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遇水架桥是千百年来人类的习惯做法，随着水下地质勘探技术、施工水平的提高，以及地面交通压力的不断增大，水下交通隧道以其独特优势逐渐成为当今跨越江河湖海的新方式。水下交通隧道既不同于水上桥梁也异于陆地隧道，有其自身难点和特点。中国工程院院士、中铁隧道集团有限公司副总工程师王梦恕结合多年来对水下交通隧道的研究，以全球范围内的水下、海底隧道工程为例，对目前水下交通隧道发展现状及台湾海峡海底铁路隧道方案进行了详细阐述。
 王梦恕，隧道及地下工程专家，中国工程院院士，北京交通大学土木建筑工程学院教授，博士生导师，中铁隧道集团有限公司副总工程师。
1998年，清华大学21世纪发展研究院的吴之明教授提出，在大陆与台湾岛之间建设海底隧道进而连通高速公路网。随后，国内专家就台湾海峡海底隧道工程的可行性方案做过多次研究探讨，并提出了 “南、中、北” 三个方案。从情理层面来讲，修建台湾海峡海底铁路隧道工程利于海峡两岸的沟通，便于两地进行经济、文化合作，更促进了两岸人民的往来。从技术层面来讲，台湾海峡海底铁路隧道工程具有可行性。
一、台湾海峡海底隧道采用铁路隧道方案的合理性
国外发达国家早在上世纪30年代就开始修建海底隧道，迄今已修建上百条，还有不少正在修建或筹建中，其中6条已建隧道具有代表意义。
1940年，日本在关门修建了世界上第一条海底铁路隧道，这也是最早使用盾构法修建的海底铁路隧道，全长3.6km。1975年，日本用钻爆法在关门建成了长18.7km的第二座海峡铁路隧道。1988年，在津轻海峡用钻爆法日本又建成了至今世界上最长的海峡铁路隧道——青函隧道，全长54km，是目前正在论证的台湾海峡海底铁路隧道长度的一半。1986年开工、1996年建成的日本东京湾海底公路隧道，全长15.1km，其中海底盾构隧道长9.12km，是世界上最长的海底公路隧道。1991年，丹麦修建的斯多贝尔海峡公路隧道，全长7.9km，其中盾构法施工7.26km，浅埋暗挖法施工0.64km，盾构直径8.782m，管片厚40cm。1994年，英法两国联合用盾构和TBM硬岩掘进机法建成了世界第二长海底铁路隧道——英法海底铁路隧道，全长50.5km。
这6条海底隧道的成功建造，凸显了世界各国对修建海底隧道的高度重视和极大热情，除需要进一步加强在隧道埋深、结构耐久性和运营通风与防灾等方面的研究外，海底隧道的设计技术和施工工艺等已基本成熟。另外基于国内外海底隧道修建的成功经验，一般隧道长度大于20km均采用铁路隧道，由电力牵引，这样可长距离不设通风竖井、运营安全、风险小、运营费低；海底公路隧道设计长度不能超过10km。台湾海峡海底铁路隧道其长度超过100km，其公路运输问题原则上采用汽车坐火车跨越海峡的方式。由此可见台湾海峡海底隧道修建方案具有可行性和合理性。
二、台湾海峡海底铁路隧道的断面设计
根据已建海底隧道经验，长、大隧道在设计、建造过程中具有四方面特点。
一是应采用双洞单线，以利于施工通风，通风宜采用巷道式射流通风。
二是施工过程中的出渣运输宜采用大容量电力机车牵引，也可采用连续皮带机输送。相对于有轨运输，连续皮带机具有后配套系统设计可缩短，所需通风机功率低，减少机车、车辆、翻车机及洞外轨道调度系统，运行管理简单，安全性高，仰拱结构简单等优点，中间驱动技术、控制技术的发展使连续皮带机技术更趋于成熟，具有较高可靠性。同时，大量实践证明连续皮带机应用效果良好，如美国80%的长、大隧道工程项目采用连续皮带机出渣，欧洲近些年的长、大隧道也多采用连续皮带机出渣，国内大伙房输水工程采用连续皮带机出渣，最长运距可达11.25km。唯一不足的是，理论上连续皮带机可以无限延伸，但目前的技术水平为15km，还需进一步加大研究力度。
三是铁路运营速度控制在200km/h是最优速度。
四是隧道有效内净空面积，国内单线断面为60m2左右，双线断面为90m2左右。影响隧道净空面积的因素主要是隧道建筑限界线的间距，应预留的空间如安全空间、救援通道、工程技术作业空间、内部配件空间等，考虑空气动力学影响所需的空间。空气动力学效应以及高速列车进入隧道时在出口产生微气压波，使附近房屋震动，发出轰鸣声引起的扰民问题都应在预先考虑之列。海底隧道洞门设计原则应为喇叭形，可防止突变。
三、台湾海峡海底铁路隧道建设方案
台湾海峡海底隧道工程线路有北线、中线、南线3个方案（见图1）。北线方案：福清—平潭岛—新竹，长约122km；中线方案：莆田笏石—南日岛—苗栗，长约128km；南线方案：厦门—金门—澎湖—嘉义，长约174km。优化、比选三个方案，其中北线地质稳定，线路最短，是优选方案，其造价约2000亿元，工期约10年；南线可选用隧道群方案。根据地形图，台湾海峡海域最深处为80～100m，隧道工程宜深埋。
  图1 ?台湾海峡海底隧道三种方案
四、台湾海峡海底铁路隧道施工方法的选择
无论从海底隧道的建成长度还是建设时间来看，日本都是领先的，其次是挪威、丹麦等国。在这些已修建的海底隧道中90%以上采用钻爆法，其中挪威17条海底隧道全部采用钻爆法施工。相比较其他工法，钻爆法是最经济、安全，风险易控制和施工工艺最成熟的一种施工方法，因此跨海隧道的施工方法宜优选钻爆法，其次是TBM和盾构法。
水下隧道钻爆法和开敞式TBM施工，衬砌结构宜采用复合式衬砌；盾构法施工衬砌一般采用管片+二次钢筋混凝土。日本研究证明，单层管片衬砌不利于工程的使用寿命。
水下隧道最小埋深与地质条件、施工方法和支护结构形式等密切相关，一般盾构法洞顶埋深为1倍洞径，TBM埋深为1.5～2倍洞径，钻爆法埋深为2～3倍洞径。城市水下隧道受地形限制一般采用浅埋，台湾海峡隧道不受地形限制，且海岸地质变化大，采用深埋方案风险最小，施工方法可选用开敞式掘进机法和钻爆法。同时，台湾海峡隧道穿越硬岩，宜采用全断面开敞式掘进机，不宜采用双护盾掘进机；中间断层、软弱地带采用浅埋暗挖法，横通道采用钻爆法施工。
关于掘进机，引黄北干渠、上公山隧道使用了掘进机进行隧道施工。实践证明，虽然双护盾式TBM有圆筒形护盾保护结构，可在掘进的同时进行管片安装，但其更适用于相对稳定、岩石抗压强度适中、地下水不发育的地层，当通过地应力变化大、围岩破碎、岩体为块体结构的地层时，护盾常被卡住，脱困难度极大，台湾坪林隧道涌水及被卡后的脱困处理就是一个典型案例（见图2）。采用双护盾施工时，由于施工经验及对护盾姿态控制等原因，会产生盾尾管片拼装空隙不足，进而引起管片错台、管片裂缝，严重时甚至导致隧道轴线偏离，对此应引起高度重视。此外，追求掘进速度而忽视管片背后注入豆砾石和灌浆工序，也会带来严重的质量事故。无论是双护盾式、单护盾式TBM都存在4个缺点，即灵敏度低，很难精确快速调整到位；后盾较长，不易及时支护，易塌方、卡死；造价高，是开敞式TBM的1.3倍；衬砌必须用管片，造价高于复合衬砌的2倍左右。因此，双护盾掘进机经工程实践验证不宜使用，开敞式掘进机才是长、大水下隧道最好的选择。
 图2?台湾雪山（坪林）隧道双护盾掘进机
由于任何隧道的地质状况、围岩性质都有显著变异性以及非均质性，因此选择开敞式掘进机除发挥其所具备的硬岩掘进性能外，还包括它在不借助其他手段和措施的条件下，具有的通过软弱围岩、断层等不良地质的能力，可独立完成不良地质隧道的掘进。
开敞式TBM在对付较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出快速掘进的优势（见图3）。特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力；使用开敞式TBM施工可以直接观测到被开挖的岩面，利于对已开挖隧道进行综合地质描述，及时调整掘进参数。尤其是开挖和支护分开进行，使开敞式TBM刀盘附近有足够的空间用来安装一些临时、初期支护设备。以维护和利用围岩的自稳能力为基点，采用锚喷联合支护体系，及时进行支护，有效控制围岩的变形，使围岩成为支护体系的组成部分，形成以锚杆、喷射混凝土和围岩三位一体的承载结构，共同受力，保持围岩的稳定。
 图3?开敞式TBM
开敞式TBM具有两大特点，即灵敏度高，长度/直径≤1，可在±30mm内精确调整方向；能够对不良地层进行及时支护，时空效应好，不易塌方。总之，开敞式TBM既适用于硬岩地层，也适用于软岩地层，在大伙房87km供水工程中得到成功应用。
实践证明，沉埋管段法也不适于长、大隧道（大于6km）、硬岩地层，因此更不适合台湾海峡海底隧道。软弱、不稳定地层宜采用盾构法施工，但盾构直径宜小于12m，如琼州海峡水下隧道长度34km，穿越软弱地层，宜采用土压平衡复合式盾构。
五、我国蓬勃发展的江、河、海底隧道
近年来我国水下交通隧道建设实现了蓬勃发展（见表1、2），众多水下公路、铁路隧道在构建城市、区域交通网中发挥了便利作用，也为水下隧道施工积累了大量的技术和经验。
  厦门公路越海隧道（见图4）。该隧道穿越地层为地质良好的花岗岩，由于围岩较好，沉管法和盾构法技术不可行，钻爆法比TBM法工程造价节省5亿多元，故最终方案选用施工技术成熟、灵活的钻爆法。该隧道为双向6车道，中间设管廊式服务通道，目前已经运营通车。
 图4?厦门海底隧道
武汉长江第一隧。原定施工方案为沉管法，因该方案施工干扰大、冲刷变化大、干坞不易选择、造价高而最终被否决。该隧道穿越粉细砂不稳定地层，最终采用双向4车道、泥水加压式盾构法，盾构直径11.4m，采用复合式刀具，以实现长距离不换刀掘进。同时江下取消横通道，以保证运营隧道变位而不开裂。
杭州市庆春路钱塘江市区水底隧道（见图5）。该工程采用双向4车道盾构方案，理念是正确的，已进行安全、风险评估，对环境影响很小。
 图5?杭州庆春路隧道
青岛－黄岛胶州湾海底隧道。该隧道穿越优质花岗岩地层，采用双向6车道钻爆法施工方案，设计合理，施工顺利，目前已贯通。
广深港铁路客运专线狮子洋双洞单线铁路隧道。全长10.8km，双洞单线隧道盾构施工长9.349km，隧道内径9.8m，管片厚0.5m，采用4台泥水盾构、两端对接、洞内解体的施工方案，施工顺利，目前已接近贯通。
港、珠、澳海上大通道（见图6）。全长36km，分别由6km沉埋管段和大桥相连后，用3.6km盾构或浅埋暗挖法修建隧道，在珠海拱北上岸，再以桥和6km长的山岭隧道相连，并与太澳公路联通，工程规模为双向6车道。
 图6?港、珠、澳海上大通道平面位置
大连市区海湾海底隧道。经过桥、隧对比，该工程最终决定采用双向6车道钻爆法施工方案。因该地区岩体为花岗岩，地质条件好，采用钻爆法施工不破坏环境，占地少，拆迁少。不宜应用沉管法，其原因在于大连市海湾软土层薄,且隧道全长2/3以上处于岩石之中，世界上110多条沉管隧道只有一条是建（放）在岩石上，其他全部在不稳定粉细砂、极软弱地层，因地层贯入度<30时水中基槽很难开挖，水下大量爆破技术上不可行，且爆破工期不可控；施工干扰大、影响周围航运、扰民、破坏海洋生态；工程造价高，每米造价在75～100万元；两端引线难以处理，干坞面积大，不易寻找。因此钻爆法施工方案是最为合理的。
上海浦东至长兴岛水底隧道。该工程设计为双向6车道，采用盾构法施工，盾构直径15.18m，长距离4km掘进，风险大。该工程尤其不宜在江中设置横通道，取消横通道对两个主体隧道的结构沉降控制十分有效，对防止结构开裂也很有利。
甬江水底隧道（见图7）。该隧道是我国大陆第一条用沉埋管段法修建而成的，隧道由4节85m长和1节80m长管段组成。
 图7 ?甬江水底隧道
广州市区地铁和城市交通有多条穿越珠海的水底隧道，目前正在设计、施工的有5条，由于水浅、隧道短、没有航运，所以宜采用双向6车道沉埋管段方案。
长沙浏阳河水下铁路、公路隧道。采用浅埋暗挖法修建，已通车运营（见图8）。
长沙湘江水下公路隧道。采用钻爆法施工，目前施工顺利。
图8?浏阳河隧道
其他如南水北调、西气东输、污水处理、铁路过江等工程，有的已经建成，有的正在建设或筹建中，其施工方案分别采用了盾构法或钻爆法。
六、海底隧道的关键重大技术
根据对海底隧道的深入研究及国内海底隧道的实践经验，总结出海底隧道建设13项关键、重大技术。一是跨海、跨江隧道的位置选择及两端接线方案；二是对海、江进行水文地质的勘测，包括河势、河床稳定性、冲刷的规律，施工中的工程地质预报等；三是隧道最佳埋深的确定及断面坡度设计，不同施工方法有不同埋深，冲刷线确定埋深及施工方法；四是确定施工方法，在钻爆法、盾构法、TBM法、沉管法或小TBM+钻爆法中选择最适合的；五是确定隧道建设的合理规模，铁路、公路、复线、双向4车道还是6车道；六是确定隧道建设标准，包括设计速度、曲线、竖曲线半径、牵引坡度等；七是先进的隧道支护和衬砌设计方法，衬砌须采用复合式；八是确定先进的隧道施工技术；九是确定隧道的防排水系统；十是隧道的运营通风方式的确定，竖井是否设置及设置的位置；十一是隧道防灾、照明、监控标准的确定，设计原则应突出自救、自报、从简、低成本运营；十二是隧道的项目管理及融资；十三是建设过程中对规划、设计、施工、运营四个阶段的安全、风险分析。
七、海底隧道建设理念的更新
随着人类对海底隧道认识、技术水平的提高，海底隧道建设的理念也在不断更新。
一是审核一项工程修建的成功与否应遵守环境效益第一、社会效益第二、工程本身效益第三的原则，确保建一项工程就给人民和后代留下精品遗产，不要留下遗憾。
二是修建任何工程都应遵守少拆迁、少占地、少扰民、少破坏周边环境的原则。
三是提倡修建城市隧道，少修或不修建桥梁。目前，尤其是在城市市区修建过江、过海隧道比修建桥梁有五大优点：不破坏航运，不影响海域生态环境，利于环境保护；隧道两端不占地，少拆迁、不影响周边环境，引线比桥梁短，工程造价低于桥梁，且隧道寿命不少于100年；不受天气、大风、大雾的影响，可以全天候运营；具有很强的抵抗自然灾害（如地震）和突发事件的能力；隧道易于与两端交通接线，形成路网。
四是过江、过海隧道方案的选择应满足交通宜疏不宜集的原则，应方便乘客多地点过江，安全可靠；应遵守确保建设全过程安全风险最小，按安全、可靠、适用、经济、先进的次序进行。
随着人们环境理念的提高，从减少设计、施工和今后运营的安全、风险出发，修建隧道的优势越来越突出。
文/中铁隧道集团有限公司?王梦恕
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