獅子洋隧道是廣深港高鐵穿越獅子洋海域的關鍵工程，被譽為“中國世紀鐵路隧道”。工程面臨行車速度快、掘進距離長、地層復雜多變、盾構地中對接、水壓力大、安全標準高等6大世界級技術挑戰(zhàn)。通過系統創(chuàng)新，成功解決了多項難題，總體達到國際領先水平。主要技術指標與技術特征：（1）是世界行車速度最高的水下隧道。（2）是國內最長的水下隧道和世界長度第二的水下盾構隧道。（3）是國內首座鐵路水下隧道。（4）在國內首次進行盾構地中對接。（5）世界上首次采用大直徑復合式泥水盾構穿越水下全斷面基巖及風化槽。（6）是當時國內水壓力最高的盾構隧道。（7）開發(fā)了世界首個雙孔單線高鐵隧道洞口緩沖結構。（8）建立了國內首個水下隧道緊急救援站。（9）單臺盾構最大掘進長度5200m，是國內在復合地層中一次掘進最長的隧道。

該隧道獲2011年度國家科技進步二等獎1項，獲得中國鐵道建筑總公司和中國鐵道工程總公司科技進步特等獎各1項、省部級科技進步一等獎7項、省部級優(yōu)秀工程設計一等獎1項；各類知識產權25項（發(fā)明專利11項、省部級工法10項），并獲2015年國家優(yōu)質工程獎和菲迪克（FIDIC）2015年優(yōu)秀工程獎。

本項目從2004年開始研究，歷經數年聯合攻關，系統解決了盾構地中對接、隧道空氣動力學效應、隧道埋深、防災疏散、結構設計、土巖復合地層盾構裝備與長距離掘進、同步施工等一系列技術難題，形成了成套創(chuàng)新技術。

獅子洋隧道工程平面圖

獅子洋隧道工程縱斷面圖

主要創(chuàng)新點一：開發(fā)了盾構地中對接技術、高速鐵路雙孔單線隧道凈空面積優(yōu)化與氣動效應緩解技術、基巖覆蓋厚度設計技術、特長水下鐵路隧道緊急救援站技術，解決了深水、寬海域下特長隧道的總體設計難題，實現了工程施工與運營風險、工期風險、造價等因素的合理平衡與綜合優(yōu)化。

1．盾構地中對接技術

盾構隧道一般采用從一個工作井始發(fā)到另外一個工作井接收的施工方式，特長隧道需設置多個工作井分段掘進。獅子洋隧道最大水深27m，水域寬度6100m，采用4臺盾構掘進，在國內首次開發(fā)了盾構地中對接技術，取消了隧道洞身二處臨水超深豎井，降低了造價，顯著提高了工期可靠性：當一臺盾構發(fā)生故障停止掘進時，可利用另一臺盾構完成剩余段施工（實際施工中也確實發(fā)生了此類事件）。

在對接技術方面，世界首次采用兩臺盾構刀盤直接接觸的對接方式，重點解決了對接段結構設計、對接測量、圍巖注漿止水、無盾殼段止水、管片防松弛、小空間大構件拆除作業(yè)等難題。實現了貫通誤差橫向小于25mm、高程小于20mm的良好指標，保證了高速鐵路線型。

盾構地中對接圖

2．隧道凈空面積優(yōu)化與洞口緩沖結構技術

根據國內現行規(guī)范，時速350km的單線隧道凈空有效面積不小于70m2。這是針對最不利隧道長度提出的。本項目首次對時速350km雙孔單線特長高速鐵路隧道進行了系統的氣動效應研究，提出了隧道凈空有效面積不小于65m2、局部雙層襯砌段不小于60m2的設計標準，有效減少了隧道凈空面積與隧道直徑；開發(fā)了世界首個雙孔單線隧道洞口緩沖結構，有效控制了微壓波對洞口環(huán)境的影響。所開發(fā)的緩沖結構為：在列車入口段和出口段分別設置8個和6個大小、間距各不相同的開口，緩沖段長分別為100m和220m。聯調聯試結果表明，列車以320km/h速度通過時，各項氣動效應指標均滿足技術要求。

三維網格劃分

洞口緩沖結構

3．基巖覆蓋厚度設計技術

獅子洋主河床段軟弱地層覆蓋厚度較薄，無法滿足隧道埋置要求，需將隧道埋置于基巖內。對于水下盾構隧道在基巖中的合理埋置深度，世界上不僅案例極少，也沒有技術標準。英法海峽隧道選擇在透水性極弱的泥灰?guī)r中穿越，避免了地下水對施工安全的不利影響。本工程主河床段主要穿越風化泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、砂礫巖，基巖面起伏大，透水性中等～強，合理選擇埋深與施工安全、結構受力、防水設計、運營能耗等密切相關。

與礦山法隧道不同，盾構法隧道管片一旦脫出盾尾，即可對地層形成“剛性”支護，埋深越大，圍巖松弛荷載趨于穩(wěn)定，但水壓力和形變壓力隨之增大（或需要更大的超挖），且不利于運營節(jié)能；而埋深減小，則對進艙作業(yè)（如刀具更換）的安全極為不利。本項目提出了基于隧道荷載與施工安全控制要求的盾構法水下隧道基巖覆蓋厚度的選擇原則與計算方法，保證了施工安全，減少了隧道埋深和水壓力，利于運營節(jié)能。所提出的基巖合理覆蓋厚度選擇原則是：滿足“施工進艙作業(yè)安全”，且松弛壓力與形變壓力之和相對較小。經分析計算，本項目合理的基巖覆蓋厚度為15m。

4．特長水下高速鐵路隧道火災煙氣導流與緊急救援站技術

我國缺少高速鐵路隧道火災規(guī)模和水下鐵路隧道防災疏散的相關規(guī)定。本項目在對動車組車體結構、內裝材料、旅客行李調查的基礎上，通過模型試驗，首次提出了“動車組火災熱釋放功率為15MW”的結論。首次針對動車組開展了人員疏散數值模擬、問卷調查及現場試驗，獲得了不同的火源位置、人員載荷、疏散口間距等情況下人員疏散速率及疏散時間等參數，構建了基于火場環(huán)境人員行為特征和動車組人員疏散模型，獲得了橫通道設計參數及安全疏散時間，為火災疏散設計提供了重要依據。由于水下隧道為凹形縱坡，如著火列車失去動力，在重力作用下滑行至最低點段?？康母怕首畲蟆?，設置了國內第一個水下隧道緊急救援站，救援站內的橫通道間距為300m（其余地段橫通道間距為500m），并設置水消防系統，實現了重點地段重點設防和防災措施效率的最大化。這些技術成果已納入正在全面修編的《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規(guī)范》。

水下疏散救援站

主要創(chuàng)新點二：研制了我國首臺大直徑盾構機，建立了復合式盾構掘進技術體系，開發(fā)了內部結構同步施工技術，攻克了大直徑盾構長距離連續(xù)穿越軟土、砂層、巖石風化層、破碎帶和硬巖地層的技術難題和同步施工難題，實現了我國水下盾構隧道修建長度的大幅突破。

1．復合式刀盤與刀具配置技術

獅子洋隧道是我國首次采用大直徑盾構在高水壓下穿越土巖復合地層，結合其特點，研究了不同刀具組合方式的地層適應性及風險，研制了國內首臺大直徑復合式泥水平衡盾構機及復合式刀盤與刀具配置方案：采用開挖直徑11.182m的復合式泥水平衡盾構，面板式刀盤（開口率31%），軟弱地層以刮刀和重型撕裂刀開挖為主、基巖地層以滾刀開挖為主（滾刀間距88mm），可根據地質條件變化進行重型撕裂刀與滾刀互換。實踐表明，該技術方案合理可行，4臺盾構平均進度指標達到了138.9米/月。

2．復合地層盾構掘進技術

我國采用盾構機穿越全斷面軟弱地層的經驗多，但缺少大直徑盾構穿越軟硬不均地層和巖層的經驗。在軟硬不均（上軟下硬、左軟右硬等）地層段，刀盤受力不均，刀具偏磨，容易偏離設計軸線；在巖層破碎帶，盾構機容易受困；在全斷面巖層段，泥水艙內泥水容易與盾尾地下水貫通，嚴重影響注漿質量與管片拼裝成型質量。為此，通過合理進行地層加固、動態(tài)控制千斤頂推力與盾尾間隙、組合使用惰性砂漿與雙液漿等措施，建立了復合式盾構掘進技術體系，保證了掘進安全與質量。

3．長距離掘進盾構設備維護技術

獅子洋隧道單臺盾構最大掘進長度為5200m，是國內大直徑盾構首次穿越土巖復合地層。在復合地層中進行長距離掘進，必須解決盾尾刷更換、刀盤磨損修復和刀具更換難題。

施工中對盾尾刷磨損原因進行了分析，提出了“控姿態(tài)，防意外，管油脂，重注漿，備應急”盾尾管理方針，減少了盾尾刷更換次數，并開發(fā)了高水壓條件下盾尾刷更換技術。

與軟弱地層中掘進不同，在巖石地層中掘進時，刀盤刀具磨損快，進艙作業(yè)量大，但開挖面的穩(wěn)定性較好，為此首次開發(fā)了“減壓限排進艙作業(yè)”技術（用于巖層穩(wěn)定性較差的地段）和“常壓開艙作業(yè)”技術。該技術顯著降低了進艙作業(yè)的壓力。

4．內部結構、橫通道與盾構掘進同步施工技術

對于直徑11m級的盾構隧道，受空間制約，國內外均是隧道貫通后再施工內部結構和橫通道。獅子洋隧道長度大、工期緊，為保證工期，開發(fā)了大直徑泥水盾構掘進與二襯平行施工、盾構隧道破碎地層橫通道施工、盾構掘進與底縱梁同步施工等多種專利、工法，實現了盾構掘進與內部結構、橫通道的同步施工，縮短工期約6個月。

盾構機刀盤照片

排水進艙照片

主要創(chuàng)新點三：創(chuàng)立了復合地層水下盾構隧道結構選型方法和結構空間化設計方法，解決了結構設計、軟弱地層列車振動響應控制等難題，實現了高速鐵路高平順和舒適穩(wěn)定運行。

1．結構選型方法與結構設計技術

高速鐵路水下盾構隧道需考慮火災、撞擊、爆炸等意外荷載對結構的影響。在基巖段，圍巖具有一定自穩(wěn)性，局部結構破壞不會引發(fā)整體垮塌事故；而在軟弱地層段，局部結構破壞則可能引發(fā)砂土大量涌入隧道甚至發(fā)生結構整體垮塌事故。本項目首次提出了基于圍巖穩(wěn)定性與結構抗災可靠性相匹配的結構選型方法，并采用風險分析的方法，提出隧道結構選型方案為：在軟弱地層段采用“管片+混凝土內襯”的雙層襯砌結構，基巖段采用單層管片襯砌。

結構原型試驗圖

雙層結構計算模型

綜合減振計算模型

針對國內交通盾構隧道首次采用雙層襯砌結構，通過理論分析、模型試驗、原型試驗和現場測試，探明了其受力特征，提出了其計算模式，并優(yōu)化了結構。雙層襯砌采用半疊合結構方式，管片厚50cm，內襯厚25cm（僅內側配置鋼筋網），通過螺栓手孔設置內襯與管片的連接鋼筋。該方式可以保證后期變化荷載作用下，管片與內襯共同受力，且用鋼量少。

2．結構空間化設計方法與列車振動響應控制技術

盾構隧道采用管片拼裝式襯砌，一般按平面應變問題處理。在軟弱及軟硬不均地層段，列車振動作用容易導致不均勻沉降，影響行車安全。所開發(fā)的盾構隧道結構空間化設計方法為：采用雙層襯砌，并利用隧底填充混凝土設置鋼筋混凝土縱梁，形成“管片+內襯+隧底縱梁”的空間結構體系，從而提高結構剛度，減少地層動應力與軟土沉陷。該空間結構與常規(guī)單層襯砌結構相比，將隧底地層動剪應力與抗液化剪應力的比值從0.74降低到0.42，并降低豎向振動加速度35%以上，因動循環(huán)荷載產生的軟土塑性變形小于20mm，保證了地層穩(wěn)定性與軌道平順性。

綜合對比表明，獅子洋隧道建設條件復雜，技術難度大。本項目成果在諸多方面取得重大突破，總體達到國際領先水平，所建成的獅子洋隧道被稱為“高鐵技術與現代盾構技術完美結合的代表作”，極大推進了本領域科技進步，并為今后隧道向更長更大水深發(fā)展奠定了堅實基礎。