青岛胶州湾海底跨海通道及前海沿线地下道路工程

曲立清， 李 翔， 代镇洋

(1. 青岛国信发展(集团)有限责任公司， 山东 青岛 266000； 2. 青岛国信建设投资有限公司， 山东 青岛 266000)

1 胶州湾交通概况

胶州湾位于中国黄海中部，青岛主城区与西海岸新区之间。湾口以团岛南端、薛家岛北端为界，宽约3 km，为半封闭型海湾； 湾中部东西宽约28 km，湾内南北向最大长度约40 km，海岸线长约163 km，面积约397 km2。

青岛东岸主城区空间范围狭小，有迫切的扩张需求，但因东部崂山山脉和西部胶州湾的存在，城市向东和向西拓展均受到先天地理条件的限制，因此，环胶州湾地区很早就被确立为青岛市经济、社会发展重点。青岛蓝色经济区总体布置规划如图1所示，青岛城市路网规划如图2所示。

城区的向西拓展一直受困于青岛与黄岛连接不畅的交通瓶颈。胶州湾隧道通车之前，从东端主城区往返黄岛区需依靠轮渡、环胶州湾高速通行，但受天气、运量、通行时长等因素影响，这2种方式难以满足人们快速出行的需求。因此，建设全天候跨湾快速通道的需求变得尤其紧迫。胶州湾隧道通车后，两岸交流日渐频繁，但目前其交通量已经趋于饱和，因此急需建设胶州湾第二海底隧道以满足两岸通行需求。同时，由于胶州湾隧道拉动了东西两岸的交通联系，也对东岸主城区前海沿线的道路通行造成巨大压力，在此背景下，在前海沿线建设地下道路以解决过境交通问题的方案诞生。

图1 青岛蓝色经济区总体布置规划

图2 青岛城市路网规划

2 已建青岛胶州湾隧道

2.1 建设背景

早在1984年，青岛市就着手胶州湾跨海通道的研究。经多轮专家咨询和论证确定，在胶州湾湾口修建隧道是最佳方案。2006年，胶州湾隧道项目获国家发改委核准立项，并于同年开工建设。2010年，隧道全线贯通，从根本上解决了“青黄不接”的问题，该工程也是青岛市成为现代化国际大城市的有力支撑。胶州湾隧道2011年通车以来，安全运营至今，目前最高通行量已达9.8万辆/d。

2.2 工程概况

胶州湾隧道是连接青岛市主城与辅城的重要通道，起自四川路、云南路与东平路路口向北约50 m处，向南至薛家岛收费站端头。线路全长9 850 m，下穿胶州湾湾口海域，隧道长7 800 m，其中海域段长4 095 m，隧道地理位置如图3所示。隧道为城市快速道路隧道，双向6车道布设，设计车速为80 km/h，设计使用年限100年。隧道纵断面采用“V”字坡，隧道上方最大水深42 m，海域段隧道最小埋深30 m，埋深最深处距离海平面82.8 m，最大坡度3.9%。

图3 隧道地理位置

主线隧道为左右线分离设置，隧道海域段线间距约55 m，主隧道间每250～300 m设置人行横洞，每750 m设置车行横洞，中间平行设置服务隧道。服务隧道作为施工运输、日常维护检修、过海管线和紧急救援通道，长5 940 m。

隧道地质条件整体良好，穿越地层多为中风化和微风化花岗岩与火山岩，岩质坚硬、完整性好，节理裂隙不甚发育。隧址区地质构造主要为断裂构造，所发现的18条断裂大部分为高角度、中新代脆性断裂构造，以压扭性为主，宽度在数米至数十米不等。其中，海域段穿越4组14条断裂带，断层内以压碎岩、碎裂岩、糜棱岩为主。

2.3 工程重难点及施工方法

2.3.1 工程重难点

胶州湾隧道工程是我国最早开工建设的2条海底隧道之一，水文地质的不可知性是其建设过程中面对的重大挑战。主要重难点有： 1)当时我国尚无建成的海底隧道，缺乏成熟的标准规范和工程经验； 2)海上勘察难度极大，海底地形、地质构造等无法直接踏勘，海水深、流速大； 3)海底隧道的合理岩层覆盖厚度和纵坡坡度设置没有成熟的规范和理论参考，标准确定难度大； 4)隧道海域段穿越4组14条断裂，地质情况复杂，堵水加固注浆、防坍塌难度大，施工风险大； 5)海水和地下水对混凝土有中等结晶分解复合类腐蚀和弱结晶类腐蚀作用，对钢筋混凝土中的钢筋有弱腐蚀性，对建筑材料的耐久性要求高； 6)隧道出入匝道处开挖断面大，埋深浅，交叉口受力复杂，施工工序转换多； 7)隧道两端均处于城市中心区，需下穿大量建筑物，施工难度大、风险高。

2.3.2 施工方法

除团岛端服务隧道洞口和黄岛端洞口采用明挖法施工以外，其余隧道均采用钻爆法施工。

胶州湾隧道洞身采用钻爆法施工，光面控制爆破。洞身段各级围岩的主要施工方法如下： 1)Ⅱ、Ⅲ级围岩采用下导洞超前减震全断面爆破开挖(见图4)； 2)Ⅳ级围岩采用台阶法分步开挖(见图5)； 3)Ⅴ级围岩陆域段和挤压型海底破碎带采用自进式管棚超前支护、“CD”工法施工。

图4 下导洞超前减震全断面爆破开挖示意

2.4 工程关键技术

2.4.1 工程水文地质勘察关键技术

工程水文地质勘察关键技术包括： 1)采用磁力测量、多道或单道地震探测、多波速水深测量、侧扫声纳测量和浅剖测量方法，很好地完成了水下地质调查工作； 2)针对性地采用多种勘探手段相结合的综合勘探方法，有效解决了复杂场地勘察精度不高的常见难题； 3)受潮汐影响，海上抽压水试验难度很大，在实施过程中，对试验设备和方法作了适当改进，提高了可操作性和成果精度； 4)本次勘察应用了先进的孔内数字摄像技术，对查明岩体结构面特征、提高围岩分级准确性大有裨益。

图5 台阶法分步开挖施工示意(Ⅳ及围岩)

通过采用以上技术，高效、高精度地完成了工程水文地质勘察工作。经过实践检验，隧道开挖揭示的工程地质与勘察结果基本相符，有效降低了工程投资和工程风险。

2.4.2 最小岩石覆盖层厚度

胶州湾隧道隧址区围岩情况良好，为未风化的花岗岩和火成岩，完整性好，海水深42 m左右，施工采用爆破开挖及控制爆破技术减少对围岩的扰动。针对胶州湾隧道最小岩石覆盖层厚度，项目开展相应的理论和数值模拟研究。左线隧道不同里程的最小岩石覆盖层厚度数值模拟结果及其他方法的计算结果对比见表1。

表1 不同方法的最小岩石覆盖层厚度计算结果对比 m

针对胶州湾隧道的地质条件，并综合分析各种最小岩石覆盖层厚度计算方法的实用性，制定胶州湾隧道最小岩石层覆盖厚度的确定原则。表1所示方法中，数值模拟计算结果由围岩稳定性决定，顶水采煤法计算结果受预留安全煤岩柱和防止施工突水2个因素制约；最小涌水量法结果依据排水成本大小确定。基于海底隧道实际情况，并综合考虑各因素的重要程度，根据经验最终确定本项目最小岩石覆盖层厚度综合分析建议值计算公式

综合分析建议值=数值模拟计算值×0.5+顶水采煤值×0.3+最小涌水量值×0.2。

根据上式计算出各个剖面的最小岩石覆盖层厚度，并将其和挪威图表法建议值进行比较，如表2所示。

表2 左线隧道挪威图表法和综合分析法确定的最小岩石覆盖层厚度对比 m

分析表2中结果可知，综合分析建议值普遍小于挪威图表法建议值，说明挪威图表法确定的最小岩石覆盖层厚度偏于保守。随着海底隧道施工技术的发展，隧道合理埋深可以减小，且综合分析法确定的最小岩石覆盖层厚度建议值考虑了相应剖面的工程地质、水文地质、断面形状等，具有较高参考价值。

综合考虑上述因素，按照水深分段确定隧道海域段合理埋深(最小岩石覆盖层厚度)。水深为20～40 m时，最小岩石覆盖层厚度为30 m；水深小于20 m时为25 m。纵坡设计时便以此控制隧道埋深，要求具有上述安全厚度，局部近陆域段不能满足时，考虑水深较浅，可采用可靠措施保证隧道安全。

该研究成果成功应用于胶州湾隧道的建设，节约了工程造价，提高了项目建设质量。

2.4.3 混凝土材料与结构耐久性

该项目从海底隧道混凝土耐久性设计、C50高性能衬砌混凝土制备与应用、混凝土材料施工和检测及耐久性评估、施工弃渣综合利用等几个方面进行了系统研究和开发。

根据胶州湾海底隧道衬砌混凝土服役环境和寿命预测模型计算结果，提出了衬砌混凝土耐久性设计参数： 1)海底隧道要达到100 年的服役寿命，其衬砌混凝土靠近空气一侧保护层厚度应大于60 mm，靠近土体一侧应大于50 mm； 2)混凝土初始氯离子质量浓度应小于0.35 kg/m3； 3)氯离子扩散系数应小于4×10-12m2/s，水胶比w∶b应小于0.34，混凝土强度等级应高于C50； 4)洞口段衬砌混凝土抗冻指数DF=70%。

2.5 主要技术成果

隧道建设过程中，采用合理的最小岩石覆盖层厚度，缩短了隧道长度；采用双掺技术，减少了水泥用量；依据科研成果，编制了施工技术规范和安全生产应急预案；采用大型机械配套施工，降低了作业工人人数和劳动强度，保证了施工安全和施工质量，实现安全生产1 408 d，零死亡、零事故；采用多重防腐锚杆、C35高性能喷射混凝土、C50耐久性混凝土等，提高了隧道的耐久性。

3 拟建胶州湾第二海底隧道

3.1 建设背景

随着西海岸新区及董家港新港区建设步伐的加快，两岸间的交通量呈逐年递增的趋势，胶州湾隧道拥堵严重。根据胶州湾跨湾交通总量预测结果(见图6)，2024年交通量将达到饱和，需尽快开辟1条联系胶州湾东西两岸、可保证全天候通行的新通道。因此，胶州湾第二海底隧道的前期研究工作自2012年起启动，2016年底，工程可行性研究正式启动。

图6 胶州湾跨湾交通总量预测(2018年预测)

3.2 工程概况

胶州湾第二海底隧道是继胶州湾高速、胶州湾跨海大桥、胶州湾海底隧道之后第4条车行胶州湾跨海通道，位于胶州湾隧道和胶州湾跨海大桥之间，是目前筹建的世界建设规模最大的海底道路隧道，隧道长15.89 km，工程总投资约150亿元，工程线路位置见图7。

图7 工程线路位置示意图

该工程西起黄岛端淮河东路，向东沿刘公岛路下方敷设，穿越胶州湾到达青岛侧，在海泊河口附近登陆，主线沿海泊河两岸接地。隧道长15.89 km(海域段11.2 km+陆域段4.69 km)，按双向6车道城市快速路(兼一级公路)的标准建设，设计速度80 km/h。隧道纵断面采用“V”形坡，最深点距海平面155 m。隧道推荐方案平面及纵断面见图8和图9。

图8 胶州湾第二海底隧道推荐方案平面

图9 胶州湾第二海底隧道推荐方案纵断面

根据工程地质条件，隧道黄岛侧主要位于花岗岩地层，采用钻爆法施工；青岛侧位于强风化、中风化地层，采用盾构法施工； 中间服务隧道采用TBM和盾构对向掘进施工。隧道两端横断面见图10和图11。项目计划总工期72个月(6年)，其中土建56个月。

图10 钻爆段横断面

图11 盾构段横断面

3.3 面临的技术挑战

1)隧道在青岛侧海域穿越沧口断裂及其影响带。经初步勘测及地震安全性评价，沧口断裂影响带总宽度约为470 m，为晚更新世活动断裂，断层近直立，右旋走滑，由此推测沧口断裂发震能力为6.5级，活动性质属于黏滑型。沧口断裂更详细的地质条件以及如何利用合理的方案解决隧道穿越活断层技术难题，有待进一步深入研究。沧口断裂(F3)与隧道的平面位置关系见图12。

2)本项目工程建设规模宏大、施工工艺复杂，隧道断面大，两岸周边建设环境复杂。针对长距离海中独头掘进、多工法海中对接、长距离通风、海中围堰明挖等问题，技术方案有待进一步深化。

3)工程拟采用“主隧道+服务隧道”的建设方案，隧道建设包括： 主隧道、服务隧道、竖井、海中分岔隧道、行车匝道等多种结构，施工采用明挖法、钻爆法、TBM法、导洞扩挖法、盾构法等多种施工工法，工程建设规模宏大、施工工艺复杂。

4)隧道长约16 km，海中段达11 km，隧道存在海中分岔、匝道、大纵坡、弯曲线段等结构形式，同时，面临超长海底隧道通风救援难题。

图12 沧口断裂(F3)与隧道的平面位置关系

5)隧道两端陆域段穿越城市建(构)筑物密集区，部分地段居民较多，建设期间将面临一定的施工风险和因施工扰民引起的社会影响。

3.4 主要技术创新

1)国内外诸多重大跨海桥隧工程设计使用年限超过100年，有的甚至达到了300年，本工程在工程费用增加不到10%的情况下，提出主体结构使用年限150年的预期目标。

2)借鉴国内外经验并经理论分析，通过设置特殊抗断接头释放活动断层大部分位错量后隧道可通过活动断层，这种方法可有效提高经济适用性。

3)针对超长隧道通风问题，创新性地提出了“2.5分段纵向通风方案”，在不需要设置海中竖井或岸边斜井的前提下解决了通风难题。

4 拟建青岛前海沿线地下道路工程

4.1 建设背景

胶州湾跨海通道的建设加强了两岸的联系，促进了两岸经济发展，同时也加剧了既有路网的交通压力，尤其是东岸城区前海沿线道路。由于青岛前海沿线是风景旅游、金融中心的聚集地，交通压力逐年增大。旅游客流与通勤客流叠加，过境交通与到发交通混杂，人车矛盾突出，严重制约了青岛中心湾核心区域环境、品质的再提升。建设前海沿线地下道路的想法由此而生，目前，该项目的规划方案研究已基本完成。

4.2 工程概况

随着主城区与西海岸联系日益紧密，胶州湾隧道车流量逐年增加，前海沿线主要通道香港路、山东路等也随之拥堵日趋严重，沿线规划人口、岗位仍将继续增加，交通矛盾亟需解决。前海沿线车流拥堵及人车矛盾实景见图13。

(a) (b)

图13前海沿线车流拥堵及人车矛盾实景

青岛前海沿线地下道路工程位于“三带一轴、三湾三城、组团式”的“滨海经济发展带”及“中心湾区”，是贯穿前海沿线，打造高端要素、彰显“红瓦绿树、碧海蓝天”城市风貌的重要通道。工程范围西起火车站，东至香港西路，全长约4.9 km。项目线路平面位置如图14所示。

图14 前海沿线地下道路线路平面位置

该工程主要功能为分离景区过境交通，净化景区地面交通环境，提升前海沿线环境品质，主要服务片区的到发交通出行。道路等级为城市主干路，主线隧道设计速度为40 km/h，采用双向4车道+紧急停车带布置，最大纵坡4%。隧道外径为15.4 m，推荐采用单洞双层布置，通行净空3.5 m。前海沿线地下道路典型横断面见图15。

图15 前海沿线地下道路典型横断面图

4.3 面临的技术挑战

1)该项目团岛至延安三路沿线拟下穿多处全国重点文物保护单位和历史文化街区，如图16所示，受严格的文物保护规定限制，工程施工难度及风险极大。

图16 工程穿越的保护区示意图

2)工程穿越地区建筑物密集、环境复杂，沿线设施众多，且多次穿越海堤及其沿线，工程建设影响范围较大。

3)工程采用多匝道的地下道路形式，多工法组合，工程难度大。

5 结语

青岛胶州湾隧道、胶州湾第二海底隧道和前海沿线地下道路工程的建设是构建完善的大青岛全天候跨海交通体系，服务半岛蓝色经济区建设的需要。工程建成后，将拓展青岛城市发展空间，均衡市域交通路网结构，减少交通绕行，促进东、西岸中北部重要功能组团发展，为打造世界级湾区城市助力。