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关于我国海底隧道建设若干技术问题的思考
关于我国海底隧道建设若干工程技术问题的思考
厦门东通道翔安隧道的建设开启了我国大陆方面海底隧道的先河,使得我国众多隧道建设工作者和有关专家、学者的多年梦想成真。
我们由衷地敬佩福建省及厦门市相关主管领导的勇气和魄力,并感谢他们为中国水下隧道的建设和发展所做出的努力和贡献。
翔安隧道将作为中国大陆第一座海底隧道载入史册。
我曾有幸多次参加厦门东通道的技术方案征询和论证会,并于2004年3月参与并主持了中国土木工程学会隧道及地下工程分会和厦门市路桥建设总公司联合举办的厦门东通道海底隧道修建技术高级专家研讨会,所以对翔安隧道修建技术方案前后形成的过程有着部分的了解。
因此也催使我对海底隧道建设的工程技术问题有着个人粗浅的认识和想法。
1工程准备
人类要用水下隧道穿越海域的思想始于19世纪的欧洲拿破仑时代,英法海峡隧道自1800年曾两次动工开挖后又停了下来。
正因为人们有了这百年的热望和向瀚海天堑挑战的勇气,才产生出了当今为世人所骄傲的“世纪杰出工程”日本于20世纪40年代建成的关门海峡隧道是世界上最早的海峡隧道,紧接着就又开始了穿越津轻海峡的调查准备工作,二战期间停了下来,直到1946年重新开始,用了24年的时间完成了至今仍为世界上最长的海底隧道。
英国、日本、丹麦、挪威等岛国土地资源紧张,海域交通不便,激发了他们拼力构筑越海隧道的积极性和创造力。
他们不仅有着令世人瞩目的越海工程,而且通过这些艰巨而伟大的工程实践成为了世界上海底隧道建设的强国。
我国大陆有着18000km的海岸线,沿海分布着5000多个岛屿(近些年来来有资料说,面积在500m2以上的岛屿有6500多个),还有许许多多海口和港湾。
随着国家社会经济的发展,加快沿海地区建设,开发海资源的需求将会越来越高,改善和提高通过海湾和海峡的交通能力问题也会日益突出。
大的如我国的渤海湾、胶州湾、杭州湾、珠江口、琼州海峡、台湾海峡的交通建设都会成为隧道建设工作者的光荣使命和历史责任。
我们虽然已经开始了第一条海底隧道工程的建设,另一条青岛至黄岛的海底隧道已进入初步设计阶段,但是从总体来看,国家还应有更为远大的憧憬和规划。
琼州海峡铁路轮渡已建成投运,勾通大陆和海南勉强可行。
渤海湾也已开始轮渡建设,借以沟通烟台到大连间的海上交通,其效果可以想知。
在这些地方真正要实现全天候、大流量的快捷交通,只有靠海底隧道来实现。
近些年来时有一些专家学者和志士仁人提出勾通我国重点海域水底隧道建设的建议,并在地方政府的支持下自发组织了多次有关海底隧道的研讨活动,国家应予重视和支持。
渤海湾、琼州海峡、台湾海峡海底隧道工程的前期调查研究工作应列入国家计划并据以实施。
尤其台湾海峡海底隧道工程意义之大、工程之巨将是旷世之作,没有十数年乃至几十年的前期准备工作,是断不能成功的。
琼州海峡海底隧道工程建设没有政治障碍,如能较早实施,可为台湾海峡隧道工程作技术准备和经验积累。
一旦两岸统一,时机成熟,便可大展宏图,圆梦成真。
这是中华民族的大事,也是件功德无量的好事。
重大工程项目前期准备不足,临时仓促开工是我国基本建设的痼疾,由此带来工期、质量、安全、效益等诸多问题。
海底隧道项目一般都具有投资规模大、风险程度高、技术难度大、建设周期长的特点,我国在这方面刚刚起步,应注意克服积习弊端,从长计议,及早打算,周密安排,才可能少走弯路,不失时机。
2技术方法
海底隧道已有多例成功经验的建造方法是沉埋法、暗挖法和盾构法。
其实盾构法亦属暗挖性质,只是开挖、支护和构筑不同于一般的暗挖施工。
一般的暗挖施工最多的是人工开挖、机械挖掘和钻爆开挖。
此外使用围堰排水后明挖的方法构筑水下隧道对海底隧道来说机会不多。
使用悬浮隧道的方法尚处在试验研究阶段。
2.1沉埋法
沉埋法是在海岸边的干坞里或在大型船台上将隧道管节预制好,再浮拖至设计位置沉放对接而后沟通成隧。
世界上最早是美国人于1910年成功建造的穿越底特律河的水下隧道。
百年来沉埋法发展很快,已成为某些国家修建水下隧道的首选方法。
我国最早采用沉埋法修筑水下隧道的是香港,1972年建成了穿越维多利亚海港的公路隧道。
其后是广州市穿越珠江的沉埋隧道,宁波市穿越甬江的沉埋隧道。
上海市也在黄浦江下修建了多座沉埋隧道。
可以说使用沉埋法建造海底隧道从技术上来说我国已经没有什么太多的障碍了。
使用沉埋法修筑水下隧道具有较多的优势。
如隧道埋深浅,线路相对较短;隧道断面形式灵活,可以做得很大且利用率很高;隧道管节在岸边或船上工厂化预制,质量有保证;隧道管节长度大,接缝少,防水结构可靠;隧道结构比重小,对地基的地质条件和承载力要求较低,且抗震性能较好;技术成熟,造价可控,工程风险相对较低。
但是,沉埋法的使用往往受到较多的限制,甚至在很多情况下不能被采用。
如水下地形复杂,基槽开挖困难或工程量太大不易实现时;海域水深过大,隧道结构防水能力不足或基槽开挖没有能力实现时;水道流速过大(目前受限于3m/s),管节沉放对接困难时;航道交通异常繁忙,无法为管节拖放提供时间或空间的。
总之,使用沉埋法修建水下隧道优势明显,在有条件的地方修筑海底隧道应该首推沉埋法。
2.2盾构法
使用盾构法建造水下隧道起源于英国,1818年法籍英国工程师布鲁纳尔设计了世界上第一台盾构机,并于1825年用于泰晤士河下455m长的隧道。
之后,盾构技术逐渐成熟,发展为现代化的气压平衡、土压平衡和泥水加压平衡等多种形式的盾构机和硬岩掘进机(TBM)。
近些年来,又有了能用于软、硬交错地层的复合式盾构机和伸缩式双护盾掘进机,从而盾构机和掘进机(可以统称为TBM)的使用范围越来越广泛了。
最为成功的例子是英法海峡大隧道的实现。
它由11台具有高度自动化和激光导向的掘进机担负了三条各自长达50多km的海底隧道施工,其中水下部分各37km。
其中双护盾掘进机创造了单向掘进长达21.1km的成绩,同时又创造了月进1487m的最高记录。
我国上海于1962年开始了盾构隧道试验工程,于1970年建成了打浦路水下隧道工程,也是我国第一条使用盾构机修建的隧道。
之后,上海使用盾构机法在黄浦江下修建了多座水下隧道。
接着,广州市使用盾构机在珠江下修筑了地铁隧道。
近些年来随着国家基建形势的高涨,盾构机、掘进机技术在我国得到了快速发展。
2004年在长江上游重庆市使用泥水加压盾构建成了开挖直径64m的主城排污隧道。
该盾构机在水深30m、江底最小埋深9m左右通过了950余m的中硬岩层。
在长江入海口上游附近上海市正在使用目前世界上最大直径(15.4m)的盾构机修建水下双向单管三车道的公路隧道。
这一切都说明了我国已具备了使用盾构、掘进机修建水下隧道的技术能力。
但是我国使用盾构掘进机在海底建造隧道的例子还没有过。
海底隧道较之江河下的隧道有其不同处,这是我们尚待弥补的空缺。
使用盾构机法建造海底隧道有其显著的优势。
现代化的生产手段速度快,效率高;施工通风易于解决,可以实现长距离独头掘进;进洞工作人员作业环境较好,安全保证程度高;隧道管片及防水系统工厂化预制,机械化拼装,质量稳定;比较钻爆法开挖施工隧道埋深要求较低,因此线路长度可以缩短。
而且盾构掘进机技术发展余地很大,设备性能日益完善,适用范围越来越广。
但是盾构掘进机的劣势也是明显的:
其构筑的隧道断面形式和线型受限,灵活度不大,曲线半径不能太小;机件复杂,设备昂贵,建设成本中设备费用占用比率较高;对地层地质和水文情况敏感度极高,在掘进前方不良地质、严重水害和障碍物难以探明的情况下,建设风险较大;在隧道掘进中途须要更换刀具和整修刀盘,工艺复杂,操作困难;隧道洞口附近需要有较大的施工整备场地,包括预制管片的场地,代价较高。
由于盾构掘进机的突出特点,所以在特长的海湾、海峡隧道建设中,有着其它施工手段往往不能代替的优势。
为了海底隧道的建设,我国必须大力推进盾构掘进机使用、修理和制造技术的发展。
所以,在海底隧道建设中,凡能使用盾构掘进机施工的,当优先采用,为其发展创造条件,以利于更加宏伟的海底隧道工程的建设。
23钻爆法
采用钻爆法开挖施工修筑海底隧道的成功实例很多,当首推日本的青函隧道。
青函隧道长达5385km,其中海下段23km,隧道最小埋深100m,水深140m,建设时间长达24年,于1988年竣工。
至今它仍是世界上最长的海底隧道。
挪威在过去近30年的时间里,用钻爆法建成了40条海底隧道,积累了大量经验,形成了被称为“挪威海底隧道概念”的一整套技术。
著名的有如于1981年完工的Vard由隧道,于1992年完成的Byfjorden隧道,于1994年完成的Hitra隧道,于1999年完成的NorthCapo隧道,于2000年完成的B如lafjord隧道。
我国使用钻爆法掘进建造水下隧道的实例不多,只有短距离通过河流、湖泊或水库的情况。
厦门翔安隧道采用钻爆法掘进通过海底,可谓我国大陆第一例。
钻爆法有其明显的优点,如隧道断面可以灵活变化,随机设置,空间利用率高;施工方法和施工顺序易于调整,机动性好,对地层地质适应能力好;借助中间辅助坑道或平行导坑开辟工作面,可以较大幅度地提高整个隧道的施工进度;机械化程度可高可低,便于成本控制,在我国目前劳动力价格相对低廉的情况下可以节省工程费用;尤其在掘进过程中遭遇不良地质,像突水、涌泥、溶岩时,工程风险相对较低。
因此钻爆法广为应用,在常见的隧道施工中一直占着主导地位。
但是,采用钻爆法施工洞内作业环境差,工人劳动强度大;频繁的爆破作业对隧道围岩扰动大,不利于围岩稳定;对海底隧道的埋深要求高,比较沉埋隧道和盾构隧道钻爆法隧道埋深最大,线路最长,相应地加大了工程费用;采用钻爆法长距离独头掘进通风困难,目前国内达到的最高纪录为7km,—般情况下只能在4km左右;现场构筑施工环节较多,工程质量难以控制。
采用钻爆法掘进施工建造水下隧道往往需要有较多的辅助施工手段配合,如锚固、注浆、管棚、等等。
这些工程措施在通过断层破碎带和软弱地层时是很有效的。
发展海底隧道技术应加大对辅助施工措施的研究和开发力度,促使其运用得更加广泛和更加有效。
施工防、排水是钻爆法掘进施工建造海底隧道的关键环节之一,在防水、治水方面我国隧道工程界已经积累了不少的经验,将这些经验进行总结和提高,用于海底隧道建设是我们面临的一个重大课题[1—3]。
3方案比选
海底隧道工程方案比选的主要内容是:
1)线位和线形,指隧道线路中心的空间位置包括平面方向及垂直纵坡;
2)线数和断面,即同一方案内的隧道的数量、间距和各隧道断面的形状及大小;
3)附属及运营设施,如通风、照明、通讯、信号、供电、供水、灾害预防和救治、运营指挥和控制、结构防腐和防冻以及设备检查和维修,等等;
4)建造方式,就是通常人们所谓的施工技术方案和施工技术方法。
我国在海底隧道工程建设上是最近两年才起步的,方案比选中可供使用的成熟经验很少。
因此,要借鉴国外的成功技术,结合国内的实际情况在实践中不断摸索创新,积累自己的经验。
这里对照国外的成功实例,分述方案比选的各项内容。
3.1线位和线形
线位和线形决定了海底隧道与地层和水域的关系,其中隧道在海底的最小、最大埋深和通过或绕避不良地质段是最重要的考虑因素。
如果海底隧道顶板岩体覆盖太薄,则会增加隧道结构失稳的可能性,并且加大隧道渗漏水,进而使隧道维护成本增加很多。
但是扩大隧道顶板厚度就会使隧道长度以较大的幅度增加,从而使得工程费用急剧上升。
以我国常用的隧道纵坡3%计,隧道埋深每增加1m,隧道长度就增加66.7m。
采用钻爆法或盾构法进行海底隧道施工,日本、挪威等国的规范中对隧道覆盖厚度都有相应的规定,但是在实际中很少有符合规定的情况。
我国海底隧道在厦门东通道之前尚没有先例,应该在这方面做些试验研究工作,并参照国外的规定和经验制定自己的标准写入规范,使设计有所依从。
比较国外已建海底隧道的纵坡率,我国厦门东通道海底隧道采用3%显然偏小。
这可能是受到现行国家公路隧道设计规范的约束。
原用规范是90年代颁布施行的,主要依据80年代隧道通风实测资料。
应该看到现今汽车技术的进步,通过科学实验合理制定限坡标准。
在实际考察中还应把诸多不合理的影响因素区别开来,如违章超载、尾气超标等。
适当提高隧道纵坡率对于降低海底隧道的工程成本有着较大的意义。
由于海底地层地质情况勘探工作较为复杂和艰巨,所以海底隧道选线要比陆上隧道更加困难。
海底地层中的不良地质如断层破碎带、岩层软弱段、溶穴、风化槽、水、气囊,等等,都会给隧道建设带来极大的风险。
一般情况下,隧道位置应尽量避开,将不良地层、地质对隧道的影响降低到最小程度。
32线数和断面
海底隧道断面大小及形状对工程建设难度和工程成本费用的影响颇大。
理论和实践都证明了在相同的围岩条件及围岩压力下,等截面、同性质的围岩支护所承受的内力和变形约与隧道洞径的平方成正比。
在使用掘进机的情况下,刀盘扭矩与刀盘直径尺寸的三次方成正比,而刀盘扭矩将消耗掘进机总功率的70%以上。
并且隧道断面尺寸越大,施工中遭遇不良地层、地质的机率也越大,隧道内的渗漏水也越多。
在很多情况下,大断面隧道的几何形状住要是扁平率)不易做到合理。
反过来看,在相似的几何形状下,大断面隧道的空间利用率会受到较多的限制,从而造成浪费。
因此,如果海域周边位置容许隧道线数增加,应尽可能采用能够满足使用要求的较小断面形式。
这样做或许是较为合理的选择。
采用较小断面、多线隧道的方式,分期投资,分期建设,不仅可以充分地发挥投资效能,避免浪费,实现较高的经济效益,而且还可能较大程度地减少隧道施工难度和降低工程建设风险,对提高整体工程的使用功能也很有好处。
挪威是世界上已建成海底隧道数量最多的国家,共有40余条海底隧道。
这些海底隧道多建在前寒武纪的硬岩里,一般是花岗片麻岩,用钻爆法开挖施工。
其中24条是公路隧道,总长近100km,已建成的双车道和三车道隧道净断面分别约50m2和70m2,施工开挖断面在90m2以内。
海底隧道工程往往需要在主隧道之间设置服务隧道。
服务隧道在施工建设期间应能起到地质超前预探、预报和预处理的重要作用。
因此,服务隧道的断面设置应有利于实现快速掘进施工,按照施工组织计划超前于主洞。
如果因为服务隧道断面设置不合理而不能实现快速掘进施工,甚至滞后于主洞,那么在建设过程中服务隧道不但失去了作用,反而增加了主洞施工的安全压力和工期风险。
3.3附属及运营设施
由于海底隧道安全环境的特殊性,其附属设施和运营设施的作用和地位就显得十分突出。
它们和隧道主体结构共同形成了海底隧道工程的全部使用功能,缺一不可。
尤其是交通隧道,与大量的人员活动直接相关,其附属及运营设施的完善和可靠极为关键。
我国海底隧道建设已经开始,国家应在有关设计规范中对海底隧道附属及运营设施的必备功能和标准做出详尽而又严格的要求。
如通风照明、信号标志、交通管制、事故探测、预警系统、防火防毒、灾害处理、安全通道、逃生方式、备用电源和其它紧急措施,等等。
特别是隧道通风系统及防灾救灾能力的实现和完善,是隧道能否正常投入使用的重要环节,马虎不得。
交通工程建设要体现“以人为本”的社会理念,在附属及运营设施的投入方面决不能少。
从目前世界各国特长交通隧道建设的制约因素来看,隧道修筑能力不是第一位的,而通风和防灾能力的实现和达标才是最重要的。
3.4建造方式
在本文第2章“技术方法”中已将可用的三种海底隧道构筑方法作了一般性的叙述,现实中决定采用什么样的施工方案和施工方法要根据工程规模、工程条件和环境要求进行仔细的比选。
对于特长海底隧道,如果中间位置没有岛屿可利用或人工筑岛的可能,钻爆法的使用将会受到较大的制约,而掘进机法会成为人们的最佳选择。
当前在地质情况变化较大的特长隧道施工中,双护盾掘进机得到较多地成功使用。
它可以在硬岩和软岩两种情况下采用两种工况方式进行掘进和构筑施工。
就目前的发展趋势来看,双护盾掘进机应该是用于特长海底隧道施工的主要手段。
但是掘进机法在复杂地层中的使用技术仍需要进一步发展才能更好地适应,双护盾掘进机在特殊不良地质情况下使用仍有较大风险。
配合双护盾掘进机施工的辅助施工措施如预注浆、预冻结等技术需要集中力量去研究。
4风险管理
由于地层地质情况的复杂和难于完全预知,所以隧道工程建设的风险相对于其它土木建筑工程要大一些。
然而海底隧道深埋于水下,地质勘探仅能依靠限量的钻孔和个别物理手段,对地层地质情况的了解则更加困难,尤其隧道所处位置地下水位高、水头压力大,海水的补给无穷无尽,海水中的盐分对支护结构具有极强的腐蚀性,因此其建造风险远大于陆地上的一般隧道。
海底隧道工程风险主要来之于两个方面:
地层、地质条件和设计、施工表现。
近些年发展起来的工程风险管理方法应尽快运用到海底隧道建设中来。
在隧道建设的可行性研究阶段、设计阶段、施工阶段以及隧道投入运营后的使用维护阶段,都应把风险管理列为其必做的工作内容之一。
风险管理的关键在于控制风险,它是建立在风险识别、风险分析和风险评估等一系列的基础工作上的。
风险评估将环境和行为的后果进行了量化的计算和科学的评价,使工程建设管理迈向了更高的层次。
风险管理的立足点在于风险处理,通常化解风险的路径有三个:
即避免风险、降低风险和转移风险。
实行社会化的工程保险制度是有效地控制和化解工程建设风险的重要途径。
据有关资料介绍,在挪威地质风险是由业主负责的,如地震、渗水、灌浆、岩石支护等。
施工表现是由承包商负责的,如单位工程造价和工程质量。
所以挪威隧道合同的主要特点之一是业主和承包商共同承担风险。
英国在隧道及地下工程风险管理上保险业与隧道工程协会联合行动,经过数年的努力于2003年9月正式出版了《英国隧道工程风险管理联合守则》该《守则》从策划、招标、设计到施工各个阶段均要求隧道工程自始至终保证有完整的风险管理。
我国在工程保险方面也应从风险管理入手制定法规,同时培养和组建专业的风险管理队伍和保险体系,使工程保险公司在责任可控的范围内为工程项目提供经济担保,以利工程承包合同的履行,真正起到“社会稳定器”的积极作用。
5工程理念
这里所谓的工程理念是指工程建设决策者和主持者在实际工程活动中的思想准则。
因为工程建筑行为是人们有明确目的、有强烈意识、有严密组织的社会生产活动,所以要做好一项工程,必须要有正确的工程理念。
现实中影响工程决策的因素无非是主观与客观两个方面。
主观方面表现为工程决策者头脑中产生的工程理念;客观方面主要是工程环境条件。
在我国现阶段的工程建设活动中,由于理念的缺失或错位造成的危害十分突出。
其表现如:
工程行为政治化,成为谋求政绩的手段,不适当地提出什么“中国第一”,“亚洲第一”,“世界第一”其结果往往是劳民伤财,却弄出个不伦不类的怪物;工程规划一味超前,甚至搞“一百年不落后”造成功用空置,能力浪费,效益低下;无视整体效果,脱离国情实际,片面追求“世界上最先进的设备和技术”形成食而不化、欲速不达的被动局面等等。
这种错误的工程理念势必也会影响到海底隧道工程建设的决策和实施,应当极力避免。
正确的工程理念应该是:
在可能的条件下,应当以较为经济和更加先进的手段及方式来实现工程设施最为完善和最为可靠的必须功能。
俗话说“不求最大,但求最好”,应该是工程建设者最为朴实的思想品质和行为准则。
在我国海底隧道工程建设中,只有确立了好的工程理念,才可能会有正确的工程决策,才会建造出真正的“世纪精品工程。
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