中國陸地海岸線長達(dá)1.8×104 km，海島海岸線長達(dá)1.4×104 km，擁有島嶼約6萬多個(gè)，面積超過500 m2的島嶼有6536個(gè)，其中有人居住的455個(gè)。眾多海灣和海峽的交通現(xiàn)狀造成了區(qū)域整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)和成本加大；另外內(nèi)陸江河發(fā)達(dá)，較大的河流有28條，兩岸交通的不便利對城鎮(zhèn)化發(fā)展空間造成了很大的影響；隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，克服江河湖海等天然水道對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約已具有舉足輕重的影響。因此各種各樣的跨海通道建設(shè)成為必然，而我國面對人多地少的自然條件，在跨江越海通道建設(shè)中水下隧道具有較大的優(yōu)越性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外近百年來已建的跨江越海交通隧道已逾百座。
二、中國大陸水下隧道建設(shè)簡史與現(xiàn)狀
（一）盾構(gòu)法修建水下隧道
1965年5月大陸第一條越江隧道——跨越黃浦江的打浦路隧道開始修建，全長2761 m，隧道江底段長約600 m，于1971年6月建成通車（圖1）。自此以后，我國修建了大量的跨江越海盾構(gòu)隧道，包括地鐵、鐵路、公路、引水隧道和輸送油、氣、電的管廊隧道，隧道直徑范圍為2.4～15.2 m，如當(dāng)時(shí)世界直徑最大的上海公路與地鐵共用的上海長江隧道，時(shí)速350 km連接廣州、深圳、香港高速鐵路的獅子洋隧道。這些隧道大部分為雙洞隧道（單層或雙層），但也有單洞雙層公路隧道（上海上中路隧道）。隧道所穿越的典型地層有華東的軟土地層、成都和蘭州的卵石地層、華南的強(qiáng)度差異大且強(qiáng)度高的復(fù)合地層等代表性的地層。目前建設(shè)中的汕頭蘇埃通道是挑戰(zhàn)性極大的盾構(gòu)海底隧道。
圖1 上海打浦路隧道
（二）沉管法修建水下隧道
寧波甬江水下隧道是我國第一條用沉管法修建的水下交通隧道，設(shè)計(jì)為單孔雙車道隧道，隧道全長1019 m，其中水下段420 m采用“4×85 m+80 m”、寬11.9 m的5節(jié)沉管，于1987年6月正式動(dòng)工，1995年9月底建成通車。與此同期，于1990年10月開始修建廣州珠江沉管隧道，1993年12月建成，該隧道全長1380 m、寬33.4 m，沉管段5節(jié)總長457 m，隧道分三孔，西側(cè)兩孔為雙向四車道隧道，東側(cè)為單孔雙線地鐵隧道。管節(jié)均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大部分采用岸控式浮運(yùn)沉放、水力壓接方式（圖2）。之后修建了上海外環(huán)路隧道等11座沉管隧道（表1）。
（三）鉆爆法修建水下隧道
廈門翔安隧道是我國首座采用鉆爆法施工的海底隧道，工程于2005年9月開工建設(shè)，2009年11月實(shí)現(xiàn)三條隧道全面貫通，2010年4月26日開通運(yùn)營（圖3）。之后又陸續(xù)采用鉆爆法修建了多座水下隧道（表2）。
（四）我國水下隧道修建技術(shù)
近十多年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提升，我國水下隧道的建設(shè)速度不斷提升，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已建成上百座水下隧道，在建水下隧道20多座，這些隧道主要是采用盾構(gòu)法工法，采用沉管法修建了13座，采用鉆爆法修建的僅有3座，個(gè)別采用了“鉆爆法+盾構(gòu)法”修建，在關(guān)鍵技術(shù)上有新的突破。
（1）在鉆爆法隧道方面，開發(fā)了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，創(chuàng)新了超前加固和徑向降滲注漿技術(shù)，解決了水下隧道穿越斷層破碎帶、風(fēng)化深槽等難題，確保了施工安全。在城區(qū)水下軟弱圍巖下，創(chuàng)建了基于工程措施下的最小埋深確定方法，建立了分步控制變形標(biāo)準(zhǔn)，成功建成了跨度達(dá)25 m、斷面面積為376 m2、覆跨比僅為0.46的水下立交隧道。
（2）在盾構(gòu)法方面，突破了直徑15 m以上的盾構(gòu)制造與應(yīng)用技術(shù)，在大斷面軟硬不均地層、花崗巖球狀風(fēng)化地層、大卵石地層、高水壓（0.9 MPa）等盾構(gòu)隧道難題，開發(fā)了限排減壓換刀技術(shù)與盾構(gòu)對接技術(shù)，創(chuàng)新了盾構(gòu)常壓換刀技術(shù)。
（3）在沉管法隧道方面，開發(fā)了移動(dòng)干塢管節(jié)預(yù)制和浮運(yùn)、沉放技術(shù)，建立了海上大型人工島構(gòu)筑技術(shù)，創(chuàng)新了海中深埋、長大沉管隧道修建技術(shù)，在高水位差、大流速的江河中游修建了大型沉管隧道。
（一）廈門翔安海底隧道
廈門翔安海底隧道全長6.05 km，其中海域段4.2 km，設(shè)計(jì)為雙向六車道隧道。隧道建成后，廈門本島到翔安區(qū)的時(shí)間由原來的1.5 h縮短到10 min。
廈門翔安海底隧道在橫斷面上由兩個(gè)主隧道及一個(gè)服務(wù)隧道組成，兩側(cè)為正線隧道，開挖面積達(dá)170 m2；中部為服務(wù)隧道，其上部為檢修車通道、逃生通道，下部為市政管廊。廈門翔安隧道為了解決運(yùn)營通風(fēng)問題，在近海岸處設(shè)兩座通風(fēng)豎井，其通風(fēng)豎井布置見圖4。為解決救災(zāi)問題，全隧共設(shè)置12個(gè)橫向聯(lián)絡(luò)通道。隧道線路所處的最大海水深度為26.2m，海中最小覆土厚28.4m，隧道最低點(diǎn)位于海平面下約65m。
圖4 廈門翔安海底隧道平面、通風(fēng)豎井布置與隧道開挖方法圖
隧道主要處于微風(fēng)化巖中，但兩岸全強(qiáng)風(fēng)化層、翔安側(cè)淺灘段部分下穿透水砂層、海域段多處全強(qiáng)風(fēng)化深槽（囊）對工程建設(shè)影響很大（圖5）。針對此情況，在岸灘采用洞內(nèi)洞外結(jié)合的降水方法，在海底采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（圖6）、周邊超前注漿堵水與加固、超前支護(hù)等技術(shù)手段，以“周邊帷幕注漿”“上臺(tái)階注漿”取代“全斷面帷幕注漿”，使得注漿加固范圍大為縮小，并利用改進(jìn)的裝備顯著地提高了施工效率。
圖6 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法及超前注漿處理
（二）長沙湘江營盤路隧道
長沙湘江營盤路隧道主線為雙向四車道，主線西起咸嘉湖路，東接營盤路，全長2850 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為50 km。西岸設(shè)A、B匝道，東岸設(shè)C、D匝道，匝道為單車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km，總長2752.4 m，采用鉆爆法施工，其平面布置見圖7。營盤路隧道穿越的地層主要有圓礫層、全強(qiáng)風(fēng)化板巖、回填新土，地層透水性強(qiáng)、自穩(wěn)能力差，開挖易坍塌涌水。在江底分別穿越3條斷層破碎帶。見圖7。
在營盤路隧道上部為淤泥層、圓礫層、全強(qiáng)風(fēng)化板巖的條件下，建立了基于工程措施下的最小埋深設(shè)計(jì)方法，制定變形分步控制標(biāo)準(zhǔn)，并采用“管超前、分步開挖、雙層協(xié)調(diào)支護(hù)”的技術(shù)手段，保證了隧道整體穩(wěn)定性，成功建成了斷面跨度25 m、面積達(dá)376 m2、覆跨比僅為0.46的超淺埋水下隧道。在圓礫層中的四洞立交節(jié)點(diǎn)上采用淺埋全暗挖法，采用“先下后上，錯(cuò)開施工、超前支護(hù)、分步實(shí)施、及時(shí)襯砌”的方法，解決了上下層隧道凈厚不足0.5 m、水平凈距2.8 m的復(fù)雜技術(shù)難題。地下立交的方式很好地解決了湘江兩岸城市道路的連接問題，達(dá)到了工程與功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
圖7 長沙湘江營盤路隧道平面與縱斷面圖
（三）廣深港高速鐵路獅子洋隧道
獅子洋隧道位于廣州—深圳—香港（廣深港）高速鐵路客運(yùn)專線東涌站—虎門站區(qū)間內(nèi)，隧道全長10.8 km，其中盾構(gòu)隧道長9340 m，隧道內(nèi)徑為9.8 m、外徑為10.8 m，兩隧間共設(shè)23個(gè)聯(lián)絡(luò)通道。獅子洋隧道是世界首座時(shí)速350km的鐵路水下隧道，也是我國首座特長水下隧道。獅子洋隧道盾構(gòu)段下穿小虎瀝、沙仔瀝、獅子洋三個(gè)珠江入海水道，獅子洋水道為珠江航運(yùn)的主航道，最大水深26 m。隧道最大覆土52.3 m，最小覆土厚7.8 m；水下最小覆土8.7 m，設(shè)計(jì)水壓達(dá)0.67 MPa。
獅子洋隧道大部分處于微風(fēng)化砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖中，巖石的最大單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)82.8 MPa，石英含量最高達(dá)55.2%。地層最大滲透系數(shù)達(dá)6.4×10–4 m·s–1。獅子洋隧道地質(zhì)斷面見圖8。
圖8 獅子洋隧道地質(zhì)斷面圖
在該隧道建設(shè)中，首創(chuàng)了減壓限排換刀技術(shù)，在滲透性較大的破碎地層中，按照流固耦合理論，通過密閉艙內(nèi)排水減壓，從而建立了較低氣壓穩(wěn)定工作面進(jìn)倉作業(yè)的方法。該技術(shù)在獅子洋隧道施工中取得了明顯效果，減壓率達(dá)到了34.4%。隧道施工采用“相向掘進(jìn)、地中對接、洞內(nèi)解體”的施工技術(shù)，對接精度達(dá)到了平面偏差28.5 mm、高程偏差19.6 mm，圖9為實(shí)際對接效果圖。
圖9 實(shí)際對接效果
（四）臺(tái)山核電取水隧洞
臺(tái)山核電站取水隧洞位于陸域腰古咀至大襟島之間的海域中，隧洞全長4330.6 m，開挖洞徑為9.03 m，隧洞埋深10～29 m，兩洞線間距為29.2 m，采用氣墊式泥水盾構(gòu)施工，隧道管片內(nèi)設(shè)置了二次襯砌。取水隧洞出水段穿越燕山期花崗巖(γ5)地層，進(jìn)水段穿越泥盆系老虎頭組(D2-3l)粉砂巖、變質(zhì)砂巖，其他地段為粗礫砂與礫砂質(zhì)黏土；工程施工最大難點(diǎn)為微風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度最高達(dá)到197 MPa，局部還存在球狀風(fēng)化花崗巖孤石，見圖10。
圖10 臺(tái)山核電取水隧洞工程示意圖及球狀花崗巖孤石
為解決上述難題，利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）系統(tǒng)，采取高頻高密度地震波，密點(diǎn)距多通道（CDP）疊加技術(shù)進(jìn)行物探，開發(fā)了基巖突起與孤石海底精確探測技術(shù)，準(zhǔn)確定位了基巖頂面和孤石位置；并創(chuàng)立了“海底定層位、定長度的碎裂爆破技術(shù)”。施工中對于高強(qiáng)度基巖采用了“水下地中爆破”，通過對爆破后基巖取芯發(fā)現(xiàn)：芯樣大多數(shù)在30cm以下，只有極少的部分為30～55cm。這些技術(shù)的運(yùn)用使得約200m長的基巖段盾構(gòu)掘進(jìn)非常順利（圖11）。
圖11 基巖頂面、孤石準(zhǔn)確定位三維圖與完整基巖爆破后的取芯圖
（一）佛莞城際鐵路獅子洋隧道
佛山—東莞（佛莞）城際鐵路獅子洋隧道是珠三角城際東西主軸線的重要控制性工程，是繼廣深港高鐵獅子洋隧道之后修建的第二條下穿獅子洋的水下盾構(gòu)隧道。隧道全長6.15km，水域?qū)挾燃s1.8km，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)距離為4.9km（圖12）。
本工程最大的特點(diǎn)是水壓大且在長距離軟硬不均的地層中掘進(jìn)，其設(shè)計(jì)水壓達(dá)0.9MPa，且在同一斷面內(nèi)軟硬強(qiáng)度差異達(dá)84.6MPa，對盾構(gòu)掘進(jìn)與刀具更換帶來了極大的難度，為此采用了全斷面常壓滾刀更換技術(shù)。在施工過程中，為防止刀盤中心4.8m直徑范圍無開口而形成泥餅，建立了一套掘進(jìn)速度、地層特性和中心沖刷流量的關(guān)系。為防止常壓刀盤下，渣土須經(jīng)歷長達(dá)3.97m距離才能進(jìn)入吸漿口從而形成的堵塞與滯排問題，建立了一整套掘進(jìn)控制技術(shù)，為我國超大埋深的水下盾構(gòu)隧道修建奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
圖12 隧道縱斷面
（二）汕頭蘇埃海底隧道
蘇埃隧道工程是廣東省汕頭市干線公路網(wǎng)規(guī)劃縱線國道G324的復(fù)線，按Ⅰ級公路雙向6車道設(shè)計(jì)，兼具城市道路功能，主線設(shè)計(jì)行車速度60km·h–1。工程線路全長6.68km，其中，隧道長5.3km，盾構(gòu)段長3047.5m，盾構(gòu)隧道外徑為14.5m，隧道平面布置見圖13。
該隧道是國內(nèi)首座位于8度地震烈度區(qū)的海底隧道，穿越極軟土、孤石和隧道斷面內(nèi)上部為海相淤泥質(zhì)土和強(qiáng)度超過216MPa的花崗巖等各類挑戰(zhàn)性地層。隧道設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地應(yīng)用抗震、減震和隔震等綜合性措施（圖14），如采用可適應(yīng)較大變形的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，達(dá)到集中消能；采用具有較強(qiáng)的壓縮變形能力的同步注漿材料，起到一定的隔震作用。針對局部突起的強(qiáng)度大基巖，且隧道斷面上半部為極軟的砂黏土，為了解決掘進(jìn)中破巖刀具會(huì)過載造成異常破壞的難題，開發(fā)了可以跟蹤刀具受力和運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)。
蘇埃隧道工程的地質(zhì)復(fù)雜程度、施工難度和風(fēng)險(xiǎn)在國際同類型項(xiàng)目中為最高，具有獨(dú)特的技術(shù)難度，本工程的建設(shè)將為國內(nèi)大直徑過海盾構(gòu)施工后續(xù)工程提供參考和借鑒。
圖14 隧道縱斷面及消能減震節(jié)點(diǎn)布置
（三）港珠澳通道沉管隧道
香港—珠?！拈T（港珠澳）跨海通道主體工程長約29.6km，采用橋隧結(jié)合方案，其中穿越伶仃西航道和銅鼓航道段約6.7km采用雙向6車道的沉管隧道方案，隧道兩端各設(shè)置一個(gè)海中人工島，其余路段約22.9km采用橋梁方案。該隧道是我國首次在海中央修建的沉管隧道，也是目前世界上最長的、埋深最大的沉管隧道，海底沉管要安放到海床下45m的深度。港珠澳通道沉管隧道的平面、筑島圍堰、管節(jié)浮運(yùn)圖見圖15。
在該隧道的建設(shè)中，創(chuàng)新了海上大型人工島嶼建造技術(shù)、近入?？谏罨酃芄?jié)沉放的回淤控制與處理技術(shù)、180m長鋼筋混凝土管節(jié)工廠化預(yù)制技術(shù)、重80000t的長管段浮運(yùn)技術(shù)，同時(shí)自主開發(fā)了海上沉管隧道施工大型裝備，推動(dòng)了我國沉管隧道的技術(shù)進(jìn)步。2017年5月25日，港珠澳大橋沉管隧道最終接頭與兩端的E29、E30沉管焊接合龍完成，這標(biāo)志著港珠澳大橋6.7km長的沉管隧道永久結(jié)構(gòu)貫通，取得了決定性的成果。
圖15 港珠澳通道沉管隧道的平面、筑島圍堰、管節(jié)浮運(yùn)圖
瓊州海峽和渤海海峽是從黑龍江到海南島，經(jīng)11省市，全長5700km的中國東部鐵路、公路交通大動(dòng)脈的咽喉，臺(tái)灣海峽是大陸與臺(tái)灣島相連的重要通道，這三大通道的建設(shè)對我國具有重要戰(zhàn)略意義。
（一）瓊州海峽通道
瓊州海峽最小寬度為18.3km，海水深度為20～117m，海床下200m范圍內(nèi)的地層主要為第三、第四系黏土、粉土和砂層、砂礫層。根據(jù)前期選擇的東、中、西線方案研究，中線隧道方案被認(rèn)為是最優(yōu)方案，且可采用盾構(gòu)法施工。
考慮到海南島的生態(tài)環(huán)境，不宜大量地引入汽車自由穿行海峽，通道應(yīng)以客貨兩用鐵路隧道方式來建設(shè)，部分汽車進(jìn)出島可像英法海峽通道一樣，采用列車背馱汽車穿行海峽。根據(jù)國內(nèi)外目前20km以上運(yùn)營隧道的經(jīng)驗(yàn)，鐵路隧道可選擇在橫斷面上只布置雙洞單線隧道（圖16）。該隧道的特點(diǎn)是埋深大、水壓高，因此要采用常壓刀盤盾構(gòu)施工，同時(shí)根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備的性能和壽命，可按照4臺(tái)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行“相向掘進(jìn)、地中對接”的方式組織施工。對接處地層的冷凍處理將會(huì)是該工程的技術(shù)難點(diǎn)與重點(diǎn)。
圖16 雙洞單線鐵路隧道
（二）渤海灣海峽通道
渤海灣通道為我國陸地上東北進(jìn)入華東，乃至南下的最方便與快捷的通道，因老山水道為重要的海上航道，不能修建橋梁，且該水道寬達(dá)50km，目前建設(shè)公路隧道難以解決通風(fēng)及防災(zāi)救援問題，因此近期可優(yōu)先考慮修建鐵路通道，但應(yīng)預(yù)留將來修建公路隧道的線位條件。渤海海峽通道地理位置見圖17。
渤海灣通道沿線有眾多島嶼，對隧道采用分段施工非常有利，并能解決好施工與運(yùn)營的通風(fēng)問題，也有利于組織應(yīng)急求援。考慮到應(yīng)急救援與緊急疏散的要求，可按三洞平行布置，中間隧道可布置應(yīng)急求援通道（圖18）。且隧道在較大埋深的情況下，隧道基本上處于基巖中，巖性大部分為花崗巖，隧道建設(shè)可采用直徑為10m左右的“TBM+鉆爆法”（TBM：隧道掘進(jìn)機(jī)）相結(jié)合的工法，但在海水環(huán)境下，獨(dú)頭掘進(jìn)超過25km的TBM是一大挑戰(zhàn)。
圖18 三洞平行鐵路隧道
（三）臺(tái)灣海峽通道
臺(tái)灣海峽通道需要穿越上百公里寬的海峽，水深在85m左右，地層主要以第三系砂巖、頁巖不等厚互層巖體為主，其中，近水平砂巖、頁巖厚度為200～300m，修建鐵路隧道可能是目前的最佳選擇，并可選用敞開式TBM+鉆爆法施工。
根據(jù)相關(guān)項(xiàng)目遠(yuǎn)景展望，考慮前瞻性和工程實(shí)施的可能性，臺(tái)灣海峽鐵路隧道可按4線設(shè)計(jì)（其中，兩線考慮背負(fù)式鐵路），實(shí)施客貨分線。
臺(tái)灣海峽隧道由于不具備渤海灣通道線路上有眾多可利用的自然離島條件，修建難度更大。該隧道的技術(shù)難度主要有：一是如何在深海中修建工作平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)隧道的分段施工；二是上百公里海底隧道的運(yùn)營安全與防護(hù)、救援等如何考慮。
經(jīng)過近30年的發(fā)展，我國已積累了大量的水下隧道工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，掌握了修建長大水下隧道的全套技術(shù)，擁有較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)與創(chuàng)新能力；因此，無論是在復(fù)雜地質(zhì)條件，還是復(fù)雜的環(huán)境條件，我國已基本具有修建滿足各種功能需求的水下隧道技術(shù)水平與能力。
為進(jìn)一步控制水下隧道的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)與工程投資，確保隧道運(yùn)營安全，建議開展離岸深水作業(yè)豎井平臺(tái)研究，加強(qiáng)水下隧道的地質(zhì)勘察技術(shù)研究，深化長距離獨(dú)頭快速與安全掘進(jìn)技術(shù)研究，深入開展長大水下隧道運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)以及隧洞運(yùn)營通風(fēng)節(jié)能技術(shù)的研究。
