陳 昂,陶偉明,朱 勇,范 磊
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)
海南島是我國“一帶一路”倡議的重要支點(diǎn),但限于瓊州海峽的阻隔,目前與內(nèi)陸的交通主要依靠輪渡和航空,極大限制了兩岸人員、物資的交流。2018年2月,受大霧天氣影響,輪渡全部停航,超過5萬輛汽車滯留,社會(huì)影響嚴(yán)重。建設(shè)一條固定式、全天候的跨海通道已迫在眉睫。
自1994年以來,國家多部門多次對瓊州海峽跨海通道進(jìn)行研究。結(jié)合公路、鐵路過海需求,先后形成了全橋、全隧、橋隧結(jié)合三大類方案[1-5]。橋梁方案無法滿足全天候運(yùn)營需求,抵御戰(zhàn)爭、地震、臺風(fēng)能力弱。由于海峽內(nèi)無天然島嶼,橋隧結(jié)合方案需設(shè)置人工島,嚴(yán)重影響海峽航運(yùn),工程投資較高。因此,歷次研究均偏向全隧方案[4]。
瓊州海峽跨海隧道建設(shè)條件相當(dāng)復(fù)雜,前期研究初步查清了海峽內(nèi)的氣象、水文、工程地質(zhì)等建設(shè)條件,本文進(jìn)行簡要論述。
瓊州海峽海底地形呈現(xiàn)西淺東深狀態(tài),中部是水深大于50 m的深水盆地(長約70 km、寬約10 km),盆地中軸為水深80~115 m的深槽。海峽南側(cè)為陡坎,最大高差可達(dá)到70 m。海峽東部峽口為一系列淺灘和沖槽相間,部分區(qū)域水深僅20~30 m。西部峽口為一巨大的水下三角洲,水深40~50 m[6]。
海上鉆探顯示,海峽地層主要為第三紀(jì)和第四紀(jì)的沉積層,僅在兩岸有火山噴發(fā)和噴溢的玄武巖露頭,分布范圍較小。海床上部地層為砂夾黏土、黏土夾砂或粉土互層,下部為深厚狀黏土。海上鉆探150 m深鉆孔未見基巖,物探預(yù)測海床下300 m或有基巖分布,由此說明海峽內(nèi)基巖埋深極深。
海峽內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,按其展布方向,主要可劃分為北東-北東東向、北西向、近東西向和近南北向4組。目前較為可靠的全新世活動(dòng)斷裂包括馬裊—鋪前斷裂(54)、鋪前—清瀾斷裂(36),長流—仙溝斷裂(40)。晚更新世活動(dòng)斷裂包括海口-云龍斷裂(38)、徐聞西-紀(jì)家斷裂(39)、馬裊-福山斷裂(42)。瓊州海峽區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造見圖1。

圖1 瓊州海峽區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造
海峽區(qū)域歷史地震活動(dòng)呈現(xiàn)“北強(qiáng)南弱”的特點(diǎn),北部地震強(qiáng)度在6級以上,南部則小于6級。震源深度優(yōu)勢分布為10~15 km。1605年瓊山7.5級大地震對通道選址影響最大,近場區(qū)影響烈度在Ⅶ度以上,自北向南減弱。南岸影響烈度在Ⅶ~Ⅷ~Ⅸ度,海峽北岸的影響烈度在Ⅶ~Ⅷ度。區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度0.2g~0.3g。
結(jié)合海峽工程建設(shè)條件、兩岸城市規(guī)劃、工程規(guī)模等因素,通過前期多次研究,選定了東、中、西3個(gè)通道方案。見圖2。

圖2 瓊州海峽通道選址示意
東線通道從廣東側(cè)海安、排尾等地引至海口市,海面寬度約24 km。該通道海底地形起伏強(qiáng)烈,最大水深約86 m,地震烈度Ⅷ度,且靠近1605年瓊山7.5級大地震震中,受地震和斷裂的影響最大。在歷次研究中,該通道均不推薦。
西線通道由廣東側(cè)燈樓角引出,向南至海南紅牌咀,海面寬度約33 km,最大水深約60 m。該通道海底地形起伏較小,無明顯陡坎,但北側(cè)穿過徐聞珊瑚礁國家級自然保護(hù)區(qū)。該通道建設(shè)條件較好,但線路長度超過30 km,盾構(gòu)法、礦山法施工極為困難。沉管法雖不受隧道長度限制,但基槽開挖、管節(jié)浮運(yùn)沉放等涉及大量的水上作業(yè),嚴(yán)重影響海峽通航,對海洋環(huán)境影響較大,工程投資巨大。
中線通道由廣東側(cè)四塘引出,向南至海南天尾引入海口站,海面寬約21 km,最大水深88 m。該通道建設(shè)條件優(yōu)于東線通道,隧道長度最短,工程規(guī)模和投資較西線通道大為減少,在歷次研究中,均作為隧道首選位置。
水下隧道工法主要包括圍堰法、礦山法、盾構(gòu)法、沉管法等。圍堰法一般用于內(nèi)湖淺水中,不適用于本工程。礦山法多用于巖石地層,瓊州海峽基巖埋深極厚,不適用。沉管法涉及大量水上作業(yè),對航運(yùn)影響極大。同時(shí)中線通道最大水深88 m,超過現(xiàn)有沉管隧道應(yīng)用水深,工程實(shí)施困難。
盾構(gòu)法屬于機(jī)械化暗挖施工,尤其適用于瓊州海峽的軟土地層,相較于沉管法在本工程中更有優(yōu)勢。二十多年來,我國利用該工法在長江流域、黃河流域、珠三角地區(qū)修建了超過20座水下隧道,積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn),最大直徑達(dá)到15.2 m(武漢三陽路過江隧道),盾構(gòu)最長獨(dú)頭掘進(jìn)距離達(dá)到7.5 km(上海長江隧道),最大水深達(dá)到80 m(蘇通GIL綜合管廊隧道)。因此,推薦采用盾構(gòu)法。
瓊州海峽連接廣東和海南兩省,交通運(yùn)量需求巨大。結(jié)合兩岸運(yùn)量需求及未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,本通道需考慮公路和鐵路的過海需求,其中公路按80 km/h設(shè)計(jì),雙向6車道,鐵路設(shè)計(jì)為速度250 km/h雙線客專。
2.3.1 公鐵合修方案
公鐵合修方案將鐵路與公路置于同一隧道內(nèi),鐵路位于隧道下部,公路位于隧道中上部。擬定管片內(nèi)徑17 m,外徑18.6 m,所需盾構(gòu)機(jī)直徑預(yù)計(jì)達(dá)到19 m。目前世界最大直徑盾構(gòu)隧道為香港屯門—赤臘角海底隧道,盾構(gòu)機(jī)直徑也只達(dá)到17.6 m。俄羅斯曾提出建造直徑19 m級的盾構(gòu)隧道,但由于設(shè)計(jì)、制造難度太大而放棄。
考慮19 m級盾構(gòu)機(jī)制造、施工難度,公鐵合修方案技術(shù)尚不成熟,工程實(shí)施難度大。同時(shí),公路和鐵路運(yùn)營管理分屬不同部門,公鐵合修隧道運(yùn)營管理協(xié)調(diào)難度大。因此,不推薦采用,考慮公鐵分修。見圖3。

圖3 公鐵合修隧道橫斷面示意
2.3.2 公鐵分修方案
公鐵分修將公路隧道和鐵路隧道共通道單獨(dú)設(shè)置,互不連通,可根據(jù)運(yùn)量需求分期或同期建設(shè)。其中,公路隧道按雙洞敷設(shè),間隔設(shè)置橫通道進(jìn)行連通,運(yùn)營期可互為疏散救援,管片內(nèi)徑13.9 m,外徑15.3 m,盾構(gòu)機(jī)預(yù)估直徑15.7 m。鐵路隧道為減小隧道斷面,提高防災(zāi)救援能力與運(yùn)輸靈活性,采用雙洞單線分修模式。由于鐵路隧道長度超過20 km,海域段無條件設(shè)置緊急出口,參照英法海峽隧道模式,增設(shè)1條貫通服務(wù)隧道。鐵路正線隧道管片內(nèi)徑8.9 m,外徑10.1 m,盾構(gòu)機(jī)預(yù)估直徑10.4 m。公鐵分修隧道橫斷面示意見圖4。

圖4 公鐵分修隧道橫斷面示意
本工程隧道長度超過20 km,盾構(gòu)獨(dú)頭施工距離過長,工程風(fēng)險(xiǎn)和工期不可控,故推薦多臺盾構(gòu)從廣東、海南側(cè)相向掘進(jìn)、水下對接,單臺盾構(gòu)掘進(jìn)長度約10.7 km,土建工期82個(gè)月。見圖5。

圖5 隧道施工組織籌劃(單位:km)
結(jié)合工程建設(shè)條件和建設(shè)方案,本工程需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括超大直徑盾構(gòu)(φ15.7 m)、超長距離掘進(jìn)(10.7 km)、超高水壓(1.45 MPa)、水下對接、聯(lián)絡(luò)通道施工、公路隧道通風(fēng)等。其中部分挑戰(zhàn)相互影響、相互作用,更增加了工程的實(shí)施難度。
3.1.1 超大直徑盾構(gòu)
本工程公路隧道盾構(gòu)直徑15.7 m,近年來,我國盾構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造能力已有長足發(fā)展,基本掌握了大直徑盾構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。2020年9月,我國制造的16.07 m超大直徑盾構(gòu)“京華號”下線,用于北京東六環(huán)改造工程,標(biāo)志著我國已有能力設(shè)計(jì)、制造16 m級超大直徑盾構(gòu)。見圖6。

圖6 “京華號”盾構(gòu)
3.1.2 超高水壓
中線通道最大水深88m,考慮一定的覆土厚度和地層分布后,隧道最大外水壓力1.45 MPa。同時(shí)有近12 km長隧道外水壓力超過1 MPa,占全隧盾構(gòu)段長度的58%。目前國內(nèi)已實(shí)施盾構(gòu)隧道最大外水壓力為1.05 MPa(山西小浪底引黃工程七標(biāo)段盾構(gòu)隧道)[7],國外記錄為1.5 MPa(美國米德湖第三取水隧道)[8]。
超高水壓對盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封、盾尾密封、盾構(gòu)換刀及進(jìn)倉作業(yè)影響較大。高水壓條件下,目前盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)一般采用4道密封加驅(qū)動(dòng)箱壓力補(bǔ)償技術(shù),最大可承受1 MPa外水壓力。對于本工程1.45 MPa的超高水壓,現(xiàn)有密封技術(shù)僅在理論上滿足要求。若密封中途失效,則只能在洞內(nèi)進(jìn)行更換,超大斷面、超高水壓兩種不利因素下,更換風(fēng)險(xiǎn)極高。
盾構(gòu)工法的特點(diǎn)之一是開挖直徑大于管片外徑,管片外側(cè)間隙通過盾尾刷和密封油脂進(jìn)行封堵。為提高盾尾密封的承壓能力,一般需增加尾刷數(shù)量,同時(shí)采用高質(zhì)量油脂。試驗(yàn)表明,3道尾刷+2道油脂腔的耐壓能力可達(dá)到1 MPa。據(jù)此推算,5道密封+4道油脂腔,承壓可達(dá)2 MPa,滿足本項(xiàng)目的承壓要求,但缺乏驗(yàn)證。
本工程地層以黏土和砂為主,不可避免地存在刀具磨損問題,需進(jìn)行刀具更換作業(yè)。高水壓下,推薦采用近年來新發(fā)展的常壓換刀技術(shù)。常壓換刀需將刀盤設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu),盾構(gòu)機(jī)直徑不能過小,目前最小直徑常壓換刀刀盤為11.64 m,應(yīng)用于南京地鐵10號線。本工程服務(wù)隧道盾構(gòu)機(jī)直徑約7.6 m,常壓換刀面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。見圖7。

圖7 常壓換刀作業(yè)
此外,目前常壓換刀技術(shù)應(yīng)用的最高水壓記錄為1.2 MPa(土耳其歐亞隧道)[9],距本工程1.45 MPa還有一定差距。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn),常壓換刀裝置的最大承壓能力可達(dá)到2 MPa,滿足本工程要求。但該壓力僅為試驗(yàn)壓力,未經(jīng)過工程試驗(yàn)驗(yàn)證。
同時(shí),常壓換刀只能解決刀具更換問題,施工時(shí)若出現(xiàn)刀盤異常磨損、刀具掉落等極端情況,仍需要帶壓進(jìn)倉作業(yè)。高水壓下,應(yīng)采用飽和氣體帶壓進(jìn)倉。目前,該技術(shù)應(yīng)用的最高壓紀(jì)錄為0.85 MPa(荷蘭Westerschelde隧道)[10],國內(nèi)最高記錄為0.65 MPa(南京緯三路過江隧道)。德國北海潛水公司曾試驗(yàn)過1.2 MPa的工作壓力,與本工程1.45 MPa仍有一定差距。
3.1.3 超長距離掘進(jìn)
目前國內(nèi)盾構(gòu)一次掘進(jìn)最長距離為7.5 km(上海長江隧道)[11],阿根廷某小直徑排水隧道計(jì)劃一次掘進(jìn)12 km,目前尚未實(shí)施。本工程單臺盾構(gòu)一次掘進(jìn)距離10.7 km,超過現(xiàn)有工程記錄,需要重點(diǎn)解決盾構(gòu)部件的耐久性問題,如主驅(qū)動(dòng)密封、盾尾密封、刀盤刀具磨損等。
超大直徑盾構(gòu)、超高水壓、超長距離掘進(jìn)三類不利因素相互影響,更加劇了本工程的挑戰(zhàn)性。
本工程施工組織采用相向掘進(jìn)、水下對接。水下對接屬于盾構(gòu)施工的一種特殊工法,目前國內(nèi)僅廣深港獅子洋隧道一例[12],國外在日本應(yīng)用較多,如東京灣海底隧道等[13]。目前已實(shí)施對接工程中盾構(gòu)最大直徑14.14 m,最大水壓0.67 MPa,遠(yuǎn)小于本工程面臨的15.7 m直徑、1.45 MPa水壓的挑戰(zhàn)。
考慮運(yùn)營期防災(zāi)救援要求,公路和鐵路隧道均設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。以鐵路隧道為例,按500 m間距,聯(lián)絡(luò)通道數(shù)量超過90座。盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)極大,特別在軟土地層中。上海地鐵4號線就曾因聯(lián)絡(luò)通道加固失效,造成重大工程事故[14]。本工程聯(lián)絡(luò)通道施工面臨1 MPa以上超高水壓挑戰(zhàn),目前尚未有任何工程實(shí)例可供借鑒。
公路隧道兩岸工作井距離超過20 km,需要設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。海域段通航要求高,不具備填海設(shè)置通風(fēng)井條件。德國費(fèi)馬恩海峽公路隧道計(jì)劃采用全縱向通風(fēng)方案,實(shí)現(xiàn)18.1 km超長距離通風(fēng),通風(fēng)距離位列世界第一,但尚未實(shí)施,與本工程超20 km的通風(fēng)距離仍有差距。能否解決20 km以上超長距離通風(fēng)問題,是制約公路隧道方案可行性的關(guān)鍵因素之一。
瓊州海峽跨海隧道工程規(guī)模大、建設(shè)條件復(fù)雜、實(shí)施難度極大,部分工程參數(shù)遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)儲備,需提前開展相關(guān)研究工作。
目前海峽內(nèi)的建設(shè)條件以資料收集為主,輔以少量的水面勘察,對海峽內(nèi)的氣象、水文、工程地質(zhì)、海底地形、海床演變分析等工作深度不夠,不足以支撐工程設(shè)計(jì)工作。建議聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)單位,提前開展專題研究工作,進(jìn)一步摸清海峽建設(shè)條件,為工程方案比選和設(shè)計(jì)提供支撐。
我國目前已能設(shè)計(jì)、制造16 m級超大直徑盾構(gòu)機(jī),但面對本工程前所未有的工程挑戰(zhàn),應(yīng)重點(diǎn)對以下關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)。
4.2.1 超高水壓、超長距離掘進(jìn)下主驅(qū)動(dòng)密封耐壓能力和耐久性能
盾構(gòu)工法嚴(yán)重依賴盾構(gòu)機(jī)的可靠性和技術(shù)先進(jìn)性,針對本工程超高水壓挑戰(zhàn),需重點(diǎn)攻克主驅(qū)動(dòng)密封的耐壓能力。現(xiàn)有密封主要采用多道密封加驅(qū)動(dòng)箱壓力補(bǔ)償技術(shù),可滿足一般水壓下的施工需求。本工程盾構(gòu)機(jī)可考慮進(jìn)一步增加密封數(shù)量、提高密封背壓或創(chuàng)新密封形式,并開展室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證,確保密封方案的有效性。在提高耐壓能力的同時(shí),還應(yīng)兼顧超長距離掘進(jìn)下密封的耐久性能。此外,為應(yīng)對突發(fā)狀況,還應(yīng)對主驅(qū)動(dòng)密封洞內(nèi)更換進(jìn)行研究,確保工程萬無一失。
4.2.2 超高水壓下常壓換刀、飽和潛水技術(shù)
常壓換刀工作效率高、操作風(fēng)險(xiǎn)小,是近年來新發(fā)展的盾構(gòu)換刀技術(shù),但目前實(shí)際工程應(yīng)用最大水壓力為1.2 MPa[9],與本工程1.45 MPa壓力還有一定差距,需重點(diǎn)研究換刀裝置的耐壓能力和可靠性。同時(shí),服務(wù)隧道盾構(gòu)直徑較小,應(yīng)用常壓換刀技術(shù)僅在理論上可行,仍需進(jìn)一步研究試驗(yàn)。
飽和潛水可解決高水壓條件下盾構(gòu)開倉作業(yè)問題,但現(xiàn)有實(shí)際工程應(yīng)用最大水壓力僅0.85 MPa,試驗(yàn)壓力1.2 MPa,與本工程1.45 MPa還有一定差距。我國于2014年進(jìn)行了300 m飽和潛水深海作業(yè)[15],但盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部空間狹小,工作環(huán)境與海洋工程差距較大,后續(xù)建議聯(lián)合國內(nèi)飽和潛水研究機(jī)構(gòu)、盾構(gòu)設(shè)備廠商、施工單位等進(jìn)行專項(xiàng)研究。
目前,盾構(gòu)對接主要采用兩種方式,第一種是機(jī)械對接[16],多為日本開發(fā)使用,盾構(gòu)機(jī)前部采用特殊設(shè)計(jì),兩臺盾構(gòu)可直接進(jìn)行插入對接。第二種是土木對接,包括注漿和凍結(jié)兩種工法,對接前預(yù)先對開挖面進(jìn)行加固,保證地層的止水和自穩(wěn)能力。注漿工法代表性工程如廣深港獅子洋隧道[17],凍結(jié)工法代表性工程如日本東京灣海底隧道[13]。
機(jī)械對接對盾構(gòu)施工精度要求較高,目前一般用于中小直徑盾構(gòu)。土木對接中的注漿法一般用于基巖地層,在瓊州海峽砂質(zhì)地層中不適用。凍結(jié)法通過向土體打入凍結(jié)管或使用冷凍刀盤[18-19],循環(huán)冷媒,在土體中形成任意形狀的連續(xù)凍土墻,可有效保證對接區(qū)域的強(qiáng)度和止水密封能力。
同濟(jì)大學(xué)胡向東團(tuán)隊(duì)在2013年曾對瓊州海峽凍結(jié)法盾構(gòu)對接進(jìn)行過初步研究[20],說明了凍結(jié)法在本工程中應(yīng)用的可行性,初步建議采用雙排管凍結(jié),并控制刀盤一次拆除長度,可作為下一階段凍結(jié)法對接深入研究的參考。
盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工一般預(yù)先從洞內(nèi)或地表對開挖地層進(jìn)行加固,再采用礦山法施工。在超高水壓下,上述工法風(fēng)險(xiǎn)極大。近年來,采用小盾構(gòu)、小頂管等機(jī)械法施工聯(lián)絡(luò)通道在國內(nèi)逐步興起,并已在多個(gè)地鐵隧道中得到了應(yīng)用[21-22],但地下水壓較小,在本工程中應(yīng)用需著力解決超高水壓帶來的設(shè)備承壓、聯(lián)絡(luò)通道與正洞銜接處密封止水兩大類問題。同時(shí)為縮短工期,還應(yīng)研究聯(lián)絡(luò)通道與正洞同步施工問題。見圖8。

圖8 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)橫通道示意
2018年起,我國汽、柴油全面實(shí)行國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn);2023年起,全面實(shí)行國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),國家近年來大力推廣新能源汽車。本工程通車運(yùn)營時(shí)間最快預(yù)計(jì)在2030年以后,屆時(shí)汽車尾氣污染物含量將大幅降低。
按國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步通風(fēng)設(shè)計(jì),隧道兩端盾構(gòu)始發(fā)井作為通風(fēng)井,并設(shè)置大功率軸流風(fēng)機(jī),采取送排組合通風(fēng)方案進(jìn)行串聯(lián)通風(fēng),隧道內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的射流風(fēng)機(jī)升壓引流,并在洞內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置尾氣凈化裝置改善洞內(nèi)運(yùn)營環(huán)境,可解決20 km以上超長距離運(yùn)營通風(fēng)問題。見圖9。

圖9 全縱向送排組合通風(fēng)示意
由于運(yùn)營通風(fēng)方案直接關(guān)系到公路隧道的可行性,后續(xù)需結(jié)合交通運(yùn)量預(yù)測及污染物排放標(biāo)準(zhǔn),深化通風(fēng)技術(shù)研究,為工程設(shè)計(jì)提供支撐。
瓊州海峽固定通道建設(shè)意義重大,中線通道全隧敷設(shè)方案較優(yōu)。隧道采用盾構(gòu)法施工,根據(jù)運(yùn)量需求敷設(shè)公路隧道和鐵路隧道。
本文結(jié)合水下盾構(gòu)隧道技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,梳理了隧道方案實(shí)施需要解決的超大直徑盾構(gòu)、超高水壓、超長距離掘進(jìn)三大關(guān)鍵技術(shù),初步提出了解決方法與路徑。由于部分工程參數(shù)超過現(xiàn)有技術(shù)儲備,后續(xù)需深化海峽建設(shè)條件勘察研究工作,并重點(diǎn)對盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封承壓性能、耐久能力、洞內(nèi)更換技術(shù),小直徑盾構(gòu)常壓換刀技術(shù)、常壓換刀裝置耐壓性能,超高水壓下飽和潛水技術(shù),超高水壓下超大直徑盾構(gòu)水下對接,聯(lián)絡(luò)通道施工、公路隧道超長距離通風(fēng)等關(guān)鍵技術(shù)開展研究和工程試驗(yàn),為工程實(shí)施做技術(shù)儲備。