海底隧道建設方案研究及對比分析

劉凱凱

(舟山市普陀區(qū)大橋工程建設管理辦公室，浙江舟山 316100)

0 引言

我國內(nèi)陸及沿海水域遼闊，交通事業(yè)的發(fā)展和隧道修建技術的進步為水下隧道的發(fā)展提供了優(yōu)越的條件。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展的需要，已建或擬建的海底隧道或水下隧道越來越多［1，2］。由于海底隧道一般軸線均較長、建設條件復雜，尤其是工程地質(zhì)與水文地質(zhì)復雜多變;而在現(xiàn)有的技術條件下進行深水海洋地質(zhì)勘察的難度高、投入大，準確性也相對降低，在海底隧道建設過程中遇到未預測到的不良地質(zhì)情況的風險就更大。根據(jù)國內(nèi)外已有的工程經(jīng)驗來看，海底隧道的主要施工工法有鉆爆法、盾構(gòu)法和沉管法［3］。每種建設工法均有其適應性，需根據(jù)工程規(guī)模、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及周邊環(huán)境等因素綜合確定。

本文結(jié)合某擬建海底隧道，對海底隧道建設中的兩種常用工法即盾構(gòu)法與沉管法的特點進行了分析。根據(jù)擬建海底隧道的建設條件，分別進行了盾構(gòu)方案與沉管方案研究，并結(jié)合擬建隧道的具體特點，對此兩種建設方案進行了詳細地對比研究。

1 項目概況

擬建海底隧道采用雙向四車道，隧址區(qū)屬海積平原地貌及海岸帶地貌，地形平坦開闊，地勢較低，起伏較小。所在海域潮汐為正規(guī)半日潮;潮流強度總體較弱，實測最大漲、落潮流速分別為0.85 m/s和0.71 m/s。海域上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，中部為粉質(zhì)粘土，下部為含粘性土碎石，底部為凝灰?guī)r，海底覆蓋層厚度較大。

2 盾構(gòu)方案研究

盾構(gòu)法是修建水底隧道的一種重要施工方法，尤其是在軟土地層中具有較大優(yōu)勢。在盾構(gòu)支護下進行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航運、潮汐、季節(jié)、氣候等條件的影響，能較經(jīng)濟合理地保證隧道安全施工。盾構(gòu)的推進、出土、襯砌、拼裝等可實行自動化、智能化和施工遠程控制信息化，掘進速度較快，施工勞動強度較低。采用盾構(gòu)法施工，周圍環(huán)境不受盾構(gòu)施工干擾，對通航基本無影響，地面人文自然景觀可受到良好的保護。其不足主要體現(xiàn)在:盾構(gòu)機械造價較昂貴，隧道的襯砌、運輸、拼裝、機械安裝等工藝較復雜;需要設備制造、氣壓設備供應、襯砌管片預制、襯砌結(jié)構(gòu)防水及堵漏、施工測量、場地布置、盾構(gòu)轉(zhuǎn)移等施工技術的配合，系統(tǒng)工程協(xié)調(diào)難;對隧道曲線半徑過小或隧道埋深較淺時，施工難度較大。

本隧道線位所處的海底地形較為平緩，覆蓋層厚較大，土層以淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘土為主，適宜采用盾構(gòu)隧道施工。若采用盾構(gòu)法隧道，隧道長度適中，且能較為便利地與兩岸島內(nèi)交通進行溝通，能充分發(fā)揮隧道的既定功能。考慮盾構(gòu)隧道施工特點，盾構(gòu)方案平面線形主要考慮下列因素:1)兩岸盾構(gòu)始發(fā)井與接收井各隧道之間的凈距;2)海域盾構(gòu)段隧道之間的凈距;3)盾構(gòu)兩端明挖暗埋段盡量減小漸變段長度，減小占地寬度，降低開挖量。

結(jié)合工程實際情況及盾構(gòu)、明挖各工法的施工特點，相關道路交叉、銜接要求，盾構(gòu)方案路線縱斷面設計的主要控制因素有以下幾個方面:1)海域盾構(gòu)頂面最小覆土厚度要求;2)隧道兩端接線道路路面標高及交通組織要求;3)盾構(gòu)工作井處覆土厚度要求;4)隧道內(nèi)最大坡度。

綜合考慮上述各制約因素，隧道海底段采用盾構(gòu)法施工，兩岸采用明挖法施工，通過工作井實現(xiàn)不同工法之間的連接轉(zhuǎn)換。

盾構(gòu)隧道凈空斷面的擬定主要取決于建筑限界和設備布置要求，同時還應考慮其他因素，如隧道內(nèi)裝修的布設、施工誤差、測量誤差、線路擬合誤差以及后期變形等。結(jié)合本工程的地質(zhì)條件及盾構(gòu)機的選型情況，并參考既有盾構(gòu)法隧道的施工經(jīng)驗，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑確定為10.0 m。

3 沉管方案研究

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)預制好，再浮拖至設計位置沉放對接而后溝通成隧道。沉管隧道一般由敞開段、暗埋段、沉埋段等部分組成，部分工程在沉埋段兩端設置岸邊豎井，供通風、供電、排水等使用。沉管由于受到水浮力的作用，作用于地基的荷載較小，因而對基礎承載力的要求較低，對各種地質(zhì)條件的適應能力較強。沉管隧道的斷面適應性最好，斷面越大，沉管的優(yōu)勢越明顯。此外，沉管隧道可根據(jù)需要改變斷面，且斷面利用率較高。其不足主要體現(xiàn)在:基槽(呈倒梯形狀)開挖的土方量大，相應的回填量也較大;主體結(jié)構(gòu)的圬工量較大;且對潮差和水流速的要求較高。此外，沉管隧道在浮運、沉放、對接階段將對航道產(chǎn)生一定影響，需要采取封航措施才能保證施工的順利進行。

沉管隧道方案的可行性主要取決于地層條件、水文條件、干塢設置條件及對航道的影響等眾多因素。擬建隧道海底覆蓋層厚度約為40 m，自上而下依次為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘土，建成后的沉管隧道基礎主要位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘土之中，隨之區(qū)水流速度約0.85 m/s，且兩岸灘涂區(qū)較為開闊，方便設置干塢?？偟膩砜?，隧道具備采用沉管方案的可行性。

由于沉管隧道的結(jié)構(gòu)特點，其左右線位于一個整體結(jié)構(gòu)內(nèi)、左右線間距小，可利用暗埋段和敞開段漸變?yōu)檎w式路基形式，平面線位主要由軸線總體走向確定。結(jié)合工程實際情況及沉管、明挖各工法的施工特點，沉管方案縱斷面設計的主要控制因素如下:1)海域沉管隧道頂部設置高程;2)隧道兩端接線道路路面標高;3)隧道內(nèi)最大坡度;4)明挖暗埋段的埋深。

綜合考慮上述各制約因素，隧道海底盾構(gòu)段采用整體式結(jié)構(gòu)，平面線形采用直線，進入海域后根據(jù)地形采用相應的緩坡。

沉管段隧道建筑橫斷面設計以充分利用空間為原則，并集中體現(xiàn)以人為本的精神，滿足隧道正常運營、故障檢修、事故安全疏散等多種工況的功能要求。橫斷面設計包括隧道建筑限界、設備設置空間、安全疏散設施設計，并考慮適當?shù)氖┕ふ`差和不均勻沉降預留量。根據(jù)沉管隧道的一般做法，通常隧道整個軸線上采用相同的橫斷面，以避免預制模板的不斷變化。

4 建設方案對比研究

根據(jù)盾構(gòu)隧道與沉管隧道的工法特點，從工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、海底地形、橫斷面布置與防災性能等方面來看，兩種工法均是可行的。但盾構(gòu)法在對周邊環(huán)境以及對航道的影響等方面具有一定的優(yōu)勢;沉管工法在施工難度、干塢設置、長期防水的可靠性、對防洪的影響、對航道的影響、棄渣對環(huán)境的影響、施工場地、建設工期及建設費用等方面稍顯不足。詳細比較結(jié)果見表1。

表1 沉管方案與盾構(gòu)方案對比表

5 結(jié)語

海底隧道建設條件復雜，根據(jù)隧道的建設條件選擇最為經(jīng)濟合理的建設方案進而開展相應的結(jié)構(gòu)設計是海底隧道順利實施的先決條件。海底隧道建設方案的選擇，應綜合考慮隧道使用功能、沿線工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、海底地形、周邊環(huán)境以及對航道的影響等方面確定。由于盾構(gòu)隧道使用現(xiàn)代化生產(chǎn)手段、速度快、效率高;施工通風易于解決，可以實現(xiàn)長距離獨頭掘進;進洞工作人員作業(yè)環(huán)境較好，安全保證程度高;隧道管片及防水系統(tǒng)工廠化預制;機械化拼裝，質(zhì)量穩(wěn)定;同沉管法相比，其施工期不占用航道，對環(huán)境影響小;同鉆爆法相比，隧道埋深要求較低，線路長度可以縮短，因此在海底隧道建設中，凡能使用盾構(gòu)掘進機施工的，當優(yōu)先用。

［1］王夢恕，皇甫明.海底隧道修建中的關鍵問題［J］.建筑科學與工程學報，2005，22(4)：1-4.

［2］孫 謀，譚忠盛.盾構(gòu)法修建水下隧道的關鍵技術問題［J］.中國工程科學，2009，11(7)：18-23.

［3］郭陜云.關于我國海底隧道建設若干工程技術問題的思考［J］.隧道建設，2007，27(3)：1-5.