海底隧道施工方法可行性研究

调研报告

1.课题的来源及意义

海底隧道,是为了解决横跨海峡、海湾之间的交通,而又不妨碍船舶航运的条件下，建造在海底之下供人员及车辆通行的海底下的海洋建筑物。我国海域辽阔，其中物产丰富、风光秀丽具有开发价值的岛屿众多。随着我国国民经济的飞速发展,为改善国内投资环境、增强沿海城市与海岛的联系，很多沿海城市开始修建或拟建海底隧道,如已建成的厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾湾口海底隧道,拟建或正在论证规划的大连湾海底隧道、渤海湾海底隧道、伶仃洋海底隧道、琼州海峡海底隧道以及台湾海峡海底隧道等.海底隧道具有便捷、快速、受环境影响小、流通量大等特点，与其它跨海交通方式相比具有其独特的优势，但是海底隧道的建设技术难度大、地质条件复杂、风险性高，在设计、施工过程中依然有许多工程安全问题需要探索。因此,对海底隧道的施工发生的事故风险进行研究和分析是有必要的，这样能够促进海底隧道修建技术的完善,并减小事故造成的损失，为未来建设的海底隧道的选址、设计、施工等提供依据。

1。1国内外海底隧道概述

1。1。1国外海底隧道概况

日本是最早修建海底隧道的国家.20世纪40年代修建的关门海峡隧道是世界上最早的海底隧道.青函隧道主要通过第三纪火山堆积岩，部分火山岩透水性较高。海峡宽约23km，水深达140m，隧道又在海床下100m，故总长达53．85km。该项目施工时间前后长达24年，于1988年竣工.此外东京湾海底隧道工程全长为15．1Km，海底段为9．1km。其意义和作用非常大，以此为契机，日本及韩国又提出了日韩海底隧道工程等构想。日韩海底隧道从日本壹岐海峡(最短距离22km，最大水深60m），经东对马海峡(49km，水深120m）,最后到西对马海峡(49km，水深200m)。经过十几年的勘察及方案设计，在日本侧已开挖试验斜井，了解地质地形状况。

英法海峡隧道［1]是连接英格兰和法国，即英国和欧洲大陆之间的固定陆岛通道。1984年两国协议修建固定式跨海工程，1987年7月29正式动工，1993年12月完工移交，1994年5月正式运营.该项目采用成熟的先进技术,通过充分的地质工作找到理想的岩层，设计安全，较好地解决了某些特殊的工程技术问题。这一工程建成有力地推动了欧盟特别是英法之间的经济发展.大大方便了欧洲各大城市之间的来往。

在亚洲,跨越爪畦岛和苏门答腊岛之闻宽40km，深200m的巽他海峡通道，以及跨越马六甲海峡的通道、宗谷海峡、间宫海峡通道等也都是引入注目的设想.随着各国国力增长，这些海峡将来都可能修建跨海工程[2］[3］。

1.1.2国内海底隧道概况

我国现已在香港、厦门、青岛建成海底隧道。在香港特别行政区的是三条间断的海底隧道,它们越过维多利亚海峡，把港岛与九龙半岛连接起来。1972年,港九中线海底隧

道最早建成，全长1．9km. 1997年4晨，香港回归前夕建成的西线隧道,拥有最多的六条车道，日车流量可达18万次，并直接贯通香港与内地[4]。

厦门翔安海底隧道是一项规模宏大的跨海工程，跨越海域总长约4。2km,设双向六车道,采用钻爆暗挖法(矿山法)修建。该隧道是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道,兼具高速公路和城市道路双重功能。本工程对我国隧道建设技术的进步和发展，缩小与世界先进水平的差距，起到了里程碑式的作用[5]。2005年月正式开工建设,于2009年年底竣工现已交付使用。

青岛胶州湾湾口海底隧道是连接青岛市主城与辅城的重要通道，南接薛家岛，北连团岛，下穿胶州湾湾口海域.该隧道的建设从根本上解决“青黄不接"，大大改善西部投资环境，加速发展新区经济，实现新、老港区的优势互补和整体效益的提高，是实现青岛市发展成为现代化国际大城市的有力支撑和重大工程措施［6］。2006年12月27日正式开工建设，这是继厦门翔安海底隧道后,我国内地开工建设的第二条海底隧道,已于2011年完工。胶州湾隧道是国内在建的第二条大型海底隧道，也是目前我国最长、世界第三长的海底隧道。

大连湾海底隧道(在建）设计为双向6车道,其南侧将通过4条单行路分别与民生街及疏港路等相连,北侧与光明路、中华路、东方路等相连[7］.海底隧道投入使用后，将在大连新老市区间形成第二条通道，中心城区车辆可通过海底隧道经光明路、东方路直接至开发区，从而有效缓解二者间交通.

琼州海峡跨海通道是国家高速公路网的重要组成部分,是国家能源、交通保障和服务通道，是泛珠三角地区和中国—-东盟地区的重要经济通道,是我国南海地区的重要旅游通道和军事通道。琼州海峡具有水深、风大、浪高、流急、地质构造复杂、地震烈度较高、通航要求较高、环境影响敏感点较多等特点，建设条件十分复杂。虽然目前尚未发现足以否定本项目建设可行性的颠覆性因素,但仍存在地震、台风、环境影响等敏感因素有待进一步研究，因此需要对建设条件开展深入的调查、勘探和研究工作[8]。

台湾海峡通道［2］［3]，宝岛台湾孤悬海外，国内外敌对势力企图分裂台湾之心不死。而且隔海相望也严重制约了两岸经济的发展.所以台湾海峡通道对两岸同胞意义非凡，虽然还有很多政治、资金、技术问题没有解决但是两岸专家学者已经在积极探讨.相信不久的将来这一伟大构想定能实现从而为两岸的团结与发展书写新的篇章。

中日韩海底隧道构想“通过海底隧道的高速铁路,从韩国首都首尔出发，两个小时就可以到中国，4个小时就可以到北京”。这样的说法中国人听起来很新奇,但在韩国,这一构想并非痴人说梦，而且正在受到国家的鼓舞，在韩国总统李明博的主持下，讨论级别由地方政府上升到中央政府层面.显而易见，韩国对待这一构想越来越认真。除了中国，韩国还想用海底隧道将日本也连接起来。形成中日韩经济圈，不过该项工程修建耗资巨大目前只是停留在纸面构想阶段。

1。2海底隧道施工方法介绍

根据对目前国内外现有海底隧道的调查情况，海底隧道施工方法有隧道掘进机施工法（TBM法）、盾构法、沉管法[8]、矿山法，现将这四种方法阐述如下：

1.2.1 隧道掘进机施工法

隧道掘进机（TBM）有两种基本类型:部分断面掘进机和全断面掘进机。全断面掘进机用于断面一次开挖，通常用于圆形隧道断面，这类掘进机有各种不同的类型。全断面隧道掘进机［9]己经成功地用于很多海底隧道，如最著名的英法海峡隧道。TBM隧道施工的进度快、机械化程度高及其安全性是世界公认的。TBM施工目前仍存在以下问题，有待进一步研究解决.

1)隧道施工造价高.TBM机械电气构造复杂，制造技术难度大，造价高。TBM施工耗

电、耗水，能源消耗大.

2）TBM多为圆形长大隧道施工,不适用于方形、椭圆形断面隧道的施工.

3）TBM对岩石特性依赖性大.

4)TBM施工管理技术要求严格，对操作人员技术素质要求高。

1.2。2盾构法

盾构法［9]一般限制在港湾下的浅水区和沿海地带，在深堆积层等软弱的不透水粘土中最为适用.采用盾构法修建了很多海底隧道,其中典型的工程有：日本德山港海底隧道、东京湾渡海公路隧道、丹麦大海峡隧道等.盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退。由于管片外径小于盾构外径，如要后退必须拆除已拼装的管片,这是非常危险的。所以，盾构施工的前期工作非常重要，一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通过实施辅助施工措施后，打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。

1。2.3沉管法

所谓沉管法修建隧道，就是将若干个预制管段分别浮运到海面（河面）现场，并一个接一个地沉放安装在己疏浚好的地槽内。至今世界上己修建了100多座沉管隧道.沉管隧道有如下特点：

1）隧道顶部覆土浅，甚至可以为零或露出地面，故而隧道长度相对较短

总工程量较小，工期较短，工程造价较低。

2）沉管比重小，对基底地质条件适应性强。

3)沉管施工水上工期短,大部分作业可交叉进行，有利于缩短工期。

4)沉管断面形状选择自由度大，断面利用率高,可以做到一管多用。

1。2。4矿山法

采用传统矿山法或悬臂式和门架式多臂凿岩台车钻眼施暴,使用人工或装渣机出渣，大型自卸柴油机车运输的开挖方法称为矿山法［9］.矿山法的基本工序为：钻孔、装

药、放炮散烟、出渣、支护、衬砌.它的辅助工作还有测量放线、通风、排水以及必要的监测记录工作、后勤支持工作等。该工法一般采用马蹄形断面，衬砌采用由初期支护、防水夹层和二次衬砌组成的的复合式衬砌，根据施工监控量测信息反馈来验证或修改设计参数，以达安全、适用、经济的目的。

1.2.4海底隧道施工特点

与陆地隧道相比，海底隧道具有如下特点：

（1)通过深水进行海底地质勘测比在地面的地质勘测更困难、造价更高，而目准确性相对较低，所以遇到未预测到的不良地质情况风险更大.因此，在隧道施工时必须进行超前地质预报。

（2）海底隧道施工的主要困难是突然涌水，特别是断层破碎带的涌水。因此必须加强施工期间对不良地质段和涌水点的预测和预报

（3）海底隧道的单日掘进长度很大，从而对施工期间的后勤和通风有更高的要求。

（4）很高的孔隙水压力会降低隧道围岩的有效应力，造成较低的成拱作用和地层的稳定性

（5)很高的渗水压力可能导致水在有高渗透性或有扰动区域与开阔水面有渠道相

连的地层中大量流入.

（6)海底隧道不能自然排水，堵水技术是关键技术。先注浆加固围岩,堵住出水点，然后再开挖.在堵水的同时加强机械排水,以堵为主，堵抽结合。

（7）在高水压下开挖横通道是一大技术难题,将来很有必要有专门在困难条件下开挖横通道的隧道掘进机。

(8）衬砌长期受较大的水压作用。

(9）由于单日连续掘进距离很长而导致工期很长，投资很高，因此必须采用快速掘进设备。

目前修建海底隧道的基本方法有:钻爆法、沉管法、盾构法和掘进机法，或这儿种方法的组合。另外水中悬浮隧道正在研究中。

1.3 国内外隧道工程风险研究状况

1。3。1风险分析理论的发展概况

人类历史上最早的对风险问题的研究可追溯到公元前916年的共同海损制度，以及公元前400年的船货押贷制度，当时欧洲地中海沿岸各港口的海上保险揭开了人类探索风险的序幕。经过长期发展风险管理逐渐成为一门独立学科。1983年在美国风险与保险管理协会年会上，各国的风险管理领域的专家讨论并通过了“101条风险管理准则”,作为各国风险管理的一般原则(其包括风险识别和衡量、风险控制、风险财务处理、索赔管理、职工福利、退年金、国际风险管理、行政事务处理、保险单条款安排技巧、管理哲学等)。标志着风险管理已达到一个新的水平。

1.3.2国外隧道工程风险研究现状

隧道工程风险分析的代表人物是美国的Einstein·H·H.Einstein·H·H他曾撰写多篇有价值的文献，主要贡献是指出了隧道工程风险分析的特点和应遵循的理念,诸如《Geological model for tunnel cost model》[10]、《Risk and risk analysis in rock engineering》[11］等。在Einstein研究的基础上，剑桥大学的Salazar．G．F1983年在博士论文“隧道设计和建设中的不确定性以及经济评估的实用性研究"中，将不确定性的影响和工程造价联系起来。G·Narayanan指出了风险分析在降低软土隧道造价中的作用。除次之外日韩等国专家学者也在隧道工程风险研究方面做了大量卓有成效工作。1。3.3国内隧道工程风险研究现状

由于我国隧道工程起步比较晚，所以隧道工程风险分析研究还在起步阶段.但是近年来由于我国公路隧道、地铁、海底隧道、飞速发展，我国学者专家在这方面也做了大量研究。同济大学的丁士昭教授(1992）对我国广州地铁首期工程、上海地铁一号线工程等地铁建设中的风险和保险模式进行了一定研究。上海隧道设计研究院的范益群博士（2000)以可靠度理论为基础，提出了地下结构的抗风险设计概念，计算出基坑、隧道等地下结构风险发生的概率以及定性评价风险造成的损失，并提出改进的层次分析方法。香港的L．Mcfeat—Smith(2000)提出了亚洲复杂地质条件下隧道工程的风险评估模式，根据发生频率的高低将风险分为五级，根据风险发生的后果也将风险分为五级。但总体来说,目前关于隧道工程的风险研究还不太完善,还基本停留在定性分析或者半定量分析阶段，仍然需要做大量的工作。

1.3.4目前海底隧道工程风险研究中存在的问题

海底隧道工程由于地质环境复杂,基础信息缺乏，加之勘察手段等各方面的限制，虽然有超前地质预报新新方法，但也不可能完全掌握施工中的地质状况.因此海底隧道工程的设计无法确保在施工前做到万无一失，工程的施工存在着很大的不确定性和高风险性。但目前关于海底隧道工程中施工风险研究的进展相对较缓慢，还存在一些问题：

1、基础资料缺乏，风险辨识困难.我国隧道工程方面的风险研究近几年引起各科研院校及相关单位的重视,并取得了一定的成果,我国隧道风险研究起步晚,且缺乏这方面资料的搜集及综合，造成目前进行隧道风险分析时无历史资料可借鉴.

2、风险意识依然淡薄。在追求短期经济效益的利益驱动下，大部分单位领导不愿增加风险管理费用，仅把风险分析评价作为报告中一项锦上添花的项目,并未真正落实风险分析评价的结果，实行科学的风险管理，这成了制约项目风险管理在中国发展的主要障碍。

3、研究结果的应用性较差。在我国，目前隧道工程的风险分析或评价中，基本上以科研单位为主体，设计、施工单位以及决策部门共同参与的局面，但由于科研单位缺少具体的实际工程经验,对现场情况了解甚少，风险分析过程和结果的被认可程度低.

1.4本文主要研究内容

本论文首先对国内外海底隧道概况、隧道工程风险研究现状及海底隧道的施工方法作简要的介绍，然后阐述风险管理的基本理论，讨论海底隧道风险发生机理,利用定性与定量相结合的海底隧道施工风险分析与评价模型，对海底隧道的施工风险进行分析与评价。主要内容包括以下几个方面：

1、海底隧道施工风险辨识。

本文根据矿山法海底隧道施工的特点，对其各个施工步序的详细分析,将极其复杂的海底隧道施工过程分解成容易被认识和理解的基本风险因素。

2、海底隧道施工风险

根据施工风险辨识的风险因素，基于风险的设计原则，利用层次分析法（AHP）建立海底隧道施工风险评价的指标体系，并结合1-9标度法，确定指标体系内的各风险因素相对上一层次风险因素的相对权重.

3、海底隧道施工基本风险因素的模糊估计

基于海底隧道施工风险度量的模糊性特点，采用基于专家经验的模糊估计法,通过对基本风险因素的发生概率及损失程度进行分级，确定各基本风险因素的概率隶属度及损失隶属度,从而实现对海底隧道施工风险的度量。

4、海底隧道施工风险评价

确定海底隧道施工基本风险因素评价指标模糊集，从而得到基本风险因素的风险评价等级及其模糊分布状态。通过模糊综合评判法，逐层确定各风险因素的风险评价指标、风险评价等级及其模糊分布状态，最终得到整体风险评价等级与模糊分布状态。

5、对典型海底事故建立模型进行事故树分析。

6、针对海底隧道建设中的主要安全问题，提出相应的风险控制措施。

参考文献

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[2］陈宝春，刘织，林涵斌，世界海底隧道工程概况与台湾海峡通道构想,福州大学学报（自然科学版)，2000,V01．28(4)：51—55

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［4］陶仁池,香港西区海底隧道大型钢筋混凝土沉管箱涵水下安装，2003，V01．124（3)：28—30 ［5] 厉顺荣，厦门翔安海底隧道在施工中应注意的几个方面，隧道建设，2006，V01．26(4)：43-45 [6] 宋克志，王梦恕，修建渤海海峡跨海隧道可行性初探,鲁东大学学报(自然科学版)，2006，V01．22

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［7] 孙均，海底隧道工程设计施工若干关键技术的商榷，岩土力学与工程学报，2006,V01．25（8):1513-1521

［8］谭忠盛，王梦恕,杨小林，海底隧道施工技术及琼州海峡隧道方案的可行性，焦作工学院学报

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[9］张庆贺，朱合华,庄荣等，地铁与轻轨，人民交通出版社,北京，2002

[10］ Einstein．H．H．，Vick．S．G．，“Geological model for tunnel cost model”［J］，Proc Rapid Excavation and Tunneling Conf，2nd,1974:1701—1720

［11] Einstein．H．H．,“Risk and Risk Analysis in Rock Engineering”［J］，Tunnelling and Underground Space Technology，1996,V01．I 1(2）：141—155