水下隧道工程實踐面臨的挑戰、對策及思考

錢七虎

(1．解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007;2．解放軍理工大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇南京 210007)

0 引言

中國快速的經濟發展和城市的不斷拓展，需要越江越海交通的配套發展，而作為越江越海的主要手段——橋梁在其數量不斷攀升的同時，越來越顯現其局限性:在大雪、大風及大霧時節不能保證全天候通行;對沿江、海灣內的航運產生不利影響，包括對港口、碼頭等航運設施的影響，橋梁凈空高度對船舶噸位的影響以及撞橋事故的不斷發生，從而對航行船速的限制以及要求船隊的解駁等。因而，隨著水下隧道修建技術的迅速提高，水下隧道建設步伐就迎勢而上并不斷推進，工程數量日益增加。黃浦江、甬江、珠江、黃河以及長江等我國大江大河下相繼建成并正繼續修建不少隧道。繼廈門翔安海底隧道、青黃島膠州灣海底隧道建成后，港珠澳大橋海底隧道也正在修建，而跨越瓊州海峽和渤海的海底隧道也正在積極論證中。我國水下隧道建設在不斷展現其豐碩成果的同時，面臨著不少的嚴峻挑戰，諸如穿越水下淺覆蓋層的挑戰、盾構刀具嚴重磨損的挑戰以及TBM卡機的挑戰等。本文在歸納中國水下隧道工程實踐經驗教訓的基礎上擬對面臨的挑戰與對策做出初步的思考和分析。

1 3種主要水下隧道修建方法

除在城市湖泊下修建水下隧道可采用筑圍堰、排水、明挖方法外，在江、河、海下一般采用暗挖法(鉆爆法、TBM和盾構法)以及沉管法。

1．1 鉆爆法

水下隧道鉆爆法與陸地隧道的無根本區別，主要關鍵技術是設計埋深須滿足最小覆蓋層基巖的要求，以預防坍塌并遏止高壓涌水［1-3］。為此，要做好工程地質和水文地質的勘察調查及突水涌水的超前地質預報，并在完全可靠的注漿固結封閉的條件下鉆爆開挖。

1．1．1 優點

1)所需設備投資較小。

2)對不同地質條件、開挖工藝、方法和斷面形狀的適應性好，轉換場地、移動位置機動、靈活。

3)動力能源消耗少、要求低，投資小。

4)設備維修少，利用率高，在不發生事故的前提下施工進度穩定。

5)比較適合我國當前的國情。

1．1．2 不足

1)較難提高開挖速度，工期長，特別在發生圍巖坍塌及突水涌泥事故情況下，工期難以估計，如:日本青函隧道，因津輕海峽有9個斷層破碎帶，發生3次涌水停工，主隧道歷時14年才貫通。

2)與TBM法相比，隧道斷面易發生超挖，圍巖破壞大，施工安全差。

1．2 TBM法和盾構法

TBM法是隧道全斷面掘進機(TBM)，利用刀盤刀具破碎巖石和在軟土中開挖，邊開挖邊出渣并進行錨噴支護襯砌或管片支護等連續作業［4-6］。在中國，軟土中的TBM法稱為盾構法。

1．2．1 優點

1)TBM和盾構法掘進速度快，在均勻的中、硬巖層中的月掘進速度在600 m左右。如在英法海峽隧道的英國端，月掘進764 m，法國端月掘進685 m(地質較英國端復雜)，最高月掘進速度為英國端1 500 m，法國端也達1 170 m。最適合長隧道施工。

2)TBM掘進的隧道具有較平整的臨空面，超欠挖極少，圍巖松動范圍一般都在200～500 mm，因受到的破壞很小并能得到及時支護，故圍巖穩定，施工安全。

3)施工安全性大大提高，可最大限度減少施工人員的傷亡。

4)施工機械化程度達到95%以上，降低了勞動強度，改善了勞動環境和條件，實現了隧道施工的快速、高質、高效、安全的目的。

5)施工中對海底地質不產生任何不利影響，不影響和干擾水面航行;不干擾海洋中保護動物，如白鰭豚等。

6)具有極其顯著的社會效益。

1．2．2 不足

1)造價昂貴。

2)遇到復雜多變的地層，如斷裂構造、軟硬交替或上軟下硬的地層時，TBM和盾構的推進比較困難。

3)超大直徑多車道的TBM和盾構還有待研究和開發。

1．3 沉管法

在預制場(船塢或造船廠車間)將隧道整體分段制作好，兩端用臨時鋼封門密封，船塢放水使隧道管段上浮，采用拖運和定位等設備，使管段準確浮運至設計位置;經管段灌水壓載，下沉至已開挖好的水底基槽，再依次在水下利用水力壓接將管段連接起來，接口使用可靠的密封止水，最后是拋石回填，抽出管段內壓載水，開啟各段間鋼封門，在管段內進行設備安裝和裝修后，即成水底沉管隧道［7-9］。

1．3．1 優點

1)建設要求頂面須埋在河流、海流的沖刷線以下，因此能做到沉管斷面頂面不侵入航道。

2)要求地層承載力不大。

3)隧道各管段可在干鄔和工廠車間內預先制備、質量有保證。

4)管段預制和水底開槽可同時進行，效率高，工期短。

5)工程造價和投資具有競爭力。

1．3．2 不足

在管節預制、防水、水下開槽、管節浮運、沉放、各管節水下對接以及沉管基礎處理的各個工藝流程中出現失誤的概率，相對地比其他隧道技術要多。這是因為沉管隧道是埋置或擱置于水下的大型人工構筑物，受河、海地貌、地質、水文、航道，以及設計、不可預見的繁復性施工工藝與方法的直接影響。

在世界上至今已建成100多座沉管隧道，其最大沉埋深度(水深加覆蓋層厚)已達50 m，沉管隧道最長的已達5．825 km。

2 水下隧道的主要修建方法的比較

見表1。

3 水下隧道建設的挑戰與對策思考

3．1 沉管法在河道水流含砂大幅減少的情況下，面臨河床沖刷的挑戰

如長江中下游建設的水下隧道:武漢、南京及上海長江隧道，由于面臨長江三峽水電站、向家壩、溪洛渡、烏東德及白鶴灘5個水電站(后4個發電功率為三峽電站2．5倍)，建成后水流含砂量的大幅減少，從而由中下游河床沖淤不平衡引起的沖刷，難以確保水下隧道在其生命周期內的安全運營。

對策:南京、武漢長江隧道原方案為沉管法，經建議及論證確定后修改為盾構法。

表1 水下隧道主要修建方法比較［10］Table 1 Comparison and contrast among different construction methods of underwater tunnels

3．2 沉管頂部深潭部位管段局部頂面高出河床的挑戰

河床因沖刷一般呈不對稱“V”型，沉管法隧道若在深潭部位按常規設計勢必埋深大、工程路線長、造價高。因此，深潭部位管段頂面局部高出河床為具有重大工程實踐意義的課題。

國內外已有此類設計成功的實例，如:希臘Preveza Aktio沉管隧道、悉尼港沉管隧道、香港跨港公路沉管隧道西九龍沉管段及上海外灘泰和路隧道。但由于工程條件不同(工程地質、水文地質、河勢沖淤變化等)，不能套用已建工程經驗，必須進行數學模擬和河流模擬試驗研究，確定頂面高出河床的幅度及其相應對河流流態、流場以及對河床和附近構筑物(如碼頭)的影響后，才可確定建設方案。

現介紹上海隧道院對該課題研究的內容和結論以供參考。

3．2．1 數學模型計算研究主要內容

1)管段不同抬高幅度對流態的影響程度和影響范圍(重點是航道和碼頭)。

2)基槽開挖對流態的影響程度和影響范圍。

3)臨時輔助航道開挖對流態的影響程度和影響范圍。

3．2．2 物理模型試驗主要研究內容

1)管段不同抬高方案對流場的影響和對附近碼頭水域的影響。

2)分析基槽開挖區的懸砂淤積。

3)分析不同尺度管段抬高所引起的工程區河床沖淤變化和對附近碼頭水域的泥砂沖淤影響。

3．2．3 數學模型計算研究結論

抬高的工程實施后，對黃浦江河道內的水位基本沒有影響;在隧道工程軸線附近流速有所增加，離開軸線稍遠處的上游水域流速略有減少，流速變化范圍很小，流場變化無異常現象。

3．2．4 物理模型試驗研究結論

流速影響范圍在數百米以內，在河床地形調整后流速增大的幅度在5 cm/s以內;覆蓋區周圍發生一定沖刷，沖刷區上下游出現泥砂淤積區，影響范圍為數百米;沖刷幅度在1 m以內，2年內，局部地形調整后，趨于穩定;沖刷可影響覆蓋層與河床接合處塊石穩定;沖淤對工程區附近碼頭及防洪等工程設施沒有產生不利影響。

3．3 沉管埋深增大的挑戰

沉管法為淺埋工法，港珠澳大橋的沉管隧道要適應30萬t油輪的通航，因此沉管必然深埋，為此必須應對管槽回淤嚴重的挑戰;此外，深挖管槽導致地基回彈嚴重和荷載加大共同引起的顯著沉降以及對管節段結構的挑戰。

對策:邊回淤邊吸泥排淤，在管段沉放時不斷排淤以滿足設計要求;設置樁基防止沉降過大;加大管節段結構厚度。應多做同等深度的隧道建設方案比較，深埋隧道應盡量避免采用沉管法。

3．4 大型盾構穿越淺覆土層的挑戰

為減小水下隧道的埋深，以減少隧道總長和造價以及隧道在復雜地層中推進的難度，很多隧道常在局部地段面臨穿越小于盾構直徑的覆蓋層深度的挑戰，如南京長江隧道φ14．93 m盾構，始發段埋深5．5 m(0．4D);江中沖槽段埋深 10．49 m(0．7D)。具體挑戰的風險是盾構姿態穩定性和江底覆土層劈裂穿透涌水。

對策:1)保證盾構穩定推進的推進參數和推進技術的掌握以及注漿參數和技術的掌握。2)掘進面泥水壓力設定需要滿足掘進面的穩定和防止劈裂擊穿覆蓋層(見圖1);為此，需研究穩定掘進面所需泥水壓力的確定以及劈裂機制的闡明和泥水擊穿壓力的判別標準。3)應進行泥膜形成技術和開艙用氣壓置換泥漿條件下泥膜穩定時間的研究。

3．5 盾構刀盤刀具磨損的挑戰

南京緯七路、緯三路隧道、穿黃隧道、廣州、成都隧道在卵礫石層，軟硬復合地層中推進時都出現了刀具嚴重磨損，長時間停工檢查修復。大盾構水下砂卵礫石層與上軟下硬巖層中推進時檢修和更換刀具是施工中必須克服的難題。

圖1 盾構泥水壓力平衡示意Fig．1 Balance of slurry shield

大型盾構在砂卵礫石層中推進刀具磨損問題更加突出，這是由于:1)盾構刀具在同樣進尺條件下，其磨損工作長度與刀具配置部位半徑成正比，例如南京14．93 m大盾構掘進刀具的磨損為地鐵6．3 m盾構磨損的2．5倍;2)在石英含量高的砂卵石層中刀具的磨損可達軟土地層中磨損的10倍。

南京長江隧道是世界上首次進行高水壓條件下常壓刀具更換，形成了高水壓條件下(0．65 MPa)泥水盾構常壓刀具更換技術。常壓換刀的成功實施，盾構刀具適時檢測和更換技術的建立，部分避免了高壓換刀作業的巨大風險，標志著超長隧道的掘進成為可能(見圖2)。

圖2 盾構換刀Fig．2 Replacement of cutting tools of shield machine

對策:

1)在盾構選型和配置時能確保實現不在刀盤前高壓換刀，而在刀盤后常壓下換刀。南京緯七路長江隧道已在中國第1次成功實施了高水壓條件下常壓刀具的更換，降低了高壓換刀作業的風險。

2)研究實行飽和法開艙作業的高壓換刀技術。目前的盾構設計和研制水平還不能保證全部刀具在刀盤后常壓換刀，高壓換刀還難以避免，但常規的壓縮空氣開艙技術由于每班次作業均須執行加、減壓的程序，每班次有效工作時間僅為25 min，而減壓總時間＞180 min，所以工作效率太低。飽和法開艙作業是作業人員一次加壓，長期在設定壓力的飽和艙內生活和休息，每天乘坐穿梭艙運送至盾構刀盤前的高壓艙內從事刀具檢修作業，作業時間可達4 h，每次作業后返回生活艙休息，待全部作業完成后才減壓返回至常壓下。從而極大地提高了作業效率，顯著減少了作業人員減壓病發生的概率。

3)開展砂卵石地層和上軟下硬地層中刀具磨損機制和地層適應性研究，目前的初步成果表明，刀具耐磨型的改進有賴于刀具材質的改進和“減小前角，加大后角、增大合金、鈍化刀刃”的刀具設計。

3．6 盾構埋深提高的挑戰

長江未來的大沖刷量導致長江隧道的設計埋深大，從而引起盾構在基巖中推進的困難。為減小盾構推進難度，必須不按常規設計，即未來覆蓋層可小于一個盾構直徑，以減少埋深。借鑒沉管隧道高出河床成功的實例，這是可行的，但須解決抗浮和河床覆蓋的問題。

3．7 盾構法軸承損壞的挑戰

水下長大隧道建設時，盾構軸承有可能損壞，如丹麥大貝爾特(Great Belt)海峽東隧道，TBM掘進500 m后發生軸承損壞，原因是密封潤滑系統鉆渣污染。

對策:檢測潤滑油，查明損壞原因，若為鉆渣污染，可采取更換軸承，并增強密封。

3．8 TBM和盾構通過斷層和軟弱破碎地層時卡機的挑戰

TBM通過斷層和軟弱破碎地層時，由于開挖卸荷誘發斷層失穩或圍巖剪脹擴容導致TBM卡機，無法推進。

對策:加強地質超前預報，準確預測斷裂構造或軟弱破碎圍巖位置，超前注漿固結圍巖，防止圍巖失穩或剪脹擴容。如隧道設計線位通過斷裂構造數量較多，可以考慮改變TBM或盾構建設工法，并深度比較工程建設方案。

4 討論與建議

修建橋梁與隧道各有利弊，關鍵是隨工程環境與建設條件而變，因地因時而異，應“宜橋則橋、宜隧則隧、橋隧并舉”。

修建水下隧道的各個工法——鉆爆法、沉管法與盾構和TBM法各有優缺點，關鍵是修建人員需深刻領會并熟練分析其所適應的工程地質與水文地質環境，只有這樣才能發揮其工法的優勢，避開其工法的不利，做到趨利避害，不能將某工法應用于不該使用它的環境與條件下。最后要堅持工法的與時俱進，化面臨的挑戰為發展的機遇，不斷實現科技創新，從而發展與完善工法，使我國在科技創新的基礎上實現從隧道建設大國走向隧道建設強國。

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