工程科技

    海底隧道是为了解决横跨海峡、海湾之间的交通，而又不妨碍船舶航运的条件下，建造在海底之下供人员及车辆通行的海洋建筑物。纵观全球，海底隧道工程最主要最先进的施工技术有四种。

　　钻爆法

　　主要用钻眼爆破方法开挖断面而修筑隧道及地下工程的施工方法。用钻爆法施工时，将整个断面分部开挖至设计轮廓，并随之修筑衬砌。大陆目前已建成的海底隧道，厦门翔安隧道，青岛胶州湾海底隧道，均是采用钻爆法施工。

　　钻爆法即是通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法，这一方法从早期由人工手把钎、锤击凿孔，用火雷管逐个引爆单个药包，发展到用凿岩台车或多臂钻车钻孔，应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等爆破技术。施工前，要根据地质条件、断面大小、支护方式、工期要求以及施工设备、技术等条件，选定掘进方式。

　　打眼前必须先放好断面中线，水平，并在开挖面划好轮廓线，按钻爆参数图布置炮眼位置,炮眼的深度、角度、间距按钻爆参数要求确定。掏槽眼间距误差和眼底间距误差不得大于5cm，辅助眼眼口排距、行距误差均不得大于5cm，周边眼沿隧道设计断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm，周边眼外斜率不得大于5cm/m，眼底不超出开挖断面轮廓线10cm，最大不得超过15cm。内圈眼至周边眼的排距误差不得大于5cm，炮眼深度超过2.5m时，内圈炮眼与周边眼宜采用相同的斜率。

　　掏槽眼布置在开挖断面的中央稍靠下部，以使底部岩石破碎，减少飞石。周边炮眼应沿设计开挖轮廓线布置，辅助眼应交错均匀地布置在周边眼与掏槽眼之间，并垂直于开挖面打眼，力求爆下的石碴块体大小适合装碴的要求。开挖断面底面两隅处，应合理布置辅助眼，适当增加药量，消除爆破死角。断面顶部应控制装药量，防止出现超挖量。

　　装药前应将炮眼内泥浆、石屑吹洗干净,已装药的炮眼应及时用炮泥堵塞密封,周边眼的堵塞长度不宜小于20cm。采用预裂爆破时，应从药卷顶端进行堵塞，不得只堵塞在眼口。钻爆施工中严格控制超欠挖。当岩层完整、岩石抗压强度大于30MPa并确认不影响衬砌结构稳定和强度时，允许岩石个别突出部分欠挖，隆起量不得大于5cm。拱、墙脚以上1m范围内断面严禁出现欠挖。

　　钻爆法的掘进方式主要有三种：

　　1、全断面掘进法，整个开挖断面一次钻孔爆破，开挖成型，全面推进。在隧洞高度较大时，也可分为上下两部分，形成台阶，同步爆破，并行掘进。在地质条件和施工条件许可时，优先采用全断面掘进法。

全断面开挖法

　　2、导洞法，先开挖断面的一部分作为导洞，再逐次扩大开挖隧洞的整个断面。这是在隧洞断面较大，由于地质条件或施工条件，采用全断面开挖有困难时，以中小型机械为主的一种施工方法。导洞断面不宜过大，以能适应装碴机械装碴、出碴车辆运输、风水管路安装和施工安全为度。导洞可增加开挖爆破时的自由面，有利于探明隧洞的地质和水文地质情况，并为洞内通风和排水创造条件。根据地质条件、地下水情况、隧洞长度和施工条件，确定采用下导洞、上导洞或中心导洞等。导洞开挖后，扩挖可以在导洞全长挖完之后进行，也可以和导洞开挖平行作业。

　　3、分部开挖法，在围岩稳定性较差，一般需要支护的情况下，开挖大断面的隧洞时，可先开挖一部分断面，及时做好支护，然后再逐次扩大开挖。用钻爆法开挖隧洞，通常从第一序钻孔开始，经过装药、爆破、通风散烟、出碴等工序，到开始第二序钻孔，作为一个隧洞开挖作业循环。尽量设法压缩作业循环时间，以加快掘进速度。20世纪80年代，一些国家采用钻爆法在中硬岩中开挖断面面积为100㎡左右的隧洞，掘进速度平均每月约200m。中国鲁布革水电站工程，开挖直径8.8m的引水隧洞，单工作面平均月进尺达231m,最高月进尺达373.7m。

　　根据信息论的观点，根据以往类似工程经验和投入工程水下钻爆机械设备力量综合考虑，对水下爆破选用钻孔爆破法施工。其施工工艺流程如下：爆破设计→锚定钻孔作业平台→移机就位→确定孔深→套管护孔→钻孔→成孔冲洗→测量验孔→装药→连线→平台撤离→起爆信号→起爆、震动监测→爆破效果检查→解除警戒。

　　水下爆破所产生的危害表现为爆破地震效应、水中冲击波效应、空气冲击波效应和水面波浪效应。爆破后，岩石破碎块度理想，水下清渣顺利，经检验，对闸门及周围建筑物无影响。

　　施工中的几项主要技术措施分述如下：

　　钻孔作业平台设计制作浮箱式简易起升钻爆作业平台船(16m×6m)。作业平台采用钢体浮箱结构，两浮箱间距5m。浮箱内径Φ1100mm，单长12m，扣除浮箱、平台钢结构自重，浮力约为15t。通过槽钢、工字钢将两浮箱焊接为承载钻机及附属设备的船体。潜孔钻钻机由脚手架钢管铰接固定在平台上，组成钻机作业平台。

　　浮箱两侧各向外伸出0.5m，另外焊接两个小平台，可供4台KQ-100型潜孔钻机工作之用。为加快钻机就位速度，钻机平台可沿槽钢轨道滑动移位。测量定位后，采用8只铁锚及100m以上的锚绳，由机动小驳船牵引到达爆破区域后，依靠船上人工收缩锚绳配合准确就位。利用5t手拉葫芦人工控制将4根立柱(Φ240mm)沉入河底，使钻孔平台升起基本脱离水面，此时整个钻孔平台上的荷载完全支承在4根钢管立柱上。

　　钻孔施工时，不会受到波浪起伏的影响，保证成孔质量。钻孔平台移位时，先收回立柱，使钻孔平台浮在水面上，此时通过拉动锚绳将平台移到下一钻孔位置施工。

　　沉管法

　　沉管法是在水底建筑隧道的一种施工方法。沉管隧道就是将若干个预制段分别浮运到海面(河面)现场，并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内，以此方法修建的水下隧道。20世纪50年代起，由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用，现已成为水底隧道的主要施工方法，用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。香港多条海底隧道采用沉管法施工。

　　适合于沉管法施工的主要条件是：水道河床稳定和水流并不过急。前者不仅便于顺利开挖沟槽，并能减少土方量;后者便于管段浮运、定位和沉放。

　　沉管法施工顺序是：先在船台上或干坞中制作隧道管段(用钢板和混凝土或钢筋混凝土)，管段两端用临时封墙密封后滑移下水(或在坞内放水)，使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。水底隧道的水下段，采用沉管法施工具有较多的优点。

　　19世纪末已用于排水管道工程。第一条用沉管法施工成功的是美国波士顿的雪莉排水管隧洞，于1894年建成，直径2.6m，长96m，由6节钢壳加砖砌的管段连接而成。20世纪初叶，开始用于交通隧道，1910年美国建成了第一条底特律河铁路隧道，水下段由10节长80m的钢壳管段组成。至1927年，德国于柏林建成了一条总长为120m的水底人行隧道。

　　采用沉管法修建的第一条水底道路隧道为美国加利福尼亚州的奥克兰与阿拉梅达之间的波西隧道，建成于1928年，水下段长744m，使用12节62m长的管段。它是钢筋混凝土圆形结构，其外径为11.3m。该隧道采用圆形的双车道断面等许多重要特点，成了美国后来用沉管法的楷模。但从1930年建造的底特律—温莎隧道起又采用了钢壳制作的管段，而将其横断面的外形改为八角形。

　　沉管法修建水底隧道一个明显的进步，是1941年在荷兰建成的马斯河道路隧道。管段用钢筋混凝土制成矩形结构，内设4车道并附设自行车和人行的专用通道。管段断面为24.8m×8.4m，外面用钢板防水，并用混凝土作防锈保护层。因管段宽度大而创造了喷砂作垫层的基础处理方法。在欧洲由于向多车道断面发展，都采用这种矩形的钢筋混凝土管段，为第二代沉管隧道奠定了基础。

　　20世纪50年代以后，由于水下连接技术的突破──采用水力压接法，并应用橡胶垫圈作止水接头，沉管法被广泛采用，并随之较快地发展。20世纪60年代后期，又出现了不设通风道，又无通风机房的第三代沉管隧道。由于管段断面相应缩小，有利于提高沉管法的施工效益。丹麦于1969年建成的利姆水道隧道，即为这一型式应用的第一例。

　　中国台湾省高雄市的过港隧道于1984年通车。穿越主航道的水下段用6节120m的沉放管段组成，为4车道矩形断面。20世纪70年代初期，在上海市金山和广东省等地，用沉管法修建了多条水工隧洞。

沉管法技术

　　按管段制作方式可分为船台上制作和干坞中制作两大类型。

　　船台型管段制作。是利用船厂的船台，先预制钢壳，将其沿滑道滑移下水后，在浮起的钢壳内灌筑混凝土。该类管段的横断面一般为圆形、八角形和花篮形。由于管段内轮廓为圆形，在车辆限界以外的上下方空间虽可利用为送、排风道，但车道高程相应压低，致使隧道深度增加，因此沟槽深度和隧道长度均相应增大;又因其内径受限制而只能设置双车道的路面，亦即限制了同一隧道的通行能力;同时耗钢量大，管段造价高，而且钢壳焊接质量及其防锈尚未能完善解决，因此只是早期在美国应用较多。

　　干坞型管段制作。是在临时的干坞中制成钢筋混凝土管段，向干坞内放水后，将其浮运到隧址沉放。其断面大多为矩形，不存在圆形断面的缺点;不用钢壳，可节省大量钢材。但在制作管段时，对混凝土施工工艺须采取严格措施，以满足其均质性和水密性特别高的要求，并保证必需的干舷(管段顶部浮出水面的高度)和抗浮安全系数。这类管段较船台型管段的造价经济，自50年代以来，在欧洲已成为最常用的制作方式。荷兰鹿特丹马斯河水底隧道为用干坞制作管段的最早一例。

　　浮箱吊沉法是比较新的一种管段沉放法。通常在管段上方放4只方形浮箱，用吊索直接将管段系吊，浮箱分成前后两组，每组两只浮箱用钢桁架联成整体，并用锚索将各组浮箱定位，在浮箱顶上安设起吊卷扬机和浮箱定位卷扬机。管段的定位须在其左右前后另用锚索牵拉，其定位卷扬机则设于定位塔的顶部。这一沉放法的主要特点是设备简单，适用于宽度20m以上的大、中型管段。

　　小型管段可采用方驳杠吊法，即在管段两侧分设4艘或2艘方驳船，左右两艘之间设钢梁作杠吊管段的杠棒。这一方法在沉放时较平稳，且在浮运时可以用左右的方驳夹住管段以提高稳定性。

　　20世纪50年代以前，对钢壳制作的管段，曾采用水下灌筑混凝土的方法进行水下连接。对钢筋混凝土制作的矩形管段，现在普遍采用水力压接法。此法是在50年代末期在加拿大隧道实践中创造成功的，故也称温哥华法。它利用作用于管段后端封墙上的巨大水压力，使安装在管段前端周边上的一圈尖肋型胶垫产生压缩变形，形成一个水密性良好的止水接头。施工中在每节管段下沉着地时，结合管段的连接，进行符合精度要求的对位，然后使用预设在管段内隔墙上的2台拉合千斤顶(或利用定位卷扬机)，将刚沉放的管段拉向前一节管段，使胶垫的尖肋略为变形，起初步止水作用。完成拉合后，即可将前后两节管段封墙之间被胶垫封闭的水，经前节管段封墙下部的排水阀排出，同时利用封墙顶部的进气阀放入空气。排水完毕后，作用在整个胶垫上更为巨大的水压力将其再次压缩，达到完全止水。完成水力压接后，便可拆除封墙(一般用钢筋混凝土筑成)，使已沉放的管段连通岸上，并可开始铺设路面等内部装修工作。

　　处理沉放管段基础的目的是使沟槽底面平整，而不是为了提高地基的承载力。在水下开挖的沟槽，其底面凹凸不平，如不加以整平，管段沉放后会因地基受力不均匀而导致局部破坏，或因不均匀沉陷而开裂。为了提高沟槽底面的平整性，至今绝大多数建成的水底隧道采用垫平的方法。

　　采用沉管法施工的水下段隧道，比用盾构法施工具有较多优点。主要有：

　　①容易保证隧道施工质量。因管段为预制，混凝土施工质量高，易于做好防水措施;管段较长，接缝很少，漏水机会大为减少，而且采用水力压接法可以实现接缝不漏水。

　　②工程造价较低。因水下挖土单价比河底下挖土低;管段的整体制作，浮运费用比制造、运送大量的管片低得多;又因接缝少而使隧道每米单价降低;再因隧道顶部覆盖层厚度可以很小，隧道长度可缩短很多，工程总价大为降低。

　　③在隧道现场的施工期短。因预制管段(包括修筑临时干坞)等大量工作均不在现场进行。

　　④操作条件好、施工安全。因除极少量水下作业外，基本上无地下作业，更不用气压作业。

　　⑤适用水深范围较大。因大多作业在水上操作，水下作业极少，故几乎不受水深限制，如以潜水作业实用深度范围，则可达70m。

⑥断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用。大型的矩形断面的管段可容纳4～8车道，而盾构法施工的圆形断面利用率不高，且只能设双车道。

　　掘进机法

　　掘进机法是挖掘隧道、巷道及其它地下空间的一种方法,简称TBM(tunnelboringmanchine)法，是用特制的大型切削设备，将岩石剪切挤压破碎，然后，通过配套的运输设备将碎石运出。连接英国及法国的英法海峡隧道就是采用掘进机法开挖。

　　掘进机法分为全断面掘进机的开挖施工，独臂钻的开挖施工，天井钻的开挖施工，带盾构的TBM掘进法。

　　掘进机是全断面开挖隧洞的专用设备,它利用大直径转动刀盘上的刀具对岩石的挤压、滚切作用来破碎岩石。

掘进机

　　美国罗宾斯公司在1952年开始生产第一台掘进机，20世纪70年代以后，掘进机有了较快的发展，开挖直径范围为1.8～11.5m。在中硬岩中，用掘进机开挖80～100m³大断面隧洞，平均掘进速度为每月350～400m。

　　美国芝加哥卫生管理区隧洞和蓄水库工程，在石灰岩中开挖直径9.8m的隧洞，最高月进尺可达750m。美国奥索引水隧洞直径3.09m,在页岩中开挖，最高月进尺达2088m。

　　隧洞掘进机开挖比钻爆法掘进速度快，用工少，施工安全，开挖面平整，造价低，但机体庞大，运输不便，只能适用于长洞的开挖，并且本机直径不能调整，对地质条件及岩性变化的适应性差，使用有局限性。

　　盾构法

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。日本东京湾海底隧道是采用盾构法施工。

　　盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点，适合在软土地基段施工。例如深圳地铁一期工程初步设计有三处采用盾构法施工，即罗湖-国贸区间，皇岗-福民区间，福民-金田区间。这几处均为软土地段，且具备盾构法施工的基本条件。

　　盾构是一种带有护罩的专用设备，利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进，用刀盘切割土体，同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。盾构是1874年发明，首先用的是气压盾构。开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。盾构机掘进的出碴方式有机械式和水力式，以水力式居多。水力盾构在工作面处有一个注满膨润土液的密封室。澎润土液既用于平衡土压力和地下水压力，又用作输送排出土体的介质。

　　盾构既是一种施工机具，也是一种强有力的临时支撑结构。盾构机外形上看是一个大的钢管机，较隧道部分略大，它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的,包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。大多数盾构的形状为圆形，也有椭圆形、半圆形、马蹄形及箱形等其他形式。

　　在松软含水地层，或地下线路等设施埋深达到10m或更深时，可以采用盾构法，即线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m且不小于盾构直径；相对均质的地质条件；如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建(构)筑物之间所夹土(岩)体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m,竖直方向1.5m；从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。

　　采用盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用作盾构及其设备的拼装井(室)和拆卸井(室)，特别长的隧道，还应设置中间检修工作井(室)。拼装和拆卸用的工作井，其建筑尺寸应根据盾构装拆的施工要求来确定。拼装井的井壁上设有盾构出洞口，井内设有盾构基座和盾构推进的后座。

　　井的宽度一般应比盾构直径大1.6～2.0m，以满足铆、焊等操作的要求。当采用整体吊装的小盾构时，则井宽可酌量减小。井的长度，除了满足盾构内安装设备的要求外，还要考虑盾构推进出洞时，拆除洞门封板和在盾构后面设置后座，以及垂直运输所需的空间。中、小型盾构的拼装井长度，还要照顾设备车架转换的方便。盾构在拼装井内拼装就绪，经运转调试后，就可拆除出洞口封板，盾构推出工作井后即开始隧道掘进施工。盾构拆卸井设有盾构进口，井的大小要便于盾构的起吊和拆卸。

　　其他施工主要有土层开挖、盾构推进操纵与纠偏、衬砌拼装、衬砌背后压注等。这些工序均应及时而迅速地进行，决不能长时间停顿，以免增加地层的扰动和对地面、地下构筑物的影响。

　　优点：

　　1、安全开挖和衬砌，掘进速度快;

　　2、盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。

　　3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施;

　　4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动;

　　5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。

　　缺点：

　　1、断面尺寸多变的区段适应能力差;

　　2、新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济。

　　用盾构法修建隧道已有150余年的历史。中国于第一个五年计划期间，首先在辽宁阜新煤矿，用直径2.6m的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。中国自行设计、制造的盾构，直径最大为11.26m，最小为3.0m。正在修建的第二条黄浦江水底道路隧道，水下段和部分岸边深埋段也采用盾构法施工，盾构的千斤顶总推力为108兆牛，采用水力机械开挖掘进。在上海地区用盾构法修建的隧道，除水底道路隧道外，还有地铁区间隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。