渤海海峽跨海通道隧道建設(shè)方案研究

王樂明，孟慶余，萬自強(qiáng)，馮天煒，賈 輝，李佳琪

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

渤海是我國最大的內(nèi)海，從遼東半島沿海岸到膠東半島，三面大陸環(huán)繞，形狀如英文字母C。渤海海峽橫亙在兩大半島之間，既是外海進(jìn)入渤海的海上必經(jīng)通道，又是我國南北陸路交通的天塹，跨海通道中尚無鐵路、公路直達(dá)的運(yùn)輸通道。過去二十年，相關(guān)部門、科研機(jī)構(gòu)、課題組對通道規(guī)劃和建設(shè)方案、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了廣泛研究[1-8]。

早期研究對于通道的建設(shè)條件主要基于海峽氣象水文、地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行[9-11]。為進(jìn)一步推進(jìn)和深化通道建設(shè)前期研究工作，2019年中國工程院立項(xiàng)重大咨詢研究項(xiàng)目《瓊州、渤海海峽通道工程前期戰(zhàn)略研究》，對通道海底地形、地質(zhì)情況進(jìn)行了初步勘察，結(jié)合通道地形、地質(zhì)條件，在通道建設(shè)方案、隧道橫斷面布置、施工組織等方面進(jìn)行研究，為渤海海峽跨海通道方案論證、決策和實(shí)施提供建議。

1 通道建設(shè)方案

考慮到橋梁方式跨越老鐵山水道，除技術(shù)難度大以外，在環(huán)境與生態(tài)、通航、軍事等方面均存在一些較大問題，渤海灣跨海通道可行建設(shè)方案分為南橋北隧和全隧道兩種[12-14]。

1.1 全隧道方案

全隧道建設(shè)方案考慮隧道施工可行性，同時(shí)考慮最大限度減少對地方規(guī)劃的干擾和盡量短直原則，結(jié)合海上島嶼分布情況，推薦沿線經(jīng)過北隍城島、小欽島、大欽島、砣磯島、南長山島的經(jīng)長山島貫通建設(shè)方案，該方案海域段新建線路長110.5 km，如圖1所示。

圖1 全隧道方案線路縱斷面

1.2 南橋北隧橋方案

南橋北隧方案結(jié)合旅順及蓬萊端登陸點(diǎn)，沿線島嶼分布、環(huán)保等控制因素，在研究經(jīng)大黑山島方案、經(jīng)廟島方案、經(jīng)小竹山島方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合山東省地方規(guī)劃意見，推薦按經(jīng)廟島方案貫通，海域段新建線路長115 km，其中，隧道長64.5 km，如圖2所示。

圖2 南橋北隧方案線路縱斷面

2 通道交通方式及建設(shè)方案選擇

通道交通模式有單建公路、單建鐵路和公鐵合建3種模式，考慮超長距離公路隧道在運(yùn)營通風(fēng)與防災(zāi)救援等方面存在諸多問題，通道采用單建公路和公鐵合建模式較為經(jīng)濟(jì)合理的跨越方式為橋隧組合方案；通道采用單建鐵路模式下，全隧道方案具有對生態(tài)環(huán)境影響破壞少、對長山水道等航道通航無影響、鐵路平縱斷面條件好等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢較為明顯，故推薦采用全隧方案。通道交通方式及建設(shè)方案組合如表1所示。

表1 通道交通方式及建設(shè)方案組合推薦

通道在跨老鐵山水道建設(shè)海底公路隧道，在現(xiàn)階段的技術(shù)條件下，如不設(shè)置海中風(fēng)井幾乎沒有可行(可接受的)的運(yùn)營通風(fēng)方案，因此，推薦優(yōu)先采用單建鐵路通道模式。

考慮到未來新能源汽車的普及、燃油汽車排放技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高的因素，以“發(fā)展的眼光設(shè)計(jì)未來工程”的思路，如通道采用公鐵合建模式，結(jié)合現(xiàn)階段技術(shù)條件，可考慮先期建設(shè)鐵路通道(預(yù)留北段跨老鐵山水道公路隧道建設(shè)條件)，待建設(shè)時(shí)機(jī)成熟后再實(shí)施北段跨海公路隧道，實(shí)現(xiàn)通道的公路交通功能。

3 海底隧道橫斷面布置方案

3.1 服務(wù)隧道必要性分析

世界上已經(jīng)建成的代表性海峽隧道工程如日本青函海底隧道、英吉利海峽隧道，以及我國在青島修建的膠州灣海底公路隧道均設(shè)置了服務(wù)隧道[15-18]。渤海海峽海底隧道無論是建設(shè)規(guī)?；蚴墙ㄔO(shè)條件的復(fù)雜程度，均遠(yuǎn)超已經(jīng)建成任何一座海底隧道工程，綜合考慮以下幾方面因素，隧道橫斷面需布置設(shè)置服務(wù)隧道。

(1)海峽通道沿線分布眾多航道、養(yǎng)殖區(qū)、軍事禁區(qū)，部分段落(尤其老鐵山水道)開展地質(zhì)鉆探甚至物探均存在困難，利用服務(wù)隧道斷面小、施工效率高、風(fēng)險(xiǎn)相對較小的優(yōu)勢，超前正線隧道施工查明沿線地質(zhì)情況。

(2)施工期間服務(wù)隧道作為輔助作業(yè)空間，施工過程發(fā)生塌方、涌水等險(xiǎn)情時(shí)，可提供救援、搶險(xiǎn)和應(yīng)急處理所需的輔助通道。

(3)本工程跨老鐵山水域段，隧道長達(dá)42 km，隧道范圍內(nèi)不具備設(shè)置進(jìn)出隧道的出入口條件，服務(wù)隧道可為正線隧道提供獨(dú)立的運(yùn)營維護(hù)和防災(zāi)疏散通道，提高隧道內(nèi)發(fā)生災(zāi)害時(shí)的人員安全疏散保障能力。

(4)火災(zāi)情況下，服務(wù)隧道作為向正洞提供新鮮空氣的獨(dú)立通道，不對其他正線隧道運(yùn)營通風(fēng)產(chǎn)生影響，提高隧道防災(zāi)通風(fēng)能力。

(5)在服務(wù)隧道內(nèi)合理布設(shè)電力、通信管線及給排水管道等，與本通道工程進(jìn)行一體化建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)通道資源的集約化利用。

3.2 單建鐵路通道隧道橫斷面布置方案

鐵路隧道有雙線隧道和單線隧道2種型式，對于本工程隧道而言，如采用單洞雙線方案，隧道內(nèi)同時(shí)運(yùn)行多輛列車，當(dāng)列車出現(xiàn)事故時(shí)，有可能引發(fā)另一線列車的次生災(zāi)害，防災(zāi)疏散能力較差；另外，隧道內(nèi)的活塞風(fēng)利用率低，運(yùn)營和防災(zāi)通風(fēng)要求相應(yīng)提高；其次，單洞雙線鐵路隧道斷面尺寸大，長距離、高水壓條件下施工難度和風(fēng)險(xiǎn)大幅增加，因此，推薦采用單線鐵路隧道方案，如圖3所示。

圖3 單建鐵路隧道橫斷面布置

3.3 公鐵合建通道隧道橫斷面布置方案

公鐵合建通道方案，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)斷面研究和運(yùn)量預(yù)測結(jié)果，公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)采用雙向六車道，鐵路正線按雙線考慮，南段橋梁采用公鐵分層布置的合建模式[19]，北段隧道采用公路與鐵路分別修建的方式，即“通道合建、隧道分修”，推薦隧道采用“兩管公路隧道+兩管單線鐵路隧道+服務(wù)隧道”的斷面布置方案，如圖4所示。

圖4 公鐵合建通道隧道橫斷面布置方案

4 隧道防災(zāi)疏散救援方案

4.1 鐵路隧道防災(zāi)疏散救援

單建鐵路通道海底隧道結(jié)合線路方案沿線島嶼分布情況，設(shè)置緊急救援站和緊急出入口，跨老鐵山海域42 km范圍利用服務(wù)隧道在海底設(shè)置2處救援站。隧道沿線、跨老鐵山水域緊急救援站、出入口設(shè)置情況如圖5、圖6所示。

圖5 隧道沿線緊急救援站、出入口布置(單位：km)

圖6 老鐵山水域緊急救援站平面位置(單位：km)

隧道內(nèi)正線隧道與服務(wù)隧道間設(shè)置聯(lián)絡(luò)橫通道，利用中間橫通道、服務(wù)隧道、緊急救援站進(jìn)行防災(zāi)疏散和救援。

(1)故障工況下，事故列車在隧道內(nèi)任意點(diǎn)位置停車，旅客通過橫通道進(jìn)入服務(wù)隧道等待救援，救援列車通過服務(wù)隧道或?qū)ο蛐旭偟陌踩淼赖竭_(dá)事故地點(diǎn)實(shí)施救援。

(2)火災(zāi)工況下，進(jìn)行定點(diǎn)救援，著火列車?？吭诰o急救援站，旅客通過橫通道疏散進(jìn)入服務(wù)隧道等待救援，救援列車通過服務(wù)隧道或?qū)ο蛐旭偟陌踩淼赖竭_(dá)事故地點(diǎn)實(shí)施救援.

4.2 公路隧道防災(zāi)疏散救援

公路隧道利用鐵路隧道進(jìn)行人員疏散和救援，在公路隧道與鐵路隧道之間間隔350 m設(shè)置人行橫通道；上下行公路隧道間隔1.0 km設(shè)置車行橫通道[20-21]，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)情況下，著火點(diǎn)前方和后方車輛及人員的疏散。

(1)事故工況下，事故車輛車上人員進(jìn)入就近的橫通道待避，在原地等待救援。

(2)火災(zāi)工況下，著火點(diǎn)前方車輛盡快駛離隧道；后方車輛通過車行橫通道進(jìn)入對向行駛隧道內(nèi)駛離隧道；著火點(diǎn)與后方車行橫通道之間的車上人員進(jìn)入就近的橫通道待避等待救援，通過相鄰鐵路隧道內(nèi)的行駛列車將待避人員安全運(yùn)出隧道。

5 隧道施工組織方案

5.1 隧道施工方法選擇

根據(jù)最新地質(zhì)勘察成果，渤海灣跨海通道除靠近北隍城島附近長度約15 km的水域海底以下140 m鉆孔未見基巖，其余段落均下伏基巖，借鑒英吉利海峽隧道、日本青函海底隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[22-23]，通過前期充分的地質(zhì)鉆探工作，盡可能將隧道埋置于較為穩(wěn)定的海底基巖地層之中，采用以TBM掘進(jìn)機(jī)法為主施工。

考慮海底隧道施工安全和工程工期，跨海段長度超過10 km的海底隧道，推薦采用TBM掘進(jìn)機(jī)法施工；隧道出口老鐵山陸域段為國家自然保護(hù)區(qū)，采用TBM掘進(jìn)機(jī)法施工，其余島域段、水深較淺或長度較短海域，推薦采用鉆爆法施工；下穿老鐵山海域兩端位于海底基巖地層段落采用TBM施工，第四系地層段落可采用盾構(gòu)法施工。渤海灣跨海隧道各段落推薦施工方法如表2所示。

表2 渤海灣跨海隧道推薦施工方法

5.2 隧道施工組織方案

渤海海峽跨海通道自煙臺(tái)登陸點(diǎn)至北隍城島段位于廟島群島斑海豹自然保護(hù)實(shí)驗(yàn)區(qū)和渤海海洋生態(tài)紅線限制開發(fā)區(qū)，且沿線島嶼眾多，最大水域?qū)挾葍H20 km，研究推薦該段海底隧道施工利用既有島嶼設(shè)置豎井。

北隍城島至旅順登陸端老鐵山海域?qū)?2 km，無可利用島嶼，其中，中間4.5海里老鐵山水道通航水道非禁止航行區(qū)是大型船舶進(jìn)入渤海海域的主要進(jìn)水道，船舶進(jìn)出繁忙；南側(cè)靠近北隍城島側(cè)海域?yàn)閺R島群島斑海豹自然保護(hù)實(shí)驗(yàn)區(qū)、渤海海洋生態(tài)紅線限制開發(fā)區(qū)和禁止航行區(qū)，北側(cè)靠近旅順登陸端海域?yàn)榻购叫袇^(qū)。該海域水深超過50 m(最深達(dá)到86 m)，豎井設(shè)置難度和施工風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)考慮軍事影響等不確定因素，研究推薦該段海底隧道不考慮設(shè)置海中豎井。

渤海海峽跨海通道全隧道方案海底隧道總長約120 km，南橋北隧組合方案海底隧道總長約為64.5 km，利用途經(jīng)島嶼設(shè)置豎井或斜井，劃分為不同施工段落，如圖7、圖8所示。

圖7 跨渤海灣通道全隧道方案隧道施工組織籌劃(單位：km)

圖8 跨渤海灣通道南橋北隧方案隧道施工組織籌劃(單位：km)

5.3 跨老鐵山水道實(shí)施方案

渤海海峽通道跨老鐵山水域海底隧道(長42 km)是控制工期的關(guān)鍵工程，考慮海峽通道沿線分布眾多航道、養(yǎng)殖區(qū)、環(huán)境保護(hù)區(qū)、軍事禁區(qū)，部分段落開展地質(zhì)鉆探甚至物探均存在困難，勘察階段所獲取地質(zhì)資料精度有限，建議在勘察設(shè)計(jì)階段，配合海上勘察，開展中間服務(wù)隧道掘進(jìn)施工，分別由北隍城島側(cè)和老鐵山側(cè)向海中方面超前貫通施工，探明詳細(xì)地質(zhì)狀況，為正洞隧道設(shè)計(jì)、施工提供有利支撐。

跨老鐵山水道段海底隧道，結(jié)合施工期間服務(wù)隧道使用功能，開展2種施工組織方案研究。

(1)兩端對向掘進(jìn)方案

該方案采用服務(wù)隧道和鐵路隧道進(jìn)行同期施工，各自獨(dú)立完成，在中間巖質(zhì)地層設(shè)置接收洞，施工期間服務(wù)隧道主要作為應(yīng)急處理及正線隧道施工輔助坑道。結(jié)合兩端地質(zhì)條件，選用相應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備，對穿越15 km第四系覆蓋層段落采用1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)、一次性獨(dú)頭掘進(jìn)施工，如圖9所示。

圖9 兩端對向掘進(jìn)實(shí)施方案示意(單位：km)

(2)服務(wù)隧道超前正洞接力方案

該方案服務(wù)隧道快速超前施工或超前貫通，作為施工南、北側(cè)組裝洞的施工通道，并承擔(dān)正洞施工任務(wù)，正洞隧道利用服務(wù)隧道作為設(shè)備、材料運(yùn)輸通道實(shí)現(xiàn)多作業(yè)面分段同步施工，其中，隧道穿越第四系覆蓋層段落由兩端設(shè)置的始發(fā)洞(兼接收洞)，采用2臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)對向掘進(jìn)，在第四系地層中間位置進(jìn)行海底對接。鐵路隧道利用服務(wù)隧道開展多作業(yè)面施工，如圖10所示。

圖10 服務(wù)隧道超前正洞接力實(shí)施方案示意(單位：km)

針對以上兩種實(shí)施方案，考慮到后期地質(zhì)條件的不確定性以及未來設(shè)備制造、施工技術(shù)的進(jìn)步等因素，綜合分析導(dǎo)洞超前的距離，推薦采用兩端對向掘進(jìn)實(shí)施方案。

6 結(jié)論及建議

(1)渤海灣跨海通道推薦采用單建鐵路通道的交通模式和全隧道建設(shè)方案。

(2)當(dāng)通道按照未來工程進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，采用公鐵合建的交通模式時(shí)，推薦南橋北隧建設(shè)方案，北段跨老鐵山水道采取先期實(shí)施鐵路隧道(預(yù)留公路隧道建設(shè)條件)的建設(shè)方式。

(3)鐵路隧道推薦采用服務(wù)隧道+單線鐵路隧道的橫斷面布置方案；公鐵合建模式采用公路隧道與鐵路隧道分別修建方式。

(4)隧道采用以掘進(jìn)機(jī)法為主的施工方法，跨老鐵山42 km海域段，結(jié)合海底地質(zhì)條件，考慮隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)、施工技術(shù)發(fā)展等因素，推薦采用2臺(tái)掘進(jìn)機(jī)分別由水域兩端向中間對向掘進(jìn)施工、在水域中間巖質(zhì)地層對接的實(shí)施方案。

(5)本項(xiàng)目工程地質(zhì)、環(huán)境條件，較為理想的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備為可同時(shí)適用于硬巖、軟巖、破碎不穩(wěn)定地層和軟土地層的泥水盾構(gòu)/TBM雙模式或多模式掘進(jìn)機(jī)，有必要開展多模式掘進(jìn)機(jī)設(shè)備制造及施工技術(shù)研究，降低工程建設(shè)難度和施工風(fēng)險(xiǎn)。

(6)由于掘進(jìn)機(jī)設(shè)備經(jīng)長距離施工后在海底復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行對接不可避免，隧道施工采用的掘進(jìn)機(jī)斷面尺寸大、掘進(jìn)距離長，下一步需根據(jù)隧道內(nèi)運(yùn)輸、組裝條件，對設(shè)備洞內(nèi)運(yùn)輸、組裝、始發(fā)和接收技術(shù)及工程配套技術(shù)進(jìn)行研究。