你所不熟悉的海底隧道工程

撰文/leithian

你所不熟悉的海底隧道工程

撰文/leithian

海底隧道由幻想变为现实，经历了一个十分漫长的岁月。1751年人们第一次提出了海底隧道的设想——英法海底隧道。由于当时技术和资金上的困难，这个设想足足经历了200多年才变为现实。进入20世纪50年代后，海底隧道的工程才逐渐增多了起来。在日本、挪威和英国等国家，大量的海底隧道相继建成。而1988年竣工的日本青函隧道和英法海底隧道，则被工程界誉为20世纪最宏伟的隧道建设壮举。

日本青函隧道的建成，也让世界各国修建海底隧道、横断海峡的热情更加高涨。然而，无比复杂的工程设计规划以及施工步骤，也让海底隧道的规划者们在热情过后保持着谨慎清醒的头脑，庞大的工程架构好比是一台精密的仪器，任何地方出了问题都会导致整个机器的报废！

英法海底隧道中的欧洲之星列车

海底隧道的施工方法

海底隧道的施工方法通常有钻爆法、掘进机法、沉管法等。但无论采用哪一种方法，大量的前期勘察都是少不了的。

工程的前期勘察复杂而全面，需要调查、收集工程区域已有的地形、地质、水文、气象、航运、水利、交通等多方面资料，还要查明隧道附近水域的水位、水面宽、水深、流量、流速、水质、含沙量等各种情况以及隧道通过地段的地形、地貌、岩层特性、侵蚀与沉积特征等。任何一项出现疏漏，都可能会对施工过程产生重大影响。周密的勘查工作，有助于工程师选定正确的施工方案，也会为施工创造有利的条件。

海底隧道作为一种隐蔽的工程，深埋于水下。在复杂的工程地质和水文地质环境下施工，存在着大量的不确定因素，没准儿出现什么意外情况隧道就会“受伤”。而且，海底隧道建成后，就得在水下一动不动地待到使用寿命结束，很难再换地方了。所以海底隧道的设计使用年限普遍要比地面结构的长，需要更高程度的耐久性。

勘察？很繁琐很困难！

由于海底隧道的上部覆盖着较深的水体，就需要在施工之前进行全面的勘察。然而深水海洋地质勘察要比地面地层的勘察难度大得多，勘察的投入也要大得多。同时，又不能保证100%的勘察准确性，漏勘与情况失真的风险都会存在，这也无疑加大了施工过程中的不确定性和危险性，在施工过程中，可能会出现一些山岭隧道不会出现的安全事故。

钻爆法

钻爆法就是利用传统爆破技术进行隧道开挖的施工方法，也是最早海底隧道施工的使用方法。基本的施工顺序就是先钻好炮眼，再埋下炸药，采取爆破的方法给隧道炸出一条“血路”，最后再挖出爆破的碎石，并不断掘进，慢慢形成隧道的主体。简单来说，就是炸了挖、挖了炸，最终挖通整条隧道。这种方法的适用范围广，可以适用于各种岩石地层的隧道施工。

英法海底隧道施工现场

施工人员在大型掘进机前合影

钻爆法在国外水下隧道的应用比较多。20世纪40年代日本修建的关门海峡水下隧道，是世界上第一条采用钻爆法施工的海底隧道。之后，日本又修建了世界闻名的青函海底隧道，同样是采用的钻爆法施工。

钻爆法的施工方式虽然一直没有改变，但是从技术层面来讲，则是在不断进步的。最早的时候，人们都是用手把钎、锤击凿孔，用火雷管一个一个引爆炸药包。而现在，已经发展成了采用大机械车机械钻孔和“毫秒爆破”、“预裂爆破”、“光面爆破”等各种眼花缭乱的爆破技术。比起以前耗费大量人力人工的挖凿，现代的钻爆技术已经大大提高了施工的效率和安全性，有效降低了事故发生的概率和人员的伤亡。尽管如此，钻爆法仍然是所有海底隧道施工方法中危险系数最高的，毕竟它和爆炸联系紧密。日本青函隧道因爆破事故死亡的人数高达34人，其危险程度可见一斑！

钻爆法施工有一个好处，就是施工时，水面的船只可以自由航行、不受影响。在这几种隧道施工方法之中，钻爆法对自然环境以及工程周围的生产、生活环境影响最小的。同时，由于隧道的埋置深度较大，采用钻爆法施工的海底隧道能够较好地抵御自然灾害，即使在战争期间，隧道仍然具备很强的生命力，任地面炮火纷飞，我自岿然不动！

掘进机法

掘进机法也称TBM（Tunnel Boring Machine）法，是利用隧道掘进机施工的方法。隧道掘进机是一种破坏岩石的大型工程器械，光看长相，就知道它是一部暴力无比的机器。它利用机械前部的锋利刀具，对岩石进行挤压、滚切等各种蹂躏，最后将岩石完全粉碎，并且利用辅助的运输设备将岩石的碎渣运出洞外，然后继续向前掘进，慢慢挖成整条隧道。

掘进机的暴力不仅仅体现在它对岩石的攻击力上，它的施工速度也很快。相比常规钻爆法，掘进机法的施工效率提高了3～10倍！英法海底隧道和日本青函海底隧道长度相似，但是英法海底隧道采取了掘进机法进行施工，只用了5年的时间就挖掘完成了，而采用钻爆法施工的青函隧道，则足足用了20多年。不仅如此，因为掘进机强大的威力，除非遇到特殊情况，人们不再采用爆破的方法进行施工，所以也大大增加了施工的安全性。英法海底隧道的事故死亡人数仅为10人，相比青函隧道的34人，明显地减少了。

当然，掘进机施工也会有各种不足。地质适应性较差是它最致命的弱点。当遇到断层破碎带、涌水、坍塌的情况时，掘进机就没什么办法了，这时候还要用常规的钻爆法进行辅助脱困。

小贴士 : 钻爆法VS掘进机法，谁优谁劣？

由于掘进机体积庞大、运输移动较为困难，施工准备和辅助配套系统较为复杂，所以不太适用于中短长度的隧道挖掘。国外的实践表明，当隧道的长度和直径比率达到600的时候，采用掘进机施工是比较经济的。当然对于跨海峡隧道来说，隧道长度倒不是问题了。我国一般也认为，长度小于10千米的隧道，掘进机法难以发挥其优越性，而钻爆法则有相对的经济优势；对于10～20千米的隧道，可以对钻爆法方案和掘进机法方案进行比较，选择较为适宜的方法；而超过20千米的隧道，则优先采用掘进机法施工，只有掘进机法不适宜的时候才考虑采用钻爆法。

沉管法

沉管法是将若干个预制管段分别运至海面或者江面施工现场，并一节一节地沉放安装到已经疏浚好的水底基槽内。但是沉管法的悲剧之处在于需要施工人员潜水作业，施工水深一般不能超过30米，无论从海底隧道的结构设计还是施工技术上来讲，沉管法修建海底隧道均存在较大的难度，不宜作为海底隧道的首选方案。

延误工期，谁是罪魁祸首？

由于隧道上方无限体积的水体，海底隧道的最大风险是突然坍塌或者涌水。在施工过程中，是最容易引起这两种事故的。因为达到较高精度的勘察较为困难，所以即使非常周密的施工计划，这两种事故也存在发生的可能性，这也成为了海底隧道工程中拖延工期的主要问题。像日本青函隧道，从开工到竣工足足用了20多年，不断发生的坍塌和涌水事故就是使工期如此漫长的罪魁祸首。

海底隧道工期长的另一个原因是高难度的施工和方式的局限性。在陆地隧道施工时，可以沿路布设施工竖井。施工竖井的布设，让隧道可以在不同段同时施工、缩短工期。而沿海底隧道施工线路布置施工竖井的可能性很小，所以施工时，就需要在一个施工口向前挖掘相当长的距离。这种施工的方式工期很长、投资很高，同时也对工期时的后勤运输与通风提出了更高的要求。

防灾减灾，重中之重

海底隧道一般都比较长，琼州海峡的水面宽度超过了20千米，台湾海峡的水面宽度更是超过了120千米。隧道的防灾救援、交通监控以及反恐等都需要有周密的设计与技术保障措施，尤其火灾和地震，对隧道的安全威胁很大，需要重点防范。

火灾

海底隧道里发生火灾，用“灾”这个字的结构形容再恰当不过了。狭窄的隧道里发生火灾后，会充满了烟雾、难以扩散，隧道内能见度大大降低，车辆很容易堵塞。而且缓慢的散热也会使隧道里温度变高，容易使隧道承重的混凝土发生崩落，继而可能使隧道发生局部坍塌！作为同时承担着水压的海底隧道来说，坍塌是绝对不能接受的。“穴中有火”，绝对是一件可怕的事情！

对于火灾的应对，最好的方法当然是防患于未然。海底隧道的设计者们，早就考虑到了这一点。在施工时，工人们就会选择不燃、耐高温的建筑材料；电气设备中的电线、电缆等，也会采用特殊的阻燃耐火材料。除此之外，在隧道临近完工之时，还会在隧道里表面涂刷防火涂料，在隧道的重要地段安装防火板等防火隔热层。以上措施，使隧道可以最大限度地防范火灾的发生。

当然，一切的防范，也架不住意外的降临，隧道火灾有很多种发生的情况。隧道内通过的车辆繁多而复杂，车载的货物也会多种多样，一些载有易燃易爆货物的大型车辆在隧道内行驶，就好比一颗活动的定时炸弹一样，万一出现交通事故，就极易发生火灾，这种情况是难以防范的。但是，俗话说“兵来将挡水来土掩”，应对突发的火灾事件，海底隧道也有相应的措施。在隧道运营之时，也同时会在隧道各处设置消防系统，比如自动喷淋灭火系统、隧道专用泡沫喷雾灭火系统、火灾探测报警系统等。这些系统，能够最快地对火灾的发生做出反应，将火灾消灭在萌芽之中。

地震

如果说火灾是人为因素中对海底隧道最有威胁的灾害，那么地震就是天灾中威胁海底隧道的祸首了。地震会使岩层发生变形、断裂、错位，一旦发生在海底隧道附近，那么海底隧道就会处于非常危险的情况之下。如果海底隧道随着岩石一起错动、断裂，那么就会在顷刻之间遭受灭顶之灾，巨额的投资也会被海水瞬间吞没。相比火灾，地震的发生更加不可预见，如果像2010年智利8.8级的地震或者2011年日本大地震那样规模的地震正好发生在一条海底隧道的附近，可能谁也不能保证海底隧道能否幸存了。

所以，海底隧道的选址必须非常谨慎，不能盲目投资、盲目建设。相对稳定的地质环境，是海底隧道选址的一个重要因素。如果一条海底隧道的沿途有地震能造成很大破坏的岩层，那么宁可改变线路、多绕点远或者往更深处挖掘，也不会强行通过这些地段。

当然，海底隧道也有着比陆地隧道更加优越的抗震性。隧道的各个衔接处，都会有柔软的“抗震缝”，使隧道“柔韧”起来，在地震发生时可以最大程度保护隧道不受伤害。地震发生后，工作人员也会立刻勘察整个隧道，对于一些发生崩坏或者日后有可能发生危险的地段，会立刻采取拆除、重砌的方式维修，绝对不能姑息问题的存在。对地震灾害的处理，要细致再细致，谨慎再谨慎，否则会“一着不慎，满盘皆输”！

海底隧道的日常维护

除去这些大的灾害，海底隧道所处的严峻海洋环境也使隧道结构长期面临着含盐水质、水中生物、高水压等因素的持续作用，因物理、化学因素而产生的各种损伤也影响着海底隧道的耐久性。因此，在海底隧道投入运营后，加强养护与维修、通风等日常管理，对海底隧道安全以及正常运营至关重要。

日常维护之机电维护组

由于海底隧道环境恶劣，各种机电设施需要进行经常性的维护，隧道内的各种突发事件也会造成隧道内设备的损坏，需要及时修复。机电设施的日常维护措施琐碎而又重要，包括日常清洁、例行监测、设备维修、突发事件处理等。这些维护措施可以大大减少机电设施的故障率，节省系统维修成本，同时提高机电设施的耐久性与使用寿命。

日常维护之监控组

监控组主要负责监控隧道的运行，对耐久性检测系统、通风系统、无线电接收系统、照明系统、交通信号系统、诱导系统以及紧急避难设施等进行24小时的监控。监控组的存在使隧道内突发事件的概率大大降低，并且也大大提高了隧道内突发事件的应对速度。

日常维护之安保消防组

安保消防组负责隧道内的消防安全以及紧急救援工作，其重点是预防事故的发生以及处理潜在的安全隐患，确保隧道安全运营。

隧道的景观设计

随着世界各国经济实力的不断提高以及人们文化品位的不断提升，现在人们对隧道的要求已经不仅仅局限于交通的功能了，人们对隧道通行环境——隧道景观要素提出了更高的要求。如何以人为中心、将环境景观与现有工程技术相结合，已经成为了隧道工程建设发展的必然趋势。

早期的隧道景观主要表现在洞口环境以及一些小的装饰处理上。随着人们对环境、生态、行驶安全舒适性以及隧道所在城市形象的重视，隧道景观建设内容已经扩展到隧道工程的方方面面，包括隧道内外景观、绿化生态的恢复、附属建筑物的建筑景观等。