琼州海峡跨海隧道关键技术研究

陈 昂，陶伟明，朱 勇，范 磊

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

引言

海南岛是我国“一带一路”倡议的重要支点，但限于琼州海峡的阻隔，目前与内陆的交通主要依靠轮渡和航空，极大限制了两岸人员、物资的交流。2018年2月，受大雾天气影响，轮渡全部停航，超过5万辆汽车滞留，社会影响严重。建设一条固定式、全天候的跨海通道已迫在眉睫。

自1994年以来，国家多部门多次对琼州海峡跨海通道进行研究。结合公路、铁路过海需求，先后形成了全桥、全隧、桥隧结合三大类方案[1-5]。桥梁方案无法满足全天候运营需求，抵御战争、地震、台风能力弱。由于海峡内无天然岛屿，桥隧结合方案需设置人工岛，严重影响海峡航运，工程投资较高。因此，历次研究均偏向全隧方案[4]。

1 工程建设条件

琼州海峡跨海隧道建设条件相当复杂，前期研究初步查清了海峡内的气象、水文、工程地质等建设条件，本文进行简要论述。

1.1 海底地形

琼州海峡海底地形呈现西浅东深状态，中部是水深大于50 m的深水盆地(长约70 km、宽约10 km)，盆地中轴为水深80～115 m的深槽。海峡南侧为陡坎，最大高差可达到70 m。海峡东部峡口为一系列浅滩和冲槽相间，部分区域水深仅20～30 m。西部峡口为一巨大的水下三角洲，水深40～50 m[6]。

1.2 地层岩性

海上钻探显示，海峡地层主要为第三纪和第四纪的沉积层，仅在两岸有火山喷发和喷溢的玄武岩露头，分布范围较小。海床上部地层为砂夹黏土、黏土夹砂或粉土互层，下部为深厚状黏土。海上钻探150 m深钻孔未见基岩，物探预测海床下300 m或有基岩分布，由此说明海峡内基岩埋深极深。

1.3 断裂构造

海峡内断裂构造发育，按其展布方向，主要可划分为北东-北东东向、北西向、近东西向和近南北向4组。目前较为可靠的全新世活动断裂包括马袅—铺前断裂(54)、铺前—清澜断裂(36)，长流—仙沟断裂(40)。晚更新世活动断裂包括海口-云龙断裂(38)、徐闻西-纪家断裂(39)、马袅-福山断裂(42)。琼州海峡区域地质构造见图1。

图1 琼州海峡区域地质构造

1.4 地震

海峡区域历史地震活动呈现“北强南弱”的特点，北部地震强度在6级以上，南部则小于6级。震源深度优势分布为10～15 km。1605年琼山7.5级大地震对通道选址影响最大，近场区影响烈度在Ⅶ度以上，自北向南减弱。南岸影响烈度在Ⅶ～Ⅷ～Ⅸ度，海峡北岸的影响烈度在Ⅶ～Ⅷ度。区域地震动峰值加速度0.2g～0.3g。

2 隧道建设方案

2.1 通道位置

结合海峡工程建设条件、两岸城市规划、工程规模等因素，通过前期多次研究，选定了东、中、西3个通道方案。见图2。

图2 琼州海峡通道选址示意

东线通道从广东侧海安、排尾等地引至海口市，海面宽度约24 km。该通道海底地形起伏强烈，最大水深约86 m，地震烈度Ⅷ度，且靠近1605年琼山7.5级大地震震中，受地震和断裂的影响最大。在历次研究中，该通道均不推荐。

西线通道由广东侧灯楼角引出，向南至海南红牌咀，海面宽度约33 km，最大水深约60 m。该通道海底地形起伏较小，无明显陡坎，但北侧穿过徐闻珊瑚礁国家级自然保护区。该通道建设条件较好，但线路长度超过30 km，盾构法、矿山法施工极为困难。沉管法虽不受隧道长度限制，但基槽开挖、管节浮运沉放等涉及大量的水上作业，严重影响海峡通航，对海洋环境影响较大，工程投资巨大。

中线通道由广东侧四塘引出，向南至海南天尾引入海口站，海面宽约21 km，最大水深88 m。该通道建设条件优于东线通道，隧道长度最短，工程规模和投资较西线通道大为减少，在历次研究中，均作为隧道首选位置。

2.2 隧道工法

水下隧道工法主要包括围堰法、矿山法、盾构法、沉管法等。围堰法一般用于内湖浅水中，不适用于本工程。矿山法多用于岩石地层，琼州海峡基岩埋深极厚，不适用。沉管法涉及大量水上作业，对航运影响极大。同时中线通道最大水深88 m，超过现有沉管隧道应用水深，工程实施困难。

盾构法属于机械化暗挖施工，尤其适用于琼州海峡的软土地层，相较于沉管法在本工程中更有优势。二十多年来，我国利用该工法在长江流域、黄河流域、珠三角地区修建了超过20座水下隧道，积累了丰富的施工经验，最大直径达到15.2 m(武汉三阳路过江隧道)，盾构最长独头掘进距离达到7.5 km(上海长江隧道)，最大水深达到80 m(苏通GIL综合管廊隧道)。因此，推荐采用盾构法。

2.3 隧道断面布置

琼州海峡连接广东和海南两省，交通运量需求巨大。结合两岸运量需求及未来经济社会发展，本通道需考虑公路和铁路的过海需求，其中公路按80 km/h设计，双向6车道，铁路设计为速度250 km/h双线客专。

2.3.1 公铁合修方案

公铁合修方案将铁路与公路置于同一隧道内，铁路位于隧道下部，公路位于隧道中上部。拟定管片内径17 m，外径18.6 m，所需盾构机直径预计达到19 m。目前世界最大直径盾构隧道为香港屯门—赤腊角海底隧道，盾构机直径也只达到17.6 m。俄罗斯曾提出建造直径19 m级的盾构隧道，但由于设计、制造难度太大而放弃。

考虑19 m级盾构机制造、施工难度，公铁合修方案技术尚不成熟，工程实施难度大。同时，公路和铁路运营管理分属不同部门，公铁合修隧道运营管理协调难度大。因此，不推荐采用，考虑公铁分修。见图3。

图3 公铁合修隧道横断面示意

2.3.2 公铁分修方案

公铁分修将公路隧道和铁路隧道共通道单独设置，互不连通，可根据运量需求分期或同期建设。其中，公路隧道按双洞敷设，间隔设置横通道进行连通，运营期可互为疏散救援，管片内径13.9 m，外径15.3 m，盾构机预估直径15.7 m。铁路隧道为减小隧道断面，提高防灾救援能力与运输灵活性，采用双洞单线分修模式。由于铁路隧道长度超过20 km，海域段无条件设置紧急出口，参照英法海峡隧道模式，增设1条贯通服务隧道。铁路正线隧道管片内径8.9 m，外径10.1 m，盾构机预估直径10.4 m。公铁分修隧道横断面示意见图4。

图4 公铁分修隧道横断面示意

2.4 施工组织

本工程隧道长度超过20 km，盾构独头施工距离过长，工程风险和工期不可控，故推荐多台盾构从广东、海南侧相向掘进、水下对接，单台盾构掘进长度约10.7 km，土建工期82个月。见图5。

图5 隧道施工组织筹划(单位：km)

3 工程关键技术

结合工程建设条件和建设方案，本工程需要解决的关键技术包括超大直径盾构(φ15.7 m)、超长距离掘进(10.7 km)、超高水压(1.45 MPa)、水下对接、联络通道施工、公路隧道通风等。其中部分挑战相互影响、相互作用，更增加了工程的实施难度。

3.1 超大直径盾构超高水压下超长距离掘进

3.1.1 超大直径盾构

本工程公路隧道盾构直径15.7 m，近年来，我国盾构设备的设计、制造能力已有长足发展，基本掌握了大直径盾构的关键技术。2020年9月，我国制造的16.07 m超大直径盾构“京华号”下线，用于北京东六环改造工程，标志着我国已有能力设计、制造16 m级超大直径盾构。见图6。

图6 “京华号”盾构

3.1.2 超高水压

中线通道最大水深88m，考虑一定的覆土厚度和地层分布后，隧道最大外水压力1.45 MPa。同时有近12 km长隧道外水压力超过1 MPa，占全隧盾构段长度的58%。目前国内已实施盾构隧道最大外水压力为1.05 MPa(山西小浪底引黄工程七标段盾构隧道)[7]，国外记录为1.5 MPa(美国米德湖第三取水隧道)[8]。

超高水压对盾构主驱动密封、盾尾密封、盾构换刀及进仓作业影响较大。高水压条件下，目前盾构主驱动一般采用4道密封加驱动箱压力补偿技术，最大可承受1 MPa外水压力。对于本工程1.45 MPa的超高水压，现有密封技术仅在理论上满足要求。若密封中途失效，则只能在洞内进行更换，超大断面、超高水压两种不利因素下，更换风险极高。

盾构工法的特点之一是开挖直径大于管片外径，管片外侧间隙通过盾尾刷和密封油脂进行封堵。为提高盾尾密封的承压能力，一般需增加尾刷数量，同时采用高质量油脂。试验表明，3道尾刷+2道油脂腔的耐压能力可达到1 MPa。据此推算，5道密封+4道油脂腔，承压可达2 MPa，满足本项目的承压要求，但缺乏验证。

本工程地层以黏土和砂为主，不可避免地存在刀具磨损问题，需进行刀具更换作业。高水压下，推荐采用近年来新发展的常压换刀技术。常压换刀需将刀盘设计为中空结构，盾构机直径不能过小，目前最小直径常压换刀刀盘为11.64 m，应用于南京地铁10号线。本工程服务隧道盾构机直径约7.6 m，常压换刀面临巨大的技术挑战。见图7。

图7 常压换刀作业

此外，目前常压换刀技术应用的最高水压记录为1.2 MPa(土耳其欧亚隧道)[9]，距本工程1.45 MPa还有一定差距。根据室内试验，常压换刀装置的最大承压能力可达到2 MPa，满足本工程要求。但该压力仅为试验压力，未经过工程试验验证。

同时，常压换刀只能解决刀具更换问题，施工时若出现刀盘异常磨损、刀具掉落等极端情况，仍需要带压进仓作业。高水压下，应采用饱和气体带压进仓。目前，该技术应用的最高压纪录为0.85 MPa(荷兰Westerschelde隧道)[10]，国内最高记录为0.65 MPa(南京纬三路过江隧道)。德国北海潜水公司曾试验过1.2 MPa的工作压力，与本工程1.45 MPa仍有一定差距。

3.1.3 超长距离掘进

目前国内盾构一次掘进最长距离为7.5 km(上海长江隧道)[11]，阿根廷某小直径排水隧道计划一次掘进12 km，目前尚未实施。本工程单台盾构一次掘进距离10.7 km，超过现有工程记录，需要重点解决盾构部件的耐久性问题，如主驱动密封、盾尾密封、刀盘刀具磨损等。

超大直径盾构、超高水压、超长距离掘进三类不利因素相互影响，更加剧了本工程的挑战性。

3.2 超高水压下超大直径盾构水下对接

本工程施工组织采用相向掘进、水下对接。水下对接属于盾构施工的一种特殊工法，目前国内仅广深港狮子洋隧道一例[12]，国外在日本应用较多，如东京湾海底隧道等[13]。目前已实施对接工程中盾构最大直径14.14 m，最大水压0.67 MPa，远小于本工程面临的15.7 m直径、1.45 MPa水压的挑战。

3.3 超高水压条件下联络通道施工

考虑运营期防灾救援要求，公路和铁路隧道均设置联络通道。以铁路隧道为例，按500 m间距，联络通道数量超过90座。盾构隧道联络通道施工风险极大，特别在软土地层中。上海地铁4号线就曾因联络通道加固失效，造成重大工程事故[14]。本工程联络通道施工面临1 MPa以上超高水压挑战，目前尚未有任何工程实例可供借鉴。

3.4 公路隧道超长距离通风

公路隧道两岸工作井距离超过20 km，需要设置机械通风。海域段通航要求高，不具备填海设置通风井条件。德国费马恩海峡公路隧道计划采用全纵向通风方案，实现18.1 km超长距离通风，通风距离位列世界第一，但尚未实施，与本工程超20 km的通风距离仍有差距。能否解决20 km以上超长距离通风问题，是制约公路隧道方案可行性的关键因素之一。

4 后续研究建议

琼州海峡跨海隧道工程规模大、建设条件复杂、实施难度极大，部分工程参数远超现有技术储备，需提前开展相关研究工作。

4.1 加深海峡建设条件调查工作

目前海峡内的建设条件以资料收集为主，辅以少量的水面勘察，对海峡内的气象、水文、工程地质、海底地形、海床演变分析等工作深度不够，不足以支撑工程设计工作。建议联合国内相关单位，提前开展专题研究工作，进一步摸清海峡建设条件，为工程方案比选和设计提供支撑。

4.2 开展盾构设备关键技术攻关

我国目前已能设计、制造16 m级超大直径盾构机，但面对本工程前所未有的工程挑战，应重点对以下关键技术开展攻关。

4.2.1 超高水压、超长距离掘进下主驱动密封耐压能力和耐久性能

盾构工法严重依赖盾构机的可靠性和技术先进性，针对本工程超高水压挑战，需重点攻克主驱动密封的耐压能力。现有密封主要采用多道密封加驱动箱压力补偿技术，可满足一般水压下的施工需求。本工程盾构机可考虑进一步增加密封数量、提高密封背压或创新密封形式，并开展室内试验验证，确保密封方案的有效性。在提高耐压能力的同时，还应兼顾超长距离掘进下密封的耐久性能。此外，为应对突发状况，还应对主驱动密封洞内更换进行研究，确保工程万无一失。

4.2.2 超高水压下常压换刀、饱和潜水技术

常压换刀工作效率高、操作风险小，是近年来新发展的盾构换刀技术，但目前实际工程应用最大水压力为1.2 MPa[9]，与本工程1.45 MPa压力还有一定差距，需重点研究换刀装置的耐压能力和可靠性。同时，服务隧道盾构直径较小，应用常压换刀技术仅在理论上可行，仍需进一步研究试验。

饱和潜水可解决高水压条件下盾构开仓作业问题，但现有实际工程应用最大水压力仅0.85 MPa，试验压力1.2 MPa，与本工程1.45 MPa还有一定差距。我国于2014年进行了300 m饱和潜水深海作业[15]，但盾构机内部空间狭小，工作环境与海洋工程差距较大，后续建议联合国内饱和潜水研究机构、盾构设备厂商、施工单位等进行专项研究。

4.3 深化超高水压下超大直径盾构水下对接方案

目前，盾构对接主要采用两种方式，第一种是机械对接[16]，多为日本开发使用，盾构机前部采用特殊设计，两台盾构可直接进行插入对接。第二种是土木对接，包括注浆和冻结两种工法，对接前预先对开挖面进行加固，保证地层的止水和自稳能力。注浆工法代表性工程如广深港狮子洋隧道[17]，冻结工法代表性工程如日本东京湾海底隧道[13]。

机械对接对盾构施工精度要求较高，目前一般用于中小直径盾构。土木对接中的注浆法一般用于基岩地层，在琼州海峡砂质地层中不适用。冻结法通过向土体打入冻结管或使用冷冻刀盘[18-19]，循环冷媒，在土体中形成任意形状的连续冻土墙，可有效保证对接区域的强度和止水密封能力。

同济大学胡向东团队在2013年曾对琼州海峡冻结法盾构对接进行过初步研究[20]，说明了冻结法在本工程中应用的可行性，初步建议采用双排管冻结，并控制刀盘一次拆除长度，可作为下一阶段冻结法对接深入研究的参考。

4.4 深化超高水压条件下联络通道施工方案

盾构隧道联络通道施工一般预先从洞内或地表对开挖地层进行加固，再采用矿山法施工。在超高水压下，上述工法风险极大。近年来，采用小盾构、小顶管等机械法施工联络通道在国内逐步兴起，并已在多个地铁隧道中得到了应用[21-22]，但地下水压较小，在本工程中应用需着力解决超高水压带来的设备承压、联络通道与正洞衔接处密封止水两大类问题。同时为缩短工期，还应研究联络通道与正洞同步施工问题。见图8。

图8 机械法联络横通道示意

4.5 细化公路隧道超长距离通风技术方案

2018年起，我国汽、柴油全面实行国Ⅴ标准；2023年起，全面实行国Ⅵ标准。同时，国家近年来大力推广新能源汽车。本工程通车运营时间最快预计在2030年以后，届时汽车尾气污染物含量将大幅降低。

按国Ⅵ标准进行初步通风设计，隧道两端盾构始发井作为通风井，并设置大功率轴流风机，采取送排组合通风方案进行串联通风，隧道内设置一定数量的射流风机升压引流，并在洞内适当位置设置尾气净化装置改善洞内运营环境，可解决20 km以上超长距离运营通风问题。见图9。

图9 全纵向送排组合通风示意

由于运营通风方案直接关系到公路隧道的可行性，后续需结合交通运量预测及污染物排放标准，深化通风技术研究，为工程设计提供支撑。

5 结论

琼州海峡固定通道建设意义重大，中线通道全隧敷设方案较优。隧道采用盾构法施工，根据运量需求敷设公路隧道和铁路隧道。

本文结合水下盾构隧道技术发展现状，梳理了隧道方案实施需要解决的超大直径盾构、超高水压、超长距离掘进三大关键技术，初步提出了解决方法与路径。由于部分工程参数超过现有技术储备，后续需深化海峡建设条件勘察研究工作，并重点对盾构机主驱动密封承压性能、耐久能力、洞内更换技术，小直径盾构常压换刀技术、常压换刀装置耐压性能，超高水压下饱和潜水技术，超高水压下超大直径盾构水下对接，联络通道施工、公路隧道超长距离通风等关键技术开展研究和工程试验，为工程实施做技术储备。