海底隧道建设方案研究及对比分析

刘凯凯

(舟山市普陀区大桥工程建设管理办公室，浙江舟山 316100)

0 引言

我国内陆及沿海水域辽阔，交通事业的发展和隧道修建技术的进步为水下隧道的发展提供了优越的条件。随着我国经济发展的需要，已建或拟建的海底隧道或水下隧道越来越多［1，2］。由于海底隧道一般轴线均较长、建设条件复杂，尤其是工程地质与水文地质复杂多变;而在现有的技术条件下进行深水海洋地质勘察的难度高、投入大，准确性也相对降低，在海底隧道建设过程中遇到未预测到的不良地质情况的风险就更大。根据国内外已有的工程经验来看，海底隧道的主要施工工法有钻爆法、盾构法和沉管法［3］。每种建设工法均有其适应性，需根据工程规模、工程地质、水文地质及周边环境等因素综合确定。

本文结合某拟建海底隧道，对海底隧道建设中的两种常用工法即盾构法与沉管法的特点进行了分析。根据拟建海底隧道的建设条件，分别进行了盾构方案与沉管方案研究，并结合拟建隧道的具体特点，对此两种建设方案进行了详细地对比研究。

1 项目概况

拟建海底隧道采用双向四车道，隧址区属海积平原地貌及海岸带地貌，地形平坦开阔，地势较低，起伏较小。所在海域潮汐为正规半日潮;潮流强度总体较弱，实测最大涨、落潮流速分别为0.85 m/s和0.71 m/s。海域上部为淤泥质粉质粘土、粉质粘土，中部为粉质粘土，下部为含粘性土碎石，底部为凝灰岩，海底覆盖层厚度较大。

2 盾构方案研究

盾构法是修建水底隧道的一种重要施工方法，尤其是在软土地层中具有较大优势。在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。盾构的推进、出土、衬砌、拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。采用盾构法施工，周围环境不受盾构施工干扰，对通航基本无影响，地面人文自然景观可受到良好的保护。其不足主要体现在:盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂;需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调难;对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度较大。

本隧道线位所处的海底地形较为平缓，覆盖层厚较大，土层以淤泥、淤泥质粉质粘土及粉质粘土为主，适宜采用盾构隧道施工。若采用盾构法隧道，隧道长度适中，且能较为便利地与两岸岛内交通进行沟通，能充分发挥隧道的既定功能。考虑盾构隧道施工特点，盾构方案平面线形主要考虑下列因素:1)两岸盾构始发井与接收井各隧道之间的净距;2)海域盾构段隧道之间的净距;3)盾构两端明挖暗埋段尽量减小渐变段长度，减小占地宽度，降低开挖量。

结合工程实际情况及盾构、明挖各工法的施工特点，相关道路交叉、衔接要求，盾构方案路线纵断面设计的主要控制因素有以下几个方面:1)海域盾构顶面最小覆土厚度要求;2)隧道两端接线道路路面标高及交通组织要求;3)盾构工作井处覆土厚度要求;4)隧道内最大坡度。

综合考虑上述各制约因素，隧道海底段采用盾构法施工，两岸采用明挖法施工，通过工作井实现不同工法之间的连接转换。

盾构隧道净空断面的拟定主要取决于建筑限界和设备布置要求，同时还应考虑其他因素，如隧道内装修的布设、施工误差、测量误差、线路拟合误差以及后期变形等。结合本工程的地质条件及盾构机的选型情况，并参考既有盾构法隧道的施工经验，盾构隧道内径确定为10.0 m。

3 沉管方案研究

沉管法是在海岸边的干坞里或在大型船台上将隧道管节预制好，再浮拖至设计位置沉放对接而后沟通成隧道。沉管隧道一般由敞开段、暗埋段、沉埋段等部分组成，部分工程在沉埋段两端设置岸边竖井，供通风、供电、排水等使用。沉管由于受到水浮力的作用，作用于地基的荷载较小，因而对基础承载力的要求较低，对各种地质条件的适应能力较强。沉管隧道的断面适应性最好，断面越大，沉管的优势越明显。此外，沉管隧道可根据需要改变断面，且断面利用率较高。其不足主要体现在:基槽(呈倒梯形状)开挖的土方量大，相应的回填量也较大;主体结构的圬工量较大;且对潮差和水流速的要求较高。此外，沉管隧道在浮运、沉放、对接阶段将对航道产生一定影响，需要采取封航措施才能保证施工的顺利进行。

沉管隧道方案的可行性主要取决于地层条件、水文条件、干坞设置条件及对航道的影响等众多因素。拟建隧道海底覆盖层厚度约为40 m，自上而下依次为淤泥、淤泥质粉质粘土及粉质粘土，建成后的沉管隧道基础主要位于淤泥质粉质粘土及粉质粘土之中，随之区水流速度约0.85 m/s，且两岸滩涂区较为开阔，方便设置干坞。总的来看，隧道具备采用沉管方案的可行性。

由于沉管隧道的结构特点，其左右线位于一个整体结构内、左右线间距小，可利用暗埋段和敞开段渐变为整体式路基形式，平面线位主要由轴线总体走向确定。结合工程实际情况及沉管、明挖各工法的施工特点，沉管方案纵断面设计的主要控制因素如下:1)海域沉管隧道顶部设置高程;2)隧道两端接线道路路面标高;3)隧道内最大坡度;4)明挖暗埋段的埋深。

综合考虑上述各制约因素，隧道海底盾构段采用整体式结构，平面线形采用直线，进入海域后根据地形采用相应的缓坡。

沉管段隧道建筑横断面设计以充分利用空间为原则，并集中体现以人为本的精神，满足隧道正常运营、故障检修、事故安全疏散等多种工况的功能要求。横断面设计包括隧道建筑限界、设备设置空间、安全疏散设施设计，并考虑适当的施工误差和不均匀沉降预留量。根据沉管隧道的一般做法，通常隧道整个轴线上采用相同的横断面，以避免预制模板的不断变化。

4 建设方案对比研究

根据盾构隧道与沉管隧道的工法特点，从工程地质与水文地质条件、海底地形、横断面布置与防灾性能等方面来看，两种工法均是可行的。但盾构法在对周边环境以及对航道的影响等方面具有一定的优势;沉管工法在施工难度、干坞设置、长期防水的可靠性、对防洪的影响、对航道的影响、弃渣对环境的影响、施工场地、建设工期及建设费用等方面稍显不足。详细比较结果见表1。

表1 沉管方案与盾构方案对比表

5 结语

海底隧道建设条件复杂，根据隧道的建设条件选择最为经济合理的建设方案进而开展相应的结构设计是海底隧道顺利实施的先决条件。海底隧道建设方案的选择，应综合考虑隧道使用功能、沿线工程地质与水文地质条件、海底地形、周边环境以及对航道的影响等方面确定。由于盾构隧道使用现代化生产手段、速度快、效率高;施工通风易于解决，可以实现长距离独头掘进;进洞工作人员作业环境较好，安全保证程度高;隧道管片及防水系统工厂化预制;机械化拼装，质量稳定;同沉管法相比，其施工期不占用航道，对环境影响小;同钻爆法相比，隧道埋深要求较低，线路长度可以缩短，因此在海底隧道建设中，凡能使用盾构掘进机施工的，当优先用。

［1］王梦恕，皇甫明.海底隧道修建中的关键问题［J］.建筑科学与工程学报，2005，22(4)：1-4.

［2］孙 谋，谭忠盛.盾构法修建水下隧道的关键技术问题［J］.中国工程科学，2009，11(7)：18-23.

［3］郭陕云.关于我国海底隧道建设若干工程技术问题的思考［J］.隧道建设，2007，27(3)：1-5.