渤海海峡跨海通道隧道建设方案研究

2021-10-11王乐明孟庆余万自强冯天炜李佳琪

铁道标准设计 2021年10期

王乐明，孟庆余，万自强，冯天炜，贾辉，李佳琪

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

渤海是我国最大的内海，从辽东半岛沿海岸到胶东半岛，三面大陆环绕，形状如英文字母C。渤海海峡横亘在两大半岛之间，既是外海进入渤海的海上必经通道，又是我国南北陆路交通的天堑，跨海通道中尚无铁路、公路直达的运输通道。过去二十年，相关部门、科研机构、课题组对通道规划和建设方案、关键技术等进行了广泛研究[1-8]。

早期研究对于通道的建设条件主要基于海峡气象水文、地形地貌、地层岩性和地质构造等进行现场调研、区域地质构造分析的基础上进行[9-11]。为进一步推进和深化通道建设前期研究工作，2019年中国工程院立项重大咨询研究项目《琼州、渤海海峡通道工程前期战略研究》，对通道海底地形、地质情况进行了初步勘察，结合通道地形、地质条件，在通道建设方案、隧道横断面布置、施工组织等方面进行研究，为渤海海峡跨海通道方案论证、决策和实施提供建议。

1 通道建设方案

考虑到桥梁方式跨越老铁山水道，除技术难度大以外，在环境与生态、通航、军事等方面均存在一些较大问题，渤海湾跨海通道可行建设方案分为南桥北隧和全隧道两种[12-14]。

1.1 全隧道方案

全隧道建设方案考虑隧道施工可行性，同时考虑最大限度减少对地方规划的干扰和尽量短直原则，结合海上岛屿分布情况，推荐沿线经过北隍城岛、小钦岛、大钦岛、砣矶岛、南长山岛的经长山岛贯通建设方案，该方案海域段新建线路长110.5 km，如图1所示。

图1 全隧道方案线路纵断面

1.2 南桥北隧桥方案

南桥北隧方案结合旅顺及蓬莱端登陆点，沿线岛屿分布、环保等控制因素，在研究经大黑山岛方案、经庙岛方案、经小竹山岛方案的基础上，结合山东省地方规划意见，推荐按经庙岛方案贯通，海域段新建线路长115 km，其中，隧道长64.5 km，如图2所示。

图2 南桥北隧方案线路纵断面

2 通道交通方式及建设方案选择

通道交通模式有单建公路、单建铁路和公铁合建3种模式，考虑超长距离公路隧道在运营通风与防灾救援等方面存在诸多问题，通道采用单建公路和公铁合建模式较为经济合理的跨越方式为桥隧组合方案；通道采用单建铁路模式下，全隧道方案具有对生态环境影响破坏少、对长山水道等航道通航无影响、铁路平纵断面条件好等优点，优势较为明显，故推荐采用全隧方案。通道交通方式及建设方案组合如表1所示。

表1 通道交通方式及建设方案组合推荐

通道在跨老铁山水道建设海底公路隧道，在现阶段的技术条件下，如不设置海中风井几乎没有可行(可接受的)的运营通风方案，因此，推荐优先采用单建铁路通道模式。

考虑到未来新能源汽车的普及、燃油汽车排放技术及标准进一步提高的因素，以“发展的眼光设计未来工程”的思路，如通道采用公铁合建模式，结合现阶段技术条件，可考虑先期建设铁路通道(预留北段跨老铁山水道公路隧道建设条件)，待建设时机成熟后再实施北段跨海公路隧道，实现通道的公路交通功能。

3 海底隧道横断面布置方案

3.1 服务隧道必要性分析

世界上已经建成的代表性海峡隧道工程如日本青函海底隧道、英吉利海峡隧道，以及我国在青岛修建的胶州湾海底公路隧道均设置了服务隧道[15-18]。渤海海峡海底隧道无论是建设规模或是建设条件的复杂程度，均远超已经建成任何一座海底隧道工程，综合考虑以下几方面因素，隧道横断面需布置设置服务隧道。

(1)海峡通道沿线分布众多航道、养殖区、军事禁区，部分段落(尤其老铁山水道)开展地质钻探甚至物探均存在困难，利用服务隧道断面小、施工效率高、风险相对较小的优势，超前正线隧道施工查明沿线地质情况。

(2)施工期间服务隧道作为辅助作业空间，施工过程发生塌方、涌水等险情时，可提供救援、抢险和应急处理所需的辅助通道。

(3)本工程跨老铁山水域段，隧道长达42 km，隧道范围内不具备设置进出隧道的出入口条件，服务隧道可为正线隧道提供独立的运营维护和防灾疏散通道，提高隧道内发生灾害时的人员安全疏散保障能力。

(4)火灾情况下，服务隧道作为向正洞提供新鲜空气的独立通道，不对其他正线隧道运营通风产生影响，提高隧道防灾通风能力。

(5)在服务隧道内合理布设电力、通信管线及给排水管道等，与本通道工程进行一体化建设，可实现通道资源的集约化利用。

3.2 单建铁路通道隧道横断面布置方案

铁路隧道有双线隧道和单线隧道2种型式，对于本工程隧道而言，如采用单洞双线方案，隧道内同时运行多辆列车，当列车出现事故时，有可能引发另一线列车的次生灾害，防灾疏散能力较差；另外，隧道内的活塞风利用率低，运营和防灾通风要求相应提高；其次，单洞双线铁路隧道断面尺寸大，长距离、高水压条件下施工难度和风险大幅增加，因此，推荐采用单线铁路隧道方案，如图3所示。

图3 单建铁路隧道横断面布置

3.3 公铁合建通道隧道横断面布置方案

公铁合建通道方案，根据隧道结构断面研究和运量预测结果，公路建设标准采用双向六车道，铁路正线按双线考虑，南段桥梁采用公铁分层布置的合建模式[19]，北段隧道采用公路与铁路分别修建的方式，即“通道合建、隧道分修”，推荐隧道采用“两管公路隧道+两管单线铁路隧道+服务隧道”的断面布置方案，如图4所示。

图4 公铁合建通道隧道横断面布置方案

4 隧道防灾疏散救援方案

4.1 铁路隧道防灾疏散救援

单建铁路通道海底隧道结合线路方案沿线岛屿分布情况，设置紧急救援站和紧急出入口，跨老铁山海域42 km范围利用服务隧道在海底设置2处救援站。隧道沿线、跨老铁山水域紧急救援站、出入口设置情况如图5、图6所示。

图5 隧道沿线紧急救援站、出入口布置(单位：km)

图6 老铁山水域紧急救援站平面位置(单位：km)

隧道内正线隧道与服务隧道间设置联络横通道，利用中间横通道、服务隧道、紧急救援站进行防灾疏散和救援。

(1)故障工况下，事故列车在隧道内任意点位置停车，旅客通过横通道进入服务隧道等待救援，救援列车通过服务隧道或对向行驶的安全隧道到达事故地点实施救援。

(2)火灾工况下，进行定点救援，着火列车停靠在紧急救援站，旅客通过横通道疏散进入服务隧道等待救援，救援列车通过服务隧道或对向行驶的安全隧道到达事故地点实施救援.

4.2 公路隧道防灾疏散救援

公路隧道利用铁路隧道进行人员疏散和救援，在公路隧道与铁路隧道之间间隔350 m设置人行横通道；上下行公路隧道间隔1.0 km设置车行横通道[20-21]，实现火灾情况下，着火点前方和后方车辆及人员的疏散。

(1)事故工况下，事故车辆车上人员进入就近的横通道待避，在原地等待救援。

(2)火灾工况下，着火点前方车辆尽快驶离隧道；后方车辆通过车行横通道进入对向行驶隧道内驶离隧道；着火点与后方车行横通道之间的车上人员进入就近的横通道待避等待救援，通过相邻铁路隧道内的行驶列车将待避人员安全运出隧道。

5 隧道施工组织方案

5.1 隧道施工方法选择

根据最新地质勘察成果，渤海湾跨海通道除靠近北隍城岛附近长度约15 km的水域海底以下140 m钻孔未见基岩，其余段落均下伏基岩，借鉴英吉利海峡隧道、日本青函海底隧道建设经验[22-23]，通过前期充分的地质钻探工作，尽可能将隧道埋置于较为稳定的海底基岩地层之中，采用以TBM掘进机法为主施工。

考虑海底隧道施工安全和工程工期，跨海段长度超过10 km的海底隧道，推荐采用TBM掘进机法施工；隧道出口老铁山陆域段为国家自然保护区，采用TBM掘进机法施工，其余岛域段、水深较浅或长度较短海域，推荐采用钻爆法施工；下穿老铁山海域两端位于海底基岩地层段落采用TBM施工，第四系地层段落可采用盾构法施工。渤海湾跨海隧道各段落推荐施工方法如表2所示。

表2 渤海湾跨海隧道推荐施工方法

5.2 隧道施工组织方案

渤海海峡跨海通道自烟台登陆点至北隍城岛段位于庙岛群岛斑海豹自然保护实验区和渤海海洋生态红线限制开发区，且沿线岛屿众多，最大水域宽度仅20 km，研究推荐该段海底隧道施工利用既有岛屿设置竖井。

北隍城岛至旅顺登陆端老铁山海域宽42 km，无可利用岛屿，其中，中间4.5海里老铁山水道通航水道非禁止航行区是大型船舶进入渤海海域的主要进水道，船舶进出繁忙；南侧靠近北隍城岛侧海域为庙岛群岛斑海豹自然保护实验区、渤海海洋生态红线限制开发区和禁止航行区，北侧靠近旅顺登陆端海域为禁止航行区。该海域水深超过50 m(最深达到86 m)，竖井设置难度和施工风险高，同时考虑军事影响等不确定因素，研究推荐该段海底隧道不考虑设置海中竖井。

渤海海峡跨海通道全隧道方案海底隧道总长约120 km，南桥北隧组合方案海底隧道总长约为64.5 km，利用途经岛屿设置竖井或斜井，划分为不同施工段落，如图7、图8所示。

图7 跨渤海湾通道全隧道方案隧道施工组织筹划(单位：km)

图8 跨渤海湾通道南桥北隧方案隧道施工组织筹划(单位：km)

5.3 跨老铁山水道实施方案

渤海海峡通道跨老铁山水域海底隧道(长42 km)是控制工期的关键工程，考虑海峡通道沿线分布众多航道、养殖区、环境保护区、军事禁区，部分段落开展地质钻探甚至物探均存在困难，勘察阶段所获取地质资料精度有限，建议在勘察设计阶段，配合海上勘察，开展中间服务隧道掘进施工，分别由北隍城岛侧和老铁山侧向海中方面超前贯通施工，探明详细地质状况，为正洞隧道设计、施工提供有利支撑。

跨老铁山水道段海底隧道，结合施工期间服务隧道使用功能，开展2种施工组织方案研究。

(1)两端对向掘进方案

该方案采用服务隧道和铁路隧道进行同期施工，各自独立完成，在中间岩质地层设置接收洞，施工期间服务隧道主要作为应急处理及正线隧道施工辅助坑道。结合两端地质条件，选用相应的掘进机设备，对穿越15 km第四系覆盖层段落采用1台盾构机、一次性独头掘进施工，如图9所示。

图9 两端对向掘进实施方案示意(单位：km)

(2)服务隧道超前正洞接力方案

该方案服务隧道快速超前施工或超前贯通，作为施工南、北侧组装洞的施工通道，并承担正洞施工任务，正洞隧道利用服务隧道作为设备、材料运输通道实现多作业面分段同步施工，其中，隧道穿越第四系覆盖层段落由两端设置的始发洞(兼接收洞)，采用2台盾构掘进机对向掘进，在第四系地层中间位置进行海底对接。铁路隧道利用服务隧道开展多作业面施工，如图10所示。