[科普中國(guó)]-水下隧道

簡(jiǎn)史

公元前2180～前2160年巴比倫修建了一條穿越幼發(fā)拉底河，從王宮到朱庇特廟的長(zhǎng)約 900米的人行隧道。近代水底隧道始建于英國(guó)。1807年英國(guó)在倫敦動(dòng)工修建連接泰晤士河兩岸的人行隧道，開挖時(shí)因無(wú)法克服泥水涌入隧道而被迫停工。直到1825年在法國(guó)工程師M.I.布律內(nèi)爾指導(dǎo)下，初次采用盾構(gòu)法施工，才于1843年建成第一條泰晤士河水底隧道。此后，英國(guó)等國(guó)不斷發(fā)展盾構(gòu)工程技術(shù)，至20世紀(jì)30年代以后，水底隧道建設(shè)有了迅速發(fā)展。近50年間，世界上修建的水底隧道總數(shù)幾乎是在此之前百余年間修建的總和。至20世紀(jì)80年代初，世界上已有100多條水底隧道,其中道路隧道有60余條，一公里以上的鐵路隧道有10余條。日本于20世紀(jì)70年代至80年代中修建的青函海底隧道，是目前世界上最長(zhǎng)的海底鐵路隧道。上海黃浦江打浦路隧道為中國(guó)第一條水底道路隧道。臺(tái)灣省高雄市的過(guò)港隧道已于1984年通車。

修建條件根據(jù)水道斷面、水流狀況、水文地質(zhì)條件、兩岸地形及建筑情況、水陸交通要求、城市總體規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益等諸因素，對(duì)橋隧兩種方案進(jìn)行綜合比較。通常在下述條件下宜考慮修建水底隧道：①航運(yùn)繁忙，通過(guò)巨型船只較多,而陸上車輛流量大，又不容間斷；②水道較寬，兩岸地面高出水面不多；③兩岸建筑物密集，不宜于建造高橋和長(zhǎng)引橋；④城市總體規(guī)劃上在該處沒(méi)有修建橋梁的特殊要求（如通過(guò)易燃易爆危險(xiǎn)品車輛），或要求鐵路列車在地下運(yùn)行以防止噪聲；⑤工程費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用較低。

施工方法修建水底隧道所采用的主要施工方法有：圍堤明挖法、氣壓沉箱法、盾構(gòu)法及沉管法。圍堤明挖法比較經(jīng)濟(jì)，有條件時(shí)一般應(yīng)盡先考慮采用。氣壓沉箱法只適用于航運(yùn)不多的較小河道中。由于需要修建水底隧道處的航運(yùn)通常比較頻繁，采用圍堤明挖法及氣壓沉箱法對(duì)水上交通干擾較大，所以在150多年來(lái)的水底隧道建設(shè)中大多采用盾構(gòu)法及沉管法。至20世紀(jì)50年代后，沉管法的水下接頭及基礎(chǔ)處理等重大技術(shù)關(guān)鍵相繼突破，使施工工藝大為簡(jiǎn)化，并使隧道防水性大為提高，且能采用容納四車道以上的矩形斷面。在一定條件下，沉管法隧道覆土淺，線路短，照明和通風(fēng)代價(jià)較小，工程和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，使用效果好，故自1965年以來(lái)，世界各國(guó)建成的20多條水底道路隧道，大多系采用沉管法。

明挖法：排水，挖深坑，然后施工，最后填埋。這種方法最簡(jiǎn)單，但是施工場(chǎng)地大，受周邊建筑物的制約大。蘇州獨(dú)墅湖隧道、武漢東湖隧道就采取了這種辦法。

礦山法：源于礦山開采，采用爆破，用人工或者機(jī)器開挖。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是受地質(zhì)條件的影響比較大，在土體軟弱處容易塌方，所以一般只在山體內(nèi)使用。長(zhǎng)沙地鐵在河西有一段要穿越岳麓山山體，據(jù)說(shuō)會(huì)采用這種礦山法。

盾構(gòu)法：隧道施工中最常用、最先進(jìn)的方法。始于英國(guó)，興于日本，已有180多年歷史，最大的優(yōu)點(diǎn)是適用于軟土地質(zhì)的隧道開挖。

凍結(jié)法：將土體凍住，使其達(dá)到一定強(qiáng)度，增加自身的穩(wěn)定性，滿足開挖條件。工人們會(huì)在土體上鉆很多孔，然后放進(jìn)去冷凍管，利用冷凍機(jī)提供制冷液，凍住后把冷凍管拆除，土體也會(huì)保持很長(zhǎng)時(shí)間不融化。不過(guò)冷凍管雖然拆除了，但是溫度仍然還在零下十幾度，工人們像是站在開門的冰箱前，是要穿大衣施工的。不過(guò)這個(gè)大冰箱的脾氣不大好，需要小心控溫。

沉管法施工，只要滿足船舶的拋錨要求即可，約1.5m左右。

防水方法水底隧道的主要部分處于河、海床下的巖土層中。常年在地下水位以下，承受著自水面開始至隧道埋深的全水頭壓力。因此水底隧道自施工到運(yùn)營(yíng)均有一個(gè)防水問(wèn)題。防水的主要措施有：

1、采用防水混凝土

防水混凝土的制作，主要靠調(diào)整級(jí)配、增加水泥量和提高砂率，以便在粗骨料周圍形成一定厚度的包裹層、切斷毛細(xì)滲水沿粗骨料表面的通道，達(dá)到防水抗水的效果。

2、壁后回填

壁后回填是對(duì)隧道與圍巖之間的空隙進(jìn)行充填灌漿，以使襯砌與圍巖緊密結(jié)合，減少圍巖變形，使襯砌均勻受壓，提高襯砌的防水能力。

3、圍巖注漿

為使水底隧道圍巖提高承載力、減少透水性，可以在圍巖中進(jìn)行預(yù)注漿。特別是采用鉆眼爆破作業(yè)的隧道，通過(guò)注漿可以固結(jié)隧道周邊的塊狀巖石，以形成一定厚度的止水帶，并且填塞塊狀巖石的裂縫和裂隙，進(jìn)而消除和減少水壓力對(duì)襯砌的作用。

4、雙層襯砌

水下隧道采用雙層襯砌可以達(dá)到兩個(gè)目的。其一是防護(hù)上的需要，在爆炸載荷作用下，圍巖可能開裂破壞，只要襯砌防水層完好，隧道內(nèi)就不致大量涌水、影響交通。其二是防范高水壓力，有時(shí)雖采用了防水混凝土回填注漿、在高水壓下仍難免發(fā)生襯砌滲水。在此情況下，雙層襯砌可作為水底隧道過(guò)河段的防水措施。

設(shè)計(jì)水下隧道一般分水底段和河岸段，后者又有暗埋、敞開及出口部分。水底隧道的縱向坡度、縱向曲線和平面曲線半徑、通道布置、車輛限界以及照明、通風(fēng)、消防、交通監(jiān)控等設(shè)備，按通過(guò)隧道的車輛類型和運(yùn)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

用盾構(gòu)法建造的水底道路隧道，自兩端至洞口，一般是槽形敞開式引道段。穿越水底的暗埋段，斷面大多為圓形。修建的隧道除個(gè)別為單車道外，均為雙車道(圖1)。有些在車道一側(cè)或兩側(cè)設(shè)高出路面的人行巡邏道。對(duì)交通繁忙的水底道路隧道，大多采用兩條平行的隧道，每條隧道中有同向行駛的雙車道；也有的在初期為一條雙向行駛的雙車道隧道，后期發(fā)展成兩條同向行駛的雙車道隧道。在圓形隧道中，一般在路面以下是送風(fēng)道；在吊頂以上是排風(fēng)道。送排風(fēng)道與隧道兩岸的通風(fēng)機(jī)房連通，多采用橫向通風(fēng)。隧道的照明系統(tǒng)，應(yīng)有適當(dāng)亮度和均勻的照明裝置,在進(jìn)出口附近設(shè)光過(guò)渡設(shè)施，以便司機(jī)在通過(guò)隧道時(shí)能較好地適應(yīng)亮度變化而使行車安全。為取得良好照明及防火效果，要合理選擇隧道吊頂、側(cè)墻飾面和道路路面的材料和顏色。在現(xiàn)代化的水底道路隧道中，設(shè)置自動(dòng)或半自動(dòng)控制的防火、滅火、排水、通風(fēng)、照明、交通監(jiān)控等運(yùn)營(yíng)設(shè)備，由中心控制室集中管理。

用沉管法建造的水底道路隧道，自兩端至洞口大多是較長(zhǎng)的槽形敞開式引道段。穿越水底的沉管大多是由幾個(gè)通道組成的矩形管段，包括車行道、自行車道、人行或巡邏通道以及管線通道等，每個(gè)行車通道中有兩個(gè)以上同向行駛的車道。由于沉管隧道的長(zhǎng)度較短，且每個(gè)行車通道中的車輛為同向行駛，故大多采用縱向通風(fēng)，無(wú)需設(shè)專用通風(fēng)道及通風(fēng)機(jī)房，其他設(shè)備和盾構(gòu)法修建的道路隧道相同。

水底鐵路隧道、地鐵隧道及公用管線隧道，在構(gòu)造及設(shè)備方面均較水底道路隧道簡(jiǎn)單，較典型的橫斷面布置。

舉例蘇州獨(dú)墅湖隧道：國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)湖底隧道，獨(dú)墅湖隧橋工程全長(zhǎng)為7.37公里，其中隧道部分長(zhǎng)3.46公里，整個(gè)工程既要穿越湖底，又要翻越高架橋，是目前國(guó)內(nèi)城市中最長(zhǎng)的一條湖底隧道。

杭州西湖隧道：杭州市西湖隧道已建成，2003年10月5日，首輛小汽車穿越湖底。西湖湖底隧道全長(zhǎng)約1269米，其中在西湖底下約800米，總投資約2億多元。隧道內(nèi)部還將安裝無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，保證在隧道內(nèi)仍能暢通無(wú)阻地使用手機(jī)。

玄武湖隧道：國(guó)內(nèi)首條湖底隧道

2003年4月29日，全長(zhǎng)2.66公里的南京玄武湖隧道通車，其中陸地隧道約0.8公里，湖底隧道長(zhǎng)約1.66公里，隧道設(shè)計(jì)寬約32米，雙向六車道，設(shè)計(jì)車速為60公里/小時(shí)，這是國(guó)內(nèi)第一條城市湖底隧道。

東湖隧道：國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)城中湖隧道

東湖隧道是湖北武漢東湖通道的重要組成部分，全長(zhǎng)超過(guò)7公里，于2012年10月29日正式開工建設(shè)，2015年0月28日通車。工程施工采用“圍堰明挖”的方法，是國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)城中湖隧道。

無(wú)錫蠡湖隧道：國(guó)內(nèi)最環(huán)保的隧道

江蘇無(wú)錫雙向六車道環(huán)保型隧道——蠡湖隧道通車。該隧道墻面采用環(huán)保材料，并可隨時(shí)拆換，此舉為國(guó)內(nèi)首次。

香港海底隧道：先后建成三條

我國(guó)香港特別行政區(qū)有三條海底隧道，越過(guò)維多利亞海峽，把港島與九龍半島連接起來(lái)。

港九中線海底隧道1972年建成，全長(zhǎng)1.9公里；

港九東線隧道，1989年建成，全長(zhǎng)1.8公里；

1997年4月建成的西線隧道，六車道，日車流量可達(dá)18萬(wàn)次。

英法海底隧道：世界最長(zhǎng)海底隧道

英吉利海峽隧道又稱英法海底隧道，是一條把英國(guó)英倫三島連接往歐洲法國(guó)的鐵路隧道，于1994年5月6日開通。它由三條長(zhǎng)51公里的平行隧洞組成，是目前世界上最長(zhǎng)的海底隧道，歷時(shí)8年多，耗資約100億英鎊（約150億美元）。隧道啟用后，把倫敦至巴黎的陸上旅行時(shí)間縮短了一半，3小時(shí)即可到達(dá)，與乘坐飛機(jī)抵達(dá)時(shí)間一致。

日本青函海底隧道：1987年建成了青函海底隧道，它穿越津輕海峽，將日本的本州和北海道連接起來(lái)，全長(zhǎng)為53.85km，其中海底部分23.3km，其余為陸地部分。

我國(guó)最大水底公路隧道———上海外環(huán)線越江隧道建設(shè)已全面展開。整個(gè)隧道建設(shè)將用3年時(shí)間全面建成并投入使用。 上海外環(huán)線越江隧道東起浦東三岔港，西至浦西吳淞公園附近，全長(zhǎng)2880米，水下沉管長(zhǎng)度為736米。到目前為止，黃浦江邊已建成兩個(gè)規(guī)模宏大鋼筋混凝土的干塢，并完成土方量110萬(wàn)方。管段生產(chǎn)已全面啟動(dòng)，江中航道開始疏浚，整個(gè)外環(huán)線隧道工程進(jìn)入了主體施工階段。其它的還有武漢越江隧道，上海長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江隧道，武漢長(zhǎng)江隧道，廣深獅子洋隧道，年嘉湖隧道，瀏陽(yáng)河隧道，營(yíng)盤路隧道，水果湖隧道，遂寧觀音湖隧道等1。