对台湾海峡隧道建设方案的思考

对台湾海峡隧道建设方案的思考 2009年第 3期 No3 ??2009 总第 129期 Vol??129 对台湾海峡隧道建设方案的思考 林作雷 福建省交通质监站 350001 摘 要:改革开放 3O年来，祖国大陆众多越江跨海工程广泛采用 了隧道 建设方案。在未来宏伟浩大的跨海峡大通道工程中，随着 我国水底隧道建设技术的创新发展，认为海底隧道建设方案可作为海峡大 通道的主要选择。本文对将来兴建 台湾海峡隧道工程 的有关技术问题进行分析阐述，主要讨论 了我国隧道建设的技术发展 、 海底隧道方案的主要优点、海底隧道的施工技术等内容。 关键词:海峡 隧道方案 技术 优点 中图分类号:U452 文献标识码:A 文章编号: lO04--6135 2009 03--0134--04 F ( ConsiderationoilTaiwanStra itTunnelConstructionScheme 福 扑 Iinzuolei fujiancommunciationsengineeringqualitysupervisionstation 350001 Abstract:After30yearsofreformandopening-up，alotofcross― riverorcross―seaprojectsusetunnelschemeinChineseMain― 建 e land(Forthefuture-hugeover-straitstunnelprojectswiththeinnovationand developmentofsuhaqueoustunnelconstructiontech― nique。 underseatunnelconstructionschemecanbethemainchoiceastheroutewayofstra its(Thisdissertationwilldiscussand 建 , analyzetherelevanttechnicalissuesofconstructionofTaiwanStraitTunne1( Themaindiscussioncontentsareasfollowing，teeh― nicaldevelopmentoftunnelconstruction， mainadvantageofunderseatunnelscheme， constructiontechniqueofunderseatunneland etc( 筑 眦 Ke?ywords:straits tunnelscheme technique advantage 1 前言 1 世界拟建海峡隧道概况 工程界专家曾预言:19世纪是桥梁发展的时代，2O世纪是 国名 隧道名称 隧道长度 ,km 最大水深 ,m 城市高层建筑的时代，21世界将是地下工程开发利用的时代。 目前，世界各国建设的水底交通隧道已达到 150多座 ，我国已 建和在建的约 12座，未建的大型海底隧道建设方案也在规划 论证中。世界上最早建成的海峡隧道是 日本 2O世纪4O年代 在关门海峡修建了海底隧道，1998年建成的 日本青函隧道，海 底埋深 100m，最大水深 140m，隧道全长54km，是迄今为止世 界上最长的海峡隧道;1994年建成的英吉利海峡隧道，隧道全 随着我国经济迅速崛起和交通基础设施蓬勃发展 ，极大推 动和促进水底隧道建设技术的进步。国内厦门翔安海底隧道、 长5O(5km，其中海底隧道长37km，最大水深60m，海底最小埋 青岛青黄海底隧道工程的相继开工建设、大连湾海底隧道建设 深21m;1996年建成通车的丹麦大海峡隧道，长度 7(9kni，最 方案已经国家发改委批准，即将动工兴建、琼州海峡跨海公路 大水深60m，最小埋深 66m。据不完全统计，全世界已修建的 铁路两用通道前 期工作的紧锣密鼓进行，显示我国海底隧道修 海峡主要隧道约 197(6km,25座，众多海峡隧道也在规划论证 建技术已经跨入穿海越洋时代。 中。据2007年俄罗斯披露，俄美合作将在白令海峡修建一座 2 我国隧道建设的技术发展 长达 103km的海底隧道，计划投资2000亿美元，把俄罗斯的 改革开放前，由于建设的指导思想、经济、技术等原因，我 西伯利亚与美国的阿拉斯加连接起来。比俄美行动更迅速的 国公路隧道建设规模小 ，技术落后，5O年代仅有 3O多座总长 摩洛哥政府和西班牙政府，商讨共建一条横贯直布罗陀海峡隧 约25km的隧道。至 1979年国内共有公路隧道 52km,374座， 道，计划2008年开工 ，从而将非洲大陆和欧洲大陆连接起来。 铁路隧道 2009(7km,4386座 ，水下隧道仅 1座 Jz海打浦路越 表 1为国外计划筹建的大型跨海隧道工程 概况。 江隧道 ，海底隧道工程建设尚属空白。改革开放后，随着国民 经济发展和科学技术进步，隧道建设发展速度加快，隧道工程 建设规模位居世界前列。 在公路隧道建设 中，1993年我国公路隧道通车里程为 136km,682座 ，2000年公路隧道通车里程为 628km,1684座， 至2007年底，公路隧道通车里程为 1275(27km,4673座。已 一作收稿者简介期日程林2::OO师作9雷一桥，O，2男隧一专，l1业9354。年3月出生，总工程师、高级工 建成通车的西康高速公路秦岭终南山隧道长 18(02km，成为亚 2009年 3期 总第 129期 林作雷 ??对台湾海峡隧道建设方案的思考 洲第一世界第二长的山岭公路隧道 ，表2列举我国目前主要山 几十年数次大地震发生的受损情况看，多为桥梁垮塌报道，较 岭特长公路隧道 。 少出现隧道在震后受损中断交通的信息。我国汶川大地震由 表 2 我国主要特长公路隧道 于灾情发生在高山峡谷地区，地震及其引发的山体滑坡、崩塌、 泥石流等地质灾害，造成部分隧道洞 口被埋 堵 、洞内路面开 裂、二衬混凝土裂缝、错台等受损情况，但并未完全影响交通的 通行 。从所知 的数据统计显示 ，此次共受损 的隧道达 到 6(9万 m,73座 ，但并未影响抢险救灾时车辆的通行。如图 1 所示 。 值得一提的是，在公路隧道长度纪录不断突破的同时，我 国三车道、四车道大断面公路隧道大量兴建，在建的福厦高速 公路扩建工程中单洞四车道隧道及表 3所列我国主要宽幅公 路隧道，创我们公路隧道单洞跨度的新纪录。 表 3 我国主要宽幅公路隧道 图 l 汶川地震中隧道洞 口被埋、洞内路面开裂? 隧道抗震能力强的主要原因l6]:与地面结构相比，面坡随 着埋深的增加急剧衰减，对地下结构的影响较小;地下结构周 围的岩土分介质把从震源传来的地震波能量中的变频成分吸 收，使地下结构受到的地震载荷大大减小 表 4、图 2所示 。 根据大量的地震观测，发现地下结构与地面结构反应特性的差 在铁路隧道建设中，1949年前我国铁路隧道通车里程仅 异主要表现为: 156km,664座;到2006年国内建成的铁路隧道 4314km,7538 表 4 隧道破坏程度与隧道埋深的关系[s] 座，其 中3(Okm以上长隧道 209座 ，1Okra 以上特长隧道 22 座;台湾地区建成通车的 5km以上高速铁路隧道 27(28km,4 座;我国已是世界上铁路隧道拥有量最多的国家;尤其是在 2O 世纪8O年代末京广线建成的 14(290km大瑶山隧道 ，21世纪 初建成通车的 18(45kni西康铁路秦岭隧道，在建的20(05km 兰武铁路乌鞘岭隧道、27(88km石太客运专线太行山隧道及刚 动工建设的向莆铁路永泰青云山22kni隧道，使我国山岭铁路 单洞隧道长度在世界最长铁路隧道排列中榜上有名。 近十年来 ，水下公路隧道工程建设蓬勃发展 。2006年开 ?严 重 工建设的6(05km厦门翔安海底隧道，是大陆第一条跨海公路 隧道 ，第二条长 6(2km青岛青黄海底隧道于 2007年动工建 ?中度 设 ;已建成通车的3(51kni上海宗明长江隧道 ，采用盾构法施 口轻度 工，盾构机直径为 15(43m，为 目前世界最大盾构直径;已建成 口无损 的2(88km上海外环线黄浦江隧道，采用沉管法施工，双向八 车道 ，其跨度为亚洲第一，世界第二，标志着我国在沉管、盾构 水下隧道领域达到了国际先进水平。据不完全统计，大陆跨海 隧道埋深 m 江 公路隧道建设长度约 39(66km,12座，其 中盾构法 图2 隧道破坏程度与深埋的关系[j] 17(17km,6座，沉管法6(39km,4座，钻爆法 12(1km,2座。 I 地下结构的振动变形受围岩的约束作用显著，结构的 3 海底隧道方案的主要优点 动力反应一般不明显表现出自振特性，特别是低价模态的影 进入21世纪后，建设工程的观念发生跨越式的变化，人们 响; 已经认识到 “遇水架桥”不再是唯一选择，“遇水钻洞”已被广泛 2 地下结构在振动中的主要应变一般与地震加速度大小 认识 。从 目前国内外海峡通道的建设形式看，主要有轮渡、桥 的联系不很明显，对地下结构动力反应起主要作用的因素是围 梁、隧道和桥隧组合四种形式。和跨海大桥方案比选，笔者认 岩的运动变形，而不是围岩加速度。 为在海峡通道超前规划阶段可以选择隧道工程方式作为主要 筹谋方案 ，这是因为跨海峡隧道方案具有以下技术特点: 虽然隧道工程具有较强的抗震性能，但从汶川大地震隧道 3(1 具有较强的抗震能力 结构受损来看，还必须重视隧道的抗震设计。为避免或减小地 1998年 1O月美国旧金山发生 7(1级地震，损失 2O亿美 震造成的破坏，隧道在穿越活动断层中采用全断面的钢筋混凝 元，隧道工程几乎没有受损。被誉为 “地震王国”的日本处在环 土二衬结构，以适当的钢筋量满足最高与最低钢筋比的， 太平洋地震带上，每年平均发生大小地震多达600多次，从近 使衬砌的刚度与韧性处在最合适的状态。同时采用刚柔接头， 2009年 3期 总第 129期 林作雷 ??对台湾海峡隧道建设方案的思考 可承受地震、海流冲击荷载作用下的变形。 泛;单护盾 TBM 掘进模式仅适用于 自稳式或不坍落的 取 肖 3(2 具有较好的抵御 自然灾害的能力 软弱岩土整体性及稳定性差的软岩地层，衬砌采用预制的钢筋 台湾海峡为亚热带海洋性气候，夏秋时期盛行台风、浪大、 ?昆凝土管片。 水急、冬春季节大风、大雾、暴雨。尤其是不可抗拒的台风，每 年 1O级以上强热带风暴频发，仅 2005年发生7次强台风。海 底隧道工程可以不受台风等海洋性气候变化的影响，可全天候 运行，具有稳定的运行能力。1994年建成的 日本青函海底隧 道，从此结束了每年因极端海洋性气候造成的 80多天不能通 航的历史。1986年在 日本山阴余部发生的一起震惊世界的巨 大惨案，当时正在跨海大桥上行驶的一列火车，被风速仅为 25m,s的强风吹翻坠入大海 。 3(3 具有 良好的保护生态环境和开发海洋资源的能力 海底隧道可保护广阔海域、海滨 自然景观、水天一色的天 图4 单双护盾 TBM盾构掘进机 然美景，人与建筑物、建筑物与 自然的和谐统一。可利用洞渣 TBM法施工的主要特点:?掘进效率高速度快、成型好; 围海填荒滩，人造土地，点土成金，增加陆域土地面积。 ?双护盾TBM法 自动化程度高，可实现凿岩、出碴、运输、衬 海洋是人类生产和生活不可缺少的领域。随着科学技术 砌 多工序联合作业 ;?护盾 "IBM施工安全易保证;?双护盾 的不断发展，科学家们将来还可配合海底隧道工程建设，综合 TBM施工质量易控制。 研究和开发海域资源。如海洋生物资源、海水化学资源、海洋 4(3 沉管法 矿产资源;也可以在海水中建立多功能的休闲游乐园和建立海 沉管法是2O世纪初发展起来的一种建设水下隧道方法 ， 底步行观光世界，可借鉴 日本东京湾海底公路隧道经验，在隧 据不完全统计 目前全世界已建成 150多座，国内至今已建成 5 道通风换气竖井处建设台湾海峡海上景观嘹望台。 座沉 管隧道 表6 。该法具有以下特点: 3(4 不影响海上通航 表 6 国内主 要越江沉管公路隧道工程 4 海底隧道方案的施工技术 穿越海底隧道方案选型，目前 国内外主要有深埋海底隧 道、沉管隧道、悬浮隧道三种。我国在山岭隧道和越江跨海隧 道工程的建设中广泛运用钻爆法、TBM法、沉管法、盾构法等， 部分水下隧道还采用了围堰明挖法，都获得了成功。 4(1 钻爆法 ?埋深浅，便于与陆地接线;?工期短，对交通干扰小;? 我国山岭隧道大多采用较为成熟 的钻爆法施工。大陆 适应各类地质层 断面尺寸选择 自由度大 2005、2007年相继开工的厦门翔安海底隧道和青岛青黄海底 4(4 盾构法 1993年建成通车的英吉利海峡隧道工程，全长49(24km， 隧道采用钻爆法施工 表 5 。世界上已建成的众多海底隧道 海底隧道长 37(5km，开创了盾构法施工的世界之最。我国盾 均采用钻爆法施工:如 日本的新关门隧道、青函隧道、冰岛华尔 构隧道施工近年发展较快，表 7为已建成8座采用盾构法施工 海峡隧道、英国的墨尔西隧道和挪威众多海底隧道等。作为大 的越江隧道。上海崇明长江隧道一一隧桥工程全长25(5km， 陆第一条海底 隧道 一一厦 门翔安海底 隧道，它在采用 为六车道高速公路，是世界上最大的隧桥结合工程之一，隧道 TSP203、地质雷达、声波探测仪等仪器探测和超前探孔预报 长2x8955m，盾构直径为 15。43m，内径为 13(7m，盾构隧道长 法、超前深孑L注浆固结不良地层、强行穿越风化深槽等关键技 7470m，是世界上最大直径的盾构隧道。 术领域获得巨大成功，为今后海底隧道钻爆法修筑提供宝贵的 盾构机为泥水平衡盾构和土压平衡盾构两大机型，适应于 可鉴技术经验。钻爆法施工具有以下特点:?实现隧道施工机 不同地质水文条件，主要特点:?适合于穿越软弱围岩，大直径 械化?施工工法灵活多变?配套灵活多变的辅助工法，适应各 盾构机在饱和地层中推进施工更为优势 ;?施工机械化，自动 类地质条件。 化程度高，掘进速度快， 施工工期短，劳动强度低;?在盾构设 表5 囤内钻爆法施工海底隧道 备掩护下，掘 进与衬砌作业安全可靠;?有利于地表建 构 筑 物的保护。 序号 隧道名称 隧道长度 ,km 施工工法 最大水深 m 最小埋深 m 表7 国内主要越江盾构公路隧道工程 4(2 TBM 法 国内岩石隧道工程施工主要采用敞开式和双护盾两种隧 道掘进机。敞开式 TBM用于围岩条件较好、岩石强度较高、 没有破碎带、断层涌水的岩层;衬砌采用现浇钢筋砼衬砌。双 护盾TBM分双护盾掘进模式和单护盾掘进模式 土压平衡式 或泥土平衡式图4 两类 :双护盾式TBM掘进机掘进模式适用 于条件同敞开式TBM硬岩或软岩的混合层施工，适应性较广 下转第 140页 2009年 3期 总第 129期 林贤恩 ??公路施工放样中若 干问题探讨 首先将积分区间[DK一，DK]划分为”等分，步长为H 1 在两已知点间通视条件比较好时，才用全站仪的极坐 DXl 一DK^ ,n，分点里程为DXK―DKA+KH，K一0，1，2， 标放样方法，可以很方便的完成作业。 „ ， ，记子区间[DXK，DX ]的中点里程为DXK(，则DXK+ 2 偏角法在 曲线放样中的应用，由于受地形条件的影响， DXu+D KH ,2，K一0，1，„，一 1。 在曲线上有些点难以通过传统的方法来进行放样时，我们才用 由此式 9 表示为 了偏角法来完成。 r T ，r_l ”一 1 3 由于公路是呈线状分布的，对控制点的需求比较高，因 X XA+ co +4?cosa专+2?co +c。 1 此我们要采用合适的方 法来布设控制点。 r厂1。 ‘r，1 „ 1o 4 随着测绘技术的发展，公路施工放样也得到了发展，特 Yi―Ya+ si嗽+4?sina+2?sina+sina l 别是随着GPS--RTK技术的成熟，会使工程放样工作带来质 为满足点位坐标计算精度，经验算取 ”一4。无论是直线 的提高。 段、圆曲线段、回旋曲线段，只要将各曲线段中的起点、终点的 参考文献 曲率、起点的切线方位角和里程以及解求点里程DK 和各分 [1]李青岳，陈永奇主编(工程测量学[M](北京:测绘出 点里程代入式 2 、 6 、 10 便可获得待求点DK 的坐标。在 版社 ，1993 计算时，要注意曲线的偏向。 [2]武汉大学测绘学院，测量平差学科组编著(误差理论 4 结束语 与测量平差基础 [M](武 汉:武汉大学出版社，2002 随着经济的发展，交通设施的不断完善，对公路的需求也 [3]武汉测绘科技大学 《测量学》编写组编著(测量学 越来越大，对质量要求也越来越高，因此公路施工放样技术也 EM](北京:测绘出版社，1994 应得到改进。本文主要对公路施工放样中偏角法测量、匝道定 [4]聂让编(全站仪与高等级公路测量[M](北京:人民交 位等方法进行了分析和探讨，总结了经验，提出了问题，加深了 通出版社， 1997 对理论问题的分析和理解，使这些方法得到进一步的改进和完善。 [5]李文渊，钱绍武编(道路施工工程师手册[M](北京:人 结论和建议 民交通 出版社，1996 上接第 136页 2005年9月动工修建， 目前施工进展平稳顺利，预计 2009年 4(5 围堰明挖法 底可建成通车。届时，中国人将拥有 自己的第一条海底隧道。 围堰明挖法主要适合于水深不大或浅滩，具有简单、经济、 青黄海底隧道施工也正在紧锣密鼓的建设当中。国内已啊有 快速、安全及与既有公路方便顺接，进 出口纵坡较小等特点。 较多的海底隧道施工经验，并不断丰富。对于跨越琼州海峡和 陕西宝鸡渭河隧道、杭州西湖等水下隧道均采用此法。 渤海海峡通道工程、对于还在酝酿中的台湾海峡隧道，都将是 4(6 悬浮法 很好的案例引导。厦门翔安海底隧道的成功修建，也必将掀起 挪威6座水下隧道采用悬浮法，居于世界领先地位 ，日本 中国海底工程修建的新篇章 ! 和意大利已开始运用此法。我国从 2O世纪末开展了悬浮法隧 台湾海峡通道的研究，从 1998年开始，分别在厦门、平潭、 道的科研工作，2000年 6月浙江省科技厅与意大利政府在北 福州等地召开五次研讨会。2007年 4月在福州由福建省交通 京签署了中意科技合作，2005年 2月分别在北京、上海、 协会组织 召开第一届海峡两岸通道 桥隧 32程学术研讨会，进 罗马和布鲁尔四大城市举行洲际电视会议，目前尚在研究中。 而大大推进了台湾海峡跨海通道研究的工作步伐。鉴于该工 5 结束语 程是一个多学科、高科 技、高难度、耗资巨大的工程、建设周期 中国隧道建设发展迅速，不论是数量还是规模，都跃居世 长、跨越方案 ，设计施工和运营全寿命周期内的工程风险评估 界前列，各种复杂地质条件下的隧道施工技术 日益完善，特别 等问题，都是世界性技术难题。因此，笔者建议 :及早建立一个 是近几年穿江越海隧道的成功建设 ，为更大规模的海底隧道建 前期研究机构，在已兴建或正在兴建的海底隧道施工基础上， 设奠定了坚实的技术保障。建设一条连同祖 国大陆的地下通 着手进行有组织的台湾海峡通道的规划研究和地质调查等前 道 ，让台湾海峡天堑变通途，这是我们中华民族千百年来的梦 期工作，把跨海峡通道工程的关键性工程技术问题，列入科技 想。日本人想了6O多年，于1998年建成了青函海底隧道，在 部的国家重点研究发展计划 863计划 和国家重点基础研究 世界上掀起一股建设海底隧道的热潮;英 国人、法国人想了 发展计划 973计划 ，为争取台湾海峡跨海通道工程早 日实施 150多年，终于在 1994年建成了英吉利海峡隧道，穿越英吉利 建设储备技术条件。 海峡只需要 26分钟，从伦敦经过巴黎，到达比利时的布鲁塞尔 由于笔者知识面的局限，文中所述的偏颇和错漏很多。敬 也只需 3个小时。中国人从 1994年开始想建设琼州海峡跨海 请同行专家不吝纠正，谢谢。 公路通道，仅用了14年时间。于2008年 6月5日在海 口召开 注 : 第一次琼州海峡工程领导小组会议。会议原则通过了 琼《州海 Eli郑强平(“海底隧道:让人类 自由跨越海洋”EJ](中国交 峡跨海工程规划研究》和 《琼州海峡跨海工程规划研 通报 ，2007年8月( 究工作大纲》，琼州海峡跨海工程规划研究总将于今年年 [2--5]蒋树屏(“公路隧道技术的现状与发展”讲座[z]( 底完成，有望在”十二五”完成琼州海峡跨海通道工程的国家立 2008(7，福州 项审批工作。厦门翔安海底隧道从 1996年开始前期工作到