錢七虎

(1．解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇南京 210007;2．解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210007)

0 引言

中國快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市的不斷拓展，需要越江越海交通的配套發(fā)展，而作為越江越海的主要手段——橋梁在其數(shù)量不斷攀升的同時，越來越顯現(xiàn)其局限性:在大雪、大風(fēng)及大霧時節(jié)不能保證全天候通行;對沿江、海灣內(nèi)的航運(yùn)產(chǎn)生不利影響，包括對港口、碼頭等航運(yùn)設(shè)施的影響，橋梁凈空高度對船舶噸位的影響以及撞橋事故的不斷發(fā)生，從而對航行船速的限制以及要求船隊的解駁等。因而，隨著水下隧道修建技術(shù)的迅速提高，水下隧道建設(shè)步伐就迎勢而上并不斷推進(jìn)，工程數(shù)量日益增加。黃浦江、甬江、珠江、黃河以及長江等我國大江大河下相繼建成并正繼續(xù)修建不少隧道。繼廈門翔安海底隧道、青黃島膠州灣海底隧道建成后，港珠澳大橋海底隧道也正在修建，而跨越瓊州海峽和渤海的海底隧道也正在積極論證中。我國水下隧道建設(shè)在不斷展現(xiàn)其豐碩成果的同時，面臨著不少的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，諸如穿越水下淺覆蓋層的挑戰(zhàn)、盾構(gòu)刀具嚴(yán)重磨損的挑戰(zhàn)以及TBM卡機(jī)的挑戰(zhàn)等。本文在歸納中國水下隧道工程實踐經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上擬對面臨的挑戰(zhàn)與對策做出初步的思考和分析。

1 3種主要水下隧道修建方法

除在城市湖泊下修建水下隧道可采用筑圍堰、排水、明挖方法外，在江、河、海下一般采用暗挖法(鉆爆法、TBM和盾構(gòu)法)以及沉管法。

1．1 鉆爆法

水下隧道鉆爆法與陸地隧道的無根本區(qū)別，主要關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計埋深須滿足最小覆蓋層基巖的要求，以預(yù)防坍塌并遏止高壓涌水［1-3］。為此，要做好工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的勘察調(diào)查及突水涌水的超前地質(zhì)預(yù)報，并在完全可靠的注漿固結(jié)封閉的條件下鉆爆開挖。

1．1．1 優(yōu)點(diǎn)

1)所需設(shè)備投資較小。

2)對不同地質(zhì)條件、開挖工藝、方法和斷面形狀的適應(yīng)性好，轉(zhuǎn)換場地、移動位置機(jī)動、靈活。

3)動力能源消耗少、要求低，投資小。

4)設(shè)備維修少，利用率高，在不發(fā)生事故的前提下施工進(jìn)度穩(wěn)定。

5)比較適合我國當(dāng)前的國情。

1．1．2 不足

1)較難提高開挖速度，工期長，特別在發(fā)生圍巖坍塌及突水涌泥事故情況下，工期難以估計，如:日本青函隧道，因津輕海峽有9個斷層破碎帶，發(fā)生3次涌水停工，主隧道歷時14年才貫通。

2)與TBM法相比，隧道斷面易發(fā)生超挖，圍巖破壞大，施工安全差。

1．2 TBM法和盾構(gòu)法

TBM法是隧道全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)，利用刀盤刀具破碎巖石和在軟土中開挖，邊開挖邊出渣并進(jìn)行錨噴支護(hù)襯砌或管片支護(hù)等連續(xù)作業(yè)［4-6］。在中國，軟土中的TBM法稱為盾構(gòu)法。

1．2．1 優(yōu)點(diǎn)

1)TBM和盾構(gòu)法掘進(jìn)速度快，在均勻的中、硬巖層中的月掘進(jìn)速度在600 m左右。如在英法海峽隧道的英國端，月掘進(jìn)764 m，法國端月掘進(jìn)685 m(地質(zhì)較英國端復(fù)雜)，最高月掘進(jìn)速度為英國端1 500 m，法國端也達(dá)1 170 m。最適合長隧道施工。

2)TBM掘進(jìn)的隧道具有較平整的臨空面，超欠挖極少，圍巖松動范圍一般都在200～500 mm，因受到的破壞很小并能得到及時支護(hù)，故圍巖穩(wěn)定，施工安全。

3)施工安全性大大提高，可最大限度減少施工人員的傷亡。

4)施工機(jī)械化程度達(dá)到95%以上，降低了勞動強(qiáng)度，改善了勞動環(huán)境和條件，實現(xiàn)了隧道施工的快速、高質(zhì)、高效、安全的目的。

5)施工中對海底地質(zhì)不產(chǎn)生任何不利影響，不影響和干擾水面航行;不干擾海洋中保護(hù)動物，如白鰭豚等。

6)具有極其顯著的社會效益。

1．2．2 不足

1)造價昂貴。

2)遇到復(fù)雜多變的地層，如斷裂構(gòu)造、軟硬交替或上軟下硬的地層時，TBM和盾構(gòu)的推進(jìn)比較困難。

3)超大直徑多車道的TBM和盾構(gòu)還有待研究和開發(fā)。

1．3 沉管法

在預(yù)制場(船塢或造船廠車間)將隧道整體分段制作好，兩端用臨時鋼封門密封，船塢放水使隧道管段上浮，采用拖運(yùn)和定位等設(shè)備，使管段準(zhǔn)確浮運(yùn)至設(shè)計位置;經(jīng)管段灌水壓載，下沉至已開挖好的水底基槽，再依次在水下利用水力壓接將管段連接起來，接口使用可靠的密封止水，最后是拋石回填，抽出管段內(nèi)壓載水，開啟各段間鋼封門，在管段內(nèi)進(jìn)行設(shè)備安裝和裝修后，即成水底沉管隧道［7-9］。

1．3．1 優(yōu)點(diǎn)

1)建設(shè)要求頂面須埋在河流、海流的沖刷線以下，因此能做到沉管斷面頂面不侵入航道。

2)要求地層承載力不大。

3)隧道各管段可在干鄔和工廠車間內(nèi)預(yù)先制備、質(zhì)量有保證。

4)管段預(yù)制和水底開槽可同時進(jìn)行，效率高，工期短。

5)工程造價和投資具有競爭力。

1．3．2 不足

在管節(jié)預(yù)制、防水、水下開槽、管節(jié)浮運(yùn)、沉放、各管節(jié)水下對接以及沉管基礎(chǔ)處理的各個工藝流程中出現(xiàn)失誤的概率，相對地比其他隧道技術(shù)要多。這是因為沉管隧道是埋置或擱置于水下的大型人工構(gòu)筑物，受河、海地貌、地質(zhì)、水文、航道，以及設(shè)計、不可預(yù)見的繁復(fù)性施工工藝與方法的直接影響。

在世界上至今已建成100多座沉管隧道，其最大沉埋深度(水深加覆蓋層厚)已達(dá)50 m，沉管隧道最長的已達(dá)5．825 km。

2 水下隧道的主要修建方法的比較

見表1。

3 水下隧道建設(shè)的挑戰(zhàn)與對策思考

3．1 沉管法在河道水流含砂大幅減少的情況下，面臨河床沖刷的挑戰(zhàn)

如長江中下游建設(shè)的水下隧道:武漢、南京及上海長江隧道，由于面臨長江三峽水電站、向家壩、溪洛渡、烏東德及白鶴灘5個水電站(后4個發(fā)電功率為三峽電站2．5倍)，建成后水流含砂量的大幅減少，從而由中下游河床沖淤不平衡引起的沖刷，難以確保水下隧道在其生命周期內(nèi)的安全運(yùn)營。

對策:南京、武漢長江隧道原方案為沉管法，經(jīng)建議及論證確定后修改為盾構(gòu)法。

表1 水下隧道主要修建方法比較［10］Table 1 Comparison and contrast among different construction methods of underwater tunnels

3．2 沉管頂部深潭部位管段局部頂面高出河床的挑戰(zhàn)

河床因沖刷一般呈不對稱“V”型，沉管法隧道若在深潭部位按常規(guī)設(shè)計勢必埋深大、工程路線長、造價高。因此，深潭部位管段頂面局部高出河床為具有重大工程實踐意義的課題。

國內(nèi)外已有此類設(shè)計成功的實例，如:希臘Preveza Aktio沉管隧道、悉尼港沉管隧道、香港跨港公路沉管隧道西九龍沉管段及上海外灘泰和路隧道。但由于工程條件不同(工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、河勢沖淤變化等)，不能套用已建工程經(jīng)驗，必須進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和河流模擬試驗研究，確定頂面高出河床的幅度及其相應(yīng)對河流流態(tài)、流場以及對河床和附近構(gòu)筑物(如碼頭)的影響后，才可確定建設(shè)方案。

現(xiàn)介紹上海隧道院對該課題研究的內(nèi)容和結(jié)論以供參考。

3．2．1 數(shù)學(xué)模型計算研究主要內(nèi)容

1)管段不同抬高幅度對流態(tài)的影響程度和影響范圍(重點(diǎn)是航道和碼頭)。

2)基槽開挖對流態(tài)的影響程度和影響范圍。

3)臨時輔助航道開挖對流態(tài)的影響程度和影響范圍。

3．2．2 物理模型試驗主要研究內(nèi)容

1)管段不同抬高方案對流場的影響和對附近碼頭水域的影響。

2)分析基槽開挖區(qū)的懸砂淤積。

3)分析不同尺度管段抬高所引起的工程區(qū)河床沖淤變化和對附近碼頭水域的泥砂沖淤影響。

3．2．3 數(shù)學(xué)模型計算研究結(jié)論

抬高的工程實施后，對黃浦江河道內(nèi)的水位基本沒有影響;在隧道工程軸線附近流速有所增加，離開軸線稍遠(yuǎn)處的上游水域流速略有減少，流速變化范圍很小，流場變化無異?，F(xiàn)象。

3．2．4 物理模型試驗研究結(jié)論

流速影響范圍在數(shù)百米以內(nèi)，在河床地形調(diào)整后流速增大的幅度在5 cm/s以內(nèi);覆蓋區(qū)周圍發(fā)生一定沖刷，沖刷區(qū)上下游出現(xiàn)泥砂淤積區(qū)，影響范圍為數(shù)百米;沖刷幅度在1 m以內(nèi)，2年內(nèi)，局部地形調(diào)整后，趨于穩(wěn)定;沖刷可影響覆蓋層與河床接合處塊石穩(wěn)定;沖淤對工程區(qū)附近碼頭及防洪等工程設(shè)施沒有產(chǎn)生不利影響。

3．3 沉管埋深增大的挑戰(zhàn)

沉管法為淺埋工法，港珠澳大橋的沉管隧道要適應(yīng)30萬t油輪的通航，因此沉管必然深埋，為此必須應(yīng)對管槽回淤嚴(yán)重的挑戰(zhàn);此外，深挖管槽導(dǎo)致地基回彈嚴(yán)重和荷載加大共同引起的顯著沉降以及對管節(jié)段結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。

對策:邊回淤邊吸泥排淤，在管段沉放時不斷排淤以滿足設(shè)計要求;設(shè)置樁基防止沉降過大;加大管節(jié)段結(jié)構(gòu)厚度。應(yīng)多做同等深度的隧道建設(shè)方案比較，深埋隧道應(yīng)盡量避免采用沉管法。

3．4 大型盾構(gòu)穿越淺覆土層的挑戰(zhàn)

為減小水下隧道的埋深，以減少隧道總長和造價以及隧道在復(fù)雜地層中推進(jìn)的難度，很多隧道常在局部地段面臨穿越小于盾構(gòu)直徑的覆蓋層深度的挑戰(zhàn)，如南京長江隧道φ14．93 m盾構(gòu)，始發(fā)段埋深5．5 m(0．4D);江中沖槽段埋深 10．49 m(0．7D)。具體挑戰(zhàn)的風(fēng)險是盾構(gòu)姿態(tài)穩(wěn)定性和江底覆土層劈裂穿透涌水。

對策:1)保證盾構(gòu)穩(wěn)定推進(jìn)的推進(jìn)參數(shù)和推進(jìn)技術(shù)的掌握以及注漿參數(shù)和技術(shù)的掌握。2)掘進(jìn)面泥水壓力設(shè)定需要滿足掘進(jìn)面的穩(wěn)定和防止劈裂擊穿覆蓋層(見圖1);為此，需研究穩(wěn)定掘進(jìn)面所需泥水壓力的確定以及劈裂機(jī)制的闡明和泥水擊穿壓力的判別標(biāo)準(zhǔn)。3)應(yīng)進(jìn)行泥膜形成技術(shù)和開艙用氣壓置換泥漿條件下泥膜穩(wěn)定時間的研究。

3．5 盾構(gòu)刀盤刀具磨損的挑戰(zhàn)

南京緯七路、緯三路隧道、穿黃隧道、廣州、成都隧道在卵礫石層，軟硬復(fù)合地層中推進(jìn)時都出現(xiàn)了刀具嚴(yán)重磨損，長時間停工檢查修復(fù)。大盾構(gòu)水下砂卵礫石層與上軟下硬巖層中推進(jìn)時檢修和更換刀具是施工中必須克服的難題。

圖1 盾構(gòu)泥水壓力平衡示意Fig．1 Balance of slurry shield

大型盾構(gòu)在砂卵礫石層中推進(jìn)刀具磨損問題更加突出，這是由于:1)盾構(gòu)刀具在同樣進(jìn)尺條件下，其磨損工作長度與刀具配置部位半徑成正比，例如南京14．93 m大盾構(gòu)掘進(jìn)刀具的磨損為地鐵6．3 m盾構(gòu)磨損的2．5倍;2)在石英含量高的砂卵石層中刀具的磨損可達(dá)軟土地層中磨損的10倍。

南京長江隧道是世界上首次進(jìn)行高水壓條件下常壓刀具更換，形成了高水壓條件下(0．65 MPa)泥水盾構(gòu)常壓刀具更換技術(shù)。常壓換刀的成功實施，盾構(gòu)刀具適時檢測和更換技術(shù)的建立，部分避免了高壓換刀作業(yè)的巨大風(fēng)險，標(biāo)志著超長隧道的掘進(jìn)成為可能(見圖2)。

圖2 盾構(gòu)換刀Fig．2 Replacement of cutting tools of shield machine

對策:

1)在盾構(gòu)選型和配置時能確保實現(xiàn)不在刀盤前高壓換刀，而在刀盤后常壓下?lián)Q刀。南京緯七路長江隧道已在中國第1次成功實施了高水壓條件下常壓刀具的更換，降低了高壓換刀作業(yè)的風(fēng)險。

2)研究實行飽和法開艙作業(yè)的高壓換刀技術(shù)。目前的盾構(gòu)設(shè)計和研制水平還不能保證全部刀具在刀盤后常壓換刀，高壓換刀還難以避免，但常規(guī)的壓縮空氣開艙技術(shù)由于每班次作業(yè)均須執(zhí)行加、減壓的程序，每班次有效工作時間僅為25 min，而減壓總時間＞180 min，所以工作效率太低。飽和法開艙作業(yè)是作業(yè)人員一次加壓，長期在設(shè)定壓力的飽和艙內(nèi)生活和休息，每天乘坐穿梭艙運(yùn)送至盾構(gòu)刀盤前的高壓艙內(nèi)從事刀具檢修作業(yè)，作業(yè)時間可達(dá)4 h，每次作業(yè)后返回生活艙休息，待全部作業(yè)完成后才減壓返回至常壓下。從而極大地提高了作業(yè)效率，顯著減少了作業(yè)人員減壓病發(fā)生的概率。

3)開展砂卵石地層和上軟下硬地層中刀具磨損機(jī)制和地層適應(yīng)性研究，目前的初步成果表明，刀具耐磨型的改進(jìn)有賴于刀具材質(zhì)的改進(jìn)和“減小前角，加大后角、增大合金、鈍化刀刃”的刀具設(shè)計。

3．6 盾構(gòu)埋深提高的挑戰(zhàn)

長江未來的大沖刷量導(dǎo)致長江隧道的設(shè)計埋深大，從而引起盾構(gòu)在基巖中推進(jìn)的困難。為減小盾構(gòu)推進(jìn)難度，必須不按常規(guī)設(shè)計，即未來覆蓋層可小于一個盾構(gòu)直徑，以減少埋深。借鑒沉管隧道高出河床成功的實例，這是可行的，但須解決抗浮和河床覆蓋的問題。

3．7 盾構(gòu)法軸承損壞的挑戰(zhàn)

水下長大隧道建設(shè)時，盾構(gòu)軸承有可能損壞，如丹麥大貝爾特(Great Belt)海峽東隧道，TBM掘進(jìn)500 m后發(fā)生軸承損壞，原因是密封潤滑系統(tǒng)鉆渣污染。

對策:檢測潤滑油，查明損壞原因，若為鉆渣污染，可采取更換軸承，并增強(qiáng)密封。

3．8 TBM和盾構(gòu)通過斷層和軟弱破碎地層時卡機(jī)的挑戰(zhàn)

TBM通過斷層和軟弱破碎地層時，由于開挖卸荷誘發(fā)斷層失穩(wěn)或圍巖剪脹擴(kuò)容導(dǎo)致TBM卡機(jī)，無法推進(jìn)。

對策:加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報，準(zhǔn)確預(yù)測斷裂構(gòu)造或軟弱破碎圍巖位置，超前注漿固結(jié)圍巖，防止圍巖失穩(wěn)或剪脹擴(kuò)容。如隧道設(shè)計線位通過斷裂構(gòu)造數(shù)量較多，可以考慮改變TBM或盾構(gòu)建設(shè)工法，并深度比較工程建設(shè)方案。

4 討論與建議

修建橋梁與隧道各有利弊，關(guān)鍵是隨工程環(huán)境與建設(shè)條件而變，因地因時而異，應(yīng)“宜橋則橋、宜隧則隧、橋隧并舉”。

修建水下隧道的各個工法——鉆爆法、沉管法與盾構(gòu)和TBM法各有優(yōu)缺點(diǎn)，關(guān)鍵是修建人員需深刻領(lǐng)會并熟練分析其所適應(yīng)的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)環(huán)境，只有這樣才能發(fā)揮其工法的優(yōu)勢，避開其工法的不利，做到趨利避害，不能將某工法應(yīng)用于不該使用它的環(huán)境與條件下。最后要堅持工法的與時俱進(jìn)，化面臨的挑戰(zhàn)為發(fā)展的機(jī)遇，不斷實現(xiàn)科技創(chuàng)新，從而發(fā)展與完善工法，使我國在科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)上實現(xiàn)從隧道建設(shè)大國走向隧道建設(shè)強(qiáng)國。

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