渤海海峡烟台大连跨海通道建设施工方案冯涛

中国海洋大学工程学院冯涛2016、12、25渤海海峡烟台大连跨海通道建设施工方案渤海海峡跨海通道是连接我国山东半岛与东北地区的战略性工程，对于加快环渤海圈的经济发展及振兴东北老工业基地都有重大意义。中国海洋大学工程学院目录•一、渤海海峡海底隧道采用铁路隧道方案是合理的•二、渤海海峡海底特长铁路隧道断面设计•三、渤海海峡海底铁路隧道建设方案•四、渤海海峡海底铁路隧道施工方法选择•五、海底隧道关键重大技术2/31中国海洋大学工程学院1、1940年日本在关门最早用盾构法修建了世界上海底铁路隧道，其长度3.6km。2、1975年日本用钻爆法在关门又建成了长18.7km的第二座海峡铁路隧道。3、1988年日本在津轻海峡用钻爆法建成了至今世界上最长的海峡铁路隧道——青函隧道。其长度是54km。是目前正在论证的渤海海峡铁路隧道长度的一半。当今世界上已修建了许多海峡隧道，正在筹建的也很多。其中重点介绍已建的6座隧道。一、渤海海峡海底隧道采用铁路隧道方案是合理的中国海洋大学工程学院图3建成后的日本青函隧道图1日本青函隧道纵断面图图2日本青函隧道横断面图中国海洋大学工程学院中国海洋大学工程学院4、1994年，英法两国用盾构和TBM硬岩掘进机法建成了英法海底铁路隧道，其长度为50.5km，是世界第二长的海底铁路隧道。图4英吉利海峡隧道平面位置图中国海洋大学工程学院图5开敞式TBM图7英法海峡隧道地质剖面及布置图图6英法海峡隧道图8英法海底铁路隧道中国海洋大学工程学院图9盾构机图10剖面图5、1991年丹麦斯多贝尔修建的海峡公路隧道长7.9km，总造价约40亿元，盾构法施工长7.26km，浅埋暗挖法施工长度0.64km，盾构直径8.782m，管片厚40cm。中国海洋大学工程学院6、日本东京湾海底公路隧道1986年开工，1996年8月建成，10年工期，工程全长15.1km，其中海底盾构隧道长9.12km，是世界上最长的海底公路隧道，进、出口和2个竖井共8个工作面同时施工，8台泥水加压盾构，直径14.14m，双向6车道，采用复合式衬砌结构，管片厚65cm，二次衬砌钢筋混凝土厚35cm。中国海洋大学工程学院薄管片+二次模筑=复合衬砌结构,该型式耐久性好，强度高，适于铁路隧道或重要通道。二次模筑薄管片图11隧道断面图中国海洋大学工程学院上述六座海底隧道成功建成，凸显了世界各国对修建海底隧道的高度重视和极大热情，也说明了海底隧道的设计技术、施工技术和施工工艺等已基本成熟，只要我们进一步在隧道埋深、结构耐久性和运营通风与防灾等方面加以研究，修建渤海海峡海底隧道方案是可行的和合理的。同时，基于国内外海底隧道修建的成功经验，一般隧道长度大于20km以上的均采用铁路隧道，电力牵引，这样可长距离不设通风竖井、运营安全、风险小、运营费低；海底公路隧道设计长度不能超过10km。至于渤海海峡公路运输问题，原则是汽车坐火车跨越海峡。中国海洋大学工程学院1、长大隧道必须采用双洞单线，以利于施工通风；通风采用巷道式射流通风。2、出渣运输采用大容量电力机车牵引；也可采用连续皮带机输送。1）其连续皮带机相对有轨运输的优点如下：（1）后配套系统设计可缩短；（2）所需通风机功率将大为降低；（3）减少机车、车辆、翻车机及洞外轨道调度系统，运行管理简单；（4）安全性提高；（5）仰拱结构可简单。2）连续皮带机的应用(1)美国80%长大隧道工程项目采用连续皮带机出渣；(2)欧洲近些年来长大隧道也大多采用连续皮带机出渣；(3)中间驱动技术、控制技术的发展使连续皮带机技术趋于成熟，已具有较高可靠性；(4)理论上，连续皮带机可以无限延伸，但目前的技术水平为15km；(5)国内大伙房输水工程采用连续皮带机出碴，最长运距达11.25km。3、铁路运营速度采用200km/h是最优速度。4、隧道有效内净空面积:国内单线断面为60平方米左右;双线断面为90平方米左右。二、渤海海峡海底特长铁路隧道断面设计中国海洋大学工程学院1）隧道净空面积的影响因素主要有以下几方面：(1)隧道建筑限界线的间距；(2)应预留的空间：安全空间、救援通道、工程技术作业空间、内部配件空间等；(3)考虑空气动力学影响所需的空间。2）空气动力学效应，如图14。3）高速列车在隧道内运行引起的问题高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，使附近房屋震动，发出轰鸣声，引起扰民问题。4）不同运行速度国内外高速铁路隧道内净空断面设计情况，如下表1、2所示。中国海洋大学工程学院图12大伙房皮带输送机图13出碴设备中国海洋大学工程学院2）空气动力学效应图14隧道微气压波的发生中国海洋大学工程学院表1国内外高速铁路隧道内净空面积表国家线别运营速度(km/h)断面积(m2)日本新干线240～30061～64法国大西洋线30071北方线、东南延伸线300100地中海线350100德国汉诺威～维尔茨堡曼海姆～斯图加特汉诺威～柏林25082科隆～法兰克福30092西班牙马德里～塞维利亚27075韩国汉城～釜山350107中国台湾台北～高雄35090中国海洋大学工程学院表2我国专线隧道内净空面积序号类别标准单线（m2）双线（m2）1200km/h客专近期客货共线53.0683.72200km/h客专近期双箱运输56.289.643250km/h近期客货共线5890.164250km/h近期双箱运输58.0893.765350km/h客运专线70100中国海洋大学工程学院5)海底隧道洞门设计型式洞门设计原则应为喇叭型，可防止突变，下图洞门设计应该借鉴图15海底隧道喇叭型洞门中国海洋大学工程学院图16喇叭型隧道洞门中国海洋大学工程学院根据渤海海峡的宽度、水深、地形、地质、地震、交通运输等条件，进行线位方案设计和比选。初步选择4条线位方案，如图17所示。线位1：最短距离方案，老铁山—蓬莱东港，海域宽102km，可利用大竹山岛设置竖井，还需设置一座人工竖井。线位2：连岛方案，老铁山—北隍城岛—大钦岛—砣矶岛—北长山岛—南长山岛—蓬莱东港，长114km，在北隍城岛、北长山岛设置竖井。线位3：部分连岛方案，老铁山—大钦岛—北长山岛—南长山岛—蓬莱东港，海域宽111km，在大钦岛、北长山岛设置竖井。线位4：部分连岛方案，老铁山—大钦岛—南长山岛—蓬莱东港，海域宽114km，在大钦岛、南长山岛设置竖井。这4条线位的最大水深、地层结构及地质构造基本相同。最大水深约85m；第四系地层30m左右，其下为板岩与石英岩互层、花岗岩地层；4条线位均位于两组北北东向断裂带中间，主要穿越两条北西向断裂带，距主要发震断裂的郯庐断裂带约40km，如图18所示；线位1距历史上发生过的7级以上地震较近，如图19所示。综合分析比较后，推荐线位2（连岛方案）为最优方案。海面宽度114km，最大水深85m，穿越两条主要断层。该线位是海峡最窄的部位，同时可不修建人工岛而利用已有岛屿修建竖井来解决施工及通风问题。三、渤海海峡海底铁路隧道建设方案中国海洋大学工程学院图17图18图19中国海洋大学工程学院1、无论从海底隧道的长度来看，日本是率先建成和运营的最长、最多的海底隧道国家，其次是挪威、丹麦等国。目前，国内连接国家之间、岛屿之间的海底隧道也正在筹建。据统计，采用钻爆法修建的海底隧道占90%以上，因为它是最经济、安全风险易控制和施工工艺最成熟的一种施工方法。如挪威17条海底隧道全部采用钻爆法施工。因此，跨海隧道的施工方法宜优选钻爆法；其次是TBM、盾构法。2、水下隧道钻爆法和开敞式TBM施工，衬砌结构采用复合式衬砌；盾构法施工衬砌采用管片+二次钢筋混凝土；单层管片衬砌不利于百年寿命，日本已进行过这方面的研究。3、青函隧道设置超前疏水导洞，有利于提前排水，加快主洞施工进度。4、水下隧道最小埋深与地质条件、施工方法和支护结构形式等关系密切。一般盾构法洞顶埋深为1倍洞径；TBM埋深为1.5～2倍洞径；钻爆法埋深为2～3倍洞径。城市水下隧道受地形限制一般采用浅埋；而渤海海峡隧道不受地形限制，且海岸地质变化大，采用深埋方案风险最小，施工方法可选用开敞式掘进机法和钻爆法。5、渤海海峡隧道穿越硬岩，宜采用全断面开敞式掘进机，不宜采用双护盾掘进机。中间断层、软弱地带采用浅埋暗挖法，横通道采用钻爆法施工。下面介绍使用掘进机施工的有关水下隧道。6、沉埋管段法不适于长大隧道（大于6km）、不适于硬岩地层、更不适用渤海海峡。7、在软弱、不稳定地层宜采用盾构法施工，但盾构直径宜小于12m。如琼州海峡水下隧道长度34km，穿越软弱地层，宜采用土压平衡复合式盾构。四、渤海海峡海底铁路隧道施工方法选择中国海洋大学工程学院图20引黄北干渠（4189m）图21上公山隧道中国海洋大学工程学院中国海洋大学工程学院中国海洋大学工程学院（1）双护盾TBM的施工问题•虽然双护盾式TBM有圆筒形护盾保护结构，它可在掘进同时进行了管片的安装，但是它适用的地层是相对稳定、岩石抗压强度适中、地下水不发育的条件；当它通过地应力变化大、围岩破碎、岩体为块体结构的地层时，护盾常常被卡住，脱困难度极大。工程界有不少经验介绍设备被卡住后的脱困处理技术极其复杂，且处理时间较长，台湾坪林隧道涌水及被卡后的脱困处理也是极其艰难的。采用双护盾施工时，由于施工经验及对护盾姿态控制等原因，会产生盾尾管片拼装空隙不足，从而引起管片错台、管片裂缝，严重时甚至导致隧道轴线偏离，应引起高度重视。此外，追求掘进速度而忽视管片背后注入豆砾石和灌浆工序，也会对工程带来严重的质量事故。•由于任何隧道的地质状况、围岩性质都有显著的变异性、以及非均质性，因此选择开敞式掘进机的目的是除发挥出它所具备的硬岩掘进性能外，它还具备了在不借助其他手段和措施的条件下，具有通过软弱围岩、断层等不良地质的能力，可独立地完成不良地质隧道的掘进。开敞式TBM在对付较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出快速掘进的优势。特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力；使用开敞式TBM施工可以直接观测到被开挖的岩面，有利于对已开挖的隧道进行综合地质描述，及时调整掘进参数。特别是开挖和支护分开进行，使开敞式TBM刀盘附近有足够的空间用来安装一些临时、初期支护的设备，如钢拱架安装机、锚杆钻机、超前钻机、喷射混凝土机械手等，应用新奥法原理使这些辅助设备可及时地、有效地对不稳定围岩进行支护。•以维护和利用围岩的自稳能力为基点，采用锚喷联合支护体系，及时进行支护，有效地控制围岩的变形，使围岩成为支护体系的组成部分，形成了以锚杆、喷射混凝土和围岩三位一体的承载结构，共同受力，保持围岩的稳定。（2）开敞式掘进机是长大水下隧道最好的选择中国海洋大学工程学院图22开敞式TBM图23护盾式TBM中国海洋大学工程学院（4）双护盾、单护盾TBM具有四大缺点1）灵敏度高、长度/直径≤1，易精确调方向可在±30mm内；2）能够及时对不良地层进行及时支护，时空效应好，不易塌。总之，开敞式TBM既适用于硬岩地层，也很适用于软岩地层，大伙房87km供水工程应用非常成功。1）灵敏度低，很难精确快速调整到位；2）由于后盾较长，不易及时支护，易塌方，易卡死，如台湾坪林隧道;3）造价高，是开敞式TBM的1.3倍;4)衬砌必须用管片，造价高于复合衬砌的2倍左右。因此，双护盾掘进机经工程实践验证不宜使用。（3）开敞式TBM具有两大特点中国海洋大学工程学院图24台湾雪山（坪林）隧道双护盾掘进机中国海洋大学工程学院•1、跨海、江的隧道位置选择及两端接线方案；•2、海中、江中水文地质的勘测：河势、河床稳定性、冲刷的规律，施工中的工程地质预报；•3、隧道最佳埋深的确定及断面坡度设计，不同施工方法有不风埋深，冲刷线确定埋深及施工方法；•4、施工方法的确定：钻爆法、盾构法、TBM法、沉管法或小TBM+钻爆法等；•5、隧道建设的合理规模确定：铁路、公路、复线、双向四车道、六车道；•6、隧道建设标准的确定：设计速度、曲线、竖曲线半径、牵引坡度等；•7、先进的隧道支护和衬砌的设计方法，衬砌采用复合式；•8、先进隧道施工技术确定；•9、隧道的防排水系统确定；