渤海海峽跨海通道隧道建設方案研究

王樂明，孟慶余，萬自強，馮天煒，賈 輝，李佳琪

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

渤海是我國最大的內海，從遼東半島沿海岸到膠東半島，三面大陸環繞，形狀如英文字母C。渤海海峽橫亙在兩大半島之間，既是外海進入渤海的海上必經通道，又是我國南北陸路交通的天塹，跨海通道中尚無鐵路、公路直達的運輸通道。過去二十年，相關部門、科研機構、課題組對通道規劃和建設方案、關鍵技術等進行了廣泛研究[1-8]。

早期研究對于通道的建設條件主要基于海峽氣象水文、地形地貌、地層巖性和地質構造等進行現場調研、區域地質構造分析的基礎上進行[9-11]。為進一步推進和深化通道建設前期研究工作，2019年中國工程院立項重大咨詢研究項目《瓊州、渤海海峽通道工程前期戰略研究》，對通道海底地形、地質情況進行了初步勘察，結合通道地形、地質條件，在通道建設方案、隧道橫斷面布置、施工組織等方面進行研究，為渤海海峽跨海通道方案論證、決策和實施提供建議。

1 通道建設方案

考慮到橋梁方式跨越老鐵山水道，除技術難度大以外，在環境與生態、通航、軍事等方面均存在一些較大問題，渤海灣跨海通道可行建設方案分為南橋北隧和全隧道兩種[12-14]。

1.1 全隧道方案

全隧道建設方案考慮隧道施工可行性，同時考慮最大限度減少對地方規劃的干擾和盡量短直原則，結合海上島嶼分布情況，推薦沿線經過北隍城島、小欽島、大欽島、砣磯島、南長山島的經長山島貫通建設方案，該方案海域段新建線路長110.5 km，如圖1所示。

圖1 全隧道方案線路縱斷面

1.2 南橋北隧橋方案

南橋北隧方案結合旅順及蓬萊端登陸點，沿線島嶼分布、環保等控制因素，在研究經大黑山島方案、經廟島方案、經小竹山島方案的基礎上，結合山東省地方規劃意見，推薦按經廟島方案貫通，海域段新建線路長115 km，其中，隧道長64.5 km，如圖2所示。

圖2 南橋北隧方案線路縱斷面

2 通道交通方式及建設方案選擇

通道交通模式有單建公路、單建鐵路和公鐵合建3種模式，考慮超長距離公路隧道在運營通風與防災救援等方面存在諸多問題，通道采用單建公路和公鐵合建模式較為經濟合理的跨越方式為橋隧組合方案；通道采用單建鐵路模式下，全隧道方案具有對生態環境影響破壞少、對長山水道等航道通航無影響、鐵路平縱斷面條件好等優點，優勢較為明顯，故推薦采用全隧方案。通道交通方式及建設方案組合如表1所示。

表1 通道交通方式及建設方案組合推薦

通道在跨老鐵山水道建設海底公路隧道，在現階段的技術條件下，如不設置海中風井幾乎沒有可行(可接受的)的運營通風方案，因此，推薦優先采用單建鐵路通道模式。

考慮到未來新能源汽車的普及、燃油汽車排放技術及標準進一步提高的因素，以“發展的眼光設計未來工程”的思路，如通道采用公鐵合建模式，結合現階段技術條件，可考慮先期建設鐵路通道(預留北段跨老鐵山水道公路隧道建設條件)，待建設時機成熟后再實施北段跨海公路隧道，實現通道的公路交通功能。

3 海底隧道橫斷面布置方案

3.1 服務隧道必要性分析

世界上已經建成的代表性海峽隧道工程如日本青函海底隧道、英吉利海峽隧道，以及我國在青島修建的膠州灣海底公路隧道均設置了服務隧道[15-18]。渤海海峽海底隧道無論是建設規模或是建設條件的復雜程度，均遠超已經建成任何一座海底隧道工程，綜合考慮以下幾方面因素，隧道橫斷面需布置設置服務隧道。

(1)海峽通道沿線分布眾多航道、養殖區、軍事禁區，部分段落(尤其老鐵山水道)開展地質鉆探甚至物探均存在困難，利用服務隧道斷面小、施工效率高、風險相對較小的優勢，超前正線隧道施工查明沿線地質情況。

(2)施工期間服務隧道作為輔助作業空間，施工過程發生塌方、涌水等險情時，可提供救援、搶險和應急處理所需的輔助通道。

(3)本工程跨老鐵山水域段，隧道長達42 km，隧道范圍內不具備設置進出隧道的出入口條件，服務隧道可為正線隧道提供獨立的運營維護和防災疏散通道，提高隧道內發生災害時的人員安全疏散保障能力。

(4)火災情況下，服務隧道作為向正洞提供新鮮空氣的獨立通道，不對其他正線隧道運營通風產生影響，提高隧道防災通風能力。

(5)在服務隧道內合理布設電力、通信管線及給排水管道等，與本通道工程進行一體化建設，可實現通道資源的集約化利用。

3.2 單建鐵路通道隧道橫斷面布置方案

鐵路隧道有雙線隧道和單線隧道2種型式，對于本工程隧道而言，如采用單洞雙線方案，隧道內同時運行多輛列車，當列車出現事故時，有可能引發另一線列車的次生災害，防災疏散能力較差；另外，隧道內的活塞風利用率低，運營和防災通風要求相應提高；其次，單洞雙線鐵路隧道斷面尺寸大，長距離、高水壓條件下施工難度和風險大幅增加，因此，推薦采用單線鐵路隧道方案，如圖3所示。

圖3 單建鐵路隧道橫斷面布置

3.3 公鐵合建通道隧道橫斷面布置方案

公鐵合建通道方案，根據隧道結構斷面研究和運量預測結果，公路建設標準采用雙向六車道，鐵路正線按雙線考慮，南段橋梁采用公鐵分層布置的合建模式[19]，北段隧道采用公路與鐵路分別修建的方式，即“通道合建、隧道分修”，推薦隧道采用“兩管公路隧道+兩管單線鐵路隧道+服務隧道”的斷面布置方案，如圖4所示。

圖4 公鐵合建通道隧道橫斷面布置方案

4 隧道防災疏散救援方案

4.1 鐵路隧道防災疏散救援

單建鐵路通道海底隧道結合線路方案沿線島嶼分布情況，設置緊急救援站和緊急出入口，跨老鐵山海域42 km范圍利用服務隧道在海底設置2處救援站。隧道沿線、跨老鐵山水域緊急救援站、出入口設置情況如圖5、圖6所示。

圖5 隧道沿線緊急救援站、出入口布置(單位：km)

圖6 老鐵山水域緊急救援站平面位置(單位：km)

隧道內正線隧道與服務隧道間設置聯絡橫通道，利用中間橫通道、服務隧道、緊急救援站進行防災疏散和救援。

(1)故障工況下，事故列車在隧道內任意點位置停車，旅客通過橫通道進入服務隧道等待救援，救援列車通過服務隧道或對向行駛的安全隧道到達事故地點實施救援。

(2)火災工況下，進行定點救援，著火列車停靠在緊急救援站，旅客通過橫通道疏散進入服務隧道等待救援，救援列車通過服務隧道或對向行駛的安全隧道到達事故地點實施救援.

4.2 公路隧道防災疏散救援

公路隧道利用鐵路隧道進行人員疏散和救援，在公路隧道與鐵路隧道之間間隔350 m設置人行橫通道；上下行公路隧道間隔1.0 km設置車行橫通道[20-21]，實現火災情況下，著火點前方和后方車輛及人員的疏散。

(1)事故工況下，事故車輛車上人員進入就近的橫通道待避，在原地等待救援。

(2)火災工況下，著火點前方車輛盡快駛離隧道；后方車輛通過車行橫通道進入對向行駛隧道內駛離隧道；著火點與后方車行橫通道之間的車上人員進入就近的橫通道待避等待救援，通過相鄰鐵路隧道內的行駛列車將待避人員安全運出隧道。

5 隧道施工組織方案

5.1 隧道施工方法選擇

根據最新地質勘察成果，渤海灣跨海通道除靠近北隍城島附近長度約15 km的水域海底以下140 m鉆孔未見基巖，其余段落均下伏基巖，借鑒英吉利海峽隧道、日本青函海底隧道建設經驗[22-23]，通過前期充分的地質鉆探工作，盡可能將隧道埋置于較為穩定的海底基巖地層之中，采用以TBM掘進機法為主施工。

考慮海底隧道施工安全和工程工期，跨海段長度超過10 km的海底隧道，推薦采用TBM掘進機法施工；隧道出口老鐵山陸域段為國家自然保護區，采用TBM掘進機法施工，其余島域段、水深較淺或長度較短海域，推薦采用鉆爆法施工；下穿老鐵山海域兩端位于海底基巖地層段落采用TBM施工，第四系地層段落可采用盾構法施工。渤海灣跨海隧道各段落推薦施工方法如表2所示。

表2 渤海灣跨海隧道推薦施工方法

5.2 隧道施工組織方案

渤海海峽跨海通道自煙臺登陸點至北隍城島段位于廟島群島斑海豹自然保護實驗區和渤海海洋生態紅線限制開發區，且沿線島嶼眾多，最大水域寬度僅20 km，研究推薦該段海底隧道施工利用既有島嶼設置豎井。

北隍城島至旅順登陸端老鐵山海域寬42 km，無可利用島嶼，其中，中間4.5海里老鐵山水道通航水道非禁止航行區是大型船舶進入渤海海域的主要進水道，船舶進出繁忙；南側靠近北隍城島側海域為廟島群島斑海豹自然保護實驗區、渤海海洋生態紅線限制開發區和禁止航行區，北側靠近旅順登陸端海域為禁止航行區。該海域水深超過50 m(最深達到86 m)，豎井設置難度和施工風險高，同時考慮軍事影響等不確定因素，研究推薦該段海底隧道不考慮設置海中豎井。

渤海海峽跨海通道全隧道方案海底隧道總長約120 km，南橋北隧組合方案海底隧道總長約為64.5 km，利用途經島嶼設置豎井或斜井，劃分為不同施工段落，如圖7、圖8所示。

圖7 跨渤海灣通道全隧道方案隧道施工組織籌劃(單位：km)

圖8 跨渤海灣通道南橋北隧方案隧道施工組織籌劃(單位：km)

5.3 跨老鐵山水道實施方案

渤海海峽通道跨老鐵山水域海底隧道(長42 km)是控制工期的關鍵工程，考慮海峽通道沿線分布眾多航道、養殖區、環境保護區、軍事禁區，部分段落開展地質鉆探甚至物探均存在困難，勘察階段所獲取地質資料精度有限，建議在勘察設計階段，配合海上勘察，開展中間服務隧道掘進施工，分別由北隍城島側和老鐵山側向海中方面超前貫通施工，探明詳細地質狀況，為正洞隧道設計、施工提供有利支撐。

跨老鐵山水道段海底隧道，結合施工期間服務隧道使用功能，開展2種施工組織方案研究。

(1)兩端對向掘進方案

該方案采用服務隧道和鐵路隧道進行同期施工，各自獨立完成，在中間巖質地層設置接收洞，施工期間服務隧道主要作為應急處理及正線隧道施工輔助坑道。結合兩端地質條件，選用相應的掘進機設備，對穿越15 km第四系覆蓋層段落采用1臺盾構機、一次性獨頭掘進施工，如圖9所示。

圖9 兩端對向掘進實施方案示意(單位：km)

(2)服務隧道超前正洞接力方案

該方案服務隧道快速超前施工或超前貫通，作為施工南、北側組裝洞的施工通道，并承擔正洞施工任務，正洞隧道利用服務隧道作為設備、材料運輸通道實現多作業面分段同步施工，其中，隧道穿越第四系覆蓋層段落由兩端設置的始發洞(兼接收洞)，采用2臺盾構掘進機對向掘進，在第四系地層中間位置進行海底對接。鐵路隧道利用服務隧道開展多作業面施工，如圖10所示。

圖10 服務隧道超前正洞接力實施方案示意(單位：km)

針對以上兩種實施方案，考慮到后期地質條件的不確定性以及未來設備制造、施工技術的進步等因素，綜合分析導洞超前的距離，推薦采用兩端對向掘進實施方案。

6 結論及建議

(1)渤海灣跨海通道推薦采用單建鐵路通道的交通模式和全隧道建設方案。

(2)當通道按照未來工程進行規劃設計，采用公鐵合建的交通模式時，推薦南橋北隧建設方案，北段跨老鐵山水道采取先期實施鐵路隧道(預留公路隧道建設條件)的建設方式。

(3)鐵路隧道推薦采用服務隧道+單線鐵路隧道的橫斷面布置方案；公鐵合建模式采用公路隧道與鐵路隧道分別修建方式。

(4)隧道采用以掘進機法為主的施工方法，跨老鐵山42 km海域段，結合海底地質條件，考慮隧道掘進機技術、施工技術發展等因素，推薦采用2臺掘進機分別由水域兩端向中間對向掘進施工、在水域中間巖質地層對接的實施方案。

(5)本項目工程地質、環境條件，較為理想的掘進機設備為可同時適用于硬巖、軟巖、破碎不穩定地層和軟土地層的泥水盾構/TBM雙模式或多模式掘進機，有必要開展多模式掘進機設備制造及施工技術研究，降低工程建設難度和施工風險。

(6)由于掘進機設備經長距離施工后在海底復雜地質條件下進行對接不可避免，隧道施工采用的掘進機斷面尺寸大、掘進距離長，下一步需根據隧道內運輸、組裝條件，對設備洞內運輸、組裝、始發和接收技術及工程配套技術進行研究。