青島膠州灣海底跨海通道及前海沿線地下道路工程

曲立清， 李 翔， 代鎮(zhèn)洋

(1. 青島國信發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 山東 青島 266000； 2. 青島國信建設(shè)投資有限公司， 山東 青島 266000)

1 膠州灣交通概況

膠州灣位于中國黃海中部，青島主城區(qū)與西海岸新區(qū)之間。灣口以團(tuán)島南端、薛家島北端為界，寬約3 km，為半封閉型海灣； 灣中部東西寬約28 km，灣內(nèi)南北向最大長度約40 km，海岸線長約163 km，面積約397 km2。

青島東岸主城區(qū)空間范圍狹小，有迫切的擴(kuò)張需求，但因東部嶗山山脈和西部膠州灣的存在，城市向東和向西拓展均受到先天地理條件的限制，因此，環(huán)膠州灣地區(qū)很早就被確立為青島市經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展重點。青島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)總體布置規(guī)劃如圖1所示，青島城市路網(wǎng)規(guī)劃如圖2所示。

城區(qū)的向西拓展一直受困于青島與黃島連接不暢的交通瓶頸。膠州灣隧道通車之前，從東端主城區(qū)往返黃島區(qū)需依靠輪渡、環(huán)膠州灣高速通行，但受天氣、運量、通行時長等因素影響，這2種方式難以滿足人們快速出行的需求。因此，建設(shè)全天候跨灣快速通道的需求變得尤其緊迫。膠州灣隧道通車后，兩岸交流日漸頻繁，但目前其交通量已經(jīng)趨于飽和，因此急需建設(shè)膠州灣第二海底隧道以滿足兩岸通行需求。同時，由于膠州灣隧道拉動了東西兩岸的交通聯(lián)系，也對東岸主城區(qū)前海沿線的道路通行造成巨大壓力，在此背景下，在前海沿線建設(shè)地下道路以解決過境交通問題的方案誕生。

圖1 青島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)總體布置規(guī)劃

圖2 青島城市路網(wǎng)規(guī)劃

2 已建青島膠州灣隧道

2.1 建設(shè)背景

早在1984年，青島市就著手膠州灣跨海通道的研究。經(jīng)多輪專家咨詢和論證確定，在膠州灣灣口修建隧道是最佳方案。2006年，膠州灣隧道項目獲國家發(fā)改委核準(zhǔn)立項，并于同年開工建設(shè)。2010年，隧道全線貫通，從根本上解決了“青黃不接”的問題，該工程也是青島市成為現(xiàn)代化國際大城市的有力支撐。膠州灣隧道2011年通車以來，安全運營至今，目前最高通行量已達(dá)9.8萬輛/d。

2.2 工程概況

膠州灣隧道是連接青島市主城與輔城的重要通道，起自四川路、云南路與東平路路口向北約50 m處，向南至薛家島收費站端頭。線路全長9 850 m，下穿膠州灣灣口海域，隧道長7 800 m，其中海域段長4 095 m，隧道地理位置如圖3所示。隧道為城市快速道路隧道，雙向6車道布設(shè)，設(shè)計車速為80 km/h，設(shè)計使用年限100年。隧道縱斷面采用“V”字坡，隧道上方最大水深42 m，海域段隧道最小埋深30 m，埋深最深處距離海平面82.8 m，最大坡度3.9%。

圖3 隧道地理位置

主線隧道為左右線分離設(shè)置，隧道海域段線間距約55 m，主隧道間每250～300 m設(shè)置人行橫洞，每750 m設(shè)置車行橫洞，中間平行設(shè)置服務(wù)隧道。服務(wù)隧道作為施工運輸、日常維護(hù)檢修、過海管線和緊急救援通道，長5 940 m。

隧道地質(zhì)條件整體良好，穿越地層多為中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖與火山巖，巖質(zhì)堅硬、完整性好，節(jié)理裂隙不甚發(fā)育。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為斷裂構(gòu)造，所發(fā)現(xiàn)的18條斷裂大部分為高角度、中新代脆性斷裂構(gòu)造，以壓扭性為主，寬度在數(shù)米至數(shù)十米不等。其中，海域段穿越4組14條斷裂帶，斷層內(nèi)以壓碎巖、碎裂巖、糜棱巖為主。

2.3 工程重難點及施工方法

2.3.1 工程重難點

膠州灣隧道工程是我國最早開工建設(shè)的2條海底隧道之一，水文地質(zhì)的不可知性是其建設(shè)過程中面對的重大挑戰(zhàn)。主要重難點有： 1)當(dāng)時我國尚無建成的海底隧道，缺乏成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程經(jīng)驗； 2)海上勘察難度極大，海底地形、地質(zhì)構(gòu)造等無法直接踏勘，海水深、流速大； 3)海底隧道的合理巖層覆蓋厚度和縱坡坡度設(shè)置沒有成熟的規(guī)范和理論參考，標(biāo)準(zhǔn)確定難度大； 4)隧道海域段穿越4組14條斷裂，地質(zhì)情況復(fù)雜，堵水加固注漿、防坍塌難度大，施工風(fēng)險大； 5)海水和地下水對混凝土有中等結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕和弱結(jié)晶類腐蝕作用，對鋼筋混凝土中的鋼筋有弱腐蝕性，對建筑材料的耐久性要求高； 6)隧道出入匝道處開挖斷面大，埋深淺，交叉口受力復(fù)雜，施工工序轉(zhuǎn)換多； 7)隧道兩端均處于城市中心區(qū)，需下穿大量建筑物，施工難度大、風(fēng)險高。

2.3.2 施工方法

除團(tuán)島端服務(wù)隧道洞口和黃島端洞口采用明挖法施工以外，其余隧道均采用鉆爆法施工。

膠州灣隧道洞身采用鉆爆法施工，光面控制爆破。洞身段各級圍巖的主要施工方法如下： 1)Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用下導(dǎo)洞超前減震全斷面爆破開挖(見圖4)； 2)Ⅳ級圍巖采用臺階法分步開挖(見圖5)； 3)Ⅴ級圍巖陸域段和擠壓型海底破碎帶采用自進(jìn)式管棚超前支護(hù)、“CD”工法施工。

圖4 下導(dǎo)洞超前減震全斷面爆破開挖示意

2.4 工程關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 工程水文地質(zhì)勘察關(guān)鍵技術(shù)

工程水文地質(zhì)勘察關(guān)鍵技術(shù)包括： 1)采用磁力測量、多道或單道地震探測、多波速水深測量、側(cè)掃聲納測量和淺剖測量方法，很好地完成了水下地質(zhì)調(diào)查工作； 2)針對性地采用多種勘探手段相結(jié)合的綜合勘探方法，有效解決了復(fù)雜場地勘察精度不高的常見難題； 3)受潮汐影響，海上抽壓水試驗難度很大，在實施過程中，對試驗設(shè)備和方法作了適當(dāng)改進(jìn)，提高了可操作性和成果精度； 4)本次勘察應(yīng)用了先進(jìn)的孔內(nèi)數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)，對查明巖體結(jié)構(gòu)面特征、提高圍巖分級準(zhǔn)確性大有裨益。

圖5 臺階法分步開挖施工示意(Ⅳ及圍巖)

通過采用以上技術(shù)，高效、高精度地完成了工程水文地質(zhì)勘察工作。經(jīng)過實踐檢驗，隧道開挖揭示的工程地質(zhì)與勘察結(jié)果基本相符，有效降低了工程投資和工程風(fēng)險。

2.4.2 最小巖石覆蓋層厚度

膠州灣隧道隧址區(qū)圍巖情況良好，為未風(fēng)化的花崗巖和火成巖，完整性好，海水深42 m左右，施工采用爆破開挖及控制爆破技術(shù)減少對圍巖的擾動。針對膠州灣隧道最小巖石覆蓋層厚度，項目開展相應(yīng)的理論和數(shù)值模擬研究。左線隧道不同里程的最小巖石覆蓋層厚度數(shù)值模擬結(jié)果及其他方法的計算結(jié)果對比見表1。

表1 不同方法的最小巖石覆蓋層厚度計算結(jié)果對比 m

針對膠州灣隧道的地質(zhì)條件，并綜合分析各種最小巖石覆蓋層厚度計算方法的實用性，制定膠州灣隧道最小巖石層覆蓋厚度的確定原則。表1所示方法中，數(shù)值模擬計算結(jié)果由圍巖穩(wěn)定性決定，頂水采煤法計算結(jié)果受預(yù)留安全煤巖柱和防止施工突水2個因素制約；最小涌水量法結(jié)果依據(jù)排水成本大小確定?；诤５姿淼缹嶋H情況，并綜合考慮各因素的重要程度，根據(jù)經(jīng)驗最終確定本項目最小巖石覆蓋層厚度綜合分析建議值計算公式

綜合分析建議值=數(shù)值模擬計算值×0.5+頂水采煤值×0.3+最小涌水量值×0.2。

根據(jù)上式計算出各個剖面的最小巖石覆蓋層厚度，并將其和挪威圖表法建議值進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 左線隧道挪威圖表法和綜合分析法確定的最小巖石覆蓋層厚度對比 m

分析表2中結(jié)果可知，綜合分析建議值普遍小于挪威圖表法建議值，說明挪威圖表法確定的最小巖石覆蓋層厚度偏于保守。隨著海底隧道施工技術(shù)的發(fā)展，隧道合理埋深可以減小，且綜合分析法確定的最小巖石覆蓋層厚度建議值考慮了相應(yīng)剖面的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、斷面形狀等，具有較高參考價值。

綜合考慮上述因素，按照水深分段確定隧道海域段合理埋深(最小巖石覆蓋層厚度)。水深為20～40 m時，最小巖石覆蓋層厚度為30 m；水深小于20 m時為25 m?？v坡設(shè)計時便以此控制隧道埋深，要求具有上述安全厚度，局部近陸域段不能滿足時，考慮水深較淺，可采用可靠措施保證隧道安全。

該研究成果成功應(yīng)用于膠州灣隧道的建設(shè)，節(jié)約了工程造價，提高了項目建設(shè)質(zhì)量。

2.4.3 混凝土材料與結(jié)構(gòu)耐久性

該項目從海底隧道混凝土耐久性設(shè)計、C50高性能襯砌混凝土制備與應(yīng)用、混凝土材料施工和檢測及耐久性評估、施工棄渣綜合利用等幾個方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究和開發(fā)。

根據(jù)膠州灣海底隧道襯砌混凝土服役環(huán)境和壽命預(yù)測模型計算結(jié)果，提出了襯砌混凝土耐久性設(shè)計參數(shù)： 1)海底隧道要達(dá)到100 年的服役壽命，其襯砌混凝土靠近空氣一側(cè)保護(hù)層厚度應(yīng)大于60 mm，靠近土體一側(cè)應(yīng)大于50 mm； 2)混凝土初始氯離子質(zhì)量濃度應(yīng)小于0.35 kg/m3； 3)氯離子擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)小于4×10-12m2/s，水膠比w∶b應(yīng)小于0.34，混凝土強度等級應(yīng)高于C50； 4)洞口段襯砌混凝土抗凍指數(shù)DF=70%。

2.5 主要技術(shù)成果

隧道建設(shè)過程中，采用合理的最小巖石覆蓋層厚度，縮短了隧道長度；采用雙摻技術(shù)，減少了水泥用量；依據(jù)科研成果，編制了施工技術(shù)規(guī)范和安全生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)案；采用大型機械配套施工，降低了作業(yè)工人人數(shù)和勞動強度，保證了施工安全和施工質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)1 408 d，零死亡、零事故；采用多重防腐錨桿、C35高性能噴射混凝土、C50耐久性混凝土等，提高了隧道的耐久性。

3 擬建膠州灣第二海底隧道

3.1 建設(shè)背景

隨著西海岸新區(qū)及董家港新港區(qū)建設(shè)步伐的加快，兩岸間的交通量呈逐年遞增的趨勢，膠州灣隧道擁堵嚴(yán)重。根據(jù)膠州灣跨灣交通總量預(yù)測結(jié)果(見圖6)，2024年交通量將達(dá)到飽和，需盡快開辟1條聯(lián)系膠州灣東西兩岸、可保證全天候通行的新通道。因此，膠州灣第二海底隧道的前期研究工作自2012年起啟動，2016年底，工程可行性研究正式啟動。

圖6 膠州灣跨灣交通總量預(yù)測(2018年預(yù)測)

3.2 工程概況

膠州灣第二海底隧道是繼膠州灣高速、膠州灣跨海大橋、膠州灣海底隧道之后第4條車行膠州灣跨海通道，位于膠州灣隧道和膠州灣跨海大橋之間，是目前籌建的世界建設(shè)規(guī)模最大的海底道路隧道，隧道長15.89 km，工程總投資約150億元，工程線路位置見圖7。

圖7 工程線路位置示意圖

該工程西起黃島端淮河?xùn)|路，向東沿劉公島路下方敷設(shè)，穿越膠州灣到達(dá)青島側(cè)，在海泊河口附近登陸，主線沿海泊河兩岸接地。隧道長15.89 km(海域段11.2 km+陸域段4.69 km)，按雙向6車道城市快速路(兼一級公路)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度80 km/h。隧道縱斷面采用“V”形坡，最深點距海平面155 m。隧道推薦方案平面及縱斷面見圖8和圖9。

圖8 膠州灣第二海底隧道推薦方案平面

圖9 膠州灣第二海底隧道推薦方案縱斷面

根據(jù)工程地質(zhì)條件，隧道黃島側(cè)主要位于花崗巖地層，采用鉆爆法施工；青島側(cè)位于強風(fēng)化、中風(fēng)化地層，采用盾構(gòu)法施工； 中間服務(wù)隧道采用TBM和盾構(gòu)對向掘進(jìn)施工。隧道兩端橫斷面見圖10和圖11。項目計劃總工期72個月(6年)，其中土建56個月。

圖10 鉆爆段橫斷面

圖11 盾構(gòu)段橫斷面

3.3 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

1)隧道在青島側(cè)海域穿越滄口斷裂及其影響帶。經(jīng)初步勘測及地震安全性評價，滄口斷裂影響帶總寬度約為470 m，為晚更新世活動斷裂，斷層近直立，右旋走滑，由此推測滄口斷裂發(fā)震能力為6.5級，活動性質(zhì)屬于黏滑型。滄口斷裂更詳細(xì)的地質(zhì)條件以及如何利用合理的方案解決隧道穿越活斷層技術(shù)難題，有待進(jìn)一步深入研究。滄口斷裂(F3)與隧道的平面位置關(guān)系見圖12。

2)本項目工程建設(shè)規(guī)模宏大、施工工藝復(fù)雜，隧道斷面大，兩岸周邊建設(shè)環(huán)境復(fù)雜。針對長距離海中獨頭掘進(jìn)、多工法海中對接、長距離通風(fēng)、海中圍堰明挖等問題，技術(shù)方案有待進(jìn)一步深化。

3)工程擬采用“主隧道+服務(wù)隧道”的建設(shè)方案，隧道建設(shè)包括： 主隧道、服務(wù)隧道、豎井、海中分岔隧道、行車匝道等多種結(jié)構(gòu)，施工采用明挖法、鉆爆法、TBM法、導(dǎo)洞擴(kuò)挖法、盾構(gòu)法等多種施工工法，工程建設(shè)規(guī)模宏大、施工工藝復(fù)雜。

4)隧道長約16 km，海中段達(dá)11 km，隧道存在海中分岔、匝道、大縱坡、彎曲線段等結(jié)構(gòu)形式，同時，面臨超長海底隧道通風(fēng)救援難題。

圖12 滄口斷裂(F3)與隧道的平面位置關(guān)系

5)隧道兩端陸域段穿越城市建(構(gòu))筑物密集區(qū)，部分地段居民較多，建設(shè)期間將面臨一定的施工風(fēng)險和因施工擾民引起的社會影響。

3.4 主要技術(shù)創(chuàng)新

1)國內(nèi)外諸多重大跨海橋隧工程設(shè)計使用年限超過100年，有的甚至達(dá)到了300年，本工程在工程費用增加不到10%的情況下，提出主體結(jié)構(gòu)使用年限150年的預(yù)期目標(biāo)。

2)借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗并經(jīng)理論分析，通過設(shè)置特殊抗斷接頭釋放活動斷層大部分位錯量后隧道可通過活動斷層，這種方法可有效提高經(jīng)濟(jì)適用性。

3)針對超長隧道通風(fēng)問題，創(chuàng)新性地提出了“2.5分段縱向通風(fēng)方案”，在不需要設(shè)置海中豎井或岸邊斜井的前提下解決了通風(fēng)難題。

4 擬建青島前海沿線地下道路工程

4.1 建設(shè)背景

膠州灣跨海通道的建設(shè)加強了兩岸的聯(lián)系，促進(jìn)了兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時也加劇了既有路網(wǎng)的交通壓力，尤其是東岸城區(qū)前海沿線道路。由于青島前海沿線是風(fēng)景旅游、金融中心的聚集地，交通壓力逐年增大。旅游客流與通勤客流疊加，過境交通與到發(fā)交通混雜，人車矛盾突出，嚴(yán)重制約了青島中心灣核心區(qū)域環(huán)境、品質(zhì)的再提升。建設(shè)前海沿線地下道路的想法由此而生，目前，該項目的規(guī)劃方案研究已基本完成。

4.2 工程概況

隨著主城區(qū)與西海岸聯(lián)系日益緊密，膠州灣隧道車流量逐年增加，前海沿線主要通道香港路、山東路等也隨之擁堵日趨嚴(yán)重，沿線規(guī)劃人口、崗位仍將繼續(xù)增加，交通矛盾亟需解決。前海沿線車流擁堵及人車矛盾實景見圖13。

(a) (b)

圖13前海沿線車流擁堵及人車矛盾實景

青島前海沿線地下道路工程位于“三帶一軸、三灣三城、組團(tuán)式”的“濱海經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶”及“中心灣區(qū)”，是貫穿前海沿線，打造高端要素、彰顯“紅瓦綠樹、碧海藍(lán)天”城市風(fēng)貌的重要通道。工程范圍西起火車站，東至香港西路，全長約4.9 km。項目線路平面位置如圖14所示。

圖14 前海沿線地下道路線路平面位置

該工程主要功能為分離景區(qū)過境交通，凈化景區(qū)地面交通環(huán)境，提升前海沿線環(huán)境品質(zhì)，主要服務(wù)片區(qū)的到發(fā)交通出行。道路等級為城市主干路，主線隧道設(shè)計速度為40 km/h，采用雙向4車道+緊急停車帶布置，最大縱坡4%。隧道外徑為15.4 m，推薦采用單洞雙層布置，通行凈空3.5 m。前海沿線地下道路典型橫斷面見圖15。

圖15 前海沿線地下道路典型橫斷面圖

4.3 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

1)該項目團(tuán)島至延安三路沿線擬下穿多處全國重點文物保護(hù)單位和歷史文化街區(qū)，如圖16所示，受嚴(yán)格的文物保護(hù)規(guī)定限制，工程施工難度及風(fēng)險極大。

圖16 工程穿越的保護(hù)區(qū)示意圖

2)工程穿越地區(qū)建筑物密集、環(huán)境復(fù)雜，沿線設(shè)施眾多，且多次穿越海堤及其沿線，工程建設(shè)影響范圍較大。

3)工程采用多匝道的地下道路形式，多工法組合，工程難度大。

5 結(jié)語

青島膠州灣隧道、膠州灣第二海底隧道和前海沿線地下道路工程的建設(shè)是構(gòu)建完善的大青島全天候跨海交通體系，服務(wù)半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的需要。工程建成后，將拓展青島城市發(fā)展空間，均衡市域交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少交通繞行，促進(jìn)東、西岸中北部重要功能組團(tuán)發(fā)展，為打造世界級灣區(qū)城市助力。