渤海海峽通道建設(shè)中需要進(jìn)一步思考的幾個問題

洪開榮

（1.中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

渤海海峽通道建設(shè)中需要進(jìn)一步思考的幾個問題

洪開榮1，2

（1.中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

渤海海峽通道對于推動環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)，乃至我國東部的高層次發(fā)展具有重大作用，是一項(xiàng)戰(zhàn)略性工程。本文基于老鐵山水道段采用隧道方式修建的共識，進(jìn)一步論證了整個通道的修建方式、工程縱斷面、施工工法的選擇與工程的整體籌劃，提出了渤海海峽通道以全隧道方式、考慮填海造地的兩地下站布局，采用敞開式tunnel boring machine（TBM）為主、鉆爆法為輔的配套修建技術(shù)與工法。

海峽隧道；施工方法；施工籌劃；豎井布置

1 前言

從山東蓬萊至遼寧旅順，以海底隧道或隧道和橋梁相結(jié)合的方式，建設(shè)公路和鐵路相結(jié)合的跨越渤海的直達(dá)快捷通道，將有缺口的C形交通變成四通八達(dá)的D形交通，進(jìn)而形成縱貫我國南北從黑龍江到海南十一省（市、自治區(qū)）的東部鐵路、公路交通大動脈，這一快捷通道無論是對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還是對國家戰(zhàn)略貢獻(xiàn)，都具有重要的現(xiàn)實(shí)作用與深遠(yuǎn)的歷史意義[1，2]（見圖1，圖2）。

圖1 山東與遼東局部區(qū)域路網(wǎng)Fig.1 Road network in part of Shandong Province and Liaoning Province

圖2 渤海海峽島嶼與人口分布Fig.2 Island and population distribution in Bohai Strait

渤海海峽分布有32個島嶼，且其大致沿南北方向呈一字形分布，而對于蓬萊—旅順線位，場址附近沒有活動斷層，且未來發(fā)生5級地震的可能性不大，地層相對穩(wěn)定，因此無論是從控制項(xiàng)目投資，還是降低工程建設(shè)難度，通道選擇連島方案都是有利的。

該通道控制性地段為旅順—北隍城島段的老鐵山水道，老鐵山水道寬42 km，水深在42～86 m，且為穿越渤海海峽通向其他內(nèi)海與外海的主要航道，鑒于該航道的重要性與特殊性，此段采用隧道方式修建通道已形成共識。另外，目前國際上用于汽車直接通行的隧道最長的是24.51 km的挪威萊爾多隧道，因此該段不宜采用公路隧道方式修建，宜采用英法海底隧道的汽車通過穿梭列車背負(fù)式通過隧道方式[3]。

本文正是在基于上述結(jié)論性意見的基礎(chǔ)上，就渤海海峽通道建設(shè)中的橋隧方案選擇、工法選擇與工程總體籌劃、隧道的水處理、島嶼環(huán)境的改變及填海造地等問題進(jìn)行了分析，并提出了建設(shè)性意見。

2 橋隧組合與全隧方案的分析與選擇

跨海越江工程在技術(shù)上均可行的情況下，一般來講全橋梁方案具有運(yùn)營災(zāi)害可控、造價低、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小、建設(shè)工期短等優(yōu)勢，而全隧道方案具有全天候運(yùn)營、抗震與防戰(zhàn)強(qiáng)、環(huán)境影響小等優(yōu)勢。但是橋梁方面的優(yōu)勢，會隨著一些客觀條件影響而發(fā)生變化，甚至有時會因一些外部因素制約而放棄，如航道的要求。

同時有研究表明，在石質(zhì)較好，跨度足夠大、水文（海況）條件困難的跨海工程修建水下隧道，其每延米（1延米=1 m）造價與每延米橋梁的造價大致相當(dāng)，甚至還低于橋梁，如跨越英吉利海峽的英法海底隧道方案，據(jù)測算其造價只有橋梁方案的一半[4]。

根據(jù)有關(guān)部門的研究，渤海海峽區(qū)內(nèi)出露地層為上元古界的“蓬萊群”，為一套淺變質(zhì)巖系，上部為新生代的第三系和第四系地層，其下覆為花崗巖。

第四系地層在多數(shù)島嶼及海底均有分布，尤其在大欽島、砣磯島、大黑山島、南長山島較發(fā)育，由南向北逐漸增厚。在海底的第四系地層最大厚度初步估計(jì)達(dá)30 m左右。第四系地層按其成因分為殘積層、坡積-洪積層、海積層。特別是坡積-洪積層厚度變化大，一般為20～40 m，有的厚達(dá)60多米，海峽第四系地層穩(wěn)定性差。

新生代第三系地層為兩期火山噴發(fā)的玄武巖，下部氣孔構(gòu)造發(fā)育，具備有斑晶，斑晶為伊丁石化橄欖石；上部為深灰黑色、致密、堅(jiān)硬的玄武巖，偶見斑晶，斑晶為輝石和伊丁石橄欖石。主要分布于大黑山島，最大厚度達(dá)70 m，主要表現(xiàn)為大孔隙結(jié)構(gòu)。

同時渤海海峽的海底，由于受老鐵山角和蓬萊角的扼制及島嶼的分割，構(gòu)成水下溝脊橫穿的崎嶇地貌，海底地勢自西向東，自南向北傾斜。渤海海峽共有14條水道，總的來說北部水道寬而深，南部水道窄而淺。主要的水道分布如圖3所示。

圖3 主要島嶼及水道分布Fig.3 Main island and channel distribution

顯然從水道和地質(zhì)情況分析，渤海海峽通道從蓬萊—北隍城島段，無論是橋梁方案，還是隧道方案均具有一定的技術(shù)難度。但相對來講采用深埋方式，使隧道處于花崗巖地層，其技術(shù)難度要小很多，且初步估算其投資可能與橋梁方案接近。同時若在蓬萊—北隍城島段采用橋梁方案，其必然會對航道和島嶼環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

而從工程策劃方面的工期來看，該通道工程的建設(shè)工期主要取決于北隍城島—旅順段老鐵山水道段的水下隧道工程；從運(yùn)營災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的控制方面來看，采用專用應(yīng)急救援通道方式能夠滿足相關(guān)要求，因此渤海海峽宜采用全隧道方案修建（見圖4）。

圖4 渤海海峽隧道橫斷面圖（單位：mm）Fig.4Cross section of Bohai Strait tunnel（unit：mm）

3 全隧道方案的工法選擇與配套技術(shù)

據(jù)有關(guān)研究，渤海海峽通道建設(shè)的全部投資費(fèi)用估計(jì)為2000億元，按照現(xiàn)代項(xiàng)目投融資（build-operate-transfer（BOT）/public-private-partnership（PPP））模式，假設(shè)該項(xiàng)目建設(shè)期10年，全部投資2 000億元均攤在各個年度，即每年的投資費(fèi)用200億元；其特許運(yùn)營期按30年計(jì)，每年的收入約為351.7億元，項(xiàng)目總收入10 551億元，因?yàn)檫\(yùn)營期年收入（扣除必要的費(fèi)用）大于建設(shè)期的年投入，在特許經(jīng)營權(quán)期限固定的情況下，如何科學(xué)地縮短建設(shè)工期，選擇適宜的建設(shè)工法和系統(tǒng)性地搭建好配套技術(shù)就至關(guān)重要，其對該項(xiàng)目的意義極其重大。

從目前掌握的工程環(huán)境與地質(zhì)資料來分析，由于采用深埋隧道方案，隧道大部分處于微風(fēng)化花崗巖地層，修建渤海海峽隧道可供選擇的工法僅有鉆爆法與敞開式tunnel boring machine（TBM）法，鉆爆法具有地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、能滿足不同斷面的建設(shè)要求，在較好的地層中月平均進(jìn)度可達(dá)到200 m左右（單線鐵路隧道）；敞開式TBM法在合適地層中，其施工速度快、隧道成型好、擾動圍巖小，在適應(yīng)的地層中月平均進(jìn)度可達(dá)到600 m以上（單線鐵路隧道），因此渤海海峽隧道應(yīng)以敞開式TBM法為主、鉆爆法為輔的工法進(jìn)行施工。鉆爆法主要用于解決局部地段敞開式TBM適應(yīng)性不匹配的問題，以及用于地下站場、施工與通風(fēng)豎井、橫通道的施工。

近年來我國敞開式TBM施工技術(shù)取得了長足的發(fā)展，在蘭渝鐵路28.24 km的西秦嶺隧道建設(shè)中，應(yīng)用 19 inch（1 inch≈2.54 cm）滾刀的敞開式TBM發(fā)揮了重要作用，特別是研究出了與之配套的同步襯砌、長距離皮帶出碴創(chuàng)新技術(shù)（見圖5、圖6）的應(yīng)用，極大地提高了隧道的月成洞速度。下一步要根據(jù)渤海海灣隧道TBM從豎井始發(fā)的條件，要研究豎井連續(xù)出碴技術(shù)，以及其與洞內(nèi)、場外皮帶銜接不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)問題。按照我國現(xiàn)有施工技術(shù)水平與能力，渤海海峽隧道純施工時間可能只需6年。

圖5 TBM掘進(jìn)長距離皮帶出碴Fig.5 Mucking by long-distance belt conveyor in TBM tunneling

圖6 TBM掘進(jìn)同步襯砌Fig.6 Synchronic lining in TBM tunneling

4 隧道縱斷面布置與工程籌劃

在確定了線位、隧道布置與施工工法后，隧道的縱斷面就成為了矛盾。渤海海峽隧道的縱斷面應(yīng)重點(diǎn)考慮3個方面的因素。

1）結(jié)合工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，考慮運(yùn)營功能上的需要以及工程的經(jīng)濟(jì)性。分析上述地質(zhì)條件，渤海海峽隧道采用深埋方式，既能降低其修建技術(shù)難度，又能對地下水的控制提供好的保障條件。水下隧道對地下水處置比較經(jīng)濟(jì)的方式是通過控制隧道近周圍巖的滲透性，采用控量排水的方式，使隧道二次襯砌不受外水壓力的作用，或最大限度的降低二次襯砌承受的外水壓力；且在深埋情況下采用圓形斷面的隧道結(jié)構(gòu)，既有利于結(jié)構(gòu)的受力，又有利于大幅度減少鋼筋用量，從而降低工程投資、提高隧道的耐久性。根據(jù)通道連接的現(xiàn)有島嶼條件與人員環(huán)境，結(jié)合歐洲阿爾卑斯山隧道的經(jīng)驗(yàn)，宜設(shè)兩個地下站場，一個設(shè)在北長山島下，一個設(shè)在大欽島下。同時因?yàn)槭┕へQ井規(guī)模大，從工程經(jīng)濟(jì)性與應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)隧道施工的要求分析，豎井應(yīng)盡可能的降低深度。

2）要考慮運(yùn)營期的通風(fēng)節(jié)能與隧道排水的問題。原鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃“長大隧道通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目組，2007年8月對烏鞘嶺隧道內(nèi)的空氣環(huán)境衛(wèi)生狀況進(jìn)行了實(shí)測，認(rèn)為對于電力牽引鐵路隧道，在隧道長度大于20 km時有必要設(shè)置機(jī)械通風(fēng)，因此隧道通風(fēng)段長不應(yīng)過長。另外隧道的排水是另一個重要問題，據(jù)了解日本青函隧道，現(xiàn)在日排水量達(dá)到30 000 m3以上，因此渤海海峽隧道在縱坡上應(yīng)考慮利用島嶼鉆排水孔，實(shí)現(xiàn)低揚(yáng)程就近機(jī)排，其具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3）要考慮工程施工的總體安排以及海上隧道棄碴的利用。海底隧道施工必須考慮棄碴的利用，如利用棄碴生產(chǎn)混凝土結(jié)構(gòu)所需的碎石、砂，變廢為寶；或者考慮在合適的地形地貌區(qū)域利用棄碴填海造地，初步估算渤海海峽隧道的棄碴量可能達(dá)到3.3×107m3，若按填高10 m計(jì)算，則可造地3.3 km2，很顯然不宜在一處海島棄碴填海造地。

綜上所述，建議渤海海峽全隧道方案按“五豎井、兩地下站”的方式布置，即在北長山島和大欽島設(shè)地下車站，并設(shè)施工豎井；在北隍城島設(shè)施工豎井兼通風(fēng)豎井；在旅順、蓬萊端線路近海處各設(shè)一座通風(fēng)豎井，在砣磯島設(shè)一排水孔，如圖7所示。同時分別考慮在北長山島、大欽島和北隍城島利用棄碴填海造地。

圖7 渤海海峽隧道縱斷面布置Fig.7 Longitudinal profile of Bohai Strait tunnel

為此該通道的工程策劃安排如下：在蓬萊、旅順端隧道口各安排3臺敞開式TBM（上下行線各一臺、中間服務(wù)隧道一臺）分別向海中掘進(jìn)；在北長山島安排3臺敞開式TBM（布置同上）向砣磯島方向掘進(jìn)；在北隍城島安排3臺敞開式TBM（布置同上）向旅順方向掘進(jìn)；在大欽島安排3臺敞開式TBM（布置同上）先向北隍城島方向掘進(jìn)，掘進(jìn)到達(dá)北隍城島風(fēng)井后調(diào)出，視工程整體進(jìn)展情況，可安排再次在大欽島下井向砣磯島方向掘進(jìn)，或作為備用設(shè)備待命，這樣施工組織就較為周全與靈活。

5 結(jié)語

本文基于老鐵山水道段采用隧道方式修建的共識，從整個通道的修建方式、工程縱斷面、工法的選擇與工程的整體籌劃進(jìn)行了分析，并得到了以下初步結(jié)論。

1）從環(huán)境保護(hù)、工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性分析，渤海海峽通道宜采用全隧道方案，但不合適建公路隧道，并且我國現(xiàn)有的隧道設(shè)計(jì)施工能力完全能夠滿足建設(shè)要求。

2）采用“以敞開式TBM為主、鉆爆法為輔”的工法修建渤海海峽隧道，在技術(shù)上是最好的選擇，再加上長距離皮帶運(yùn)輸出碴、同步襯砌技術(shù)配套，有利于投資效益的發(fā)揮。

3）在縱向布置上，建議設(shè)“兩座地下車站、五座豎井”，既能滿足多方面的需求，又能充分利用棄碴填海造地，可達(dá)到通道純建設(shè)期只需6年的目標(biāo)。

[1]王夢恕，宋克志.渤海灣跨海通道建設(shè)的緊迫性及現(xiàn)實(shí)條件和初步方案[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37（1）：1-10.

[2]魏禮群，柳新華.渤海海峽跨海通道若干重大問題研究[M].2版.北京：經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2009.

[3]譚忠盛，王夢恕，羅時祥.瓊州海峽鐵路隧道方案初步比選分析[J].中國工程科學(xué)，2009，11（7）：39-44.

[4]孫羹堯.橋隧方案比較芻議[J].橋梁與隧道2013，10：20-24.

Several issues to be further considered in construction of Bohai Strait crossing passage

Hong Kairong1，2
（1.China Railway Tunnel Group Co.Ltd.，Luoyang，Henan 471009，China；2.State Key Laboratory for Shield and Boring Technology，Zhengzhou 450001，China）

Bohai Strait crossing passage is a strategic project，which has a significant role in boosting the development of Bohai surrounding economic zone and East China.In the paper，the construction mode，longitudinal profile，construction methods and planning of Bohai Strait crossing passage is further studied on basis of the common concept of tunnel crossing Laotieshan waterway.It is proposed that the form of full tunnel with two underground stations built in backfilled ground in the sea should be adopted for Bohai Strait crossing passage and that the tunnel should be constructed by open tunnel boring machine（TBM）method，with drill and blast as the assisting method.

strait tunnel；construction method；construction planning；shaft arrangement

U456.3

A

1009-1742-（2013）12-0080-05

2013-11-04

洪開榮（1965－），男，湖南株洲市人，博士，教授，主要從事隧道及地下工程方面的研究工作；E-mail：ctg_kr@vip.163.com