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

海底隧道由幻想變?yōu)楝F(xiàn)實，經(jīng)歷了一個十分漫長的歲月。1751年人們第一次提出了海底隧道的設(shè)想——英法海底隧道。由于當(dāng)時技術(shù)和資金上的困難，這個設(shè)想足足經(jīng)歷了200多年才變?yōu)楝F(xiàn)實。進(jìn)入20世紀(jì)50年代后，海底隧道的工程才逐漸增多了起來。在日本、挪威和英國等國家，大量的海底隧道相繼建成。而1988年竣工的日本青函隧道和英法海底隧道，則被工程界譽為20世紀(jì)最宏偉的隧道建設(shè)壯舉。

日本青函隧道的建成，也讓世界各國修建海底隧道、橫斷海峽的熱情更加高漲。然而，無比復(fù)雜的工程設(shè)計規(guī)劃以及施工步驟，也讓海底隧道的規(guī)劃者們在熱情過后保持著謹(jǐn)慎清醒的頭腦，龐大的工程架構(gòu)好比是一臺精密的儀器，任何地方出了問題都會導(dǎo)致整個機器的報廢！

英法海底隧道中的歐洲之星列車

海底隧道的施工方法

海底隧道的施工方法通常有鉆爆法、掘進(jìn)機法、沉管法等。但無論采用哪一種方法，大量的前期勘察都是少不了的。

工程的前期勘察復(fù)雜而全面，需要調(diào)查、收集工程區(qū)域已有的地形、地質(zhì)、水文、氣象、航運、水利、交通等多方面資料，還要查明隧道附近水域的水位、水面寬、水深、流量、流速、水質(zhì)、含沙量等各種情況以及隧道通過地段的地形、地貌、巖層特性、侵蝕與沉積特征等。任何一項出現(xiàn)疏漏，都可能會對施工過程產(chǎn)生重大影響。周密的勘查工作，有助于工程師選定正確的施工方案，也會為施工創(chuàng)造有利的條件。

海底隧道作為一種隱蔽的工程，深埋于水下。在復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境下施工，存在著大量的不確定因素，沒準(zhǔn)兒出現(xiàn)什么意外情況隧道就會“受傷”。而且，海底隧道建成后，就得在水下一動不動地待到使用壽命結(jié)束，很難再換地方了。所以海底隧道的設(shè)計使用年限普遍要比地面結(jié)構(gòu)的長，需要更高程度的耐久性。

勘察？很繁瑣很困難！

由于海底隧道的上部覆蓋著較深的水體，就需要在施工之前進(jìn)行全面的勘察。然而深水海洋地質(zhì)勘察要比地面地層的勘察難度大得多，勘察的投入也要大得多。同時，又不能保證100%的勘察準(zhǔn)確性，漏勘與情況失真的風(fēng)險都會存在，這也無疑加大了施工過程中的不確定性和危險性，在施工過程中，可能會出現(xiàn)一些山嶺隧道不會出現(xiàn)的安全事故。

鉆爆法

鉆爆法就是利用傳統(tǒng)爆破技術(shù)進(jìn)行隧道開挖的施工方法，也是最早海底隧道施工的使用方法。基本的施工順序就是先鉆好炮眼，再埋下炸藥，采取爆破的方法給隧道炸出一條“血路”，最后再挖出爆破的碎石，并不斷掘進(jìn)，慢慢形成隧道的主體。簡單來說，就是炸了挖、挖了炸，最終挖通整條隧道。這種方法的適用范圍廣，可以適用于各種巖石地層的隧道施工。

英法海底隧道施工現(xiàn)場

施工人員在大型掘進(jìn)機前合影

鉆爆法在國外水下隧道的應(yīng)用比較多。20世紀(jì)40年代日本修建的關(guān)門海峽水下隧道，是世界上第一條采用鉆爆法施工的海底隧道。之后，日本又修建了世界聞名的青函海底隧道，同樣是采用的鉆爆法施工。

鉆爆法的施工方式雖然一直沒有改變，但是從技術(shù)層面來講，則是在不斷進(jìn)步的。最早的時候，人們都是用手把釬、錘擊鑿孔，用火雷管一個一個引爆炸藥包。而現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展成了采用大機械車機械鉆孔和“毫秒爆破”、“預(yù)裂爆破”、“光面爆破”等各種眼花繚亂的爆破技術(shù)。比起以前耗費大量人力人工的挖鑿，現(xiàn)代的鉆爆技術(shù)已經(jīng)大大提高了施工的效率和安全性，有效降低了事故發(fā)生的概率和人員的傷亡。盡管如此，鉆爆法仍然是所有海底隧道施工方法中危險系數(shù)最高的，畢竟它和爆炸聯(lián)系緊密。日本青函隧道因爆破事故死亡的人數(shù)高達(dá)34人，其危險程度可見一斑！

鉆爆法施工有一個好處，就是施工時，水面的船只可以自由航行、不受影響。在這幾種隧道施工方法之中，鉆爆法對自然環(huán)境以及工程周圍的生產(chǎn)、生活環(huán)境影響最小的。同時，由于隧道的埋置深度較大，采用鉆爆法施工的海底隧道能夠較好地抵御自然災(zāi)害，即使在戰(zhàn)爭期間，隧道仍然具備很強的生命力，任地面炮火紛飛，我自巋然不動！

掘進(jìn)機法

掘進(jìn)機法也稱TBM（Tunnel Boring Machine）法，是利用隧道掘進(jìn)機施工的方法。隧道掘進(jìn)機是一種破壞巖石的大型工程器械，光看長相，就知道它是一部暴力無比的機器。它利用機械前部的鋒利刀具，對巖石進(jìn)行擠壓、滾切等各種蹂躪，最后將巖石完全粉碎，并且利用輔助的運輸設(shè)備將巖石的碎渣運出洞外，然后繼續(xù)向前掘進(jìn)，慢慢挖成整條隧道。

掘進(jìn)機的暴力不僅僅體現(xiàn)在它對巖石的攻擊力上，它的施工速度也很快。相比常規(guī)鉆爆法，掘進(jìn)機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長度相似，但是英法海底隧道采取了掘進(jìn)機法進(jìn)行施工，只用了5年的時間就挖掘完成了，而采用鉆爆法施工的青函隧道，則足足用了20多年。不僅如此，因為掘進(jìn)機強大的威力，除非遇到特殊情況，人們不再采用爆破的方法進(jìn)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數(shù)僅為10人，相比青函隧道的34人，明顯地減少了。

當(dāng)然，掘進(jìn)機施工也會有各種不足。地質(zhì)適應(yīng)性較差是它最致命的弱點。當(dāng)遇到斷層破碎帶、涌水、坍塌的情況時，掘進(jìn)機就沒什么辦法了，這時候還要用常規(guī)的鉆爆法進(jìn)行輔助脫困。

小貼士 : 鉆爆法VS掘進(jìn)機法，誰優(yōu)誰劣？

由于掘進(jìn)機體積龐大、運輸移動較為困難，施工準(zhǔn)備和輔助配套系統(tǒng)較為復(fù)雜，所以不太適用于中短長度的隧道挖掘。國外的實踐表明，當(dāng)隧道的長度和直徑比率達(dá)到600的時候，采用掘進(jìn)機施工是比較經(jīng)濟的。當(dāng)然對于跨海峽隧道來說，隧道長度倒不是問題了。我國一般也認(rèn)為，長度小于10千米的隧道，掘進(jìn)機法難以發(fā)揮其優(yōu)越性，而鉆爆法則有相對的經(jīng)濟優(yōu)勢；對于10～20千米的隧道，可以對鉆爆法方案和掘進(jìn)機法方案進(jìn)行比較，選擇較為適宜的方法；而超過20千米的隧道，則優(yōu)先采用掘進(jìn)機法施工，只有掘進(jìn)機法不適宜的時候才考慮采用鉆爆法。

沉管法

沉管法是將若干個預(yù)制管段分別運至海面或者江面施工現(xiàn)場，并一節(jié)一節(jié)地沉放安裝到已經(jīng)疏浚好的水底基槽內(nèi)。但是沉管法的悲劇之處在于需要施工人員潛水作業(yè)，施工水深一般不能超過30米，無論從海底隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計還是施工技術(shù)上來講，沉管法修建海底隧道均存在較大的難度，不宜作為海底隧道的首選方案。

延誤工期，誰是罪魁禍?zhǔn)祝?/p>

由于隧道上方無限體積的水體，海底隧道的最大風(fēng)險是突然坍塌或者涌水。在施工過程中，是最容易引起這兩種事故的。因為達(dá)到較高精度的勘察較為困難，所以即使非常周密的施工計劃，這兩種事故也存在發(fā)生的可能性，這也成為了海底隧道工程中拖延工期的主要問題。像日本青函隧道，從開工到竣工足足用了20多年，不斷發(fā)生的坍塌和涌水事故就是使工期如此漫長的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

海底隧道工期長的另一個原因是高難度的施工和方式的局限性。在陸地隧道施工時，可以沿路布設(shè)施工豎井。施工豎井的布設(shè)，讓隧道可以在不同段同時施工、縮短工期。而沿海底隧道施工線路布置施工豎井的可能性很小，所以施工時，就需要在一個施工口向前挖掘相當(dāng)長的距離。這種施工的方式工期很長、投資很高，同時也對工期時的后勤運輸與通風(fēng)提出了更高的要求。

防災(zāi)減災(zāi)，重中之重

海底隧道一般都比較長，瓊州海峽的水面寬度超過了20千米，臺灣海峽的水面寬度更是超過了120千米。隧道的防災(zāi)救援、交通監(jiān)控以及反恐等都需要有周密的設(shè)計與技術(shù)保障措施，尤其火災(zāi)和地震，對隧道的安全威脅很大，需要重點防范。

火災(zāi)

海底隧道里發(fā)生火災(zāi)，用“災(zāi)”這個字的結(jié)構(gòu)形容再恰當(dāng)不過了。狹窄的隧道里發(fā)生火災(zāi)后，會充滿了煙霧、難以擴散，隧道內(nèi)能見度大大降低，車輛很容易堵塞。而且緩慢的散熱也會使隧道里溫度變高，容易使隧道承重的混凝土發(fā)生崩落，繼而可能使隧道發(fā)生局部坍塌！作為同時承擔(dān)著水壓的海底隧道來說，坍塌是絕對不能接受的。“穴中有火”，絕對是一件可怕的事情！

對于火災(zāi)的應(yīng)對，最好的方法當(dāng)然是防患于未然。海底隧道的設(shè)計者們，早就考慮到了這一點。在施工時，工人們就會選擇不燃、耐高溫的建筑材料；電氣設(shè)備中的電線、電纜等，也會采用特殊的阻燃耐火材料。除此之外，在隧道臨近完工之時，還會在隧道里表面涂刷防火涂料，在隧道的重要地段安裝防火板等防火隔熱層。以上措施，使隧道可以最大限度地防范火災(zāi)的發(fā)生。

當(dāng)然，一切的防范，也架不住意外的降臨，隧道火災(zāi)有很多種發(fā)生的情況。隧道內(nèi)通過的車輛繁多而復(fù)雜，車載的貨物也會多種多樣，一些載有易燃易爆貨物的大型車輛在隧道內(nèi)行駛，就好比一顆活動的定時炸彈一樣，萬一出現(xiàn)交通事故，就極易發(fā)生火災(zāi)，這種情況是難以防范的。但是，俗話說“兵來將擋水來土掩”，應(yīng)對突發(fā)的火災(zāi)事件，海底隧道也有相應(yīng)的措施。在隧道運營之時，也同時會在隧道各處設(shè)置消防系統(tǒng)，比如自動噴淋滅火系統(tǒng)、隧道專用泡沫噴霧滅火系統(tǒng)、火災(zāi)探測報警系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)，能夠最快地對火災(zāi)的發(fā)生做出反應(yīng)，將火災(zāi)消滅在萌芽之中。

地震

如果說火災(zāi)是人為因素中對海底隧道最有威脅的災(zāi)害，那么地震就是天災(zāi)中威脅海底隧道的禍?zhǔn)琢恕５卣饡箮r層發(fā)生變形、斷裂、錯位，一旦發(fā)生在海底隧道附近，那么海底隧道就會處于非常危險的情況之下。如果海底隧道隨著巖石一起錯動、斷裂，那么就會在頃刻之間遭受滅頂之災(zāi)，巨額的投資也會被海水瞬間吞沒。相比火災(zāi)，地震的發(fā)生更加不可預(yù)見，如果像2010年智利8.8級的地震或者2011年日本大地震那樣規(guī)模的地震正好發(fā)生在一條海底隧道的附近，可能誰也不能保證海底隧道能否幸存了。

所以，海底隧道的選址必須非常謹(jǐn)慎，不能盲目投資、盲目建設(shè)。相對穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，是海底隧道選址的一個重要因素。如果一條海底隧道的沿途有地震能造成很大破壞的巖層，那么寧可改變線路、多繞點遠(yuǎn)或者往更深處挖掘，也不會強行通過這些地段。

當(dāng)然，海底隧道也有著比陸地隧道更加優(yōu)越的抗震性。隧道的各個銜接處，都會有柔軟的“抗震縫”，使隧道“柔韌”起來，在地震發(fā)生時可以最大程度保護隧道不受傷害。地震發(fā)生后，工作人員也會立刻勘察整個隧道，對于一些發(fā)生崩壞或者日后有可能發(fā)生危險的地段，會立刻采取拆除、重砌的方式維修，絕對不能姑息問題的存在。對地震災(zāi)害的處理，要細(xì)致再細(xì)致，謹(jǐn)慎再謹(jǐn)慎，否則會“一著不慎，滿盤皆輸”！

海底隧道的日常維護

除去這些大的災(zāi)害，海底隧道所處的嚴(yán)峻海洋環(huán)境也使隧道結(jié)構(gòu)長期面臨著含鹽水質(zhì)、水中生物、高水壓等因素的持續(xù)作用，因物理、化學(xué)因素而產(chǎn)生的各種損傷也影響著海底隧道的耐久性。因此，在海底隧道投入運營后，加強養(yǎng)護與維修、通風(fēng)等日常管理，對海底隧道安全以及正常運營至關(guān)重要。

日常維護之機電維護組

由于海底隧道環(huán)境惡劣，各種機電設(shè)施需要進(jìn)行經(jīng)常性的維護，隧道內(nèi)的各種突發(fā)事件也會造成隧道內(nèi)設(shè)備的損壞，需要及時修復(fù)。機電設(shè)施的日常維護措施瑣碎而又重要，包括日常清潔、例行監(jiān)測、設(shè)備維修、突發(fā)事件處理等。這些維護措施可以大大減少機電設(shè)施的故障率，節(jié)省系統(tǒng)維修成本，同時提高機電設(shè)施的耐久性與使用壽命。

日常維護之監(jiān)控組

監(jiān)控組主要負(fù)責(zé)監(jiān)控隧道的運行，對耐久性檢測系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、無線電接收系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、交通信號系統(tǒng)、誘導(dǎo)系統(tǒng)以及緊急避難設(shè)施等進(jìn)行24小時的監(jiān)控。監(jiān)控組的存在使隧道內(nèi)突發(fā)事件的概率大大降低，并且也大大提高了隧道內(nèi)突發(fā)事件的應(yīng)對速度。

日常維護之安保消防組

安保消防組負(fù)責(zé)隧道內(nèi)的消防安全以及緊急救援工作，其重點是預(yù)防事故的發(fā)生以及處理潛在的安全隱患，確保隧道安全運營。

隧道的景觀設(shè)計

隨著世界各國經(jīng)濟實力的不斷提高以及人們文化品位的不斷提升，現(xiàn)在人們對隧道的要求已經(jīng)不僅僅局限于交通的功能了，人們對隧道通行環(huán)境——隧道景觀要素提出了更高的要求。如何以人為中心、將環(huán)境景觀與現(xiàn)有工程技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)成為了隧道工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢。

早期的隧道景觀主要表現(xiàn)在洞口環(huán)境以及一些小的裝飾處理上。隨著人們對環(huán)境、生態(tài)、行駛安全舒適性以及隧道所在城市形象的重視，隧道景觀建設(shè)內(nèi)容已經(jīng)擴展到隧道工程的方方面面，包括隧道內(nèi)外景觀、綠化生態(tài)的恢復(fù)、附屬建筑物的建筑景觀等。