海底隧道建設方案研究及對比分析

劉凱凱

(舟山市普陀區大橋工程建設管理辦公室，浙江舟山 316100)

0 引言

我國內陸及沿海水域遼闊，交通事業的發展和隧道修建技術的進步為水下隧道的發展提供了優越的條件。隨著我國經濟發展的需要，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，尤其是工程地質與水文地質復雜多變;而在現有的技術條件下進行深水海洋地質勘察的難度高、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情況的風險就更大。根據國內外已有的工程經驗來看，海底隧道的主要施工工法有鉆爆法、盾構法和沉管法［3］。每種建設工法均有其適應性，需根據工程規模、工程地質、水文地質及周邊環境等因素綜合確定。

本文結合某擬建海底隧道，對海底隧道建設中的兩種常用工法即盾構法與沉管法的特點進行了分析。根據擬建海底隧道的建設條件，分別進行了盾構方案與沉管方案研究，并結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。海域上部為淤泥質粉質粘土、粉質粘土，中部為粉質粘土，下部為含粘性土碎石，底部為凝灰巖，海底覆蓋層厚度較大。

2 盾構方案研究

盾構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勢。在盾構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、氣候等條件的影響，能較經濟合理地保證隧道安全施工。盾構的推進、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。采用盾構法施工，周圍環境不受盾構施工干擾，對通航基本無影響，地面人文自然景觀可受到良好的保護。其不足主要體現在:盾構機械造價較昂貴，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、襯砌結構防水及堵漏、施工測量、場地布置、盾構轉移等施工技術的配合，系統工程協調難;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、淤泥質粉質粘土及粉質粘土為主，適宜采用盾構隧道施工。若采用盾構法隧道，隧道長度適中，且能較為便利地與兩岸島內交通進行溝通，能充分發揮隧道的既定功能。考慮盾構隧道施工特點，盾構方案平面線形主要考慮下列因素:1)兩岸盾構始發井與接收井各隧道之間的凈距;2)海域盾構段隧道之間的凈距;3)盾構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。

結合工程實際情況及盾構、明挖各工法的施工特點，相關道路交叉、銜接要求，盾構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)盾構工作井處覆土厚度要求;4)隧道內最大坡度。

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

盾構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。結合本工程的地質條件及盾構機的選型情況，并參考既有盾構法隧道的施工經驗，盾構隧道內徑確定為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，沉管的優勢越明顯。此外，沉管隧道可根據需要改變斷面，且斷面利用率較高。其不足主要體現在:基槽(呈倒梯形狀)開挖的土方量大，相應的回填量也較大;主體結構的圬工量較大;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、淤泥質粉質粘土及粉質粘土，建成后的沉管隧道基礎主要位于淤泥質粉質粘土及粉質粘土之中，隨之區水流速度約0.85 m/s，且兩岸灘涂區較為開闊，方便設置干塢。總的來看，隧道具備采用沉管方案的可行性。

由于沉管隧道的結構特點，其左右線位于一個整體結構內、左右線間距小，可利用暗埋段和敞開段漸變為整體式路基形式，平面線位主要由軸線總體走向確定。結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，隧道海底盾構段采用整體式結構，平面線形采用直線，進入海域后根據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，并考慮適當的施工誤差和不均勻沉降預留量。根據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

根據盾構隧道與沉管隧道的工法特點，從工程地質與水文地質條件、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。但盾構法在對周邊環境以及對航道的影響等方面具有一定的優勢;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。詳細比較結果見表1。

表1 沉管方案與盾構方案對比表

5 結語

海底隧道建設條件復雜，根據隧道的建設條件選擇最為經濟合理的建設方案進而開展相應的結構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、沿線工程地質與水文地質條件、海底地形、周邊環境以及對航道的影響等方面確定。由于盾構隧道使用現代化生產手段、速度快、效率高;施工通風易于解決，可以實現長距離獨頭掘進;進洞工作人員作業環境較好，安全保證程度高;隧道管片及防水系統工廠化預制;機械化拼裝，質量穩定;同沉管法相比，其施工期不占用航道，對環境影響小;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，凡能使用盾構掘進機施工的，當優先用。

［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.