楊新安  戈志帆

在海底建隧道，聽(tīng)起來(lái)是不是很科幻？

但是，你想過(guò)沒(méi)有，浩瀚的海洋、不斷變化的地層、巨大的水壓與滲流、難以想象的施工難度與復(fù)雜無(wú)比的海洋環(huán)境，這些都是建設(shè)“海底隧道”的“攔路虎”。

我們說(shuō)“海底隧道”，一般是指線路在海域（海峽、海灣或近海水域）下方穿越、并長(zhǎng)期處于海水壓力與海底地層共同作用環(huán)境中的交通或市政隧道。

按跨越對(duì)象與服務(wù)功能，“海底隧道”通?？煞譃?ldquo;海峽隧道”與“海灣隧道”等類型。前者多用于跨越海峽、連接兩岸或島陸，線路往往更長(zhǎng)、埋深更大、環(huán)境更復(fù)雜；后者多服務(wù)于灣區(qū)城市群或入?？诮煌ㄗ呃?，往往與港航、城市交通組織密切相關(guān)。

放眼全球，連接英國(guó)與法國(guó)的英法海峽隧道、日本連接本州與北海道的青函隧道，都屬于典型的海峽隧道；而東京灣跨海通道則更具海灣隧道的代表性特征。

英法海底隧道平面示意圖

東京灣海底隧道平面示意圖

隨著跨海交通需求增長(zhǎng)和施工工藝的進(jìn)步，海底隧道也從早期的以單工法施工方式為主，逐步發(fā)展為盾構(gòu)、礦山等多工法并用，并持續(xù)向更長(zhǎng)距離、更高水壓與更復(fù)雜地層條件拓展。

那么，如何在不同海域工程環(huán)境與地質(zhì)條件下選用更合理的施工方案，并在多工作面并行的情況下實(shí)現(xiàn)高精度連接呢？這已成為海底隧道建造中最具代表性的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

施工方法各有千秋

從修建方法看，海底隧道施工工法大體可歸納為三大類：沉管法、盾構(gòu)法與礦山法。這些施工方法各有千秋，適用條件也各不相同。

沉管法更像“先在岸上造好，再到海底安裝”。工程通常在船塢或干塢預(yù)制大型隧道節(jié)段，將其封閉后浮運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，再在開(kāi)挖好的海床基槽內(nèi)沉放、對(duì)接并回填覆蓋。沉管法的優(yōu)勢(shì)是斷面可做得很大、線形組織相對(duì)靈活，適合公路或城市快速路等對(duì)斷面與坡度要求更高的通道；同時(shí)在近岸淺水、海床以軟土為主且可開(kāi)挖條件較好的海灣、入?？趨^(qū)域更具優(yōu)勢(shì)。但沉管法對(duì)航道組織、基槽開(kāi)挖、基礎(chǔ)處理以及節(jié)段接頭止水提出極高要求，施工窗口與海況約束也更強(qiáng)。

沉管法施工示意圖

盾構(gòu)法則更像“在地下連續(xù)掘進(jìn)”。通過(guò)土壓或泥水等方式在開(kāi)挖面建立穩(wěn)定壓力，盾構(gòu)機(jī)像一臺(tái)“地下工廠”一樣，一邊掘進(jìn)排除渣土、一邊拼裝管片襯砌，實(shí)現(xiàn)連續(xù)成洞。它對(duì)地表擾動(dòng)小、封閉性強(qiáng)、連續(xù)性好，特別適用于軟弱地層、富水地層或需要深埋避開(kāi)航道與海床擾動(dòng)的海底區(qū)段。更重要的是，盾構(gòu)法在超長(zhǎng)距離隧道中更容易形成穩(wěn)定的施工節(jié)奏，是當(dāng)前我國(guó)超長(zhǎng)海底隧道的重要選擇之一。

盾構(gòu)法施工示意圖

鉆爆法更適用于以巖層為主、圍巖完整性較好的工況。它的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)復(fù)雜圍巖具有更強(qiáng)的適應(yīng)性、斷面與支護(hù)調(diào)整更靈活；但在高水壓、強(qiáng)滲透條件下，需要依賴超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前探孔與注漿加固等手段降低涌水風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工組織、通風(fēng)排煙與安全管理的要求也更高。

鉆爆法施工示意圖

中國(guó)方案獨(dú)具特色

近年來(lái)，我國(guó)海底隧道工程進(jìn)入“密集攻關(guān)期”，不少項(xiàng)目在高水壓、長(zhǎng)距離、軟硬交互等條件下持續(xù)刷新紀(jì)錄，也讓“組合工法施工”和“地中對(duì)接技術(shù)”從工程難點(diǎn)逐步走向工程常態(tài)，可以說(shuō)中國(guó)方案走出一條獨(dú)具特色的技術(shù)路線。

以“廣深港高鐵獅子洋隧道”為例，它面對(duì)的是長(zhǎng)距離風(fēng)化巖層與高水壓環(huán)境。工程組織盾構(gòu)雙向掘進(jìn)，在水下深埋條件下實(shí)現(xiàn)精確對(duì)接，體現(xiàn)了“長(zhǎng)距離盾構(gòu)+對(duì)向施工+地中會(huì)師”的系統(tǒng)能力，為此后的工程提供了良好示范。

獅子洋海底隧道縱斷面圖

再如“甬舟鐵路金塘海底隧道”，其突出特征是長(zhǎng)距離、海底高水壓以及多次軟硬地層變化。工程采用兩臺(tái)大直徑盾構(gòu)從寧波側(cè)與舟山側(cè)相向掘進(jìn)，最終在海底“會(huì)師”對(duì)接。這類工程把“精確控制”推到更前臺(tái)：對(duì)接點(diǎn)的選擇、姿態(tài)控制、同步注漿、管片拼裝精度以及對(duì)接段止水構(gòu)造，都直接決定貫通成敗。

甬舟金塘海底隧道縱斷面圖

在地質(zhì)條件“軟硬差異顯著、兩端特征不對(duì)稱”的海底工程中，“單一工法走完全程”往往并不經(jīng)濟(jì)或風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高，組合工法因此成為更現(xiàn)實(shí)的選擇。比如青島膠州灣第二海底隧道，采用鉆爆法穿越圍巖完整性較好的島陸域和島端海域地層，采用盾構(gòu)法穿越淤泥質(zhì)土和破碎巖層，最終在花崗巖與凝灰?guī)r分界附近圍巖較好的花崗巖段完成對(duì)接。它的邏輯并不復(fù)雜：讓更適合巖體段的工法去解決巖體段，讓更適合富水軟弱段的工法去解決軟弱段，最終用一個(gè)可靠的“接口”把它們連接成一條完整通道。

膠州灣第二海底隧道縱斷面圖

組合施工協(xié)同接力

海底隧道往往跨越距離長(zhǎng)、地層變化快。同一條線路上，可能既有軟土、砂層，也有風(fēng)化巖、斷裂帶；既要穿越高滲透地層，也要面對(duì)海水壓力和復(fù)雜地下水環(huán)境。若全程只用一種辦法，要么成本過(guò)高，要么風(fēng)險(xiǎn)難控。

因此，工程實(shí)踐越來(lái)越傾向于把隧道按地質(zhì)條件、施工條件與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為若干“區(qū)段”，再匹配最合適的工法，形成整體的“組合方案”；為了減低施工風(fēng)險(xiǎn)，單個(gè)區(qū)段獨(dú)頭掘進(jìn)的長(zhǎng)度往往需要控制在10 km以內(nèi)?？梢园阉斫鉃椋汉５姿淼啦辉偈且粭l“單一工法的長(zhǎng)跑”，而更像一場(chǎng)“多戰(zhàn)術(shù)協(xié)同的接力賽”。

組合施工法的關(guān)鍵不只在“選什么工法”，更在“如何根據(jù)海域環(huán)境、隧道設(shè)計(jì)和工程地質(zhì)條件等合理地劃分不同的區(qū)段以及合理的施工工法，并妥善處理不同工法區(qū)段的安全平順地連接”。連接的斷面形式、結(jié)構(gòu)體系、防水體系、地層加固、施工設(shè)備轉(zhuǎn)換與工序銜接，都需要系統(tǒng)論證。接口越多，對(duì)“接頭”的要求就越高；線路越長(zhǎng)，對(duì)“并行施工”的需求也越強(qiáng)。于是，一個(gè)趨勢(shì)逐漸清晰：兩端（甚至多端）同時(shí)施工、在地中實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)接，正在成為超長(zhǎng)海底隧道縮短工期、分散風(fēng)險(xiǎn)的重要組織方式。

“地中對(duì)接”精準(zhǔn)會(huì)師

地中對(duì)接技術(shù)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是：讓兩端（或多端）掘進(jìn)的隧道在地下按既定坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確相遇，并完成結(jié)構(gòu)連接與止水處理。它最難的地方在于：地下不可見(jiàn)、測(cè)量受限、地層擾動(dòng)，盾構(gòu)姿態(tài)與軌跡會(huì)隨著阻力變化產(chǎn)生偏差。要在這些不確定因素疊加的情況下實(shí)現(xiàn)“會(huì)師”，需要一套系統(tǒng)性的控制方法。

盾構(gòu)地中對(duì)接示意圖（a）先行盾構(gòu)掘進(jìn)至對(duì)接點(diǎn)

盾構(gòu)地中對(duì)接示意圖（b）后行盾構(gòu)掘進(jìn)至對(duì)接點(diǎn)

盾構(gòu)地中對(duì)接示意圖（c）對(duì)接位置注漿堵水加固

盾構(gòu)地中對(duì)接示意圖（d）盾構(gòu)拆機(jī)及二襯澆筑

第一步是對(duì)接位置選得科學(xué)。對(duì)接點(diǎn)不是“隨便定一個(gè)中點(diǎn)”。工程往往優(yōu)先選擇地層相對(duì)均勻、風(fēng)險(xiǎn)可控的區(qū)段，盡量避開(kāi)斷層破碎帶、強(qiáng)滲透砂層和地層突變界面；同時(shí)還要考慮施工進(jìn)度匹配、資源組織與應(yīng)急處置條件。換句話說(shuō)，對(duì)接點(diǎn)的目標(biāo)是“讓不確定性更少、控制更容易”。

第二步是把誤差當(dāng)成對(duì)象來(lái)管理。地中對(duì)接不追求抽象的“零誤差”，而強(qiáng)調(diào)誤差預(yù)算與閉合控制：地面測(cè)量控制網(wǎng)如何傳遞到地下、姿態(tài)如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管片拼裝偏差如何控制、偏差趨勢(shì)如何識(shí)別與糾偏，最終都要落到“對(duì)接可控”這一目標(biāo)上。

第三步是對(duì)接區(qū)盾構(gòu)施工進(jìn)入“精細(xì)化駕駛”。越接近對(duì)接區(qū)，掘進(jìn)控制越從“效率優(yōu)先”轉(zhuǎn)向“精度優(yōu)先”。推力、扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、土壓/泥水壓力更強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定；糾偏更強(qiáng)調(diào)小幅、漸進(jìn)式修正；同步注漿質(zhì)量更關(guān)鍵，因?yàn)樗苯佑绊懚芪部障兜某涮钆c地層變形，從而影響姿態(tài)穩(wěn)定；管片拼裝也更嚴(yán)格，因?yàn)槠囱b誤差會(huì)累積成對(duì)接誤差。

最后一步是把“幾何相遇”升級(jí)為“結(jié)構(gòu)與防水意義上的連接”。兩端相遇后，還要處理端頭結(jié)構(gòu)、止水構(gòu)造、接頭受力與耐久問(wèn)題，并具備涌水、超挖、盾構(gòu)拆機(jī)失穩(wěn)等情況下的應(yīng)急預(yù)案。對(duì)接的成敗，不僅是“接得上”，更是“接得牢、接得久、接得不漏”。

“海底拼圖”未來(lái)可期

展望未來(lái)，我國(guó)海底隧道建設(shè)很可能從“灣區(qū)跨江跨海”繼續(xù)邁向“超長(zhǎng)海峽通道”。無(wú)論是社會(huì)長(zhǎng)期關(guān)注的煙臺(tái)—大連跨海通道構(gòu)想，還是瓊州海峽通道的持續(xù)研究與比選討論，甚至是臺(tái)灣海峽通道的討論與研究，都指向一個(gè)方向：跨海通道將越來(lái)越多地進(jìn)入國(guó)家綜合交通體系的長(zhǎng)期視野。

我國(guó)已經(jīng)是隧道建設(shè)體量第一大國(guó)，可以預(yù)見(jiàn)，在走向隧道強(qiáng)國(guó)的征途上，隨著跨海工程走向“更長(zhǎng)、更深、更復(fù)雜”，海底隧道將成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)、服務(wù)海洋空間開(kāi)發(fā)與海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施選項(xiàng)之一。而要把這些工程從“設(shè)想”變?yōu)?ldquo;可實(shí)施”，技術(shù)路徑上必然更依賴兩項(xiàng)能力的持續(xù)精進(jìn)：其一是組合工法的精細(xì)化匹配，例如按地質(zhì)分段選型、按風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)組織施工、按接口強(qiáng)化轉(zhuǎn)換段與止水體系等；其二是地中對(duì)接技術(shù)的體系化提升，包括高精度測(cè)量控制、姿態(tài)糾偏、同步注漿與拼裝精度、接頭結(jié)構(gòu)與防水耐久、以及更完備的應(yīng)急與韌性設(shè)計(jì)。

當(dāng)我們坐在列車(chē)或車(chē)流中穿越海底時(shí)，真正支撐這段“看不見(jiàn)的旅程”的，是工程人員把每一段地層當(dāng)作不同的題目來(lái)解，把每一次地下會(huì)師當(dāng)作一場(chǎng)精密的海底“拼圖”。海底隧道之所以能成為現(xiàn)實(shí)，靠的正是這種把復(fù)雜問(wèn)題拆解、再嚴(yán)密組合，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可靠連接的工程智慧。正是這種敢于挑戰(zhàn)極限、善于化繁為簡(jiǎn)的工程精神，讓海底隧道從藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，也讓中國(guó)的跨海夢(mèng)想一步步延伸向更深、更遠(yuǎn)的海洋。

作者簡(jiǎn)介：

楊新安 工學(xué)博士，同濟(jì)大學(xué)交通學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，交通隧道研究室主任。從事“隧道工程、城市地下工程”等方面的教學(xué)與研究工作40年，主持“京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車(chē)站施工關(guān)鍵技術(shù)研究”、“獅子洋復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制與對(duì)接技術(shù)”、“壁板坡特長(zhǎng)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究”等課題研究，在隧道支護(hù)與加固理論、長(zhǎng)大隧道及深埋地下車(chē)站修建技術(shù)、城市隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制等方面做出突出貢獻(xiàn)。近年來(lái)，參與甬舟鐵路金塘海底隧道、青島第二海底隧道相關(guān)科研課題研究工作。

研究成果獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)8項(xiàng)，發(fā)表論文180余篇，獲國(guó)家專利20多項(xiàng)，出版著作（包括合著）10部，主編國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材《鐵路隧道》。培養(yǎng)碩士、博士研究生60余名。

戈志帆 同濟(jì)大學(xué)交通學(xué)院在讀碩士研究生，發(fā)表相關(guān)論文3篇，主要從事海底盾構(gòu)隧道領(lǐng)域研究工作。