水下隧道工程实践面临的挑战、对策及思考

引言
　　中国快速的经济发展和城市的不断拓展，需要越江越海交通的配套发展，而作为越江越海的主要手段——桥梁在其数量不断攀升的同时，越来越显现其局限性：在大雪、大风及大雾时节不能保证全天候通行；对沿江、海湾内的航运产生不利影响，包括对港口、码头等航运设施的影响，桥梁净空高度对船舶吨位的影响以及撞桥事故的不断发生，从而对航行船速的限制以及要求船队的解驳等。因而，随着水下隧道修建技术的迅速提高，水下隧道建设步伐就迎势而上并不断推进，工程数量日益增加。黄浦江、甬江、珠江、黄河以及长江等我国大江大河下相继建成并正继续修建不少隧道。继厦门翔安海底隧道、青黄岛胶州湾海底隧道建成后，港珠澳大桥海底隧道也正在修建，而跨越琼州海峡和渤海的海底隧道也正在积极论证中。我国水下隧道建设在不断展现其丰硕成果的同时，面临着不少的严峻挑战，诸如穿越水下浅覆盖层的挑战、盾构刀具严重磨损的挑战以及TBM卡机的挑战等。本文在归纳中国水下隧道工程实践经验教训的基础上拟对面临的挑战与对策做出初步的思考和分析。
1　3种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围堰、排水、明挖方法外，在江、河、海下一般采用暗挖法（钻爆法、TBM和盾构法）以及沉管法。
　　1.1　钻爆法
　　水下隧道钻爆法与陆地隧道的无根本区别，主要关键技术是设计埋深须满足最小覆盖层基岩的要求，以预防坍塌并遏止高压涌水［1－3］。为此，要做好工程地质和水文地质的勘察调查及突水涌水的超前地质预报，并在完全可靠的注浆固结封闭的条件下钻爆开挖。
　　1.1.1　优点
　　1）所需设备投资较小。
　　2）对不同地质条件、开挖工艺、方法和断面形状的适应性好，转换场地、移动位置机动、灵活。
　　3）动力能源消耗少、要求低，投资小。
　　4）设备维修少，利用率高，在不发生事故的前提下施工进度稳定。
　　5）比较适合我国当前的国情。
　　1.1.2　不足
　　1）较难提高开挖速度，工期长，特别在发生围岩坍塌及突水涌泥事故情况下，工期难以估计，如：日本青函隧道，因津轻海峡有9个断层破碎带，发生3次涌水停工，主隧道历时14年才贯通。
　　2）与TBM法相比，隧道断面易发生超挖，围岩破坏大，施工安全差。
　　1.2　TBM法和盾构法
　　TBM法是隧道全断面掘进机（TBM），利用刀盘刀具破碎岩石和在软土中开挖，边开挖边出渣并进行锚喷支护衬砌或管片支护等连续作业［4－6］。在中国，软土中的TBM法称为盾构法。
　　1.2.1　优点
　　1）TBM和盾构法掘进速度快，在均匀的中、硬岩层中的月掘进速度在600m左右。如在英法海峡隧道的英国端，月掘进764m，法国端月掘进685m（地质较英国端复杂），最高月掘进速度为英国端1500m，法国端也达1170m。最适合长隧道施工。
　　2）TBM掘进的隧道具有较平整的临空面，超欠挖极少，围岩松动范围一般都在200～500mm，因受到的破坏很小并能得到及时支护，故围岩稳定，施工安全。
　　3）施工安全性大大提高，可最大限度减少施工人员的伤亡。
　　4）施工机械化程度达到95%以上，降低了劳动强度，改善了劳动环境和条件，实现了隧道施工的快速、高质、高效、安全的目的。
　　5）施工中对海底地质不产生任何不利影响，不影响和干扰水面航行；不干扰海洋中保护动物，如白鳍豚等。
　　6）具有极其显著的社会效益。1.2.2不足1）造价昂贵。2）遇到复杂多变的地层，如断裂构造、软硬交替或上软下硬的地层时，TBM和盾构的推进比较困难。3）超大直径多车道的TBM和盾构还有待研究和开发。
　　1.3　沉管法
　　在预制场（船坞或造船厂车间）将隧道整体分段制作好，两端用临时钢封门密封，船坞放水使隧道管段上浮，采用拖运和定位等设备，使管段准确浮运至设计位置；经管段灌水压载，下沉至已开挖好的水底基槽，再依次在水下利用水力压接将管段连接起来，接口使用可靠的密封止水，最后是抛石回填，抽出管段内压载水，开启各段间钢封门，在管段内进行设备安装和装修后，即成水底沉管隧道［7－9］。
　　1.3.1　优点
　　1）建设要求顶面须埋在河流、海流的冲刷线以下，因此能做到沉管断面顶面不侵入航道。
　　2）要求地层承载力不大。
　　3）隧道各管段可在干邬和工厂车间内预先制备、质量有保证。
　　4）管段预制和水底开槽可同时进行，效率高，工期短。
　　5）工程造价和投资具有竞争力。
　　1.3.2　不足　
　　在管节预制、防水、水下开槽、管节浮运、沉放、各管节水下对接以及沉管基础处理的各个工艺流程中出现失误的概率，相对地比其他隧道技术要多。这是因为沉管隧道是埋置或搁置于水下的大型人工构筑物，受河、海地貌、地质、水文、航道，以及设计、不可预见的繁复性施工工艺与方法的直接影响。在世界上至今已建成100多座沉管隧道，其最大沉埋深度（水深加覆盖层厚）已达50m，沉管隧道最长的已达5.825km。
2　水下隧道的主要修建方法的比较
　　见表1。


3　水下隧道建设的挑战与对策思考
　　3.1　沉管法在河道水流含砂大幅减少的情况下，面临河床冲刷的挑战如长江中下游建设的水下隧道：武汉、南京及上海长江隧道，由于面临长江三峡水电站、向家坝、溪洛渡、乌东德及白鹤滩5个水电站（后4个发电功率为三峡电站2.5倍），建成后水流含砂量的大幅减少，从而由中下游河床冲淤不平衡引起的冲刷，难以确保水下隧道在其生命周期内的安全运营。
　　对策：南京、武汉长江隧道原方案为沉管法，经建议及论证确定后修改为盾构法。
　　3.2　沉管顶部深潭部位管段局部顶面高出河床的挑战
　　河床因冲刷一般呈不对称“V”型，沉管法隧道若在深潭部位按常规设计势必埋深大、工程路线长、造价高。因此，深潭部位管段顶面局部高出河床为具有重大工程实践意义的课题。国内外已有此类设计成功的实例，如：希腊prevezaktio沉管隧道、悉尼港沉管隧道、香港跨港公路沉管隧道西九龙沉管段及上海外滩泰和路隧道。但由于工程条件不同（工程地质、水文地质、河势冲淤变化等），不能套用已建工程经验，必须进行数学模拟和河流模拟试验研究，确定顶面高出河床的幅度及其相应对河流流态、流场以及对河床和附近构筑物（如码头）的影响后，才可确定建设方案。
　　现介绍上海隧道院对该课题研究的内容和结论以供参考。
　　3.2.1　数学模型计算研究主要内容
　　1）管段不同抬高幅度对流态的影响程度和影响范围（重点是航道和码头）。
　　2）基槽开挖对流态的影响程度和影响范围。
　　3）临时辅助航道开挖对流态的影响程度和影响范围。
　　3.2.2　物理模型试验主要研究内容
　　1）管段不同抬高方案对流场的影响和对附近码头水域的影响。
　　2）分析基槽开挖区的悬砂淤积。
　　3）分析不同尺度管段抬高所引起的工程区河床冲淤变化和对附近码头水域的泥砂冲淤影响。
　　3.2.3　数学模型计算研究结论
　　抬高的工程实施后，对黄浦江河道内的水位基本没有影响；在隧道工程轴线附近流速有所增加，离开轴线稍远处的上游水域流速略有减少，流速变化范围很小，流场变化无异常现象。
　　3.2.4　物理模型试验研究结论
　　流速影响范围在数百米以内，在河床地形调整后流速增大的幅度在5cm/s以内；覆盖区周围发生一定冲刷，冲刷区上下游出现泥砂淤积区，影响范围为数百米；冲刷幅度在1m以内，2年内，局部地形调整后，趋于稳定；冲刷可影响覆盖层与河床接合处块石稳定；冲淤对工程区附近码头及防洪等工程设施没有产生不利影响。
　　3.3　沉管埋深增大的挑战
　　沉管法为浅埋工法，港珠澳大桥的沉管隧道要适应30万t油轮的通航，因此沉管必然深埋，为此必须应对管槽回淤严重的挑战；此外，深挖管槽导致地基回弹严重和荷载加大共同引起的显著沉降以及对管节段结构的挑战。对策：边回淤边吸泥排淤，在管段沉放时不断排淤以满足设计要求；设置桩基防止沉降过大；加大管节段结构厚度。应多做同等深度的隧道建设方案比较，深埋隧道应尽量避免采用沉管法。
　　3.4　大型盾构穿越浅覆土层的挑战
　　为减小水下隧道的埋深，以减少隧道总长和造价以及隧道在复杂地层中推进的难度，很多隧道常在局部地段面临穿越小于盾构直径的覆盖层深度的挑战，如南京长江隧道Φ14.93m盾构，始发段埋深5.5m（0.4D）；江中冲槽段埋深10.49m（0.7D）。具体挑战的风险是盾构姿态稳定性和江底覆土层劈裂穿透涌水。
　　对策：1）保证盾构稳定推进的推进参数和推进技术的掌握以及注浆参数和技术的掌握。2）掘进面泥水压力设定需要满足掘进面的稳定和防止劈裂击穿覆盖层（见图1）；为此，需研究稳定掘进面所需泥水压力的确定以及劈裂机制的阐明和泥水击穿压力的判别标准。3）应进行泥膜形成技术和开舱用气压置换泥浆条件下泥膜稳定时间的研究。
　　3.5　盾构刀盘刀具磨损的挑战
　　南京纬七路、纬三路隧道、穿黄隧道、广州、成都隧道在卵砾石层，软硬复合地层中推进时都出现了刀具严重磨损，长时间停工检查修复。大盾构水下砂卵砾石层与上软下硬岩层中推进时检修和更换刀具是施工中必须克服的难题。




　　大型盾构在砂卵砾石层中推进刀具磨损问题更加突出，这是由于：1）盾构刀具在同样进尺条件下，其磨损工作长度与刀具配置部位半径成正比，例如南京14.93m大盾构掘进刀具的磨损为地铁6.3m盾构磨损的2.5倍；2）在石英含量高的砂卵石层中刀具的磨损可达软土地层中磨损的10倍。
　　南京长江隧道是世界上首次进行高水压条件下常压刀具更换，形成了高水压条件下（0.65MPa）泥水盾构常压刀具更换技术。常压换刀的成功实施，盾构刀具适时检测和更换技术的建立，部分避免了高压换刀作业的巨大风险，标志着超长隧道的掘进成为可能（见图2）。


　　对策：
　　1）在盾构选型和配置时能确保实现不在刀盘前高压换刀，而在刀盘后常压下换刀。南京纬七路长江隧道已在中国第1次成功实施了高水压条件下常压刀具的更换，降低了高压换刀作业的风险。
　　2）研究实行饱和法开舱作业的高压换刀技术。目前的盾构设计和研制水平还不能保证全部刀具在刀盘后常压换刀，高压换刀还难以避免，但常规的压缩空气开舱技术由于每班次作业均须执行加、减压的程序，每班次有效工作时间仅为25min，而减压总时间＞180min，所以工作效率太低。饱和法开舱作业是作业人员一次加压，长期在设定压力的饱和舱内生活和休息，每天乘坐穿梭舱运送至盾构刀盘前的高压舱内从事刀具检修作业，作业时间可达4h，每次作业后返回生活舱休息，待全部作业完成后才减压返回至常压下。从而极大地提高了作业效率，显著减少了作业人员减压病发生的概率。
　　3）开展砂卵石地层和上软下硬地层中刀具磨损机制和地层适应性研究，目前的初步成果表明，刀具耐磨型的改进有赖于刀具材质的改进和“减小前角，加大后角、增大合金、钝化刀刃”的刀具设计。
　　3.6　盾构埋深提高的挑战
　　长江未来的大冲刷量导致长江隧道的设计埋深大，从而引起盾构在基岩中推进的困难。为减小盾构推进难度，必须不按常规设计，即未来覆盖层可小于一个盾构直径，以减少埋深。借鉴沉管隧道高出河床成功的实例，这是可行的，但须解决抗浮和河床覆盖的问题。
　　3.7　盾构法轴承损坏的挑战
　　水下长大隧道建设时，盾构轴承有可能损坏，如丹麦大贝尔特海峡东隧道，TBM掘进500m后发生轴承损坏，原因是密封润滑系统钻渣污染。
　　对策：检测润滑油，查明损坏原因，若为钻渣污染，可采取更换轴承，并增强密封。
　　3.8　TBM和盾构通过断层和软弱破碎地层时卡机的挑战
　　TBM通过断层和软弱破碎地层时，由于开挖卸荷诱发断层失稳或围岩剪胀扩容导致TBM卡机，无法推进。
　　对策：加强地质超前预报，准确预测断裂构造或软弱破碎围岩位置，超前注浆固结围岩，防止围岩失稳或剪胀扩容。如隧道设计线位通过断裂构造数量较多，可以考虑改变TBM或盾构建设工法，并深度比较工程建设方案。
4　讨论与建议
　　修建桥梁与隧道各有利弊，关键是随工程环境与建设条件而变，因地因时而异，应“宜桥则桥、宜隧则隧、桥隧并举”。
　　修建水下隧道的各个工法——钻爆法、沉管法与盾构和TBM法各有优缺点，关键是修建人员需深刻领会并熟练分析其所适应的工程地质与水文地质环境，只有这样才能发挥其工法的优势，避开其工法的不利，做到趋利避害，不能将某工法应用于不该使用它的环境与条件下。最后要坚持工法的与时俱进，化面临的挑战为发展的机遇，不断实现科技创新，从而发展与完善工法，使我国在科技创新的基础上实现从隧道建设大国走向隧道建设强国。