海底隧道工程设计施工若干关键技术的商榷

第25卷第8期岩石力学与工程学报V ol.25 No.8 2006年8月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2006 海底隧道工程设计施工若干关键技术的商榷
孙钧1，2
(1. 同济大学岩土工程重点实验室，上海 200092；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)
摘要：介绍国内外跨海隧道工程建设现况及其设计施工和研究特色，论述海床基岩工程地质、水文地质特征与综
合地质勘察，对影响海底隧道最小覆盖层厚度——隧道最小埋置深度进行讨论，并就施工探水与治水、隧洞围岩
防塌险情预报与预警——围岩稳定性评价，以及施工期对隧道衬护原设计参数的调整与修正等问题作分析与探讨。

同时，对海底隧道衬砌结构选材，耐腐蚀高性能海工混凝土，以及公路与城市道路长、大海底隧道的防灾与救援
等专门性问题阐述一点认识。

最后，对超大型盾构机长距离掘进与深水急流海底沉管隧道的设计、施工等列出其
中的若干技术关键问题。

所论述的各个方面问题，可供国内当前在建和待建的几座海底隧道设计与施工技术人员
参考。

关键词：海底隧道；地质勘察；施工探水与治水；围岩稳定性；施工变形险情预报；衬护设计参数；耐腐蚀混凝
土；防灾与救援
中图分类号：U 459.5 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)08–1513–09
DISCUSSION ON SOME KEY TECHNICAL ISSUES FOR DESIGN AND
CONSTRUCTION OF UNDERSEA TUNNELS
SUN Jun1，2
(1. Key Laboratory of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；
2. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China)
Abstract：Firstly，a brief information of domestic and abroad undersea tunnels as well as their designing，construction and special features of research work is presented. The comprehensive exploration techniques of engineering and hydrogeology of the seabed rock and the determination factors on minimum buried depth of the undersea tunnels are discussed. The problems are analyzed and addressed，which include exploration and treatment of the ground-water under tunneling，prediction and warning alarm against the collapse danger of the surrounding rock of undersea tunnels，and its stability evaluation，adjustment and correction on preliminary design parameters of tunnel lining during construction etc.. Secondly，some opinions on the technical problems of material selection for undersea tunnel lining(marine engineering concrete) with high quality and durable anti-corrosive property，disaster prevention and emergency aid for long and large undersea tunnels in highway and city expressway are presented. Some key issues related with excavation by a super-large shield machine and the design and construction of immersed tunnel in deep seawater and torrent conditions are also listed. Issues mentioned above may have a consulting value to design and construction of several undersea tunnels which are just under or awaiting for construction in China.
Key words：undersea tunnel；geological investigation；exploration and treatment of the ground-water in construction；surrounding rock stability；prediction and warning alarm of tunnel deformation during construction；lining design parameters；anti-corrosive concrete；disaster prevention and emergency aid
收稿日期：2005–12–20；修回日期：2006–03–21
作者简介：孙钧(1926–)，男，1949年毕业于上海交通大学土木工程系，现任教授、中国科学院院士，主要从事岩土力学和隧道与岩土、地下工程
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1 引言
1.1跨海隧道建设简况
据不完全统计，国外近百年来已建的跨海和海峡交通隧道已逾百座，其中，挪威所建跨海隧道占大多数。

这些已建的跨海和海峡交通隧道对我国类似工程的建设具有很好的参考价值。

(1) 国外著名的跨海隧道
①日本青涵海峡隧道。

②英吉利海峡隧道。

③日本东京湾海底隧道。

④丹麦斯特贝尔海峡隧道等。

(2) 国内在建和即建的跨海隧道
①厦门市东通道翔安海底隧道(在建)。

②“青岛－黄海”湾口海底隧道(即建)。

③长江口沪崇苏“浦东外高桥－长兴岛”南港越江隧道(浦东引道已建成，主隧道即施工)。

④港珠澳伶仃洋大通道(珠江口外)桥隧结合的通航跨部分——沉管隧道(策划筹建中)。

(3) 其他正在策划和筹建中的跨海隧道
①琼州海峡跨海工程(含隧道方案)。

②渤海湾(大连－蓬莱)跨海工程(含隧道和海中悬浮隧道桥方案)。

(4) 尚在拟议中的跨海隧道
①杭州湾(上海－宁波)外海工程。

②大连湾海底隧道。

③台湾海峡跨海隧道(实施尚有待时日)等。

上海市跨越黄浦江两岸现已建8座越江隧道(主要均为盾构法施工)，在建的2座，即建的1座，待建的2座。

南京市和武汉市在建的跨越长江的和即建的杭州市庆春路以及浙江海宁跨越钱塘江的盾构隧道共有4座；上海市黄浦江口外环线过江、广州珠江、宁波甬江已建有4座沉管隧道。

加之我国是隧道工程大国，技术经验丰富，所有这些有利因素，都为今后跨海隧道的成功设计与施工奠定实施的基础。

1.2国内外已有的研究工作
国内对海底隧道设计施工所作的各项研究都正在进行中，鲜见成熟和正式发表的技术成果；国外方面的若干研究工作大体有(按发表年份逐次列写)：
A. Gronhaug(1978)[1]针对挪威Vardo拟建的海底隧道工程进行技术、经济方面的可行性研究，从地质填图、声波测试和地震动力学分析以及地质钻探等多个方面进行海底隧道工程中的地质调查与勘探研究。

T. R. Kuesel[2]早在20 a前就已指出，海底隧道不应仅局限于单一的矿山法隧道、沉管隧道和盾构隧道，而应根据具体条件，将几种方法相结合，甚至考虑海中悬浮式隧道和通过人工岛相衔接的桥隧结合方案，并给出所建议的示例。

E. K. Soejima(1991)[3]介绍大阪港公路、铁路两用海底隧道的规划、设计和建成后的功能使用。

P. Arild(1994)[4]介绍海底隧道的概念以及挪威海底隧道的工程经验及其未来发展，讨论对海底隧道工程设计施工起关键作用的几项技术。

Z. Eisenstein(1994)[5]指出，海底深埋隧道不同于陆地越岭隧道的5个特点为：(1) 深水海床下地质勘探的精确度比较低；(2) 经常需要长距离不间断地掘进和开挖；(3) 高孔隙水压力和大地下水渗流梯度；(4) 动、静水压力对隧道结构引起非常大的长期荷载；(5) 为争取工期和节约投资的要求加快掘进速度。

T. S. Dahlo和B. Nilsen(1994)[6]针对已建挪威海底隧道工程，讨论事先地质钻探用于预测海底隧道地质状况的可靠性和支护材料的耐久性问题。

根据大量海底隧道的工程数据研究海底隧道的最佳覆盖层厚度，指出挪威已建的大部分海底隧道其岩石覆盖层厚度大多偏于保守。

P. Vandebrouk(1995)[7]和P. Hagelia(1995)[8]指出，海底公路隧道规划中的一项重要任务就是有根据地估计防水工程量及其耗费；并在对大量隧道工程实测数据的基础上，通过简单的理论推导，获得可用于指导工程实践的经验方程。

该方程表明海底隧道的防水工程量是水力梯度、岩石覆盖层厚度和衬砌接头数量三者的函数。

H. Tsuji(1996)等[9]介绍青涵隧道施工过程中发生的4次大的突水事件，这4次事件均发生在岩体破碎软弱区；同时，分析事故发生的原因及其经验教训，着重指出在海底隧道施工中进行针对瞬发性涌、突水所作监测工作的重要性和必要性。

A. Palmstrom和A. Skogheim(2000)[10]介绍1998年以来挪威海底隧道工程取得的2个里程碑式的进展：一个是在55 m海水深度时，在海底岩石覆盖层
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厚度仅15～20 m的情况下，成功进行跨度达11 m 的大跨度隧道开挖；另一个是在没有使用驱动器的情况下完成从海底穿越天然气管线。

以上内容对我国刚起步建设的海底隧道工程均有一定的参考价值。

1.3跨海隧道设计施工的技术特色
跨海隧道设计施工具有以下技术特点[11]：
(1) 深水海洋地质勘察的难度高、投入大，而漏勘与情况失真的风险程度增大。

(2) 高渗透性岩体施工开挖所引发涌/突水(泥)的可能性大，且多数与海水有直接水力联系，达到较高精度的施工探水和治水十分困难。

(3) 海上施工竖井布设难度高，致使连续单口掘进的长度加大，施工技术难度增加。

(4) 饱水岩体强度软化，其有效应力降低，使围岩稳定条件恶化。

(5) 全水压衬砌与限压/限裂衬砌结构的设计要求高。

(6) 受海水长期浸泡、腐蚀，高性能、高抗渗衬砌混凝土配制工艺与结构的安全性、可靠性和耐久性，以及洞内装修与机电设施的防潮去湿要求严格。

(7) 城市长(大)跨海隧道的运营通风、防灾救援和交通监控，需有周密设计与技术措施保证等。

做好工程地质、水文勘察与超前预报，着力提高遇险应变能力，得出与工程实际结合的、合理可行的技术措施和应对险情的工程预案，特别是如何解决好施工“探水”、“治水”和“防塌”三大技术难点，是跨海隧道施工成败的关键。

2 海床基岩工程地质、水文地质特征
与综合地质勘察
2.1海床地质特征调查
(1) 详尽的、准确度高的海床地质勘察信息和技术数据
详尽的、准确度高的海床地质勘察信息和技术数据是关系到隧道建设可行性研究、设计和施工与建设费用与工期等重大工程决策的主要因素，如以青涵和英法海峡两座隧道的上述不同情况作比照，就能充分说明这一问题。

(2) 施工前的地质勘察
施工前，应做好各项地质勘察工作：
①海洋动力环境条件下，海上钻井取样设备及其配套工艺的改制与开发。

②地震波测试等地球物理勘探——揭示基岩分界线和主要不良地质缺陷。

③声纳探测——海底地形、松散沉积物分布及其厚度。

④综合地质勘探。

(3) 施工过程中的超前地质预报
施工过程中的超前地质预报工作在海底隧道工程建设时是必不可少的：
①施工过程中的超前地质预报，做到超前导洞和服务隧道先行，是最好的施工期补充勘察手段。

②对主隧道施工将遇到的不良地质区段，可在导洞/服务隧道中先作注浆加固和止水。

③用正、反演分析，必要时对原设计支衬参数再作调整和修正。

④对洞周施工变形进行智能预测与控制。

2.2复杂海床地质条件下的地质勘察项目
复杂海床地质条件下，为揭示不良地质体和涌/突水(泥)，需作的综合地质勘察项目有：
(1) 常规地质勘探。

(2) 超前综合物探
①采用震测法作隧道超前地质预报(TSP)。

②地质雷达与遥感、遥测。

③ HSP(水平震测剖面法)声波反射法。

④电磁波物探勘察——跨孔电磁波CT扫描成像探测。

(3) 红外线探水仪、超前水平探孔。

(4) 洞内实时监测与相关参数快速测试——数字式全景钻孔摄像系统。

(5) 综合地质超前预报技术(将计算机数值模拟与综合分析预测相结合)。

(6) 水化学分析。

(7) 压水透水性试验，以验证岩体质量与涌水量等。

2.3综合地质超前预报方法的实施
综合地质超前预报方法的实施的本质特色是将长/中/短距离的地质预报与物探、钻探三者有机地相结合。

3 海底隧道最小覆盖层厚度——隧道
最小埋置深度
3.1海底隧道最小覆盖层厚度
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跨海线路走向方案大致确定后，在隧道纵剖面 设计时对隧道上方岩体最小覆盖层厚度，也即隧道最小埋深的拟选，且密切关系到隧道建设的经济和安全问题。

(1) 覆盖层厚度过薄：隧道施工作业面局部/整 体性失稳与涌/突水患的险情加大；而因浅部地质条 件较差，在辅助工法(如注浆封堵，各种预支护及预加固等)上的投入将急剧增加。

(2) 覆盖层过厚：海底隧道长度加大，此时，作用于衬砌结构上的水头压力增大。

3.2 制约隧道最小埋置深度的决定性因素
围岩稳定与安全、涌/突水量和水压力值大小，均涉及到隧道施工的风险程度。

3.3 确定安全的海底隧道最小顶板厚度应着重考
虑的各项因素
(1) 海床地质与水文条件(含断层破碎带及其充填物胶结状况、岩体渗透性、张性节理/渗水节理发育程度、节理连通性及与海水的水力联系等)。

(2) 隧道轮廓外形与主体尺寸。

(3) 能选用的最大/最小纵坡坡度。

(4) 海水长期浸泡、腐蚀条件下，围岩物理力学属性的软化与恶化。

(5) 施工开挖方法(TBM 、钻爆、台阶法、CD 和CRD 工法等)。

(6) 围岩注浆加固与预支护、各种辅助作业的实施等。

3.4 借鉴国外已建相类似的跨海隧道的实践经验
与国外已建相似跨海隧道成功实践的工程类 比是很有价值、并可供借鉴的重要环节，如挪威建议选用的“海底隧道安全顶板厚度”的经验值(如
图1，2所示[12]
)。

4 施工探水与治水
施工探水与治水[13]是海底隧道施工的重要环节，是关系到工程建设成败的主要因素之一。

4.1 海床基岩的水文地质特征
(1) 对涌/突水区段作水文地质试验的要求 ① 涌突水来源。

② 涌突水原因及其作用机制。

③ 最大/平均涌水量和突水量。

④ 突水压力及其变化。

⑤ 抽水与地下水位降深间的变化关系。

⑥ 施工开挖扰动对围岩稳定及其涌/突水量变化的不利影响等。

图1 挪威海底隧道最小岩石覆盖层厚度与基岩深度关系曲线[12]
[12]基岩深度(h w +h s )/m
h w 岩石覆盖层厚度(h r )/m
震速2 000～2 900 m/s 震速3 000～3 900 m/s 震速4 000～4 900 m/s 震速5 000～6 000 m/s 未确定的震速 失稳案例
图例：
h s h r
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图2 挪威海底隧道岩石覆盖层厚度与海床水深的关系 曲线[12]
Fig.2 Curves of rock covering layer thickness varying with
depth of sea water(Norway undersea tunnels)[12]
(2) 试验、测试和勘查工作
① 沿洞周布设多个观测钻孔(浅孔和深孔)，全孔下过滤管，管外侧回填砂砾土。

② 区分不同降深，进行抽水试验。

③ 查明不同岩层在隧道平面和垂直方向的分界线与分界范围及其接触关系。

④ 如为石灰岩地层，要求查明其溶蚀条件。

4.2 对探水成果的分析处理研究——MapGIS 专用
软件简介 (1) MapGIS
[13]
是一个集图形、图像、水文、地
质、地理、遥感、测绘、人工智能、计算机科学等于一体的大型智能软件系统。

(2) MapGIS 也是一个集数字制图、数据库管理和空间分析三为一体的自动化空间信息系统，是进行现代化技术管理与工程决策的先进的专用工具。

(3) 该程序软件包由中国地质大学(武汉)研制，连续多年在全国GIS 测评中名列前茅，是国家科技部向社会推荐的国产GIS 专用软件平台之一。

(4) 采用该软件所建立的“突(涌)水危险程度分区”、“分段图形、图像绘制”及其“突(涌)水预报模式”，比较符合施工实际情况，具有快速处理和实时决策的特点，可为隧道安全开挖中的探水工作提供相对正确而直观的水文地质依据和工程技术保障。

(5) MapGIS 系统克服传统上对突水险情只做单因素预测的不足，而能以综合考虑并反映直接或间接关系水情水患的多种因素及其相互影响。

(6) 其快速处理和实时决策系统可为隧道安全
施工提供综合处理水文地质信息，为正确、直观的施工控水对策提供依据，并为工程处治措施服务。

(7) 该专用软件现正在厦门海底隧道施工探水
中试用，希望能取得好的成果。

4.3 不良地质区段隧道施工风险及工程整治要点
(1) 治水、防塌施工要则
遵循“24个字”的要诀：“管超前、严注浆、 短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭、快衬砌”，对海底隧道不良地质区段同样适用。

在设计施工中，按涌/突水(泥)对隧道施工不同影响情况及施工条件可能，分别采取绕避、地表截流封堵、超前地质预报、注浆堵水、清除孔洞充填物换填贫混凝土(指强度等级较低的素混凝土)，以及设置泄水洞有限疏导排放等工程整治措施。

(2) 施工治水处理要点
① 水流归槽，避免地下水对岩体的浸泡而导 致岩体软化。

② 控制爆破药量，避免原生裂隙相对不发育 的阻水岩层因受爆震扰动而失稳，激发大范围的突水涌泥。

③ 对高压富水部位的洞段，采用迈式锚杆(钻、锚、注浆三位一体，同时施工、一次完成)。

④ 水情最严重地段，考虑设置全断面满堂注
浆止水帷幕，并快速整筑钢筋混凝土衬砌。

⑤ 研制适合当地实际的高压突水超前信息综合处理与决策系统专用软件，建立对高压突水、涌泥的预警机制及相应的工程应急预案。

⑥ 先施工挡水、挡泥护墙，采用重型结构对突水或涌泥口进行封堵；然后通过封堵墙施作钻孔，进行注浆和止水加固后，再行开挖。

对于无法封堵的地下水，一种在台湾省施行有效的灌注热沥青止水工法可以参考使用。

⑦ 当水流的位置在隧道上方而高于隧道时，应在适当距离外开凿引水斜洞(或引水槽)，将水位降低到隧道底部位置以下后，再行引排。

⑧ 施工中加强地下水化学成分及同位素的监测工作，通过化学成分的示踪作用以及同位素年龄的确定，可以分析地下水的补给源及其期龄。

⑨ 注浆材料：对低压小股水和中压、中股水 流，均可采用单(双)液注浆。

低压大股水可采用聚氨酯材料，聚氨酯在遇水后膨胀变硬达到堵水的目的；高压大股水流在必要时应采用全隧洞段满堂注
海床水深/m
岩石覆盖厚度/m
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浆止水帷幕作灌浆封堵，并采用高压泵(据中铁十四
局集团介绍的有关资料，最大注浆泵压可达50 MPa)
灌浆。

为改善注浆效果，可在浆液中掺加超细硅粉、
高强度细磨水泥、膨胀剂和丙凝及水玻璃等化学材
料。

4.4遇高压涌/突水施工困难条件下的工程处治预案
在洞内富水构造被揭穿后，可能发生未及预计
的大突水，其处治方式主要有：
(1) 要待水量减小或消退、水压降低后，再作注浆封死处理。

(2) 如无上述减弱趋势、人员又无法靠近时，则应采取以下措施：
①在水源补给点与涌水点之间，布设泄流钻孔以分流泄压，降低涌水量、流速和水压。

②直接在未揭穿水流通道的迂回导洞内超前注浆，阻截水流；然后在洞内作业面处作补充注浆处理。

5 隧洞围岩防塌险情预报与预警——
围岩稳定性评价
5.1基本认识
新奥法强调：容许围岩有一定变形，但又需控制围岩过度变形，支护适时。

本文此处建议的一种“围岩变形速率比值判别法”[14，15]提供在定量预报险情、定量表达支护适时条件下，是掌握围岩稳定而避免塌方的一种定量分析方法和标准。

在已有的判据认定的险情区段，必要时须采取加固措施，避免塌方。

5.2隧道开挖施工时，围岩稳定性的“变形速率比
值判别法”简述
鉴于以洞周收敛或拱顶下沉量以及收敛速率作围岩稳定判定准则的不足和不易定量化的缺点，此处建议以该一预报时段与前面几个时段围岩各控制点变形速率的变化——“减速”、“等速”或“加速”，来定量划定是否应作工程报险。

对出现后两者情况时，如果其不当情况延续若干个时段，则应即适时作出工程险情预警。

洞体内监测点一般都布设在拱顶、拱腰和拱端以及侧墙中部和仰拱中点等，方法的采用和进行步序示例如图3所示[14]。

本文对李术才等[16]所述的方法进行如上修正，似更合理可行。

该法现正在厦门海底隧道施工的研究实践中结图3 一隧道塌方冒顶段K7+210断面“收敛–时间”变化曲线(1999)[14]
Fig.3 Curve of convergence value varying with time for cross-section K7+210 of roof-slab collapse of a
tunnel opening(1999)[14]
合现场实际进行，以求得到检验并使之进一步修改和完善。

6 施工期对隧道衬护原设计参数的调
整与修正
在海底隧道施工期内，应实时地对隧道衬护原设计参数进行调整与修正[17]。

其要点是：
(1) 如上所述，由于地勘资料的缺失和不足，施工中遇必要情况需对原设计的隧道衬护参数再作调整和修正。

(2) 以典型工程和实测信息对岩石力学理论分析结果进行类比、修正为特点，是对隧道工程新奥法支护设计的改进。

可用于隧道围岩变形、破坏特性与支护效果的快速分析及超前预报，应用形式建议采用新版BMP 电算程序[15]。

该软件已在我国国防、矿山、水利、水电、公路、铁道等部门的不少隧道与地下工程中获得较广泛采用。

BMP软件的组成如图4所示。

在导洞中将量测数据经程序分析和计算后，先自动绘制各项位移的历时变化曲线；通过对先行导洞围岩作反演分析，可得围岩的σ，k，E及η诸等效岩性参数。

再在主洞中进行正演，以反馈、检验和判断需否在施工期中进一步调整与修改设计阶段原有的支衬参数。

(3) 该软件更适用于具有与隧道开挖施工变形监测相配套的光学三维位移量测系统。

该系统的基本构架为一台高精密度的电子经纬测距仪；辅以功能完善的软件系统，可执行量测数据处理、计算和
第1次险情预报
第3次险情预报
塌方冒顶
第2次险情预报
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图4 BMP软件的组成
Fig.4 Chart of programme BMP
图形输出。

经做出开挖断面量测控制中各测点变形前后的三维坐标定位——利用全站经纬仪观察反光觇标(安设于隧洞岩壁上)，进而得出各测点的绝对变位量。

它是对洞壁收敛位移自动化计测作业的改进和完善：
①由全自动监测记录预警系统来实施信息采集与传输(光缆/无线电)，并作全天候的连续自动监测；②国内外现已有离线测读与监控的自动化系统，均在现场监测站内进行。

(4) 该量测系统的功能具有以下特色：
①与施工作业互不干扰。

②可缩短量测断面的间距(每5～10 m设一处量测断面)。

③可及时快速显示量测结果，并自动作处理。

将各断面相应测点的绝对位移量纵向连接，即得隧道沿纵向的绝对变位，以反映隧道整体的三维变形。

该系统还可预测洞口与浅埋段的隧洞变位，并了解洞口边坡岩体的变形动态。

其可靠性有保证，可机动配置量测作业，精度一般达0.1 mm。

7 耐腐蚀高性能海工混凝土
海洋大气和水环境是隧道衬砌钢筋混凝土所处最严峻的水文地质环境条件之一。

长期受到含盐水质、生物、水中矿物质、高水压和围压等天然因素的持续作用，使锚杆、喷层、防水薄膜和高碱性混凝土与钢筋等材料因物化损伤的积累与演化(腐蚀)而影响其耐久年限。

第二次世界大战后的许多海工混凝土结构工程，有相当一些历时仅约30 a，即已出现严重腐蚀而裂损破坏，这种现象值得深思。

混凝土碳化和氯离子渗透引起钢筋锈蚀，是海工钢筋混凝土的主要破坏因素。

对大跨偏压隧道衬砌属大偏压构件情况，且在已有初始裂纹并长期受围压作用和海水持续浸泡、腐蚀作用下，高性能海工混凝土材料的优化配制，是增强其耐久性的研究热点。

对采用常规材料配制的高性能海工混凝土言，要求实现混凝土自身的低渗透性、低宏观缺陷和高密实度，以限制海洋环境浸蚀介质的入渗，其基本途径可归结为：
(1) 采用高性能优质水泥和级配良好的优质骨料。

(2) 优质掺合料(磨细矿碴粉、粉煤灰和微硅粉等)，使工业废碴资源得到充分利用。

(3) 高效减水剂的使用，并尽量降低混凝土水胶比，提高混凝土的抗渗能力。

(4) 硅粉等胶凝性矿物掺合料，提高混凝土的密实度。

(5) 水泥颗粒的解聚和粒径范围扩大，以获得较理想的微观结构等。

8 公路与城市道路长大海底隧道的防
灾与救援
(1) 西方一些国家和日本，其在隧道防灾方面的设计理念值得学习参考：
①中央主控室的防灾自动监控系统十分周密和完善，使火灾苗子能及时消灭于萌芽之中，决不使其蔓延成灾。