中国水底公路隧道工程建设和技术综述

中国水底公路隧道工程建设和技术综述傅德明13901797066demingfu@126.com上海市土木工程学会2011.5.211.中国水底公路隧道工程建设概况2008年12月28日,全长2338m的二来二去的武汉长江越江隧道工程建成运营,目前已达到日车流量4万辆,缓减了过江交通,并计划修建第2条越江道路隧道.2008年9月6日,全长7.9km的三来三去的上海长江口越江隧道工程贯通,隧道采用2台Φ15.44m泥水加压盾构掘进施工,为目前世界上最大断面的盾构隧道,于2009年10月通车使用。2010年5月,全长3835m的三来三去的南京长江越江隧道工程建成通车.2台Ф14.9m泥水加压盾构掘进施工隧道。上海是我国最早建设越江道路隧道的城市,自1970年以来,已在黄浦江底下建成11项工程,运营车道56条.正在建设的越江道路隧道有军工路、长江路隧道和虹梅南路隧道共计3项工程24条车道.上海已成为世界上越江道路隧道最多的城市.杭州的钱塘江、广州的珠江、长沙的湘江、天津的海河下有5条越江道路隧道正在建设中.我国还有许多江河底下将建水底道路隧道.在海底隧道工程方面,已建的有香港和高雄海底隧道共4条,在建的有厦门翔安隧道、青岛黄海隧道,拟建的有莆田湄洲岛隧道、港珠澳大桥隧道段、渤海湾隧道、台湾海峡隧道等项工程.13 中国已成为世界上在建水底道路隧道工程最多的国家.隧道工程施工方法有钻爆法、沉管法和盾构法,而目前用的最多的是盾构法,采用盾构法绝技施工水底隧道是最安全、最快速、最先进的施工方法,最大直径已达到15m,可同时并行3辆大型车辆和建成上下两层4车道.水底隧道工程新技术在我国得到广泛的应用和不断的提高.2.上海穿越黄浦江底道路隧道工程技术和发展上海城市人口1450万，流动员人口500万，面积6340k㎡。宽阔的黄浦江纵贯城市南北,将上海分成浦东浦西两部分,20年前的中心城区在浦西.随着浦东的建设和发展,两岸的过江交通难成为发展的瓶颈.黄浦江宽400-500m,深14-17名m,主航道通行3万吨级船舶.1990年前,只建了2条隧道和1座大桥共计6个车道,1990年至2000年,建设了4座大桥和1条隧道共计26车道.2000年以来,建设了1座大桥和5条隧道共计30车道.2005年以来,中心城区不再建桥梁,采用隧道，在建的江底道路隧道工程有,7项30车道.2.1上海打浦路隧道和延安东路隧道工程1967年，上海第一条穿越黄浦江底的2车道车行隧道―打浦路隧道开工建设，全长2761m，主隧道1324m采用Φ10.2m网格挤压盾构掘进施工，黄浦江约500m，水深16m。圆隧道外径10m，由8块钢筋混凝土管片拼装而成。管片环宽90cm，厚60cm。管片环向接头采用双排钢螺栓联接。衬砌接缝防水采用环氧树脂。打浦路隧道于1970年底建成通车，已运营39年。13 上海延安东路隧道位于市区中心，是连接黄浦江两岸外滩与浦东陆家嘴金融区的重要交通道，隧道北线于1988年底建成，隧道南线于1997年底建成。1300m圆形主隧道采用盾构掘进施工，隧道外径11m，隧道衬砌环由8块精度钢筋混凝土管片拼装而成。管片宽100cm，厚55cm。延安东路北线隧道采用自主研制的11.3m网格型水力出土盾构掘进施工,南线隧道采用从日本引进的直径11.22m泥水加压平衡盾构掘进施工.2.2大连路隧道和翔殷路隧道工程上海大连路隧道位于延安东路隧道和杨浦大桥之间,全长2565m，为2来213 去的两条双车道隧道，工程总投资16.55亿元。工程于2001年5月25日开工，2003年9月28日建成通车,总工期28个月。其中1258m圆形隧道采用2台Φ11.22m泥水加压盾构同向掘进施工。隧道衬砌采用８块管片，结果进行了优化,错缝拼装,环宽增加至150ｃm,厚度减少至48cm.2002年３月大连路第一台Ф11.22m泥水盾构始发推进，６月第二台盾构推进，平均推进速度８m/d,至12月底，２条1258ｍ隧道全部贯通．上海翔殷路越江隧道工程距外环隧道上游约10km，距杨浦大桥下游约7km；按城市快速路标准设计，计算荷载按城A级，设计寿命为100年，设计以客运为主，兼顾轻型货车通行，远期规划建设规模为双向6车道。工程近期实施规模为双向4车道，设计时速为80km/h，通行净高4.5m，线路总长约2.6km，隧道平面线形略呈反S形，曲线半径R=2045m，浦西侧最大纵坡为4.17%，浦东侧最大纵坡为4.22%，竖曲线半径R=3000m。越江段由两条圆隧道组成，圆隧道内径10.40m，外径11.36m.隧道於2003年底开工,2004年5月和7月2台盾构先后掘进施工,于2005年3月和5月先后抵达浦西工作井.2005年12月底建成通车.13 2.3上中路双层隧道工程上中路越江隧道为上海中环线南段穿越黄浦江的关键工程,于2004年12月开工。工程全长2.8km.为双向八车道规模，设计车速80km/h,车道宽3.25m×2+3.5m×2,通行净高≥4.5m。工程价为10.2亿元。圆隧道外径14.5m,内径13.2m;圆隧道衬砌环采用通用楔形管片,每环共分十块,错缝拼装；衬砌厚度600mm,环宽2m；环、纵向螺栓均采用斜螺栓，便于施工中快速拼装，准确定位。隧道采用由法国NFM公司制造的Φ14.87m泥水加压盾构,该盾构已在荷兰绿色心脏隧道工程中掘进施工7.1Km。盾构直径14.87m,长11.65m,总长120m;总推力184300kN,推进速度0～40mm/min,刀盘额定扭矩36000kNm,最大扭矩43200kNm,刀盘转速0～1.4转/分.掘进速度达8-10m/d.为了缩短施工工期，两条圆形隧道的道路结构施工与隧道盾构推进同步进行：下层路面及防撞墙等现浇结构滞后于车架2之后150m，并实施左右分段分幅施工，保证运输线路畅通‚上层路面施工滞后于车架2后方250m。2008年12月,1条隧道已通车运营,另1条隧道间于今年底通车.Φ14.87m盾构以转场到中环线北段军工路隧道工程.13 3.三大长江隧道3.1武汉长江隧道武汉长江隧道位于武汉长江大桥和二桥之间。工程建设规模为双向四车道，道路等级为大城市主干道，设计时速50km/h。设计线路总长度为3.63km。其中盾构段总长度为2.338km。该工程在2004年11月26日开工，于2008年12月28日建成运营。总造价：9.97亿元。盾构段穿越的主要地层有：粘土、淤泥质粉质粘土、粉细砂等，其中大部分区段会遇到全透水的中密度粉细砂层;在部分江中段盾构机的底部会遇到卵石层和强风化泥质基岩。岸边段隧道最大埋深40.5m，江中段隧道最大埋深21.3m，断面最大水压约0.6MPa13 。圆隧道采用Ф11380mm泥水平衡式盾构机掘进。隧道外径11200mm，衬砌环宽1500mm、厚500mm，混凝土C50S12。ConcreteC50S12隧道最大坡度4.50%，最小平曲线半径为R850m，江中段覆土最小10.2m，最大覆土为37.0m左右。3.2南京长江隧道工程南京长江隧道是《南京市城市总体规划》确定的“五桥一隧”过江通道中的重要工程。隧道位于南京长江大桥与三桥之间，连接河西新城区—江心洲—浦口区。工程通道总长约13 6.2km，按6车道城市快速通道规模建设，设计车速80km/h，采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁”方案。左汊盾构隧道长度3.9km，隧道外径14.5m。右汊桥梁全长近700m，设计方案为飞燕式拱桥，拱桥一跨过江，主跨290m。工程预计在2010年建成通车。工程总投资约为30亿元。隧道设计主要技术标准:n道路等级：城市快速路n设计车速：80km/hn车道数：双向6车道n道路限界：车道宽度：2×3.5m+1×3.75m车道高度：4.5mn路缘带宽度：0.5m;侧向宽度：0.75mn工程结构的安全等级：一级n隧道设计使用年限：100年n道路结构计算荷载等级：城－A级n结构按7度地震设防，暂按6级人防要求验算。n隧道结构设计高水位按百年一遇水位（8.99m）计算，三百年一遇水位（9.44m）校核。n隧道覆土深度(从隧道掘进机顶部到地面)Overburden最大：20m最小：10.5m隧道最大深度：56mdeepestn隧道轴线:最大纵坡：4.5%最小平面曲线半径:R=2000m最小竖曲线半径：R=5000m隧道管片:n管片材料：钢筋砼C50，抗渗等级为S12。n隧道外径：14500mm；内径：13300mm；n管片厚度：600mm；宽度：2000mmn环缝共设置38个M30螺栓，每块管片纵缝共设置3个M36螺栓；n管片防水：一道三元乙丙高弹性橡胶密封防水条、一道遇水膨胀防水条。至2009年4月,南京长江隧道已完成掘进长度的70%以上.13 3.3上海长江越江工程上海长江越江通道工程以隧道方式穿越长江南港水域，经长兴岛，以桥梁方式跨越长江北港水域。南港水域宽度为6.9km，北港水域宽度为8.5km。工程投资122亿元。工期48月。南港隧道长约8.95公里。隧道为3来3去6车道，设计车速80km/h；下设服务车通道，2条隧道间设8条连接通道。隧道直径15米，采用Φ15.43m泥水盾构施工，其直径为世界最大。隧道外径15m，衬砌结构厚度为0.7m，环宽2.0m。衬砌环由封顶块F、两块邻接块L和七块标准块B组成，最大重量15.9t，环间错缝拼装。砼强度等级C60，抗渗等级1.2MPa。环、纵向连接采用螺栓连接。隧道最深处的水压0.5MPa。2008年9月,2条隧道全部贯通,目前正在进行道路结构和设备安装,2010年4月将建成运营.13 4.海底道路隧道工程4.1厦门翔安隧道工程厦门翔安隧道全长约9公里，其中海底隧道5.95公里，海域段4.2公里。起自厦门岛五通，止于厦门市翔安区西滨，隧道最深在海平面下约70米，工程总投资约32亿元。　　主洞隧道建筑限界净宽13.5米，净高5米。主线设计时速为80公里。它作为厦门的第四条进出岛通道，上承国道、省道，下接城市区域路网，与厦门岛北面的厦门大桥、集美大桥，西北面的杏林大桥，西面的海沧大桥一起构成五条连接大陆的路网格局。2005年8月9日正式动工建设。工程计划于2009年建成通车，建成后，翔安区到岛内两地间将缩短50公里的路程,只需15分钟。隧道采用钻爆法施工,目前已完成隧道掘进目前已经完成隧道掘进超过总里程的90%，预计6、7月间就可以实现贯通。翔安隧道施工影响最大的是海底风化深槽，左右线车行隧道连同中间的服务隧道三条隧道总共要过12次海底风化槽，目前施工单位已经成功穿越了10次.左线隧道已经完成5464m，右线隧道完成5514m，服务隧道完成5654m，三条隧道离贯通最长距离已不足600m。4.2港珠澳大桥隧道段工程港珠澳大桥的环境评估预计于年中完成，前期工程最快于年底展开。由于港珠澳大桥经过世界上最繁忙的水域之一——外伶仃洋,因此通航能力要求达到30万吨,航道跨距达到了4100米13 ,为了便于船只通行,港珠澳大桥仍不得不采取6公里多的隧道方案。大桥海底隧道工程初步方案已经确定，该方案对目前较为流行的海底隧道施工方法———盾构法和沉管法从水文地质和工程地质等角度进行了分析论证,按“沉管法”进行施工的可能性较大。 作为整个工程的最难点，海底隧道工程的造价占整个工程预算的近一半,约211亿元人民币。4.3琼州海峡跨海通道琼州海峡跨海通道建设前期工作明显提速，取得了多项工作成果。预可行性报告建议2012年左右开工建设，2020年左右建成通车。跨海工程项目课题组在规划研究的基础上，基本完成了预可行性研究，推出了通道建设的3个比选方案。    一是西线公铁两用桥梁方案。该方案的桥址位于迈陈至道伦角，跨海桥长41.3公里，中通航孔主跨采用1408米钢桁梁悬索桥，南、北通航孔主跨采用1056米钢桁梁斜拉桥，两岸铁路引线共长112.2公里，公路接线共长43.3公里，静态投资1220亿元。    二是中线公铁两用桥梁方案。桥址为四塘至天尾角，跨海桥长21.9公里，中通航孔主跨采用1408米钢桁梁悬索桥，南、北通航孔主跨采用1056米钢桁梁斜拉桥，两岸铁路引线共长94.9公里，公路接线共长23.2公里，静态投资913亿元。    三是中线铁路隧道和西线公路桥梁方案。该方案的铁路隧道长27.8公里，其中盾构长20公里，铁路接线总长85.1公里；公路跨海桥长43公里，中通航孔主跨采用2800米悬索桥，南、北通航孔主跨采用2200米悬索桥，公路接线43.3公里，静态投资1377亿元。专家组首先否定了东线方案，建议的下阶段主要比较方案是，中线公铁两用桥梁方案、西线公铁两用桥梁方案，中线铁路隧道和西线公路桥梁方案，中线铁路隧道兼顾汽车背负式运输方案。13 4.4渤海湾跨海通道海峡两端最短距离约106公里，平均水深25米，最大水深约86米。位于渤海海峡中间的长山列岛由32个岛屿、66个明礁、16个暗礁、两处长滩组成，北距旅顺老铁山42公里，南距胶东蓬莱登州头7公里，南北距离56.4公里，东西宽度30.8公里.提议中的渤海海峡跨海通道利用渤海海峡的有利地理条件，从山东蓬莱经长岛至辽宁旅顺，建设公路和铁路结合的跨越渤海的直达快捷通道，长165公里,整个工程投资估算2000亿元。建设渤海海峡跨海通道，东北至山东和长江三角洲的运距，比原绕道沈山、京山、京沪、胶新、陇海等线路缩短400至1000公里，大大节省运费及时间。　　专家预测，到2020年，海峡间的客流量将达到3亿人次左右。即使按照跨海通道承担60%-80%的比例，也将达到1.8亿-2.4亿人次的客流量。以载客30人的客车计算，仅客流量折算就相当于日均车流量1.7万-2.2万辆。如果按照高速公路客、货车辆各占50%的比例来推算，客、货车日均流量将达3.4万-4.4万辆。从渤海海峡的地形特征看，庙岛列岛纵贯海峡中南部,由南至北有20个可利用的岛、礁、滩，一般间距为3至4公里，最大间距为7至8公里。跨海大桥可分段建设为“小桥”，大大降低了工程难度和造价。在庙岛列岛最北部的北隍城岛向北就没有岛屿了，只能建隧道，故称北隧。此即“南桥北隧”方案或“蓬旅桥隧”(烟台蓬莱至大连旅顺)方案。13 4.5台湾海峡通道工程探讨中的台湾海峡通道全长约１２５公里至１５０公里，将是世界上最长、建设难度最大的海峡通道。　　为推进台湾海峡通道工程建设研究，自１９９８年起，两岸专家学者已先后举行了5届研讨会。与会专家已设计出北、中、南三种方案，即：北线从福建平潭到台湾新竹，中线从福建莆田到台湾中部，南线从厦门经金门、澎湖列岛到达台湾嘉义。台湾海峡通道构想图　　5.结语水底道路隧道与桥梁相比,具有不影响通航和运营不受气候影响的优点,在城市还有动迁少的优点.近年来,随着我国经济和交通的发展,越江跨海隧道的工程建设日益增多,隧道工程技术得到广泛应用和发展.13