島地區(qū),對整體經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)較大。該方案須采用分階段建造方式,選用隧道群或橋隧結(jié)合方案。無論是哪個方案,海峽隧道一旦開工,將成為世界級特大工程。3個方案從技術(shù)上講都是沒問題的,關(guān)鍵是政治問題,因?yàn)橹两駜砂墩块T還沒有對海峽隧道工程建設(shè)做出實(shí)質(zhì)性的表態(tài),整個設(shè)想仍停留在民間學(xué)術(shù)交流上。另外,籌集巨額資金也是一個難題,是否借鑒歐洲隧道的做法,采用建設(shè)—經(jīng)營—轉(zhuǎn)讓(BOT)方式,發(fā)行股票,向國際金融市場籌資等,都需要做深入的研究。5.1世界海底公路隧道當(dāng)今世界上已修建了許多海峽隧道,正在籌建的也很多,下面重點(diǎn)介紹已建的6座長大隧道:(1)1940年,日本在關(guān)門海峽用盾構(gòu)法修建世界上最早的海峽鐵路隧道,長3.6km。(2)1975年,日本利用鉆爆法在關(guān)門建成了長18.7km的第二座海峽鐵路隧道。(3)1988年,日本在津輕海峽用鉆爆法建成了至今世界上最長的海峽隧道——青函海底隧道,長54km,是臺灣海峽隧道的一半。(4)1994年,英法兩國用盾構(gòu)法和TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)法建成了英法海底鐵路隧道,長50.5km,是世界第二長海底鐵路隧道。(5)1991年,丹麥修建斯多貝爾海峽公路隧道,長7.9km,其中盾構(gòu)法施工長7.26km,盾構(gòu)直徑φ8.782m,管片厚0.4m,海峽工程總長18km,總造價約40億美元。修建過程中曾被水淹,工期拖的很長。(6)1986年,日本東京京灣海底公路隧道開工建設(shè),1996年8月建成,工期為10a,工程全長15.1km,其中海底盾構(gòu)隧道長9.12km,是世界上最長的海底公路隧道。8臺泥水加壓盾構(gòu),直徑φ14.14m,雙向6車道,一次襯砌管片厚65cm,二次襯砌鋼筋混凝土厚35cm。根據(jù)運(yùn)營通風(fēng)需要在海中筑島修建通風(fēng)豎井,造價相當(dāng)高,技術(shù)難度大。不宜采用。修建隧道的工程實(shí)例證明,隧道長度大于20km的應(yīng)用鐵路隧道方案,電力牽引,這樣可長距離不設(shè)通風(fēng)豎井、運(yùn)營安全、風(fēng)險小、運(yùn)營費(fèi)低,且汽車可以坐火車跨越海峽。5.2出渣運(yùn)輸(1)長大隧道宜采用雙洞單向方案,以利于隧道施工和運(yùn)營通風(fēng),且施工通風(fēng)宜采用巷道式射流方式。(2)出渣運(yùn)輸采用大容量電力機(jī)車牽引,也可采用皮帶機(jī)輸送。(3)隧道有效內(nèi)凈空面積,根據(jù)空氣動力學(xué)原理,單線隧道斷面宜大于55m2,同時為減小列車高速行駛造成洞內(nèi)列車空氣阻力過大,列車運(yùn)營速度以200km/h左右為宜。5.3隧道結(jié)構(gòu)及與隧道健康布局分析與橋梁等地面結(jié)構(gòu)相比,隧道等地下結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗震性能,四川汶川8.0級地震中隧道結(jié)構(gòu)基本安全無恙再次說明了這一點(diǎn)。但是長大隧道洞口段、主隧道–橫向疏散通道交叉口部位,地面通風(fēng)井結(jié)構(gòu)及其與隧道連接處是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié),這些地段的抗震設(shè)計需要加強(qiáng)。另外,由于臺灣海峽隧道屬于世界罕見的長大隧道,且不可避免地穿越地震帶,因此對長大隧道的抗震性還需做專門的論證分析,并采取必要措施增強(qiáng)海峽隧道的抗震性能,尤其隧道處于可液化地層地段、穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)體地段更應(yīng)強(qiáng)化抗震設(shè)計。據(jù)相關(guān)資料記載,北線方案線路歷史上未有超過7級的大地震,現(xiàn)今地震活動性一般,僅5級左右中等地震,頻度較低;中線方案線路歷史上雖無超過7級大地震,但一般有5,6級中強(qiáng)地震,現(xiàn)今地震頻度略高;南線方案長度長,多發(fā)5,6級中強(qiáng)地震。5.4主洞結(jié)構(gòu)及最小埋深(1)從海底隧道的長度來看,日本是率先建成和建的最長、最多的國家,其次是挪威、丹麥等國。另外,國與國、洲與洲之間的海底隧道也正在籌建。鉆爆法施工的隧道占90%以上,如挪威17條全部采用該法施工。鉆爆法最便宜,安全風(fēng)險易控制;其次為TBM和盾構(gòu)法;沉管法在特殊情況下采用,因?yàn)槠涔こ淘靸r最高。(2)水下隧道襯砌最好采用復(fù)合式襯砌;其次為管片+二次鋼筋混凝土;單層管片襯砌不利于百年以上的服務(wù)年限/壽命。(3)青函海底隧道設(shè)置超前疏水導(dǎo)洞,提前排水有利于主洞施工。(4)水下隧道最小埋深與水文地質(zhì)、施工方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。一般盾構(gòu)法、TBM法和鉆爆法洞頂埋深分別為1.0D,(1.5~2.0)D,(2.0~3.0)D。臺灣海峽隧道采用深埋方案風(fēng)險最小。(5)臺灣海峽隧道穿越硬巖,采用掘進(jìn)機(jī)施工時,宜采用全斷面開敞式掘進(jìn)機(jī),不宜采用雙護(hù)盾和單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)。中間斷層、軟弱地帶、橫通道采用鉆爆法施工。(6)沉管法不適于特長隧道(大于6km)、不適于硬巖地層、更不適于臺灣海峽隧道。(7)在軟弱、不穩(wěn)定地層如無巖石、穿越軟弱地層達(dá)34km長的瓊州海峽隧道宜采用土壓平衡復(fù)合式盾構(gòu)法施工,且盾構(gòu)直徑不宜超過φ12m。6更新概念和關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)6.1隧道方案比選、安全風(fēng)險最小從源頭治理風(fēng)險隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng),以及從經(jīng)濟(jì)角度和減少設(shè)計、施工與今后運(yùn)營的安全風(fēng)險出發(fā),修建隧道跨越江河湖海的方式將越來越為人們所接受,然而修建一個大型水下隧道工程,一些理念需要更新:(1)審核一個工程修建的好壞應(yīng)遵守環(huán)境效益第一、社會效益第二、工程本身效益第三的次序進(jìn)行評定,確保建一個工程就給人民和后代留下精品遺產(chǎn),不要留下讓人唾罵的遺憾工程。(2)修建任何工程應(yīng)遵守少拆遷、少占地、少擾民、少破壞周邊環(huán)境的原則。(3)過江、過海隧道方案,應(yīng)滿足交通宜疏不宜集的原則,應(yīng)方便乘客多地點(diǎn)過江,應(yīng)安全可靠。(4)過江、過海的方案應(yīng)遵守確保建設(shè)全過程的安全風(fēng)險最小,應(yīng)按安全、可靠、適用、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的次序進(jìn)行。(5)同時,水下隧道的施工具有環(huán)境復(fù)雜性、工程動態(tài)性和時效性的特點(diǎn),是一項高風(fēng)險的地下工程,存在較高的風(fēng)險源,需要綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、耐久性、適用性、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等各個因素,并貫穿于勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)營4個階段。6.2沉管隧道與盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)(1)方案選擇,跨海、江的隧道位置選擇及兩端接線方案。(2)海中、江中水文地質(zhì)的勘測,河勢、河床穩(wěn)定性、沖刷的規(guī)律,施工中的工程地質(zhì)預(yù)報。(3)隧道最佳埋深的確定及斷面坡度設(shè)計,不同施工方法有不同埋深,沖刷線確定埋深及施工方法。(4)施工方法的確定,鉆爆法、沉管法、TBM法、盾構(gòu)法或小TBM外國爆法等。(5)隧道建設(shè)的合理規(guī)模確定,鐵路、公路、復(fù)線、雙向四車道、六車道。(6)隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的確定,設(shè)計速度、曲線、豎曲線半徑、牽引坡等。(7)設(shè)計方法,采用先進(jìn)的隧道支護(hù)和襯砌的設(shè)計方法。(8)先進(jìn)隧道施工技術(shù)確定。(9)隧道的防排水系統(tǒng)確定。(10)隧道的運(yùn)營通風(fēng)方式的確定,豎井是否設(shè)置及位置。(11)隧道防災(zāi)、照明、監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)確定,設(shè)計原則,應(yīng)突出自救、自報、從簡、低成本運(yùn)營。(12)隧道項目管理及融資。(13)建設(shè)過程中對規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營4個階段的安全、風(fēng)險分析。沉管隧道的基槽開挖較淺,且沉管由于受到水浮力的作用,作用于地基的荷載較小,因而對基礎(chǔ)承載力的要求較低,對各種地質(zhì)條件的適應(yīng)能力較強(qiáng),但