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1、 2016、12、25 渤海海峽煙臺大連跨海通道建設施工方案 渤海海峽跨海通道是連接我國山東半島與東北地區的戰略性工程，對于加快環渤海圈的經濟發展及振興東北老工業基地都有重大意義。目錄 一、渤海海峽海底隧道采用鐵路隧道方案是合理一、渤海海峽海底隧道采用鐵路隧道方案是合理的的 二二、渤海海峽海底特長鐵路隧道斷面、渤海海峽海底特長鐵路隧道斷面設計設計 三、渤海海峽海底鐵路隧道建設方案三、渤海海峽海底鐵路隧道建設方案 四、渤海海峽海底鐵路隧道施工方法選擇四、渤海海峽海底鐵路隧道施工方法選擇 五、海底隧道關鍵重大技術五、海底隧道關鍵重大技術2/31 1、1940年日本在關門最早用盾構法修建了世界上海底2、鐵路隧道，其長度3.6km。2、1975年日本用鉆爆法在關門又建成了長18.7km的第二座海峽鐵路隧道。3、1988年日本在津輕海峽用鉆爆法建成了至今世界上最長的海峽鐵路隧道青函隧道。其長度是54km。是目前正在論證的渤海海峽鐵路隧道長度的一半。當今世界上已修建了許多海峽隧道，正在籌建的也很多。其中重點介紹已建的6座隧道。一、渤海海峽海底隧道采用鐵路隧道方案是合理的一、渤海海峽海底隧道采用鐵路隧道方案是合理的 圖3 建成后的日本青函隧道圖1 日本青函隧道縱斷面圖圖2 日本青函隧道橫斷面圖 4、1994年，英法兩國用盾構和TBM硬巖掘進機法建成了英法海底鐵路隧道，其長度為50.5km，是世界第二3、長的海底鐵路隧道。圖4 英吉利海峽隧道平面位置圖 圖5 開敞式TBM圖7 英法海峽隧道地質剖面及布置圖圖6 英法海峽隧道圖8 英法海底鐵路隧道 圖9 盾構機圖10 剖面圖5、1991年丹麥斯多貝爾修建的海峽公路隧道長7.9km，總造價約40億元，盾構法施工長7.26km，淺埋暗挖法施工長度0.64km，盾構直徑8.782m，管片厚40cm。6 6、日本東京灣海底公路隧道、日本東京灣海底公路隧道 1986年開工，1996年8月建成，10年工期，工程全長15.1km，其中海底盾構隧道長9.12km，是世界上最長的海底公路隧道，進、出口和2個豎井共8個工作面同時施工，8臺泥水加壓盾構，直徑14.144、m，雙向6車道，采用復合式襯砌結構，管片厚65cm，二次襯砌鋼筋混凝土厚35cm。二次模筑二次模筑薄管片薄管片圖11 隧道斷面圖 上述六座海底隧道 成功建成，凸顯了世界各國對修建海底隧道的高度重視和極大熱情，也說明了海底隧道的設計技術、施工技術和施工工藝等已基本成熟，只要我們進一步在隧道埋深、結構耐久性和運營通風與防災等方面加以研究，修建渤海海峽海底隧道方案是可行的和合理的。同時，基于國內外海底隧道修建的成功經驗，一般隧道長度大于20km以上的均采用鐵路隧道，電力牽引，這樣可長距離不設通風豎井、運營安全、風險小、運營費低；海底公路隧道設計長度不能超過10km。至于渤海海峽公路運輸問題，原則是汽5、車坐火車跨越海峽。1、長大隧道必須采用雙洞單線，以利于施工通風；通風采用巷道式射流通風。2、出渣運輸采用大容量電力機車牽引；也可采用連續皮帶機輸送。1 1）其連續皮帶機相對有軌運輸的優點如下其連續皮帶機相對有軌運輸的優點如下：（1）后配套系統設計可縮短；（2）所需通風機功率將大為降低；（3）減少機車、車輛、翻車機及洞外軌道調度系統，運行管理簡單；（4）安全性提高；（5）仰拱結構可簡單。2 2）連續皮帶機的應用）連續皮帶機的應用 (1)美國80%長大隧道工程項目采用連續皮帶機出渣；(2)歐洲近些年來長大隧道也大多采用連續皮帶機出渣；(3)中間驅動技術、控制技術的發展使連續皮帶機技術趨于成熟，已具6、有較高可靠性；(4)理論上，連續皮帶機可以無限延伸，但目前的技術水平為15km；(5)國內大伙房輸水工程采用連續皮帶機出碴，最長運距達11.25km。3、鐵路運營速度采用200km/h是最優速度。4、隧道有效內凈空面積:國內單線斷面為60平方米左右;雙線斷面為90平方米左右。二、渤海海峽海底特長鐵路隧道斷面設計二、渤海海峽海底特長鐵路隧道斷面設計 1 1）隧道凈空面積的影響因素主要有以下幾方面：）隧道凈空面積的影響因素主要有以下幾方面：(1)隧道建筑限界線的間距；(2)應預留的空間：安全空間、救援通道、工程技術作業空間、內部配件空間等；(3)考慮空氣動力學影響所需的空間。2）空氣動力學效應，如7、圖14。3）高速列車在隧道內運行引起的問題高速列車進入隧道時，會在隧道出口產生微氣壓波，使附近房屋震動，發出轟鳴聲，引起擾民問題。4）不同運行速度國內外高速鐵路隧道內凈空斷面設計情況，如下表1、2所示。圖12 大伙房皮帶輸送機圖13 出碴設備 2）空氣動力學效應圖14 隧道微氣壓波的發生 表表1 1 國內外高速鐵路隧道內凈空面積表國內外高速鐵路隧道內凈空面積表 國 家 線別運營速度(km/h)斷面積(m2)日 本 新干線2403006164 法 國 大西洋線 30071北方線、東南延伸線 300100地中海線350100 德 國漢諾威維爾茨堡曼海姆斯圖加特漢諾威柏林25082科隆法蘭克福3008、92 西班牙馬德里塞維利亞27075 韓 國漢城釜山350107中國臺灣臺北高雄35090 表表2 2 我國專線隧道內凈空面積我國專線隧道內凈空面積序號 類別標準單線（m2）雙線（m2）1200km/h客專近期客貨共線53.0683.72200km/h客專近期雙箱運輸 56.289.643250km/h近期客貨共線5890.164250km/h近期雙箱運輸58.0893.765350km/h客運專線70100 5)海底隧道洞門設計型式洞門設計原則應為喇叭型，可防止突變，下圖洞門設計應該借鑒圖15 海底隧道喇叭型洞門 圖16 喇叭型隧道洞門 根據渤海海峽的寬度、水深、地形、地質、地震、交通運輸等9、條件，進行線位方案設計和比選。初步選擇4條線位方案，如圖17所示。線位1：最短距離方案，老鐵山蓬萊東港，海域寬102 km，可利用大竹山島設置豎井，還需設置一座人工豎井。線位2：連島方案，老鐵山北隍城島大欽島砣磯島北長山島南長山島蓬萊東港，長114 km，在北隍城島、北長山島設置豎井。線位3：部分連島方案，老鐵山大欽島北長山島南長山島蓬萊東港，海域寬111 km，在大欽島、北長山島設置豎井。線位4：部分連島方案，老鐵山大欽島南長山島蓬萊東港，海域寬114 km，在大欽島、南長山島設置豎井。這4 條線位的最大水深、地層結構及地質構造基本相同。最大水深約85 m；第四系地層30 m左右，其下為板巖10、與石英巖互層、花崗巖地層；4 條線位均位于兩組北北東向斷裂帶中間，主要穿越兩條北西向斷裂帶，距主要發震斷裂的郯廬斷裂帶約40 km，如圖18 所示；線位1 距歷史上發生過的7 級以上地震較近，如圖19所示。綜合分析比較后，推薦線位2（連島方案）為最優方案。海面寬度114 km，最大水深85 m，穿越兩條主要斷層。該線位是海峽最窄的部位，同時可不修建人工島而利用已有島嶼修建豎井來解決施工及通風問題。圖17圖18圖19 1、無論從海底隧道的長度來看，日本是率先建成和運營的最長、最多的海底隧道國家，其次是挪威、丹麥等國。目前，國內連接國家之間、島嶼之間的海底隧道也正在籌建。據統計，采用鉆爆法修建的海11、底隧道占90%以上，因為它是最經濟、安全風險易控制和施工工藝最成熟的一種施工方法。如挪威17條海底隧道全部采用鉆爆法施工。因此，跨海隧道的施工方法宜優選鉆爆法；其次是TBM、盾構法。2、水下隧道鉆爆法和開敞式TBM施工，襯砌結構采用復合式襯砌；盾構法施工襯砌采用管片+二次鋼筋混凝土；單層管片襯砌不利于百年壽命，日本已進行過這方面的研究。3、青函隧道設置超前疏水導洞，有利于提前排水，加快主洞施工進度。4、水下隧道最小埋深與地質條件、施工方法和支護結構形式等關系密切。一般盾構法洞頂埋深為1倍洞徑；TBM埋深為1.52倍洞徑；鉆爆法埋深為23倍洞徑。城市水下隧道受地形限制一般采用淺埋；而渤海海峽隧道12、不受地形限制，且海岸地質變化大，采用深埋方案風險最小，施工方法可選用開敞式掘進機法和鉆爆法。5、渤海海峽隧道穿越硬巖，宜采用全斷面開敞式掘進機，不宜采用雙護盾掘進機。中間斷層、軟弱地帶采用淺埋暗挖法，橫通道采用鉆爆法施工。下面介紹使用掘進機施工的有關水下隧道。6、沉埋管段法不適于長大隧道（大于6km）、不適于硬巖地層、更不適用渤海海峽。7、在軟弱、不穩定地層宜采用盾構法施工，但盾構直徑宜小于12m。如瓊州海峽水下隧道長度34km，穿越軟弱地層，宜采用土壓平衡復合式盾構。圖20 引黃北干渠（4189m）圖21 上 公 山 隧 道 （1）雙護盾TBM的施工問題雖然雙護盾式TBM有圓筒形護盾保護結構13、，它可在掘進同時進行了管片的安裝，但是它適用的地層是相對穩定、巖石抗壓強度適中、地下水不發育的條件；當它通過地應力變化大、圍巖破碎、巖體為塊體結構的地層時，護盾常常被卡住，脫困難度極大。工程界有不少經驗介紹設備被卡住后的脫困處理技術極其復雜，且處理時間較長，臺灣坪林隧道涌水及被卡后的脫困處理也是極其艱難的。采用雙護盾施工時，由于施工經驗及對護盾姿態控制等原因，會產生盾尾管片拼裝空隙不足，從而引起管片錯臺、管片裂縫，嚴重時甚至導致隧道軸線偏離，應引起高度重視。此外，追求掘進速度而忽視管片背后注入豆礫石和灌漿工序，也會對工程帶來嚴重的質量事故。由于任何隧道的地質狀況、圍巖性質都有顯著的變異性、以及14、非均質性，因此選擇開敞式掘進機的目的是除發揮出它所具備的硬巖掘進性能外，它還具備了在不借助其他手段和措施的條件下，具有通過軟弱圍巖、斷層等不良地質的能力，可獨立地完成不良地質隧道的掘進。開敞式TBM在對付較完整、有一定自穩性的圍巖時，能充分發揮出快速掘進的優勢。特別是在硬巖、中硬巖掘進中，強大的支撐系統為刀盤提供了足夠的推力；使用開敞式TBM施工可以直接觀測到被開挖的巖面，有利于對已開挖的隧道進行綜合地質描述，及時調整掘進參數。特別是開挖和支護分開進行，使開敞式TBM刀盤附近有足夠的空間用來安裝一些臨時、初期支護的設備，如鋼拱架安裝機、錨桿鉆機、超前鉆機、噴射混凝土機械手等，應用新奧法原理使這15、些輔助設備可及時地、有效地對不穩定圍巖進行支護。以維護和利用圍巖的自穩能力為基點，采用錨噴聯合支護體系，及時進行支護，有效地控制圍巖的變形，使圍巖成為支護體系的組成部分，形成了以錨桿、噴射混凝土和圍巖三位一體的承載結構，共同受力，保持圍巖的穩定。（2）開敞式掘進機是長大水下隧道最好的選擇 圖22 開敞式TBM圖23 護盾式TBM （4）雙護盾、單護盾TBM具有四大缺點 1）靈敏度高、長度/直徑1，易精確調方向可在30mm內；2）能夠及時對不良地層進行及時支護，時空效應好，不易塌。總之，開敞式TBM既適用于硬巖地層，也很適用于軟巖地層，大伙房87km供水工程應用非常成功。1）靈敏度低，很難精確快16、速調整到位；2）由于后盾較長，不易及時支護，易塌方，易卡死，如臺灣坪林隧道;3）造價高，是開敞式TBM的1.3倍;4)襯砌必須用管片，造價高于復合襯砌的2倍左右。因此，雙護盾掘進機經工程實踐驗證不宜使用。（3）開敞式TBM具有兩大特點 圖24 臺灣雪山（坪林）隧道雙護盾掘進機 1、跨海、江的隧道位置選擇及兩端接線方案；2、海中、江中水文地質的勘測：河勢、河床穩定性、沖刷的規律，施工中的工程地質預報；3、隧道最佳埋深的確定及斷面坡度設計，不同施工方法有不風埋深，沖刷線確定埋深及施工方法 ；4、施工方法的確定：鉆爆法、盾構法、TBM法、沉管法或小TBM+鉆爆法等；5、隧道建設的合理規模確定：鐵路、公路、復線、雙向四車道、六車道；6、隧道建設標準的確定：設計速度、曲線、豎曲線半徑、牽引坡度等；7、先進的隧道支護和襯砌的設計方法，襯砌采用復合式；8、先進隧道施工技術確定；9、隧道的防排水系統確定；10、隧道的運營通風方式的確定，豎井是否設置及位置；11、隧道防災、照明、監控的標準確定，設計原則應突出自救、自報、從簡、低成本運營；12、隧道項目管理及融資；13、建設過程中對規劃、設計、施工、運營四個階段安全、風險分析。