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(guò)去漫長(zhǎng)的歲月里，人們需要借助船舶來(lái)通過(guò)海峽，風(fēng)大浪高，翻船沉沒(méi)的悲劇經(jīng)常上演。而在沿海地區(qū)，彎曲復(fù)雜的海岸線將直線距離不遠(yuǎn)的兩座城市阻隔，要到達(dá)彼此，需要繞行很遠(yuǎn)的距離。

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，科技發(fā)展一日千里，人類靠掌握的科學(xué)利器不斷與險(xiǎn)惡的自然環(huán)境做斗爭(zhēng)，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)工程奇跡，海底隧道就是其中的一個(gè)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(shè)跨海大橋相比，它不會(huì)妨礙海上船只的通行，不影響生態(tài)環(huán)境，并且通行時(shí)不受天氣情況的影響。近些年，我國(guó)海底隧道建設(shè)迎來(lái)蓬勃發(fā)展，目前，我國(guó)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鉆爆法、沉管法和掘進(jìn)機(jī)法。其中，鉆爆法因具有適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了較為普遍的應(yīng)用。”北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院院長(zhǎng)張頂立告訴記者，海底隧道的核心問(wèn)題是施工中突涌水事故的防治和運(yùn)營(yíng)中排水量的控制。

國(guó)外在修建海底隧道中曾多次出現(xiàn)過(guò)災(zāi)難性的突涌水事故，如日本青函隧道發(fā)生4次重大突涌水事故，造成重大人員傷亡。為此，在國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目等的支持下，張頂立和他的研究團(tuán)隊(duì)圍繞海底隧道建設(shè)的核心技術(shù)難題進(jìn)行了系統(tǒng)研究和實(shí)踐，并在我國(guó)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(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了復(fù)合注漿技術(shù)、施工過(guò)程精細(xì)化控制和隧道排水量主動(dòng)控制3項(xiàng)技術(shù)突破，創(chuàng)造了我國(guó)海底隧道鉆爆法建造的技術(shù)模式。在2017年北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)選中，該項(xiàng)目榮獲一等獎(jiǎng)。

廈門翔安海底隧道實(shí)現(xiàn)了我國(guó)內(nèi)地海底隧道零的突破

與“龍王爺斗法”

家住青島辛安片區(qū)的市民們正在熱切盼望著膠州灣第二海底隧道的修建。

據(jù)了解，青島膠州灣第二條海底隧道初步計(jì)劃在西海岸新區(qū)一端接疏港高速，全長(zhǎng)15.8公里，雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)車速80公里／小時(shí)。開(kāi)通后，辛安片區(qū)居民再也無(wú)需繞行薛家島，從此暢達(dá)主城區(qū)。

如果說(shuō)廈門翔安海底隧道實(shí)現(xiàn)了我國(guó)內(nèi)地海底隧道零的突破，那么7年前開(kāi)通的膠州灣第一海底隧道則在技術(shù)上再次實(shí)現(xiàn)了突破。

膠州灣海底隧道全長(zhǎng)7.8公里，地質(zhì)情況復(fù)雜，共穿過(guò)18條地質(zhì)斷層，建設(shè)難度巨大，在中國(guó)海底隧道建設(shè)史上尚屬首次。該隧道通車后，青島至黃島由環(huán)灣高速通行需1.5小時(shí)，輪渡需40分鐘，而穿過(guò)隧道只要 5分鐘，為唯一一條實(shí)現(xiàn)東西岸半小時(shí)圈的全天候通道。

“即將開(kāi)工的隧道是為了緩解膠州灣海底隧道的交通壓力，它也將采用鉆爆法施工。”張頂立說(shuō)。

在全世界的海底隧道施工中，鉆爆法以其適應(yīng)性強(qiáng)成為主流方法。“在海床下的巖體內(nèi)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(shuō)。

但是與山嶺隧道相比，海底隧道的鉆爆法修建技術(shù)具有其顯著的特殊性。“比如，海底隧道具有承受持續(xù)高水壓作用且水量補(bǔ)給無(wú)限、對(duì)地質(zhì)條件絕對(duì)依賴且精準(zhǔn)勘測(cè)極其困難、排水量標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格且可控性差等難點(diǎn)。”張頂立說(shuō)。

在幾十米甚至上百米深的海底修建隧道，就好比與“龍王爺斗法”，存在著極大的風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)上，日本青函隧道穿越斷層帶施工時(shí)就曾發(fā)生4次突涌水事故，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(yùn)營(yíng)初期日排水量達(dá)6萬(wàn)立方米；挪威奧斯陸海底隧道穿越15米的松散冰磧沉積帶，被迫采用凍結(jié)法施工，耗時(shí)兩年。

由于廈門、青島等地修建的海底隧道具有地質(zhì)條件極其復(fù)雜、覆蓋層較薄及隧道斷面超大的突出特點(diǎn)，由此我國(guó)技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要在核心技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新，并吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成創(chuàng)新，從而在隧道突涌水和排水量控制方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

知難而上、創(chuàng)新突破，引領(lǐng)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(xiǎn)的事。

張頂立告訴記者，膠州灣海域地質(zhì)條件特別復(fù)雜，包括滄口斷裂帶在內(nèi)的幾條區(qū)域性大斷裂帶，經(jīng)多次、多角度活動(dòng)，形成膠州灣灣口的地質(zhì)地貌，而斷層是隧道建設(shè)中的巨大障礙。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，膠州灣海底隧道所經(jīng)海域，要穿越5個(gè)大的斷裂帶，包括北西方面、北東方面各兩條，先后有18條地質(zhì)斷層橫架在隧道上方，這些斷層之間交叉分割非常復(fù)雜。這種地質(zhì)條件下建隧道，難度可想而知。

翔安海底隧道先后穿越3條風(fēng)化深槽和1條風(fēng)化囊，地質(zhì)條件極其復(fù)雜且透水性強(qiáng)，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(jié)構(gòu)后搖頭說(shuō)，“這個(gè)工程是海底隧道鉆爆法修建的禁區(qū)”。

外國(guó)專家的否定，并沒(méi)有讓中國(guó)團(tuán)隊(duì)退縮。“針對(duì)海底隧道工程特點(diǎn)，我們提出了結(jié)構(gòu)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(yīng)模式的突水機(jī)理模型。”張頂立說(shuō)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為核心的地質(zhì)保障系統(tǒng)，針對(duì)海底隧道突水模式和機(jī)理提出了災(zāi)害預(yù)測(cè)方法；開(kāi)發(fā)基于復(fù)合注漿原理的周邊帷幕注漿技術(shù)，提高了地層加固可靠性和堵水效率；建立了不良地質(zhì)段的隧道施工技術(shù)及監(jiān)測(cè)方案，創(chuàng)新了施工技術(shù)體系。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還按照地層條件，建立了隧道涌水量分級(jí)方案，揭示了排水量—地層加固標(biāo)準(zhǔn)—結(jié)構(gòu)荷載的動(dòng)態(tài)關(guān)系，提出主動(dòng)控制的海底隧道“堵水限排”設(shè)計(jì)理念和方法，明確了圍巖初期支護(hù)的主體作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水量的主動(dòng)控制，并開(kāi)發(fā)了可維護(hù)防排水系統(tǒng)。

“對(duì)于海底隧道，由于承受持續(xù)高水壓作用且水量補(bǔ)給無(wú)限，若采用全封堵方案則造成水荷載過(guò)大結(jié)構(gòu)無(wú)法承受，而全排放方案則因排水量過(guò)大經(jīng)濟(jì)上無(wú)法承受。”張頂立說(shuō)。

據(jù)了解，實(shí)施了新的技術(shù)后，堵水效果顯著改善，排水量控制在0.2m3/（d·m）以內(nèi)，實(shí)測(cè)二襯結(jié)構(gòu)水壓力近乎為零，隧道不良地質(zhì)段結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)良好。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還提出以隧道突涌水事故和排水量控制為核心的安全風(fēng)險(xiǎn)新理念，提出了基于安全系數(shù)的隧道平縱斷面設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)建了服務(wù)隧洞超前的三孔布置形式，建立了不同圍巖條件下鉆爆法與淺埋暗挖法相結(jié)合的大斷面海底隧道工法模式，形成高風(fēng)險(xiǎn)重大工程建設(shè)管理的新模式，實(shí)現(xiàn)了海底隧道施工零死亡和高效率。

如果說(shuō)，日本的青函隧道和挪威的奧斯陸海底隧道曾經(jīng)代表了當(dāng)時(shí)的世界水平，那么這個(gè)大旗現(xiàn)在由中國(guó)來(lái)扛。

張頂立認(rèn)為，日本青函隧道在全斷面注漿技術(shù)，尤其是鉆注裝備方面取得了較大的進(jìn)步，但在注漿效果方面存在較大的問(wèn)題，這是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)安全施工的主要原因。奧斯陸海底隧道沒(méi)能成功采用注漿技術(shù)，而是采用了價(jià)格昂貴的地層凍結(jié)技術(shù)，不適宜大范圍使用。

“我們針對(duì)我國(guó)海底隧道的工程和地質(zhì)特點(diǎn)，以及國(guó)外隧道修建中的問(wèn)題進(jìn)行研究，形成的核心技術(shù)成功地指導(dǎo)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，該成果代表了當(dāng)今該技術(shù)領(lǐng)域的世界水平。”張頂立說(shuō)。

我國(guó)海底隧道建設(shè)的開(kāi)拓者

項(xiàng)目研究成果形成了復(fù)雜條件下海底隧道鉆爆法建造技術(shù)體系，直接應(yīng)用于廈門翔安海底隧道工程建設(shè)全過(guò)程，成功破解了世界級(jí)技術(shù)難題和消除了特大建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，建成國(guó)內(nèi)第一座海底隧道，也是世界最大斷面鉆爆法海底隧道，取得高難度、高風(fēng)險(xiǎn)海底隧道施工零死亡的佳績(jī)。迄今投入使用已近8年，根據(jù)管養(yǎng)單位反饋，隧道結(jié)構(gòu)物和附屬設(shè)施各項(xiàng)使用功能正常，通車運(yùn)營(yíng)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(guó)內(nèi)鉆爆法海底隧道建設(shè)的開(kāi)拓者，研究成果對(duì)我國(guó)鉆爆法海底隧道建設(shè)起到示范和引領(lǐng)作用，促進(jìn)我國(guó)海底隧道的建設(shè)和設(shè)計(jì)理論研究、施工技術(shù)與施工設(shè)備等的進(jìn)步。

“作為我國(guó)第一批開(kāi)建的海底公路隧道，青島膠州灣海底隧道的建設(shè)及管理經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)解決沿海地區(qū)的海底大通道有著很好的借鑒意義。不僅在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)內(nèi)涵上實(shí)現(xiàn)了許多創(chuàng)新和突破，在工程質(zhì)量、施工安全等方面也都處于領(lǐng)先水平，成為我國(guó)海底隧道建設(shè)的新樣本。”中國(guó)工程院院士周豐峻曾如此評(píng)價(jià)。

“相關(guān)技術(shù)已在我國(guó)后續(xù)海底隧道工程建設(shè)中得到推廣應(yīng)用，如瀏陽(yáng)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(shuō)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在今后10—15年內(nèi)，我國(guó)將有約20—40座大型水下隧道工程需要開(kāi)工建設(shè)，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(tái)灣海峽隧道等也都提上議事日程。由此可見(jiàn)，隨著我國(guó)水下隧道建設(shè)高峰期的到來(lái)，研究成果應(yīng)用前景將更加廣闊。