长大公路隧道的设计与展望

交通建设作为国家基础建设的重要组成部分，在国民经济中占有十分重要的地位。

世界各国的经济发展业已证明，快速通畅的网络交通是经济发展必不可少的基本条件。

随着我国城市建设的蓬勃发展，大型越江过海通道已进入了高速发展阶段。

以大深度地下空间的开发、大断面跨江过海通道需求的增长、环保意识的增强、可持续发展理念为契机，相应的工程设计、施工技术的不断突破，都为超大、特长跨江过海通道进一步高效综合利用开拓了新的前景。

与此同时，对跨江过海通道建设的要求越来越长大公路隧道的设计与展望杨志豪(上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235)高，特别是一批大型跨江越海重大工程项目的建成和正在建设，将我国的通道工程技术领域推向了一个新的高度，同时也带来了技术创新、安全环保、绿色节能等众多新理念的挑战。

目前，我国已建成或在建的重要跨江过海交通隧道有上海崇明过江通道长江隧道、厦门翔安海底隧道、青岛海底隧道、南京纬三路隧道、上海中环线二座隧道、外环线隧道、港珠澳大桥沉管隧道等。

其中隧道长度最长的为崇明越江工程中的长江隧道，其工程总长约9k m，盾构隧道一次穿越长度达7.5k m。

而琼州海峡通道、渤海湾通道工程也已处于规划阶段，以琼州海峡为例，其海域长度最短达20km左右，采用隧道建设方案的可行性研究将是隧道行业所面临的一个新挑战。

本文以对我国现有隧道设计、施工方面的最新技术的探讨，来展望隧道设计的新发展。

1 跨江过海隧道设计需考虑的主要问题采用水下隧道跨江过海对自然环境的影响少，不受通航净空限制和航空空域的限制，运营时不受恶劣气象条件的影响，比桥梁有更好的抗震性施工技术CONSTRUCTION TECHNOLOGY能。

随着我国国民经济的快速发展以及满足集约型社会和可持续发展的需求，建隧道满足跨江过海、天堑变通途的需求将成为一种趋势。

而大断面、长距离水下隧道的建设既有其特点和优势，同时也伴随一些复杂的技术难题，这就需要我们就一些问题作综合考虑，如：土建实施方案、隧道工程的防水、通风方案、防灾减灾、降温措施等。

1.1 土建实施方案水下隧道是实现跨江过海的一种方式，常用的有钻爆法、盾构法和沉管法3种类型。

采用钻孔爆破或臂式掘进机施工，适用于基岩中的地下工程。

工程地质和水文地质条件对隧道施工的顺利实施起着重要的作用，因此在长大隧道施工中往往须采取超前导坑、声波探测等技术措施进一步查清前方地质情况。

在正常情况下，只有进出两个工作面，实施速度相对较慢，但其实施的长度不受限制。

如要增加工作面，则必须在水域中增设人工岛，而这往往又是一个困难的、风险较大的工程，同时地下施工环境也较差。

(1) 钻爆法。

钻爆法隧道由于实施技术的不断提高，隧道长度也越来越长。

著名的有日本的青函隧道、挪威的拉德尔隧道、我国的终南山隧道、厦门东通道、翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道等。

(2) 沉管法。

自1910年美国首次用沉管法隧道建成穿越底特律河的铁路隧道至今，全世界范围内建成的沉管隧道超过150座。

2000年厄勒海峡大通道正式通车，其中沉管隧道全长3.5k m。

2003年，我国规模最大的外环隧道通车，最大埋深33m。

2004年开工建设的韩国釜山隧道最大埋深达50m。

香港已建成5座越海隧道。

我国目前在建的港珠澳大桥岛隧工程中，沉管法隧道全长6.766k m，管顶最低点标高在平均水位下33m。

随着沉管技术的不断发展，沉管隧道的建设规模越来越大，所以车道向数量更多、宽度更宽、长度更长的方向发展。

同时功能也多样化，从单一公路交通用途向公路、铁路、市政共用等多用途方向发展。

对不同地基的适应性也越来越强。

沉管法隧道埋深较其它隧道浅，具有与两岸的接线较容易、断面利用充分等有优点。

但工程地区河势不稳定、工程区域水流较急、水环境保护上海长江隧道纵断面挪威拉德尔隧道厄勒海峡大通道英法海峡隧道效果图施工技术CONSTRUCTION TECHNOLOGY接。

2009年9月，用2台直径15.43m 泥水平衡盾构机顺利建成了上海崇明越江通道，达到了一次推进最长(7.5k m)、开挖直径最大、克服水头压力最高的纪录。

1.2 通风方案长大隧道的通风方案有3大类方案，即纵向通风、半横向通风方案和全横向通风方案。

全横向通风方式适用于对向交通，土建结构上须提供较大的风道断面，工程造价将会大幅上升。

但由于土建结构断面增大而加剧了工程实施风险，所以目前在长大隧道实施方案中不宜采用。

而对于送风型、排风型半横向通风方式虽各有所长，但它同样需要较大的风道面积，增加工程造价和实施风险。

同时它和全横向通风同样有一个弱点，关键就是能否在隧道内形成等量的送、排风。

而在长大隧道的风道内依靠调节风阀的开度来形成隧道内的送排风，技术难度非常大。

纵向通风方案又可分为全纵向通风方案和诱导性纵向通风+重点排烟。

纵向通风+重点排烟，充分利用汽车行驶时产生的活塞风进行通风，若在交通阻滞队列中发生火灾时，该方案即可就近将烟气排除、控制烟气蔓延，以利于乘行人员疏散和救援。

上海崇明越江通道长江隧道即采港珠澳大桥岛隧工程要求高、通航密度大等均不利于沉管隧道的实施。

且从隧道目前实施情况来看，如埋深超过50m将受阻于目前的机械施工条件。

(3) 盾构法。

最近几十年来随着世界经济的持续发展，盾构法隧道的设计、施工技术日趋成熟、盾构法隧道得到迅速发展，尤其在亚欧地区，跨江过海的交通隧道大量采用大直径盾构建造。

盾构法隧道适合的土层较为广泛，如遇岩石，亦可采用混合盾构来应对。

同时对周边的环境影响较小，并具有机械化程度高、施工速度快、实施精度高、防水条件好、工程质量易于控制等优点。

1993年建成的英法海峡隧道采用双护盾盾构机创造了单向掘进21.1km 的最长掘进记录。

最大埋深约100m，成功解决了深层高水压下的密封防水技术、钢筋砼管片结构和防水、长距离掘进的运输等技术难题。

日本东京湾海底公路隧道全长9550m，最大埋深约60m，最大水压0.6MPa，采用8台直径14.14m的泥水平衡盾构机施工。

穿越土层为软弱冲积和洪积粘土层，中间采用对接方案实施，1997年12月建成通车。

我国自20世纪70年代建成上海打浦路隧道后，又建成了大连路隧道、上中路隧道、武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州庆春路隧道等一系列工程。

2004年，荷兰采用当时世界最大直径的泥水平衡盾构(Φ14.87m)推进了7.2k m的单孔隧道，2005年又用于上海的上中路隧道建设。

已完工的长10.8k m广深港客运专线狮子洋盾构隧道也是采用江中对上海长江隧道以15m的直径，一次掘进7.5k m的长度，可居目前世界隧道之最。

正是通过数十年的工程实践，针对长大隧道结构、通风、降温、防灾系统设计，及盾构机制造、快速施工工艺等的不断突破与创新，为盾构法隧道建造技术的发展打下了进一步攀登的坚实基础，就目前设计、施工、管理水平来看，盾构法隧道完全可得到更高水平更快的发展：(1) 隧道断面的增大，隧道功能的复合性。

从盾构直径来看，通过总结国内外已有经验及盾构大轴承的设计制造经验，直径大到19m左右亦不成问题。

国际各大盾构生产厂商对于大直径盾构机械制造技术的发展和突破也使得超常大直径隧道的建设成为可能。

现在，直径19m的混合型盾构的生产已经成为现实。

(2) 隧道长度的增长，最长可超过20km。

盾构主要部件大轴承的设计寿命已达1万h，一次推进10km亦不成问题。

通过采用日本东京湾隧道和狮子洋隧道地中对接的方法，隧道的总长度应该可以达到20km左右。

(3) 超长隧道通过另建服务隧道，可有效解决隧道的通风、冷却难题。

资料来源：中国工程机械工业协会掘进机械分会成立大会暨中国掘进机械发展论坛报告文章[关键词] 长大公路隧道；设计；展望用诱导性纵向通风+重点排烟方案，通风区段达7.5k m。

为验证该系统的可靠性，建造了长100m、断面相同的试验隧道，配备了与工程设计相同的结构防火、通风排烟、消防救援、火灾报警、安全疏散、应急标识、中央监控设备等。

通过试验验证了隧道抗灾体系的可靠性、能有效地控制火灾的发展；重点排烟系统功效显著，能有效控制烟气流动、排除烟气，减少烟气在隧道内的影响范围。

1.3 降温系统长期以来，隧道内通风系统的主要任务是稀释汽车尾气排放污染物的浓度以达到卫生标准，以及火灾情况下的通风排烟。

大多数短隧道的安全运营，说明通风系统的上述功能已完全满足隧道交通功能的要求，但是随着隧道长度的增加、交流量大，热季隧道内部空气温度高，高温区段长，也会成为影响超大特长隧道运营安全需要着重解决的难题之一。

隧道内的温升会对乘行人员产生很大的影响，甚至影响隧道的正常使用。

常用的降温方式一般有通风降温、制冷降温、喷雾降温。

通风降温对隧道工程限制多、造价高；制冷降温代价高，工程的可行性和经济性不强。

由于公路隧道内干球温度高、相对湿度低的空气环境具备了良好的喷水降温条件，水的汽化潜热大，在隧道内喷淋少量的水，若能在一定时间内完全蒸发，降温效果将非常明显。

在上海长江隧道设计过程中，进行了全比例的喷雾降温试验。

确定了喷雾设计的关键技术指标及运行控制要求。

然后将此方案正式用于工程设计中。

通过隧道运营期间的系统检测，证明降温系统达到了设计要求，效果良好。

2 展望伴随着多年来世界经济的快速发展，人们对大容量、长距离、便捷、舒适交通的渴求与日俱增，隧道有越建越大、越建越长的趋势。

而盾构法隧道受建设工艺条件制约，其规模与长度也受到了一定的限制。

上海长江隧道内景。