台湾海峡隧道工程规划方案若干关键性问题的思考

　兴建台湾海峡（以下简称“台海”）大通道是两岸人士共同企盼并终究要实现的中国梦！“梦想成真”尚需时日，有赖各方的不懈争取和努力。此处只就方案阶段技术层面上的若干问题谈点粗浅认识：1）若干技术关键；2）桥、隧方案比选；3）隧道越海施工方案与工期进度。
　　1　若干技术关键
　　先对在有关会议上所述问题作些简要归纳［1－2］：
　　1）有关台海地域的海床水文、工程地质、地震地质、海床地形地貌、主要地质缺陷及其严重程度，以及气象、地震、港口、水工和航运等自然和人文方面的基础数据都是首位必要的。这些都是该过海通道工程线位选择和工程方案比选以及后续总体规划设计的前提与基础。
　　2）就当前认识看，在可能的北、中、南3条过海线位选择中，福州平潭（岛）—台北新竹一线似属最优势的选位。笔者拟推荐全隧道过海方案。
　　3）笔者认为，修建铁路隧道过海、另将公路车辆放上铁路平板车背驮汽车过海的方案比较现实可行。这在英法海峡隧道建设中已有成功先例。如单独修建公路隧道过海，则在通航频繁的台海航道中，再联动其他大片水域，共需修建10多座硕大的通风竖井。由于隧址位处国际航运黄金水道，除必须征得两岸有关部门的会签外，还需通过国际航运界的认可。
　　4）构建海底工程，为保证长期安全运营，要考虑日后结构和防水材料的耐久性问题。海洋环境条件下，除重点探讨海水Cl-和洞内汽车尾气对隧道衬砌混凝土保护层碳化（CO2／CO）效应等外部腐蚀因素外，对混凝土和钢筋的选材、混凝土养护和施工工艺，特别是在漫长运营期间的日常维护与保养，进而研究在局部受腐损区段的及时修缮与加固，将是从设计期间就应亟切关注的重大技术问题。这项世纪工程的使用基准期应在150年以上。
　　5）特长隧道的开挖施工，应以采用隧道硬岩掘进机（TBM）为主；但计及钻爆法开挖的机动性及适应面广的特点，拟建议此处以钻爆法为掘进机开挖的辅佐和配合，作为正、副两手考虑，可能是合适的。此处在上、下行主隧道之间，与之相平行地增设辅助性的服务隧道将是十分必要的。
　　6）加建中间服务隧道（Φ5.5）（见图1）的必要性及其主要功能，在于：①服务隧道先行开凿作为施工先导，再利用它从其两侧施打平洞，从而使主隧道增加开挖作业面，做到“长洞短打”，大大加快了施工进度；②服务隧道可起到先导的超前探洞作用，以补充原先地质勘探、地下水文资料的不足，并用于地质、水文超前预报和险情预警；③服务隧道在施工阶段和日后长期运营期间，可用作主隧道的进风或排风通道，以大大减少沿程布设通风竖井，还可兼作火灾工况下的排烟道（上方须吊设烟道板）；④服务隧道在施工期间，可作为工程机具和器材等进洞时的运输通道；⑤火灾工况下服务隧道也是消防、救援通道，救护车和消防车通过服务隧道可直达火灾现场，就近施救；⑥在服务隧道一侧，可安装过海隧道的各种管线设施，但对电缆、煤气等过海要有妥善的防护措施；⑦服务隧道居上、下行主隧道的中间偏下位置，以便于主洞中清洗污水的排放，在服务隧道最低位置处设置地下泵站，像这种特长隧道将在隧道中部、由下向上直至洞口设置不少于12～15座的接力式地下泵站。


　　2　桥、隧方案比选———修建隧道过海的技术优势和问题
　　海面台风和浓雾、地震频发等恶劣气象、地质条件，对建桥将是严重的制约因素。与桥梁方案相比，此处选择隧道过海的最大优越性，主要反映在［3］：
　　1）全天候通行，对风、雨、雾、震都基本无阻，隧道过海对海工、航运方面也没有大的障碍和影响。
　　2）隧道深埋于地下，即使在大地震情况下，除了洞口部位需要重点加固外，其主体隧洞的抗震性能优良，在地层岩盘的围护下因受震害而破坏的几率比地上建（构）筑物相对要低得多。兴建桥、隧两者其他方面的不同，还反映在：1）在施工工期要求下，特长桥梁方案的长引桥工程有利于分区、分段平行作业施工，大桥引桥架梁的装配化、工业化程度高。2）隧道方案往往受制于掘进开挖的作业面有限，一般都要比建桥的工期长得多。
　　3）隧道位处深海地下、水下，作业的随机风险（主要是作业面突水受淹和开挖时围岩失稳土石方坍塌）比较高，这方面的风险控制会有相当难度并需要更多投入。
　　4）长大隧道的运营通风和防灾问题（特别是公路隧道防火）是需要重点、细致研讨的要害，它将很大程度上关系到建隧方案的成败。
　　5）相对桥跨＞1000ｍ的主跨，就岩盘稳固、节理裂隙不发育且渗水量不大的隧洞围岩而言，在工程造价方面，采用钻爆法开挖的投入将比特大主跨桥梁的投入低；但对小跨引桥而言，则一般地引桥造价都比隧道造价为廉。
　　6）在日后运营和维护费用方面，隧道需要全天通风和昼夜照明用电，内部装修的防潮要求高，等等，通常比较昂贵；而大跨主桥油漆、定期抽换钢梁和主缆等也耗资不菲。
　　对台海大通道桥、隧方案的比选和优化，日后定将是前期方案和工程可行性设计中的重中之重，这个问题涉及工程全局，应从长计议，妥慎抉择，决不能、也不会仓促定夺。
　　3　隧道越海施工方案与工期进度设想
　　台海隧道横断面布置的不同方案如表1所示。施工中可选用的机械设备如图2所示。



　　对隧洞施工工序和工期的预估测算暂按表1中方案2（即铁路单线、双洞）：主洞Φ8.0ｍ，服务隧道Φ5.5ｍ考虑。

　　主隧道大洞TBM通过小直径服务隧道的技术关键在于：需专门定制设计加工，将主洞TBM的刀盘和掘进机作业舱，先拆卸成一分为三，机后车架部分也拆零后先进小洞，在平洞口转弯，弯口做成放大尺寸的弧形；另外，在主洞作业面后方约180ｍ空间处再用机械手将大直径TBM组装成整体。平洞转弯处和作业面后方180ｍ地段，均先用钻爆法开挖成10ｍ的大洞，即比主洞直径再加大2ｍ。
　　3.1　越海施工方案
　　按表1中的方案2，将越海施工方案再分为以下2种方案。
　　第1方案：中间服务隧道先行，用作施工期的辅助通道（Φ5.5ｍ），主洞大型TBM（Φ8.0ｍ）和后面的车架均需先拆卸成块（机子中央的4ｍ核心块仍为整体，不能拆解），以便从服务隧道和平洞进入主隧道内，经洞内组装后再开挖掘进。
　　在主隧道起始段（平洞进主洞后的两侧各180ｍ）先用钻爆法成洞，其长度应大于TBM全长再加40ｍ，毛洞高、宽均扩挖2ｍ，以便TBM及其后配套拖车均能先在洞内组装，然后再开挖掘进。
　　第2方案（备选）：先用Φ5.5ｍ的TBM开挖（经横洞时仍需拆卸，待进入主隧道后再在洞内组装）；主洞先形成Φ5.5ｍ小洞后，随后再用钻爆法扩挖成型Φ8.0ｍ。当然，也可以改用先将横洞扩挖，使Φ5.5ｍ机子打弯进主洞时不需拆解。
　　此法前些年在终南山秦岭铁路隧道复线曾成功采用，并采用此复线洞作为服务隧道，在其一侧加打8条施工平洞，为侧翼后续施工的公路隧道（18ｋｍ）增设了16个作业面。
　　后面的隧道工期进度分析情况设定为按第1方案实施。台海隧道工程属在深海岩盘中掘进开挖的特长过海隧道，其暗挖段部分可能长达130～150ｋｍ，然后再上两岸地面接线。由于海床地质情况不明，隧道埋深和纵剖面走向、纵坡等均不能准确确定，故影响隧道的暗挖段长度也尚不能完全确定。
　　3.2　隧道（150ｋｍ）工期估算［4］
　　3.2.1　粗估
　　我的一位做了一辈子隧道施工工作的老学长说，对此处150ｋｍ，Φ8.0ｍ的特长大隧道，即使采用TBM双头对打，一年总的成洞（这里说的“成洞”，不只是完成衬砌，而是连通风、照明、排水、电网架设和铺轨等一并完成的大的综合指标定额，当然，这只是个极粗约数估算）按5ｋｍ算，也要150／5＝30年，不算保守吧。
　　再具体点做些粗估计算：如按东、西向双头打5ｋｍ／年，则单头2500ｍ／年，这样掘进的月进度为200多ｍ，平均日进尺约为7ｍ（天／台）（指Φ8的大洞子），从上述的大的综合指标定额来看是难以做到的；另外，还要加打先行的服务隧道（Φ5.5），而它主要只能靠从东、西两边单头掘进。就这样算，恐怕太粗、也不会这样做。
　　3.2.2　具体估算
　　1）就如上述的具体情况而言，似应有以下4点需着重考虑：
　　①利用建设筹划阶段（有关方曾说，约需10年左右），服务隧道作为地质、水文探洞可以在该筹划阶段就先行开挖；
　　②利用服务隧道，从其两侧横向设置施工平洞，则主隧洞可分成5个区段“长洞短打”，各为150ｋｍ／5＝30ｋｍ／区段，先后进行流水、平行作业；
　　③服务隧道则只能是单头掘进（只有到了中央最后一个区段，才为双头对打），Φ5.5，按250ｍ／月估算，其年掘进250ｍ×12月＝3ｋｍ／年。这样，服务隧道一个区段30ｋｍ要耗时10年打通（这里也是指上述的“完全成洞”）；
　　④左、右主隧道，按分割成的5个区段，每条隧洞共10个掘进作业面，按双头对打，因为是大尺寸隧洞（Φ8.0），其石方量是服务隧道的1倍多，其单头进度暂按Φ5.5折半计算，即进尺减缓为按单头125ｍ／月（一天进尺4ｍ多）；双头对打后，2头×125ｍ／月×12月＝3ｋｍ／年，则一个主隧道分段30ｋｍ“完全成洞”也需耗时10年。
　　2）如上述，假设2020年为筹划建设的起始年，则粗略设想的工程进度———施工组织安排，如图3和表2所示。


　　这只是一个极粗略的估计，并需设定在施工期内施工组织工作一切正常运行，不发生任何重大突发事故（含工程决策不调整、不改动，所要求的所有器材、物资、设备均能及时到位）为先决条件。
　　最要害的一点是：要研制和开发一种专门为洞内拼装TBM零部件成整体机的新型圆形拼装机械手，以用于拼装作业可以在洞内快速、有序进行。
　　在前期规划与勘察、审批、筹款、投融资、设备购置、有关各方会签和现场“三通一平”等各个环节，按需要耗时8～12年作最乐观的估计，则可利用这一期间，以进行地勘名义同步施工服务隧道作为探洞，并为主隧道开挖提供“长洞短打”的客观条件。
　　这样，如能两岸各先完成2个服务隧道的开挖区段（2段×30ｋｍ／段＝60ｋｍ／头），以形成左右主隧道各有10个开挖作业面的前提下，可做到主洞10个作业面同时平行开挖作业。在主洞完成5个区段贯通并衬砌成洞的年限内，其中需包括TBM的洞内组装、维修、刀具刀盘更换、大修和拆换零部件等，在这些不得已的间歇期间，将以钻爆法作辅助手段而不停工歇业等待。


　　4　结语
　　如上所述，如预期从2020年规划筹建时刻起，大体将历时30年，要抓紧土建及后续配套的风、水、电和铺轨作业，使能同步竣工。这样，将在2050年实现通车。届时，按国家远景发展规划，为全面实现我中华民族伟大复兴之年（2050年），中华两岸13亿同胞将共襄“世纪之梦”，完成台海两岸结为一体的圆梦盛举！
　　5　说明
　　以下方面的问题，这里介绍时未能涉及，它们是：
　　1）海底隧道合理的最小埋置深度研究；
　　2）隧道掘进机（TBM）选型及其在深海岩盘中掘进的工程应用与问题；
　　3）钻爆法开挖施工机具设备的成套配置与评价；
　　4）长大隧道掘进中地质与施工信息的智能管理以及监控系统专用软件的研制与开发。