跨江越海工程中水下隧道方案选择

跨江越海工程中水下隧道方案选择

0跨江越海桥梁隧道建设方案的确定问题多年来，中国经济的快速发展促进了交通设计工业的蓬勃发展，中国的许多跨境隧道项目已经开工。山岭隧道、水下隧道、铁路隧道、公路隧道、城市轨道交通地铁、市政人防地下工程、地下车库和商场以及水工电站大断面地下厂房、导流隧洞、引水隧洞等的陆续建成,为我国逐步迈入世界隧道强国提供了强有力的技术支撑。与跨越江河湖海的其他交通方式相比,水下隧道有其独特的优势,在世界范围内发展迅速;然而,与一般的越岭隧道不同,水下隧道又有其自身的一些特点、技术难点、问题和不足。近百年来,国外已建越江跨海的中等规模以上的水下交通隧道已逾百座,水下建隧的技术和方法已日益成熟。其中,著名的跨江和越海隧道有日本青函海底铁路隧道、英吉利海峡铁路隧道(背驮汽车车辆过海)、日本东京湾桥隧结合隧道(采用人工岛过渡)和丹麦斯特贝尔海峡隧道等,不一而足。目前,我国已建成的水下隧道有许多条,而跨海隧道则为数尚少,且集中在香港和东部沿海地区,跨海隧道已通车的只有厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底隧道2座;建成的其他水下隧道则大多为跨越江河的隧道,主要集中在上海、南京、武汉、广州和长沙等地。就跨越江河湖海的可选交通方式而言,目前只有桥梁和水下隧道。选择桥梁还是隧道主要应依据当地航运、水文、地质、河势和港口条件以及其他客观制约因素和生态环境保护与工程建设投入(除施工造价外,还应全面考虑工程全寿命运营周期的经济性)等具体建设条件进行全面的综合比较和论证后妥慎确定。近20年来,在国外,为了维护自然生态并随着隧道内行车条件的不断改善,似还有着重考虑和偏爱采用水下隧道作为跨越江河湖海首选方式的见解和趋势;国内对于重大的跨江越海项目,则要求在“工可”阶段对桥梁方案与隧道方案应作同等深度的技术经济论证和比选。然而,我国在修建水下隧道方面,尚存在一些主观认识上的看法,有专家认为:“选择修建水下隧道,只有在修建桥梁方案受到人为或自然因素的制约,而这些约束因素又是不可避免的或难以克服的条件下,才会不得已地考虑修建隧道方案。”这一论点,笔者本人当年也曾表示过“有一定保留地”认同,觉得確乎也有其道理,似还说得过去。这在主观上不仅影响了水下隧道在跨江越海工程中的地位,更在相当程度上制约了水下隧道的建设和发展。自20世纪80年代初以来,笔者有机会参加了国内几乎所有的重大跨江越海桥梁、隧道建设方案的论证和比选,少说已有30余处。现试就我国跨江越海工程项目及水下隧道近年来的发展现状,通过桥隧方案比较,客观地对水下隧道的优缺点提出粗浅的认识和意见。1中国的一些隧道工程已经开工1.1跨江越湖隧道施工以上海市黄浦江下游市中心城区范围内所建的多座水底隧道为代表,已建、在建的隧道总数已达16座(每座含上、下行2条,双向4~6车道或双层8车道,除黄浦江入口内的1座为沉管隧道外,其他都用盾构法修建),含地铁和磁悬浮过江隧道。早年,宁波市甬江、常洪和广州市珠江已建有3座沉管隧道。已建、在建的跨江越湖隧道多采用明挖法、钻爆法和盾构法施工,主要有穿越汾河、黄河的过河隧道(含近期完建的南水北调中线一期位于河南邙山的穿黄输水隧洞),穿越玄武湖、西湖、太湖的湖下隧道,以及昆明滇池和湘江长沙市区内的几座水底隧道等,都已胜利完建。已建成的跨越大江大河和港湾海口与湖口的跨江越海水下隧道也有不少,主要有厦门市翔安海底隧道(我国第1条海底隧道)、青岛市胶州湾海底隧道(我国第2条海底隧道)、上海市崇明越江通道南港长江隧道(其盾构一次掘进长度7.5km,管片直径15m,在当时均堪称世界之最)、武广客运专线穿越长沙市区浏阳河的高铁隧道,武汉市、南京市和杭州市轨道交通已分别穿越长江和钱塘江,成为国内首先3座过江地铁。完建和在建的其他跨江越海隧道有港珠澳大通道(我国首座采用桥隧结合、人工岛桥隧过渡的特大型沉管隧道,长达5.77km,总体规模居世界之最)、杭州市庆春路隧道和海宁钱江隧道、南京市纬七路和纬三路过江隧道以及大连湾沉管隧道等。1.2方案制订研究目前,正在进行方案研讨并详细论证桥、隧比较的跨江越海隧道工程有:琼州海峡大通道,含全桥、全隧、桥隧结合、铁公路合建或分建,连同东、中、西3条线位,提出的方案有几十个,迄今还未有定论,该重大项目属世界级工程,事关许多方方面面,确实未敢轻率定夺;拟议建设中的台湾海峡大通道,该项目尚处于民间学术交流阶段,于2012年11月在台北市(由海峡两岸交通协会轮流在福州、台北两地组织过多次会议)举行了第5次学术研讨会议,其工程难度极大,但技术上还是可行的,工程量约是英法海峡隧道的3倍,北线主隧道暗挖段长度至少130km,建设工期初估(含筹划期)30年;其他如,同三国道沿海岸线的跨渤海湾大通道,桥隧方案至今未有定论,曾经考虑过采用悬浮式隧道,也有称之为“水下桥”,等等。其中,令国人期待的琼州海峡和台湾海峡大通道,究竟应采用桥梁、隧道或桥隧结合的方案过海,均已列为极具竞争力的比选对象。此外,正在进行方案设计研究的隧道还有:深圳—中山线跨越珠江下游江口的深—中过海隧道、南昌艾溪湖湖底隧道、广东汕头苏埃过海隧道、珠三角南沙—深圳机场海底隧道(均在规划建设中)、苏州阳澄西湖隧道(初步设计中)和上海市沿江通道工程(前期方案研究中)等。上海市虹梅南路和长江西路2座水下隧道则已在施工中。2在水下隧道的建设和桥梁的设计中现时,业界同行在这方面存在以下不同观点和疑问,主要有:2.1桥梁封桥天数超过隧道封闭天数一种论点认为:尽管隧道说是全天候通行,但若遇到台风、浓雾、暴雪和地震等恶劣气候和灾害条件,隧道两岸的接线需要封路,同样造成隧道无法通行。这是相对于桥梁而言的,遇到诸如此类恶劣情况时,桥梁将会遇有更多天数的交通中断,这是因为,桥梁主跨位处江海数十米高处的空旷上方,该处的风、雾情况远比岸上市内低处陆地严重得多(以陆地遇6级大风为例,海面水上桥梁处60m高空条件时的强风将高达10级以上,海面浓雾情况也较岸上严重许多),事实上,统计表明的年封桥天数已经远远超过隧道的封闭天数。上海市黄浦江上(桥高60m以上)因风、雾气候致年平均封桥为4~5d,而黄浦江下游多座市中心城区的过江水下隧道自建隧多年来则均从未封闭过,其时,成了黄浦江两岸间行车的唯一通道,真实体现了建隧的主要优越性。2.2施工风险的规避无论是盾构法、沉管法施工,还是钻爆法施工,国内由于多年的经验积累,技术上均已臻成熟,当前施工风险(钻爆法以突水和塌方为典型)已经降到最低;更何况,所谓“风险”通过人们的努力和加大投入是可以规避的,也是可以克服的,它不同于“危险”。所以,认为“建隧的施工风险因素大而不确定”,时至今日,是否应该对这一说法打个问号?2.3协调运作条件英吉利海峡隧道长42km却没有在海峡内设置风井,因其属铁路隧道,不需设置为汽车排放尾气所要求的复杂排风和进新风系统,通风设计相对比较简单,利用上下行主隧道中间设置的服务隧道作进排风即可,这样就无需考虑在公路行车条件下高要求的送排风问题。台湾海峡大通道隧道暗挖段长达130km,若修建为公路隧道,其通风问题将会十分严峻,现时恐难以很好解决;其时,在台湾海峡黄金航道和相关水域内需要设置硕大风井近20座,这除要得到海峡两岸有关部门的协商同意外,还需通过国际航运部门的论证和认可。为此,特长水下隧道的运营通风问题将是制约建设公路长大隧道的一项特定重大制约因素。若长大隧道内发生火灾,为消防救援和受灾人员免于窒息而需不断供应新风,风助火势蔓延迅速,在短时间内将波及相当部分隧道受灾;所以,隧道的防灾和消防救援也是制约水下特长隧道建设和发展的重大关键要害。以上2点这里就不展开阐述了。2.4桥岛方案的经济性分析隧道盾构法施工,特别是沉管法施工,其造价将比桥梁高出许多。大体言之,修建隧道采用盾构法施工要比修建桥梁的造价高出约15%,而沉管法修建隧道的造价一般会更高;此外,隧道在日后长期的运营期间,全天候的通风和照明等费用也十分可观。但国外资料显示,当特大跨桥梁主跨的跨度超过1000m,而主墩(含桩基和悬索桥锚碇等)耗资又十分巨大时,其造价不一定比修建隧道低。若隧道采用钻爆法施工,如青岛胶州湾海底隧道,因岩盘整体性好,断层破碎带注浆费用相对降低,经决算表明,其造价要比修建桥梁为低;而桥梁引桥有条件时能便于多个作业面平行架设,除进度快外,施工费用亦一般较建隧低。因此,如改用桥隧结合方案,在通航主跨内修建水下隧道,而其两侧的更多小跨修建引桥,则有望降低造价;但两头采用大尺寸人工岛作为桥隧过渡,其投入将十分巨大,筑岛工程常迁延时日,而阻水面又大,往往对河势产生不利影响,通常并不可取。2.5隧道内行车条件1)隧道内行车条件——车速因素(?)。普遍认为这是隧道运营中的一项弱势。在桥梁上行车的车速一般为100km/h,而隧道内车速则约降低20%,即80km/h,合1h内要慢20km。但以长度为6km的隧道内与桥梁上行车的车速相对比,则穿过该隧道和该桥梁的时间分别为4.5min和3.6min,其中只有0.9min的时间差,所以,认为车速因素造成隧道内行车条件差的说法似不足挂齿。2)隧道内行车的“边壁效应”(?)。很多人认为,在隧道内行车,两边车道上因车辆距离隧道两侧边壁很近,会使司机产生紧张感,从而减缓车速。但从笔者在国外乘车过隧的多次实践体验来看,这种“边壁效应”是完全不存在的,它不能作为隧道内行车条件不佳的理由(以在3车道的隧道内行车为例,笔者的车多次行进在中间车道,两侧车道通常有车同时一起飞速进洞,人在隧道内感觉却像是中间的车子不动一样,然后,3条线上的车又同时飞驰出洞,这说明3个车道的车速是完全一样的)。3)笔者认为,隧道内的行车条件确实较桥梁的稍差,据司机们反映,主要是隧道内密闭空间对在长隧道内较长时间行车时人员的一种“压抑感”,不如桥上空旷而心胸舒畅。在特长隧道内(隧道长度在15km以上)较长时间行车,视野没有在桥梁上那样开阔,而远处显现的洞外白点还会使司机们产生一定的“疲劳感”。有些公路长隧道对此的经验做法是:对特长隧道,可以通过在隧道中部两侧扩挖成一定的拓宽和加高,并在该区段内设置人工绿化带,车辆可以稍事停歇,以缓解司机的疲劳。西安终南山秦岭高速公路隧道(长18km)模仿北欧经验已有此种做法,据说效果不错。3方案比较:隧道过江或在陆港口附近,或形成较浅的沉管隧道1)与国内现已建成的桥梁数量相比,水底隧道可谓少之又少。据不完全统计,迄今似不会多于20座(不含上海黄浦江下游市区的16座),而水底铁路隧道就更是凤毛麟角。2008年6月贯通的全长约10km的国内首座目前最长的高速铁路隧道——武广客运专线浏阳河铁路隧道可能是极少数几座铁路过江隧道中最具代表性的一座。最近,正在设计中的沪通(南通)铁路过江大桥以及琼州海峡大通道的方案研究中也有采用铁路隧道过江、过海的备选方案,前者已经否定了建隧。这里,人为主观因素不能不认为是得出上述不够合理和非全面抉择的原因之一,值得业界思考。2)国外绝大多数水底隧道都修建在大江、大河、港湾城市的港口和江河下游市中心城区与近郊一带,并且多数选用了埋深较浅的沉管跨越。这主要是受城市建(构)筑物密集、大桥引桥和匝道建设要求的动拆迁工程量大、协调中困难多等条件的制约而舍弃了建桥;而在远郊、开阔地带和丘陵山地等地区的江段,则基本上极少有选用隧道越江的先例,或者,也只是在方案比较中作为备选方案做做“陪客”而已。这主要是受制于建隧造价和隧道运营费用较高的不利因素。4水下技术的优势和不足4.1隧道的自然生态影响1)隧道全天候通行(不可抗拒因素,如天灾人祸等特殊情况除外),它不受或极少受台风、浓雾、暴雪、地震等恶劣自然和灾害条件的制约。2)海港大城市中心城区的江河下游河段,由于水上通航净空的要求一般很高,使桥梁的跨度和高度都很大,引桥过长,上下桥的匝道多,而市区房屋密集,均使工程的动、拆量巨大,不得已舍弃建桥而修建隧道(如香港九龙至港岛,需要穿越通行远洋巨轮的维多利亚大港,几座越港通道都修建了沉管隧道而未建桥)。3)隧道较少影响生态环境,维护环保。如青岛在薛家岛处建隧,位于胶州湾外口,自然生态绝佳。4)隧道不受(或极少受)恶劣气象、震害或不利的江床水文、浅部地层软弱破碎不良地质条件的制约。5)隧道抗震、隐蔽性好(但当发生强震等不可抗力时,洞口或中段如出现破坏,隧道结构遭到损毁后则是很难修复的;根据现在战时轰炸采用深水激光制导炸弹,其水下识别和命中率高,隧道洞口暴露,其隐蔽性的优势与否有待商榷)。6)建桥受自然或人为条件制约且难以克服的场合,往往不得不改建隧道,如:地域自然灾害频发、通航净空受限、桥塔高度受附近机场飞行净空要求的制约、港口/航运/航道的发展规划一时难以确定等。如厦门岛的北面和西面与省境间均已用桥梁联络,该市又属多灾害城市,希望能在其东北方向有1座全天候通行的(翔安)海底隧道;又如港珠澳大通道的主通航跨内有3条相互交错的大、小航道,日通行船只多达4000艘,桥梁布墩将十分困难,而水域年风平浪静天数达250d以上,隧位海域又是浅水区,是建设沉管隧道得天独厚的自然条件,等等。7)江海床内如布墩过多对河工、水文、航运等造成的不利影响过大,两岸市区接线动拆迁量大甚或难觅空余岸线,建桥因航运要求净高大而使引桥过高过长,上下桥匝道布置有困难等(如上海黄浦江下游的市中心城区已建隧十余座,而仅有2处建桥)。8)当地主管政府部门的主观因素有抉择偏向等。4.2隧道内高碳结构及隧道建坝难点分析1)长江下游地域不适合修建沉管隧道越江,主要由于长江下游段的江床泥砂迁移使主槽位置深泓摆动,冲淤活动频繁而又交替反复,导致江床河势变迁大,冲刷深度大而影响沉管埋深,以及隧位局部冲刷的防护工程量大而又不够奏效(有可能“连底端”,指沉管底地基被冲刷掏空)。这曾在南京高速铁路过江拟议建设沉管隧道时仔细论证过并被否定,最终修建了大胜关钢拱桥。2)长江隧道主江床内(特别在航道内)深水风井构筑难度大(如崇明南港航道内建隧时,就未能在江床内布设风井),通航频繁江段在井周布设警示防撞标志也难以征得航道和港务、航运有关方面的认可、会签。3)特长公路隧道一般都存在运营通风、防灾救援、专设故障车道与否和城市隧道大客流交通监控等方面的许多难题。4)如采用桥隧结合方案,需加筑深水人工岛过渡,除土石方工程量庞大外,人工岛的阻水面积大,洪峰流量情况下往往难以满足行洪要求。5)国内过去很长一段时间,在大江上建设双向6车道的长大水下隧道尚不具备足够的技术条件(如当年江阴、润扬、苏通、泰州和杭州湾等处的建隧过江方案经论证后均未获通过)。6)显然不具备与建桥方案作比较的场合(如野外开阔地域、宽阔外海海湾和通航净高要求有限等,诸如杭州湾、泰州和舟山金塘等处的建隧方案亦均未获通过)。7)因江床地质条件或河工、水文因素,修建隧道需沿其纵向在水下大埋深位置之下布线,使隧道出入口远离江边的道路岸线,而两岸沿江道路交通量大,车辆进出隧道时的绕行路线过长,出入隧道耗时长而工程量巨大(如重庆市朝天门在嘉陵江与长江汇合处水下建隧)等。5典型的水下高速铁路隧道示例5.1隧道安全风险分析浏阳河高速铁路隧道位于湖南省长沙市境内,全长10.115km,隧道施工难度大,地质条件差,属于高风险隧道,是武广客运专线的重点控制性工程之一,也是我国第1条穿越河底及市区的大断面铁路隧道。施工中通过加强地质和工程险情预报、监测监控以及选用合适的施工工艺,确保了隧道安全顺利地穿越河底、市内居民区以及城市道路等困难地段。目前,浏阳河铁路隧道在高速列车行进中已顺利运营多年,日跑车数十对,情况正常。5.2路世纪隧道狮子洋隧道是我国第1条特长水下铁路盾构隧道,隧道全长10.8km,高速铁路运行速度目标值达350km/h,被誉为中国铁路世纪隧道。狮子洋隧道在“广州—深圳”一线3次穿江越洋,其中,狮子洋水面宽达3300m,最大水深达26.6m,为珠江航运的主航道,最大设计水压达0.67MPa,该盾构隧道为国内首次在软硬不均地层和风化岩层中采用大直径气压调节式泥水盾构施工。狮子洋隧道盾构段使用了4台气垫式泥水平衡盾构,在国内首次采用盾构“相向掘进、地中对接、洞内解体”的先进施工技术,取得了成功。5.3铁路隧道方面天津市区两大火车站间的高速铁路联络隧道,采用1台直径为11.97m的泥水加压平衡式盾构施工,是我国首座市区大直径泥水盾构铁路隧道。线路全长5km,其中隧道长3.3km,盾构隧道长2.146km,单洞上、下行双线,工期22个月,盾构总质量1600t,穿越沿线18处风险点(含跨越海河、多处名人故居和纪念碑等保护性老建筑物,以及穿越跨线桥、运河和摩天轮游乐设施等)。其中,海河河床宽155m,在宽50m范围的环控带内施作了全断面预注浆加固,穿越海河中实际用时仅22d,堪称技术佳作。6隧道建设的问题1)在港口大城市的江河下游,通航要求高、航道宽、净高大,两岸交通量要求也高,加之市区建(构)筑物密集,动、拆迁困难而又工作量大,甚至已无多余岸线可用时,应优先考虑采用沉管隧道或盾构隧道(如香港维多利亚港区和上海黄浦江下游市中心城区等)。2)受自然气象、河床水文、地质条件的制约,或在建桥后的周边特定环境变化难以预测时,应考虑修建隧道(如在杭州海宁市盐官镇观潮区内建桥,恐影响涌潮景观而改建了钱江隧道;又如厦门市翔安区因受附近高崎机场航空限高的制约,桥塔高度受限,此处,因该海口港区的发展规划一时未有定论,也制约了建桥,经多方论证改为修建海底隧道)。3)与港务、航道、航运、水务、河工和江床水文等部门对建桥难以协调并取得一致共识时,可考虑修建隧道。如沪通铁、公路合建大桥的桥位曾经过一次大的变动,原先为紧擦崇明岛上沙区过江,因受长江口航道的约束而改为经上游张家港一线(居江阴、苏通2座大桥的中间江段)过江。4)当自然景观和生态环保维护要求很高,如在该处建桥或建隧均有难以克服的生态、环境影响因素等,则宜在他处另觅合适位置改建水下隧道(如青岛、黄岛间在胶州湾外口处建隧,避开了如在胶州湾内建设沉管隧道,水下基槽开挖时将不可避免地严重影响湾内渔场的避风浪锚泊地)。7其他问题7.1地铁、地铁过江两大框架结构改造方案琼州海峡隧道和台海隧道虽已经过多年的不断论证,但其建设方案却始终未有定论。大量公路车辆进入水下特长隧道后,其汽车尾气的排放和通风问题将十分严峻。曾有考虑借鉴英法海峡隧道采用公铁合建方式建设,进入隧道的汽车车辆采用装上铁路平板车背驮过海,但有专家认为其公路交通流量恐不能满足上述2条隧道的运量要求,似还需进一步从长计议。随着我国城市交通建设的发展,城市道路、城际铁路的过江隧道与地铁过江具有考虑在同址、同时建设的情况也将会相应增多,此时,进行公铁分建或合建2种方式的深化比较和分析研究是非常有必要的。采用水下预制框架结构(含地基打预制桩),用水下焊接或用高强度防腐螺栓连接各个预制构件组成框构,构建一种由工厂化预制构件组成的框架型人工岛(含进、出隧道需建的预制上、下坡道管段),作为隧道与桥梁间的过渡,以此来取代传统的大体积土石方人工岛,避免了为设置大容量土石方人工岛需要投放极其大量、并经填土围护和加固处理的土石方工程量,弥补了传统土石方人工岛造价昂贵、耗时多而又对通航水域阻水严重的缺憾。空心框构的迎水面小,对水流和河势的不利影响也都将大大降低,经济和技术效益将会十分明显。目前,国