近些年，伴随经济社会的进步和城镇化程度提高，我国水下隧道建设十分活跃，许多具备超长距离、巨大直径、深埋以及高水压等特征的水下隧道相继落成。现阶段，我国在水下盾构隧道工程方面规模最为宏大，数量最为丰富，地质状况与结构种类最为多样，建造技术进步最为迅速，位居世界领先水平。
中国工程院院刊《Engineering》在2017年第6期上刊登了中铁隧道集团公司总工程师洪开荣的文章《中国大陆典型水下隧道工程案例与技术》。文章根据施工技术进行划分，概述了国内水下通道的演进过程及当前状况，并且通过剖析代表性水下通道项目，说明了采用盾构技术、爆破开挖、沉管技术建造的国内数个关键水下通道工程，以及这些工程中运用的新技术如何攻克了诸如地质全面预测、浆液注入强化技术与流程、软弱地质超浅层大跨度通道的设计与建设、限制排水减压换刀、孤石探测与处置、高地震区水下通道施工、沉管基槽高回填治理等核心难题；全面评估了当前的技术储备与建设实力，针对国内三大海峡要道（琼州海峡要道、渤海湾海峡要道、台岛海峡要道）提出若干见解，并强调海峡要道建设仍需深入探讨的若干课题。
一、引言
我国陆地沿岸总长为1万8千公里，海岛沿岸总长为1万4千公里，所辖岛屿数量将近6万，其中面积超过500平方米的岛屿有6536个，这些岛屿中有人类居住的共455个。区域交通网布局不均衡导致整体经济水平参差不齐且运行开销增加，另一方面，国内江河系统发达，主要水道超过二十八条，但河岸两侧的通行不便严重限制了城市扩张的潜力，当前中国经济的持续进步使得突破天然水域对发展的阻碍变得至关重要。所以修建各式海底通道势在必行，我国由于人口稠密土地稀缺，在架设跨河跨海通道时水下工程更为有利，全球范围内，近百年来竣工的各类水底交通隧道数量已超过一百座。
二、中国大陆水下隧道建设简史与现状
（一）盾构法修建水下隧道
1965年5月，我国大陆着手建设首条横跨黄浦江的打浦路隧道，该隧道总长度为2761米，其中位于江底的部分约600米，到1971年6月正式完工并投入使用（图1）。从那时起，国内建设了许多穿越江河、跨越海洋的盾构工程，涵盖了地铁线路、铁路通道、公路桥梁、取水工程以及输送能源的管道设施，这些隧道的截面宽度从2.4米到15.2米不等，例如曾经全球最宽的上海长江通道，它同时承载公路与地铁交通，还有连接广州、深圳、香港三条高速铁路、时速可达350公里的狮子洋地下通道。这些隧道多数是双洞构造，包括单层或双层设计，但也存在单洞双线的公路隧道，例如上海上中路隧道。隧道穿过的典型地质有华东的软土层云开·全站体育app登录，成都和兰州的卵石层，以及华南的复合地层，这种地层的强度变化大且普遍较高。当前正在施工的汕头苏埃通道，是一座极具挑战性的海底盾构隧道。
图1 上海打浦路隧道
（二）沉管法修建水下隧道
宁波甬江水下隧道系中国首条运用沉管技术建造的水下通道，该隧道规划为单孔双车道设计，整体长度达到1019米，其中水下部分长420米，由五节沉管构成，每节尺寸为“4×85米加80米”，管段宽度为11.9米，工程于1987年6月破土动工，1995年9月底正式对外开放交通。在同一时期，1990年10月启动了广州珠江沉管隧道的建设，1993年12月完工，这条隧道整体长度为1380米kaiyun全站网页版登录，宽度为33.4米，其中沉管部分由五节组成，总长457米，隧道内部设置三个独立通道，西侧的两个通道设计为双向四车道，东侧的通道则为单孔双线地铁专用道，所有管节均由钢筋混凝土材料构成，主要采用岸上控制浮运沉放和水力压接的技术方式进行安装（见图2）。之后修建了上海外环路隧道等11座沉管隧道（表1）。
（三）钻爆法修建水下隧道
厦门翔安隧道是中国首个运用爆破开凿方式建造的海底通道，项目于2005年9月启动建设，到2009年11月时三条隧道已全部建成连通，并于2010年4月26日正式投入使用（见图3）。此后，还陆续有其他水下隧道采用同样的爆破方法建设完成（见表2）。
图2 岸控式管节浮运
图3 厦门翔安隧道
表1 中国大陆沉管隧道一览表
表2 中国大陆采用钻爆法修建的水下隧道一览表
（四）我国水下隧道修建技术
过去十年间，伴随经济持续增长以及城镇化程度逐步提高，我国水下隧道施工进度显著加快，数量明显增多，据非官方数据，当前已竣工水下隧道超过百座kaiyun.ccm，另外还有二十余座正在建设之中，这些隧道绝大多数运用了盾构技术进行建造，沉管技术也用于了十三座隧道的建设，而采用钻爆技术的仅有三座，还有极少数项目结合了钻爆技术与盾构技术，并在核心施工技术方面取得了创新性进展。
钻爆法隧道领域，研制了整体地质前兆探测方法，改进了远距离支撑和环向排水水泥浆注入工艺，攻克了水下工程经过断裂带松散地层、侵蚀深沟等挑战，保障了作业过程安全可靠。在城区水下松散围岩区域，研发了依据工程手段制定最小埋深的方法，设定了逐步控制变形的规范，顺利完成了跨度为25米、横截面积为376平方米、覆盖与跨度之比仅0.46的水下交叉隧道工程。
盾构技术取得重大进展，成功研制并应用了直径超过十五米的盾构机，攻克了多种复杂地质条件下的隧道施工难题，包括大断面软硬不一地层、花岗岩球状风化地层、大卵石地层以及高水压环境，研发了限排减压换刀技术，掌握了盾构对接技术，并改进了盾构常压换刀技术。
在沉管隧道建造领域，研制了移动式干船坞内管节制造和运输、沉置工艺，构建了海上大型人工岛建造方法，创造了海底深层、超长沉管隧道建设方法，于水位落差显著、水流湍急的河流中游区域建造了大型沉管隧道。
三、已建成的几座典型水下隧道
（一）厦门翔安海底隧道
厦门翔安海底隧道总长6.05公里，其中跨海部分达4.2公里，规划为双向六条车道通行通道。该隧道落成之后，厦门岛内前往翔安区的行车时间从原先的一小时半显著压缩为仅十分钟。
厦门翔安海底隧道横截面包含两条主干道，以及一条辅助通道，两侧是正线通道，开挖面积达到170平方米；中间是辅助通道，上面设有维修车辆行车道和紧急逃生通道，下面布置有市政管线隧道。厦门翔安隧道为了解决隧道内空气流通难题，在沿海区域建造了两座通风井，通风井的安排见图4。为了应对紧急情况，整条隧道共设置了12个横向连接通道。隧道路线面临的最大海深达到26.2米，海底最薄的土层厚度为28.4米，隧道的最低位置在海平面以下大概65米。
图4 厦门翔安海底隧道平面、通风竖井布置与隧道开挖方法图
隧道主体穿越微风化岩石，然而，邻近河岸区域普遍存在强风化岩层，翔安一侧的浅滩地带部分下切水砂地层，海洋区域多处形成强风化深坑，这些地质特征对工程实施构成显著障碍，具体情况参见图5。为应对这一情形，在岸边区域实施洞内与洞外相结合的降水措施，在海底部分则运用地质预先探测（见图6）、邻近区域预先注浆防水及强化、预先支撑等工艺方法，将“周边环形注浆”“分步向上注浆”作为“整体环形注浆”的替代方案，大幅压缩了注浆强化的作业区域，同时借助优化后的设备明显提升了作业成效。
图5 厦门翔安隧道地质断面图
图6 地质超前预报方法及超前注浆处理
（二）长沙湘江营盘路隧道
长沙湘江营盘路隧道的主线是双向四车道，从咸嘉湖路开始，到营盘路结束，整个长度有2850米，设计时的速度是50千米每小时。在西边设置了A和B两个匝道，东边设置了C和D两个匝道，这些匝道都是单车道，设计时的速度是40千米每小时，它们的总长度是2752.4米，都是用钻爆法建造的，它们的平面安排在图7中可以看到。营盘路隧道下穿的地质构造包含圆砾地层、完全风化的板岩层以及重新填筑的土壤层，这些地层的渗透性能好，自身稳定性不足，在挖掘时容易发生坍塌和渗水现象。此外，隧道在江底部分还经过了三条断裂带，这些地带地质结构破碎。参见图7。
营盘路隧道顶部地层由淤泥质土、圆砾以及强风化板岩构成，针对这一地质特点，研发了依托工程措施的最小埋深设计方案，设定了变形逐步控制规范，并且运用了“管棚先行、分层掘进、双层同步支护”的技术措施，确保了隧道整体稳固性，顺利完成了跨度25米、面积376平方米、覆跨比仅0.46的超浅埋式水下隧道的建设。于圆砾地层里那四孔立交的交汇处，选用的是浅埋式全暗挖技术，施工程序遵循“先挖下方后筑上方，各工序交错推进，预先加固围护，分段落完成，即时铺设衬砌”的原则，成功攻克了上下隧道间距仅0.5米、横向净空仅2.8米的施工难题。地下交叉的设计方案，有效衔接了湘江两岸的城市交通脉络，实现了建设目标与实际用途的完美融合。
图7 长沙湘江营盘路隧道平面与纵断面图
（三）广深港高速铁路狮子洋隧道
狮子洋隧道地处广深港高速铁路客运专线的东涌站至虎门站路段，整体工程绵延10.8公里，其中盾构段长达9340米，该隧道内径为9.8米，外径为10.8米，两条隧道之间布置了23个连通通道。这座隧道是全球首个支持350公里时速列车通行的水下铁路通道，同时也是我国建造的第一条超长距离水下隧道。狮子洋隧道盾构部分从三个珠江入海水道下方通过，这包括小虎沥、沙仔沥和狮子洋水道，狮子洋水道是珠江航运的主要通道，其最大水深为26米。隧道顶部覆盖土层最厚处达52.3米，最薄处为7.8米；在水下部分，覆盖土层厚度最小为8.7米，设计承受的水压高达0.67兆帕。
狮子洋隧道主体部分穿行于微风化砂岩、砂砾岩以及砂质泥岩地层，这些岩石能够承受的最大抗压强度为82.8兆帕，其中石英成分的最高比例可以达到55.2%。该地层的最大渗透性能指标为6.4×10–4米每秒。狮子洋隧道的地质结构示意图参见图8。
图8 狮子洋隧道地质断面图
这项隧道工程中，研发了独特的排水降压换刀方法，针对渗透性强且地层破碎的情况，依据流体与固体相互作用的原理，借助封闭空间内的排水降压，形成了在低压环境下稳定开展进仓作业的方案，狮子洋隧道应用该技术后效果显著，降压幅度高达百分之三十四点四。隧道建设运用了“从两头向中间挖掘、在地下进行拼接、在隧道内部分解”的建造方法，拼接的准确度实现了水平方向错位28.5毫米、垂直方向偏差19.6毫米，图9展示了真实的拼接完成状况。
图9 实际对接效果
（四）台山核电取水隧洞
台山核电站取水隧洞地处陆域腰古咀和大襟岛之间的海域，隧道总长度达4330.6米，掘进时的断面直径为9.03米，隧道距离地表的深度在10米到29米之间，两条隧道的中心线相距29.2米，施工时运用了气垫式泥水盾构技术，隧道管片里面还安设了额外的支护层。该引水渠道的出水部分行进于燕山期花岗岩(γ5)地质构造中，而进水部分则穿行于泥盆系老虎头组(D2-3l)的粉砂岩和变质砂岩层内，其余区域由粗砾砂以及砾砂质黏土构成；工程建设的最大挑战在于微风化花岗岩的强度最高可达到197兆帕，并且局部地带还存在球状风化花岗岩的孤石，具体情况参见图10。
图10 台山核电取水隧洞工程示意图及球状花岗岩孤石
针对前述挑战，借助实时动态系统，运用高频密集地震波，实施密点距多通道叠加探测，成功研制出基岩突起及孤石海底精准勘测方法，精确锁定基岩顶界与孤石方位；同时研发出“海底测定岩层位置与范围的控制爆破方法”。作业期间针对坚硬岩石实施了“水下地底引爆”，在爆破后对岩石取样检测表明：样本多数长度不足三十厘米，仅有极少数介于三十至五十五厘米之间。得益于这些方法的应用，大约二百米长的岩石区段盾构推进过程十分顺畅（图11）。
图11 展示了精确测定基岩顶部及单个石块的空间位置的三维示意图，同时呈现了彻底清除基岩后获取的岩芯样本照片
四、在建的典型水下隧道
（一）佛莞城际铁路狮子洋隧道
佛莞城际铁路狮子洋隧道是珠三角城际东西主轴线的关键性工程，也是继广深港高铁狮子洋隧道后新建的第二条从狮子洋底下穿过、采用盾构技术的水下隧道。该隧道整体长度为6.15公里，横跨水域的宽度大约1.8公里。施工时主要运用盾构法，其中盾构机单独掘进的距离达到了4.9公里。
这项工程最突出的地方在于承受的水压非常高，并且需要在地质条件复杂多变的长距离隧道中施工，计划中的水压值高达0.9兆帕，同时同一个横截面上，岩石软硬程度差别极大，强度差距达到了84.6兆帕，这给盾构机的推进过程以及刀盘的维修工作造成了非常严重的挑战，因此决定使用整体式常压下滚刀替换方案来应对这一难题。施工期间，要避免刀盘中心4.8米直径区域完全封闭导致泥饼产生，需要确立掘进速率、地质状况与核心冲洗量之间的联系。同时，针对常压刀盘下，土渣需行进3.97米才能抵达吸渣口可能引发的淤堵和输送不畅现象，研发了完善的掘进管理方案，为我国建设超深埋水下盾构工程提供了技术支撑。
图12 隧道纵断面
（二）汕头苏埃海底隧道
苏埃隧道项目属于广东省汕头市干线公路网布局中的纵线国道G324的扩建工程，采用Ⅰ级公路标准建设，具备双向六车道的通行能力，同时承担城市道路的部分作用，规划的主线行驶限速为每小时60公里。该项目的整体路径总长度为6.68公里，其中地下隧道部分长达5.3公里，采用盾构法施工的区间为3047.5米，盾构隧道的外部直径测量为14.5米，隧道的平面布置图参见图13。
这条隧道是中国境内首个在8度地震强度区域的海洋下穿工程，它需要穿越多种复杂地质条件，包括极软的土壤、孤立的岩石，以及隧道顶部上方为海相的淤泥质土和抗压强度达到216MPa的花岗岩等地质难题。隧道建设在结构上采用了多种先进技术，例如抗震、减震以及隔震的综合运用，如图14所示，通过运用能够适应较大形变的连接构造，实现能量的集中释放；同时，运用抗压变形性能突出的同步注浆材料，发挥出有效的隔震效果。在处理硬度较高的局部岩石时，掘进机面临刀具超负荷的问题，因为隧道上半部分覆盖着非常松软的沙质黏土，为了应对这种情况，研究出一种监测刀具受力及工作状况的方法。
苏埃隧道工程地质状况极为复杂，施工挑战性极大，潜在风险也最为突出，在全球范围内同等级别的工程中都属于顶尖难度级别，其技术难题十分特殊，本工程的建设成功能够为国内未来大直径跨海盾构工程提供宝贵经验，并作为重要参照。
图13 隧道布置
图14 隧道纵断面及消能减震节点布置
（三）港珠澳通道沉管隧道
港珠澳跨海通道主体工程全长29.6公里，采取桥梁与隧道相结合的建设方式，穿越伶仃西航道和铜鼓航道部分约6.7公里，运用双向六车道的沉管隧道技术，隧道两端各建有一座海上人工岛屿，剩余约22.9公里路段则采用桥梁建设形式。这条隧道是中国在海中央首次建造的沉管工程，同时也是全球范围内最长、埋藏最深的水下隧道，其海底沉管需要精准放置在海床下方四十五米的位置，港珠澳通道沉管隧道的平面布局、人工岛建造围护结构、管段水上运输示意图参见图十五。
这项隧道工程在建设过程中，研发了海上大型人工岛屿的建造方法，改进了近入海口深水基槽管节沉放时的回淤控制措施，掌握了180米长钢筋混凝土管节在工厂的预制工艺，运用了八万吨级长管段的浮运方案，还独立研制了海上沉管隧道施工的大型设备，促进了我国沉管隧道领域的技术发展。2017年5月25日，港珠澳大桥沉管隧道最终接头成功与E29、E30两段沉管实现焊接对接，完成合龙作业。这一环节是港珠澳大桥6.7公里沉管隧道永久结构建设的关键步骤，象征着该项工程取得了重大进展和阶段性胜利。
图15 港珠澳通道沉管隧道的平面、筑岛围堰、管节浮运图
五、关于三大海峡通道的思考
琼州海峡和渤海海峡是中国东部铁路、公路交通大动脉的关键节点，这条大动脉从黑龙江延伸至海南岛，横跨11省市，总长度达5700公里，是连接南北的重要通道，台岛海峡则是大陆与台湾岛之间的重要连接纽带，这三处海峡通道的完善对我国具有极为重要的战略价值。
（一）琼州海峡通道
琼州海峡最窄处达18.3公里，海水深度介于20米至117米之间，海床往下200米深度地层主要由第三系和第四系黏土、粉土以及砂层和砂砾层构成。经过前期对东、中、西三条路线方案的研究分析，中间路线的隧道方案被确定为最佳选择，并且适合运用盾构技术进行建设。
海南岛的生态环境需要加以保护，因此不建议让大量汽车随意通行海峡，通道最好以客货两用的铁路隧道形式来建造，部分汽车进出岛屿可以借鉴英法海峡通道的经验，让列车背负汽车穿越海峡。参考国内外目前20公里以上运营隧道的实践，铁路隧道在横断面上可以只设置双洞单线隧道（图16）。这个隧道具有埋藏深、水压强的特点，所以需要使用常压刀盘盾构技术进行建设，并且依据盾构机械的功能和耐用程度，可以安排四台盾构设备进行“从两端向中间掘进、在地下进行连接”的施工方式，连接位置的地层需要进行冷冻处理，这将是整个工程的关键技术难点和核心环节。
图16 双洞单线铁路隧道
（二）渤海湾海峡通道
渤海湾通道是我国东北通往华东乃至南方的最便利快捷路径，由于老山水道作为关键的海上通道，无法架设桥梁，并且该水道宽度达到五十公里，现有的公路隧道建设方案难以满足通风和防灾救援的需求，因此现阶段应优先考虑建设铁路通道，同时需为未来修建公路隧道预留线路条件。渤海海峡通道的地理位置参见图十七。
渤海湾通道附近分布着许多岛屿，这种地形条件很适合采用分段建设隧道的方式，同时也能有效处理施工期间和正常使用时的通风难题，并且方便进行紧急情况下的救援行动。根据应急救援和紧急撤离的需要，可以设计三条平行的隧道，把中间那条隧道用作紧急救援的通道（图18）。隧道埋藏较深时，基本位于基岩之中，岩石类型多为花岗岩，施工时可选用直径约十米的“TBM与钻爆法”组合工艺，然而在海洋环境中，单头掘进的TBM要超过二十五公里，是一项艰巨的难题。
图17 渤海海峡通道地理位置
图18 三洞平行铁路隧道
（三）台岛海峡通道
台岛海峡通道需横跨超过百公里的海域，该水域平均深度约85米，地质构成以第三系砂岩与页岩的交错层为主，部分区域厚度不均，其中近水平层面的砂岩和页岩厚度介于200至300米之间，因此采用铁路隧道建设方案或为当前最优方案，施工时可结合开放式TBM技术与钻孔爆破方法进行。
依据未来规划蓝图，权衡长远布局与建设可行性，海峡铁路隧道工程拟采用八车道方案，包含两条搭载式轨道，并执行客运与货运分离运作模式。
台岛海峡隧道因为渤海湾通道线上缺少可以利用的天然岛屿，所以建造起来更加困难。这项工程的技术难点包括，首先，怎样在深海区域搭建作业平台，以便进行隧道的分段建设；其次，对于长达上百公里的海底隧道，如何确保其运行安全，并考虑防护和救援措施。
六、结论与建议
经过三十年的持续进步，我国在水下隧道建设方面已取得丰硕成果，积累了丰富的实践经验，完全掌握了建造超长水下通道的各项工艺，技术实力与创新潜能都非常雄厚；所以，面对复杂的地质状况，或者复杂的环境因素，我国已基本具备了建设能够满足多种用途的水下隧道的技术实力与施工能力。
为了有效管理水下隧道施工中的潜在问题与项目成本，保障隧道正常使用时的安全，应当着手研究海上深水作业的井口平台方案，提升对水下隧道地质情况的探查能力，进一步探索长距离单头快速且安全的挖掘方法，深入分析大跨度水下隧道运行中的风险防范措施，以及隧道运行时通风系统的节能办法。
