超前探孔施工
廈門翔安海底隧道實現了我國內地海底隧道零的突破
地球上的大陸被海洋所分割，形成了懸浮在海中的孤島和群島，還有蜿蜒曲折的海岸線。海洋在分割的陸地之間形成了海峽和海灣。
在過去漫長的歲月裡，人們需要藉助船舶來通過海峽，風大浪高，翻船沉沒的悲劇經常上演。而在沿海地區，彎曲複雜的海岸線將直線距離不遠的兩座城市阻隔，要到達彼此，需要繞行很遠的距離。
隨著社會的不斷進步，科技發展一日千里，人類靠掌握的科學利器不斷與險惡的自然環境做鬥爭，創造了一個又一個工程奇蹟，海底隧道就是其中的一個代表。
海底隧道，是一種建造在海底橫跨海峽或是海灣的通道，與建設跨海大橋相比，它不會妨礙海上船隻的通行，不影響生態環境，並且通行時不受天氣情況的影響。近些年，我國海底隧道建設迎來蓬勃發展，目前，我國已建成和擬建的跨海隧道共21座，其中已建9座，擬建12座。
“海底隧道修建方法主要有鑽爆法、沉管法和掘進機法。其中，鑽爆法因具有適應性強等諸多優點得到了較為普遍的應用。”北京交通大學土木建築工程學院院長張頂立告訴記者，海底隧道的核心問題是施工中突湧水事故的防治和運營中排水量的控制。
國外在修建海底隧道中曾多次出現過災難性的突湧水事故，如日本青函隧道發生4次重大突湧水事故，造成重大人員傷亡。為此，在國家863計劃、國家自然科學基金重點項目、北京市科技計劃項目等的支持下，張頂立和他的研究團隊圍繞海底隧道建設的核心技術難題進行了系統研究和實踐，並在我國率先建成的廈門翔安海底隧道和青島膠州灣海底隧道中得到了全面應用。實現了複合注漿技術、施工過程精細化控制和隧道排水量主動控制3項技術突破，創造了我國海底隧道鑽爆法建造的技術模式。在2017年北京市科學技術獎評選中，該項目榮獲一等獎。
與“龍王爺鬥法”
家住青島辛安片區的市民們正在熱切盼望著膠州灣第二海底隧道的修建。
據瞭解，青島膠州灣第二條海底隧道初步計劃在西海岸新區一端接疏港高速，全長15.8公里，雙向六車道標準，設計車速80公里／小時。開通後，辛安片區居民再也無需繞行薛家島，從此暢達主城區。
如果說廈門翔安海底隧道實現了我國內地海底隧道零的突破，那麼7年前開通的膠州灣第一海底隧道則在技術上再次實現了突破。
膠州灣海底隧道全長7.8公里，地質情況複雜，共穿過18條地質斷層，建設難度巨大，在中國海底隧道建設史上尚屬首次。該隧道通車後，青島至黃島由環灣高速通行需1.5小時，輪渡需40分鐘，而穿過隧道只要 5分鐘，為唯一一條實現東西岸半小時圈的全天候通道。
“即將開工的隧道是為了緩解膠州灣海底隧道的交通壓力，它也將採用鑽爆法施工。”張頂立說。
在全世界的海底隧道施工中，鑽爆法以其適應性強成為主流方法。“在海床下的巖體內建造水底隧道，許多方面與在山嶺建造隧道是相同的。”張頂立介紹說。
但是與山嶺隧道相比，海底隧道的鑽爆法修建技術具有其顯著的特殊性。“比如，海底隧道具有承受持續高水壓作用且水量補給無限、對地質條件絕對依賴且精準勘測極其困難、排水量標準嚴格且可控性差等難點。”張頂立說。
在幾十米甚至上百米深的海底修建隧道，就好比與“龍王爺鬥法”，存在著極大的風險。事實上，日本青函隧道穿越斷層帶施工時就曾發生4次突湧水事故，造成33人死亡和1300多人受傷，且每次影響工期均在一年以上，運營初期日排水量達6萬立方米；挪威奧斯陸海底隧道穿越15米的鬆散冰磧沉積帶，被迫採用凍結法施工，耗時兩年。
由於廈門、青島等地修建的海底隧道具有地質條件極其複雜、覆蓋層較薄及隧道斷面超大的突出特點，由此我國技術團隊需要在核心技術方面實現原始創新，並吸收國內外先進技術實現集成創新，從而在隧道突湧水和排水量控制方面實現技術突破。
知難而上、創新突破，引領世界水平
在膠州灣修建海底隧道是一件非常棘手而又危險的事。
張頂立告訴記者，膠州灣海域地質條件特別複雜，包括滄口斷裂帶在內的幾條區域性大斷裂帶，經多次、多角度活動，形成膠州灣灣口的地質地貌，而斷層是隧道建設中的巨大障礙。
據統計，膠州灣海底隧道所經海域，要穿越5個大的斷裂帶，包括北西方面、北東方面各兩條，先後有18條地質斷層橫架在隧道上方，這些斷層之間交叉分割非常複雜。這種地質條件下建隧道，難度可想而知。
翔安海底隧道先後穿越3條風化深槽和1條風化囊，地質條件極其複雜且透水性強，曾修建挪威奧斯陸海底隧道和青函隧道的專家察看了地層結構後搖頭說，“這個工程是海底隧道鑽爆法修建的禁區”。
外國專家的否定，並沒有讓中國團隊退縮。“針對海底隧道工程特點，我們提出了結構界面滑移、地層坍塌和水力劈裂等3種突水模式，建立了相應模式的突水機理模型。”張頂立說。
項目團隊開發了以超前地質預報為核心的地質保障系統，針對海底隧道突水模式和機理提出了災害預測方法；開發基於複合注漿原理的周邊帷幕注漿技術，提高了地層加固可靠性和堵水效率；建立了不良地質段的隧道施工技術及監測方案，創新了施工技術體系。
項目團隊還按照地層條件，建立了隧道湧水量分級方案，揭示了排水量—地層加固標準—結構荷載的動態關係，提出主動控制的海底隧道“堵水限排”設計理念和方法，明確了圍巖初期支護的主體作用，實現對排水量的主動控制，並開發了可維護防排水系統。
“對於海底隧道，由於承受持續高水壓作用且水量補給無限，若採用全封堵方案則造成水荷載過大結構無法承受，而全排放方案則因排水量過大經濟上無法承受。”張頂立說。
據瞭解，實施了新的技術後，堵水效果顯著改善，排水量控制在0.2m3/（d·m）以內，實測二襯結構水壓力近乎為零，隧道不良地質段結構安全狀態良好。
項目團隊還提出以隧道突湧水事故和排水量控制為核心的安全風險新理念，提出了基於安全係數的隧道平縱斷面設計方法，創建了服務隧洞超前的三孔佈置形式，建立了不同圍巖條件下鑽爆法與淺埋暗挖法相結合的大斷面海底隧道工法模式，形成高風險重大工程建設管理的新模式，實現了海底隧道施工零死亡和高效率。
如果說，日本的青函隧道和挪威的奧斯陸海底隧道曾經代表了當時的世界水平，那麼這個大旗現在由中國來扛。
張頂立認為，日本青函隧道在全斷面注漿技術，尤其是鑽注裝備方面取得了較大的進步，但在注漿效果方面存在較大的問題，這是沒有實現安全施工的主要原因。奧斯陸海底隧道沒能成功採用注漿技術，而是採用了價格昂貴的地層凍結技術，不適宜大範圍使用。
“我們針對我國海底隧道的工程和地質特點，以及國外隧道修建中的問題進行研究，形成的核心技術成功地指導了廈門翔安和青島膠州灣海底隧道工程的順利建成，刷新了多項技術指標，該成果代表了當今該技術領域的世界水平。”張頂立說。
我國海底隧道建設的開拓者
項目研究成果形成了複雜條件下海底隧道鑽爆法建造技術體系，直接應用於廈門翔安海底隧道工程建設全過程，成功破解了世界級技術難題和消除了特大建設風險，建成國內第一座海底隧道，也是世界最大斷面鑽爆法海底隧道，取得高難度、高風險海底隧道施工零死亡的佳績。迄今投入使用已近8年，根據管養單位反饋，隧道結構物和附屬設施各項使用功能正常，通車運營情況良好，綜合效益顯著。
廈門翔安海底隧道和青島膠州灣海底隧道是國內鑽爆法海底隧道建設的開拓者，研究成果對我國鑽爆法海底隧道建設起到示範和引領作用，促進我國海底隧道的建設和設計理論研究、施工技術與施工設備等的進步。
“作為我國第一批開建的海底公路隧道，青島膠州灣海底隧道的建設及管理經驗對我國解決沿海地區的海底大通道有著很好的借鑑意義。不僅在技術標準、技術內涵上實現了許多創新和突破，在工程質量、施工安全等方面也都處於領先水平，成為我國海底隧道建設的新樣本。”中國工程院院士周豐峻曾如此評價。
“相關技術已在我國後續海底隧道工程建設中得到推廣應用，如瀏陽河隧道、湘江隧道、廈門海滄隧道以及地鐵隧道等，綜合效益顯著。”張頂立說。
據不完全統計，在今後10—15年內，我國將有約20—40座大型水下隧道工程需要開工建設，如膠州灣第二海底隧道、大連灣海底隧道、渤海灣跨海隧道、上海至寧波的杭州灣海底隧道，廣東至海南瓊州海峽跨海工程，乃至臺灣海峽隧道等也都提上議事日程。由此可見，隨著我國水下隧道建設高峰期的到來，研究成果應用前景將更加廣闊。
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