[科普中国]-水下隧道

简史

公元前2180～前2160年巴比伦修建了一条穿越幼发拉底河，从王宫到朱庇特庙的长约 900米的人行隧道。近代水底隧道始建于英国。1807年英国在伦敦动工修建连接泰晤士河两岸的人行隧道，开挖时因无法克服泥水涌入隧道而被迫停工。直到1825年在法国工程师M.I.布律内尔指导下，初次采用盾构法施工，才于1843年建成第一条泰晤士河水底隧道。此后，英国等国不断发展盾构工程技术，至20世纪30年代以后，水底隧道建设有了迅速发展。近50年间，世界上修建的水底隧道总数几乎是在此之前百余年间修建的总和。至20世纪80年代初，世界上已有100多条水底隧道,其中道路隧道有60余条，一公里以上的铁路隧道有10余条。日本于20世纪70年代至80年代中修建的青函海底隧道，是目前世界上最长的海底铁路隧道。上海黄浦江打浦路隧道为中国第一条水底道路隧道。台湾省高雄市的过港隧道已于1984年通车。

修建条件根据水道断面、水流状况、水文地质条件、两岸地形及建筑情况、水陆交通要求、城市总体规划、经济效益及社会效益等诸因素，对桥隧两种方案进行综合比较。通常在下述条件下宜考虑修建水底隧道：①航运繁忙，通过巨型船只较多,而陆上车辆流量大，又不容间断；②水道较宽，两岸地面高出水面不多；③两岸建筑物密集，不宜于建造高桥和长引桥；④城市总体规划上在该处没有修建桥梁的特殊要求（如通过易燃易爆危险品车辆），或要求铁路列车在地下运行以防止噪声；⑤工程费用和运营管理费用较低。

施工方法修建水底隧道所采用的主要施工方法有：围堤明挖法、气压沉箱法、盾构法及沉管法。围堤明挖法比较经济，有条件时一般应尽先考虑采用。气压沉箱法只适用于航运不多的较小河道中。由于需要修建水底隧道处的航运通常比较频繁，采用围堤明挖法及气压沉箱法对水上交通干扰较大，所以在150多年来的水底隧道建设中大多采用盾构法及沉管法。至20世纪50年代后，沉管法的水下接头及基础处理等重大技术关键相继突破，使施工工艺大为简化，并使隧道防水性大为提高，且能采用容纳四车道以上的矩形断面。在一定条件下，沉管法隧道覆土浅，线路短，照明和通风代价较小，工程和运营费用低，使用效果好，故自1965年以来，世界各国建成的20多条水底道路隧道，大多系采用沉管法。

明挖法：排水，挖深坑，然后施工，最后填埋。这种方法最简单，但是施工场地大，受周边建筑物的制约大。苏州独墅湖隧道、武汉东湖隧道就采取了这种办法。

矿山法：源于矿山开采，采用爆破，用人工或者机器开挖。这种方法相对简单，但是受地质条件的影响比较大，在土体软弱处容易塌方，所以一般只在山体内使用。长沙地铁在河西有一段要穿越岳麓山山体，据说会采用这种矿山法。

盾构法：隧道施工中最常用、最先进的方法。始于英国，兴于日本，已有180多年历史，最大的优点是适用于软土地质的隧道开挖。

冻结法：将土体冻住，使其达到一定强度，增加自身的稳定性，满足开挖条件。工人们会在土体上钻很多孔，然后放进去冷冻管，利用冷冻机提供制冷液，冻住后把冷冻管拆除，土体也会保持很长时间不融化。不过冷冻管虽然拆除了，但是温度仍然还在零下十几度，工人们像是站在开门的冰箱前，是要穿大衣施工的。不过这个大冰箱的脾气不大好，需要小心控温。

沉管法施工，只要满足船舶的抛锚要求即可，约1.5m左右。

防水方法水底隧道的主要部分处于河、海床下的岩土层中。常年在地下水位以下，承受着自水面开始至隧道埋深的全水头压力。因此水底隧道自施工到运营均有一个防水问题。防水的主要措施有：

1、采用防水混凝土

防水混凝土的制作，主要靠调整级配、增加水泥量和提高砂率，以便在粗骨料周围形成一定厚度的包裹层、切断毛细渗水沿粗骨料表面的通道，达到防水抗水的效果。

2、壁后回填

壁后回填是对隧道与围岩之间的空隙进行充填灌浆，以使衬砌与围岩紧密结合，减少围岩变形，使衬砌均匀受压，提高衬砌的防水能力。

3、围岩注浆

为使水底隧道围岩提高承载力、减少透水性，可以在围岩中进行预注浆。特别是采用钻眼爆破作业的隧道，通过注浆可以固结隧道周边的块状岩石，以形成一定厚度的止水带，并且填塞块状岩石的裂缝和裂隙，进而消除和减少水压力对衬砌的作用。

4、双层衬砌

水下隧道采用双层衬砌可以达到两个目的。其一是防护上的需要，在爆炸载荷作用下，围岩可能开裂破坏，只要衬砌防水层完好，隧道内就不致大量涌水、影响交通。其二是防范高水压力，有时虽采用了防水混凝土回填注浆、在高水压下仍难免发生衬砌渗水。在此情况下，双层衬砌可作为水底隧道过河段的防水措施。

设计水下隧道一般分水底段和河岸段，后者又有暗埋、敞开及出口部分。水底隧道的纵向坡度、纵向曲线和平面曲线半径、通道布置、车辆限界以及照明、通风、消防、交通监控等设备，按通过隧道的车辆类型和运量进行设计。

用盾构法建造的水底道路隧道，自两端至洞口，一般是槽形敞开式引道段。穿越水底的暗埋段，断面大多为圆形。修建的隧道除个别为单车道外，均为双车道(图1)。有些在车道一侧或两侧设高出路面的人行巡逻道。对交通繁忙的水底道路隧道，大多采用两条平行的隧道，每条隧道中有同向行驶的双车道；也有的在初期为一条双向行驶的双车道隧道，后期发展成两条同向行驶的双车道隧道。在圆形隧道中，一般在路面以下是送风道；在吊顶以上是排风道。送排风道与隧道两岸的通风机房连通，多采用横向通风。隧道的照明系统，应有适当亮度和均匀的照明装置,在进出口附近设光过渡设施，以便司机在通过隧道时能较好地适应亮度变化而使行车安全。为取得良好照明及防火效果，要合理选择隧道吊顶、侧墙饰面和道路路面的材料和颜色。在现代化的水底道路隧道中，设置自动或半自动控制的防火、灭火、排水、通风、照明、交通监控等运营设备，由中心控制室集中管理。

用沉管法建造的水底道路隧道，自两端至洞口大多是较长的槽形敞开式引道段。穿越水底的沉管大多是由几个通道组成的矩形管段，包括车行道、自行车道、人行或巡逻通道以及管线通道等，每个行车通道中有两个以上同向行驶的车道。由于沉管隧道的长度较短，且每个行车通道中的车辆为同向行驶，故大多采用纵向通风，无需设专用通风道及通风机房，其他设备和盾构法修建的道路隧道相同。

水底铁路隧道、地铁隧道及公用管线隧道，在构造及设备方面均较水底道路隧道简单，较典型的横断面布置。

举例苏州独墅湖隧道：国内最长湖底隧道，独墅湖隧桥工程全长为7.37公里，其中隧道部分长3.46公里，整个工程既要穿越湖底，又要翻越高架桥，是目前国内城市中最长的一条湖底隧道。

杭州西湖隧道：杭州市西湖隧道已建成，2003年10月5日，首辆小汽车穿越湖底。西湖湖底隧道全长约1269米，其中在西湖底下约800米，总投资约2亿多元。隧道内部还将安装无线网络设备，保证在隧道内仍能畅通无阻地使用手机。

玄武湖隧道：国内首条湖底隧道

2003年4月29日，全长2.66公里的南京玄武湖隧道通车，其中陆地隧道约0.8公里，湖底隧道长约1.66公里，隧道设计宽约32米，双向六车道，设计车速为60公里/小时，这是国内第一条城市湖底隧道。

东湖隧道：国内最长城中湖隧道

东湖隧道是湖北武汉东湖通道的重要组成部分，全长超过7公里，于2012年10月29日正式开工建设，2015年0月28日通车。工程施工采用“围堰明挖”的方法，是国内最长城中湖隧道。

无锡蠡湖隧道：国内最环保的隧道

江苏无锡双向六车道环保型隧道——蠡湖隧道通车。该隧道墙面采用环保材料，并可随时拆换，此举为国内首次。

香港海底隧道：先后建成三条

我国香港特别行政区有三条海底隧道，越过维多利亚海峡，把港岛与九龙半岛连接起来。

港九中线海底隧道1972年建成，全长1.9公里；

港九东线隧道，1989年建成，全长1.8公里；

1997年4月建成的西线隧道，六车道，日车流量可达18万次。

英法海底隧道：世界最长海底隧道

英吉利海峡隧道又称英法海底隧道，是一条把英国英伦三岛连接往欧洲法国的铁路隧道，于1994年5月6日开通。它由三条长51公里的平行隧洞组成，是目前世界上最长的海底隧道，历时8年多，耗资约100亿英镑（约150亿美元）。隧道启用后，把伦敦至巴黎的陆上旅行时间缩短了一半，3小时即可到达，与乘坐飞机抵达时间一致。

日本青函海底隧道：1987年建成了青函海底隧道，它穿越津轻海峡，将日本的本州和北海道连接起来，全长为53.85km，其中海底部分23.3km，其余为陆地部分。

我国最大水底公路隧道———上海外环线越江隧道建设已全面展开。整个隧道建设将用3年时间全面建成并投入使用。 上海外环线越江隧道东起浦东三岔港，西至浦西吴淞公园附近，全长2880米，水下沉管长度为736米。到目前为止，黄浦江边已建成两个规模宏大钢筋混凝土的干坞，并完成土方量110万方。管段生产已全面启动，江中航道开始疏浚，整个外环线隧道工程进入了主体施工阶段。其它的还有武汉越江隧道，上海长江隧道、南京长江隧道，武汉长江隧道，广深狮子洋隧道，年嘉湖隧道，浏阳河隧道，营盘路隧道，水果湖隧道，遂宁观音湖隧道等1。