瓊州海峽跨海隧道關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 昂，陶偉明，朱 勇，范 磊

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

引言

海南島是我國“一帶一路”倡議的重要支點，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，社會影響嚴重。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，嚴重影響海峽航運，工程投資較高。因此，歷次研究均偏向全隧方案[4]。

1 工程建設(shè)條件

瓊州海峽跨海隧道建設(shè)條件相當復(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，本文進行簡要論述。

1.1 海底地形

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]。

1.2 地層巖性

海上鉆探顯示，海峽地層主要為第三紀和第四紀的沉積層，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。

1.3 斷裂構(gòu)造

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)。晚更新世活動斷裂包括?？?云龍斷裂(38)、徐聞西-紀家斷裂(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

1.4 地震

海峽區(qū)域歷史地震活動呈現(xiàn)“北強南弱”的特點，北部地震強度在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)域地震動峰值加速度0.2g～0.3g。

2 隧道建設(shè)方案

2.1 通道位置

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?？谑?，海面寬度約24 km。該通道海底地形起伏強烈，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)浮運沉放等涉及大量的水上作業(yè)，嚴重影響海峽通航，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。

2.2 隧道工法

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)，對航運影響極大。同時中線通道最大水深88 m，超過現(xiàn)有沉管隧道應(yīng)用水深，工程實施困難。

盾構(gòu)法屬于機械化暗挖施工，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，最大直徑達到15.2 m(武漢三陽路過江隧道)，盾構(gòu)最長獨頭掘進距離達到7.5 km(上海長江隧道)，最大水深達到80 m(蘇通GIL綜合管廊隧道)。因此，推薦采用盾構(gòu)法。

2.3 隧道斷面布置

瓊州海峽連接廣東和海南兩省，交通運量需求巨大。結(jié)合兩岸運量需求及未來經(jīng)濟社會發(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，雙向6車道，鐵路設(shè)計為速度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)機直徑預(yù)計達到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)機直徑也只達到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、制造難度太大而放棄。

考慮19 m級盾構(gòu)機制造、施工難度，公鐵合修方案技術(shù)尚不成熟，工程實施難度大。同時，公路和鐵路運營管理分屬不同部門，公鐵合修隧道運營管理協(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設(shè)置，互不連通，可根據(jù)運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)置橫通道進行連通，運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

2.4 施工組織

本工程隧道長度超過20 km，盾構(gòu)獨頭施工距離過長，工程風(fēng)險和工期不可控，故推薦多臺盾構(gòu)從廣東、海南側(cè)相向掘進、水下對接，單臺盾構(gòu)掘進長度約10.7 km，土建工期82個月。見圖5。

圖5 隧道施工組織籌劃(單位：km)

3 工程關(guān)鍵技術(shù)

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(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，更增加了工程的實施難度。

3.1 超大直徑盾構(gòu)超高水壓下超長距離掘進

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、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，標志著我國已有能力設(shè)計、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)動密封、盾尾密封、盾構(gòu)換刀及進倉作業(yè)影響較大。高水壓條件下，目前盾構(gòu)主驅(qū)動一般采用4道密封加驅(qū)動箱壓力補償技術(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)進行更換，超大斷面、超高水壓兩種不利因素下，更換風(fēng)險極高。

盾構(gòu)工法的特點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，同時采用高質(zhì)量油脂。試驗表明，3道尾刷+2道油脂腔的耐壓能力可達到1 MPa。據(jù)此推算，5道密封+4道油脂腔，承壓可達2 MPa，滿足本項目的承壓要求，但缺乏驗證。

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)計為中空結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機直徑不能過小，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，常壓換刀裝置的最大承壓能力可達到2 MPa，滿足本工程要求。但該壓力僅為試驗壓力，未經(jīng)過工程試驗驗證。

同時，常壓換刀只能解決刀具更換問題，施工時若出現(xiàn)刀盤異常磨損、刀具掉落等極端情況，仍需要帶壓進倉作業(yè)。高水壓下，應(yīng)采用飽和氣體帶壓進倉。目前，該技術(shù)應(yīng)用的最高壓紀錄為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

目前國內(nèi)盾構(gòu)一次掘進最長距離為7.5 km(上海長江隧道)[11]，阿根廷某小直徑排水隧道計劃一次掘進12 km，目前尚未實施。本工程單臺盾構(gòu)一次掘進距離10.7 km，超過現(xiàn)有工程記錄，需要重點解決盾構(gòu)部件的耐久性問題，如主驅(qū)動密封、盾尾密封、刀盤刀具磨損等。

超大直徑盾構(gòu)、超高水壓、超長距離掘進三類不利因素相互影響，更加劇了本工程的挑戰(zhàn)性。

3.2 超高水壓下超大直徑盾構(gòu)水下對接

本工程施工組織采用相向掘進、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]。目前已實施對接工程中盾構(gòu)最大直徑14.14 m，最大水壓0.67 MPa，遠小于本工程面臨的15.7 m直徑、1.45 MPa水壓的挑戰(zhàn)。

3.3 超高水壓條件下聯(lián)絡(luò)通道施工

考慮運營期防災(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例可供借鑒。

3.4 公路隧道超長距離通風(fēng)

公路隧道兩岸工作井距離超過20 km，需要設(shè)置機械通風(fēng)。海域段通航要求高，不具備填海設(shè)置通風(fēng)井條件。德國費馬恩海峽公路隧道計劃采用全縱向通風(fēng)方案，實現(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。

4 后續(xù)研究建議

瓊州海峽跨海隧道工程規(guī)模大、建設(shè)條件復(fù)雜、實施難度極大，部分工程參數(shù)遠超現(xiàn)有技術(shù)儲備，需提前開展相關(guān)研究工作。

4.1 加深海峽建設(shè)條件調(diào)查工作

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，進一步摸清海峽建設(shè)條件，為工程方案比選和設(shè)計提供支撐。

4.2 開展盾構(gòu)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

我國目前已能設(shè)計、制造16 m級超大直徑盾構(gòu)機，但面對本工程前所未有的工程挑戰(zhàn)，應(yīng)重點對以下關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)。

4.2.1 超高水壓、超長距離掘進下主驅(qū)動密封耐壓能力和耐久性能

盾構(gòu)工法嚴重依賴盾構(gòu)機的可靠性和技術(shù)先進性，針對本工程超高水壓挑戰(zhàn)，需重點攻克主驅(qū)動密封的耐壓能力?，F(xiàn)有密封主要采用多道密封加驅(qū)動箱壓力補償技術(shù)，可滿足一般水壓下的施工需求。本工程盾構(gòu)機可考慮進一步增加密封數(shù)量、提高密封背壓或創(chuàng)新密封形式，并開展室內(nèi)試驗驗證，確保密封方案的有效性。在提高耐壓能力的同時，還應(yīng)兼顧超長距離掘進下密封的耐久性能。此外，為應(yīng)對突發(fā)狀況，還應(yīng)對主驅(qū)動密封洞內(nèi)更換進行研究，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)險小，是近年來新發(fā)展的盾構(gòu)換刀技術(shù)，但目前實際工程應(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，需重點研究換刀裝置的耐壓能力和可靠性。同時，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，仍需進一步研究試驗。

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)有實際工程應(yīng)用最大水壓力僅0.85 MPa，試驗壓力1.2 MPa，與本工程1.45 MPa還有一定差距。我國于2014年進行了300 m飽和潛水深海作業(yè)[15]，但盾構(gòu)機內(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)飽和潛水研究機構(gòu)、盾構(gòu)設(shè)備廠商、施工單位等進行專項研究。

4.3 深化超高水壓下超大直徑盾構(gòu)水下對接方案

目前，盾構(gòu)對接主要采用兩種方式，第一種是機械對接[16]，多為日本開發(fā)使用，盾構(gòu)機前部采用特殊設(shè)計，兩臺盾構(gòu)可直接進行插入對接。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)域的強度和止水密封能力。

同濟大學(xué)胡向東團隊在2013年曾對瓊州海峽凍結(jié)法盾構(gòu)對接進行過初步研究[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。

4.4 深化超高水壓條件下聯(lián)絡(luò)通道施工方案

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行加固，再采用礦山法施工。在超高水壓下，上述工法風(fēng)險極大。近年來，采用小盾構(gòu)、小頂管等機械法施工聯(lián)絡(luò)通道在國內(nèi)逐步興起，并已在多個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 機械法聯(lián)絡(luò)橫通道示意

4.5 細化公路隧道超長距離通風(fēng)技術(shù)方案

2018年起，我國汽、柴油全面實行國Ⅴ標準；2023年起，全面實行國Ⅵ標準。同時，國家近年來大力推廣新能源汽車。本工程通車運營時間最快預(yù)計在2030年以后，屆時汽車尾氣污染物含量將大幅降低。

按國Ⅵ標準進行初步通風(fēng)設(shè)計，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，采取送排組合通風(fēng)方案進行串聯(lián)通風(fēng)，隧道內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的射流風(fēng)機升壓引流，并在洞內(nèi)適當位置設(shè)置尾氣凈化裝置改善洞內(nèi)運營環(huán)境，可解決20 km以上超長距離運營通風(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)合交通運量預(yù)測及污染物排放標準，深化通風(fēng)技術(shù)研究，為工程設(shè)計提供支撐。

5 結(jié)論

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，梳理了隧道方案實施需要解決的超大直徑盾構(gòu)、超高水壓、超長距離掘進三大關(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，并重點對盾構(gòu)機主驅(qū)動密封承壓性能、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，為工程實施做技術(shù)儲備。