台湾海峡海底铁路隧道建设方案

1、台湾海峡海底铁路台湾海峡海底铁路隧道建设方案隧道建设方案Dr Li YongGeotechnical & Structural Engineering Research Center, Shandong University 为了沟通海峡两岸，加强经济、文化联系，方便老百姓，修建海底隧道十分必要。 一、台湾海峡海底隧道采用铁路隧道一、台湾海峡海底隧道采用铁路隧道方案是合理的方案是合理的 当今世界上已修建了许多海峡隧道，正在筹建的也很多。其中重点介绍已建的6座隧道。1、1940年日本在关门最早用盾构法修建了世界上海底铁路隧道，其长度3.6km。 2、1975年日本用钻爆法在关门又建成了长

2、18.7km的第二座海峡铁路隧道。 3、1988年日本在津轻海峡用钻爆法建成了至今世界上最长的海峡铁路隧道青函隧道。其长度是54km。是目前正在论证的台湾海峡铁路隧道长度的一半。图3 建成后的日本青函隧道图1 日本青函隧道纵断面图图2 日本青函隧道横断面图4、1994年，英法两国用盾构和TBM硬岩掘进机法建成了英法海底铁路隧道，其长度为50.5km，是世界第二长的海底铁路隧道。图4 英吉利海峡隧道平面位置图图5 开敞式TBM图7 英法海峡隧道地质剖面及布置图图6 英法海峡隧道图8 英法海底铁路隧道5、1991年丹麦斯多贝尔修建的海峡公路隧道长7.9km，总造价约40亿元，盾构法施工长7.26k

3、m，浅埋暗挖法施工长度0.64km，盾构直径8.782m，管片厚40cm。图9 盾构机图10 剖面图6 6、日本东京湾海底公路隧道、日本东京湾海底公路隧道 1986年开工，1996年8月建成，10年工期，工程全长15.1km，其中海底盾构隧道长9.12km，是世界上最长的海底公路隧道，进、出口和2个竖井共8个工作面同时施工，8台泥水加压盾构，直径14.14m，双向6车道，采用复合式衬砌结构，管片厚65cm，二次衬砌钢筋混凝土厚35cm。二次模筑二次模筑薄管片薄管片图11 隧道断面图上述六座海底隧道 成功建成，凸显了世界各国对修建海底隧道的高度重视和极大热情，也说明了海底隧道的设计技术、施工技术

4、和施工工艺等已基本成熟，只要我们进一步在隧道埋深、结构耐久性和运营通风与防灾等方面加以研究，修建台湾海峡海底隧道方案是可行的和合理的。 同时，基于国内外海底隧道修建的成功经验，一般隧道长度大于20km以上的均采用铁路隧道，电力牵引，这样可长距离不设通风竖井、运营安全、风险小、运营费低；海底公路隧道设计长度不能超过10km。至于台湾海峡公路运输问题，原则是汽车坐火车跨越海峡。 1、长大隧道必须采用双洞单线，以利于施工通风；通风采用巷道式射流通风。 2、出渣运输采用大容量电力机车牵引；也可采用连续皮带机输送。1）其连续皮带机相对有轨运输的优点如下：二、台湾海峡海底特长铁路隧道断面设计二、台湾海峡海

5、底特长铁路隧道断面设计（1）后配套系统设计可缩短； （2）所需通风机功率将大为降低； （3）减少机车、车辆、翻车机及洞外轨道调度系统，运行管理简单； （4）安全性提高； （5）仰拱结构可简单。2 2）连续皮带机的应用）连续皮带机的应用 (1)美国80%长大隧道工程项目采用连续皮带机出渣； (2)欧洲近些年来长大隧道也大多采用连续皮带机出渣； (3)中间驱动技术、控制技术的发展使连续皮带机技术趋于成熟，已具有较高可靠性； (4)理论上，连续皮带机可以无限延伸，但目前的技术水平为15km. (5)国内大伙房输水工程采用连续皮带机出碴，最长运距达11.25km。1 1）隧道净空面积的影响因素主要有以

6、下几方面：）隧道净空面积的影响因素主要有以下几方面： (1)隧道建筑限界线的间距； (2)应预留的空间：安全空间、救援通道、 工程技术作业空间、内部配件空间等； (3)考虑空气动力学影响所需的空间。 3、铁路运营速度采用200km/h是最优速度 。 4、隧道有效内净空面积:国内单线断面为60m2左右;双线断面为90m2左右。图12 大伙房皮带输送机图13 出碴设备2）空气动力学效应图14 隧道微气压波的发生 3）高速列车在隧道内运行引起的问题 高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，使附近房屋震动，发出轰鸣声，引起扰民问题。4）不同运行速度国内外高速铁路隧道内净空断面设计情况如下表1、2

7、所示。 表表1 1 国内外高速铁路隧道内净空面积表国内外高速铁路隧道内净空面积表 国 家 线别运营速度(km/h) 断面积(m2) 日 本 新干线2403006164 法 国 大西洋线 30071北方线、东南延伸线 300100地中海线350100 德 国汉诺威维尔茨堡曼海姆斯图加特汉诺威柏林25082科隆法兰克福30092 西班牙马德里塞维利亚27075 韩 国汉城釜山350107中国台湾台北高雄35090表表2 2 我国专线隧道内净空面积我国专线隧道内净空面积序号 类别标准单线（m2） 双线（m2）1200km/h客专近期客货共线53.0683.72200km/h客专近期双箱运输 56.2

8、89.643250km/h近期客货共线5890.164250km/h近期双箱运输58.0893.765350km/h客运专线70100 5)海底隧道洞门设计型式洞门设计原则应为喇叭型，可防止突变，下图洞门设计应该借鉴图15 海底隧道喇叭型洞门图16 喇叭型隧道洞门台湾海峡隧道工程线路有北线方案、中线方案、南线方案3个方案（见图18-19）。北线方案：福清-平潭岛-新竹，长约122km。中线方案：莆田笏石-南日岛-苗栗，长约128km。南线方案：厦门-金门-澎湖-嘉义，长约174km。对上述方案的优化、比选，北线地质稳定，线路最短，应优选北线方案，其造价2000亿元左右，工期约10年；南线可选用

9、隧道群方案。根据地形图（见图17）海域最深处为80-100m，隧道工程宜深埋。 图18 方案1图19 方案2图17 台湾海峡海底地形图 四、台湾海峡海底铁路隧道施工方法选择四、台湾海峡海底铁路隧道施工方法选择 1、无论从海底隧道的长度来看，日本是率先建成和运营的最长、最多的海底隧道国家，其次是挪威、丹麦等国。目前，国内连接国家之间、岛屿之间的海底隧道也正在筹建。据统计，采用钻爆法修建的海底隧道占90%以上，因为它是最经济、安全风险易控制和施工工艺最成熟的一种施工方法。如挪威17条海底隧道全部采用钻爆法施工。 因此，跨海隧道的施工方法宜优选钻爆法；其次是TBM、盾构法。2、水下隧道钻爆法和开敞式

10、TBM施工，衬砌结构采用复合式衬砌；盾构法施工衬砌采用管片+二次钢筋混凝土；单层管片衬砌不利于百年寿命，日本已进行过这方面的研究。 3、青函隧道设置超前疏水导洞，有利于提前排水，加快主洞施工进度。 4、水下隧道最小埋深与地质条件、施工方法和支护结构形式等关系密切。一般盾构法洞顶埋深为1倍洞径；TBM埋深为1.52倍洞径；钻爆法埋深为23倍洞径。城市水下隧道受地形限制一般采用浅埋；而台湾海峡隧道不受地形限制，且海岸地质变化大，采用深埋方案风险最小，施工方法可选用开敞式掘进机法和钻爆法。5、台湾海峡隧道穿越硬岩，宜采用全断面开敞式掘进机，不宜采用双护盾掘进机。中间断层、软弱地带采用浅埋暗挖法，横通

11、道采用钻爆法施工。下面介绍使用掘进机施工的有关水下隧道。图20 引黄北干渠（4189m）图21 上 公 山 隧 道（1）双护盾TBM的施工问题 虽然双护盾式TBM有圆筒形护盾保护结构，它可在掘进同时进行了管片的安装，但是它适用的地层是相对稳定、岩石抗压强度适中、地下水不发育的条件；当它通过地应力变化大、围岩破碎、岩体为块体结构的地层时，护盾常常被卡住，脱困难度极大。工程界有不少经验介绍设备被卡住后的脱困处理技术极其复杂，且处理时间较长，台湾坪林隧道涌水及被卡后的脱困处理也是极其艰难的。 采用双护盾施工时，由于施工经验及对护盾姿态控制等原因，会产生盾尾管片拼装空隙不足，从而引起管片错台、管片裂缝

12、，严重时甚至导致隧道轴线偏离，应引起高度重视。此外，追求掘进速度而忽视管片背后注入豆砾石和灌浆工序，也会对工程带来严重的质量事故。 （2）开敞式掘进机是长大水下隧道最好的选择由于任何隧道的地质状况、围岩性质都有显著的变异性、以及非均质性，因此选择开敞式掘进机的目的是除发挥出它所具备的硬岩掘进性能外，它还具备了在不借助其他手段和措施的条件下，具有通过软弱围岩、断层等不良地质的能力，可独立地完成不良地质隧道的掘进。 开敞式TBM在对付较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出快速掘进的优势。特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力；使用开敞式TBM施工可以直接观测到被开挖的

13、岩面，有利于对已开挖的隧道进行综合地质描述，及时调整掘进参数。特别是开挖和支护分开进行，使开敞式TBM刀盘附近有足够的空间用来安装一些临时、初期支护的设备，如钢拱架安装机、锚杆钻机、超前钻机、喷射混凝土机械手等，应用新奥法原理使这些辅助设备可及时地、有效地对不稳定围岩进行支护。 以维护和利用围岩的自稳能力为基点，采用锚喷联合支护体系，及时进行支护，有效地控制围岩的变形，使围岩成为支护体系的组成部分，形成了以锚杆、喷射混凝土和围岩三位一体的承载结构，共同受力，保持围岩的稳定。图22 开敞式TBM图23 护盾式TBM（3）开敞式TBM具有两大特点 1）灵敏度高、长度/直径1，易精确调方向可在30m

14、m内； 2）能够及时对不良地层进行及时支护，时空效应好，不易塌 。 总之，开敞式TBM既适用于硬岩地层，也很适用于软岩地层，大伙房87km供水工程应用非常成功。（4）双护盾、单护盾TBM具有四大缺点 1）灵敏度低，很难精确快速调整到位； 2）由于后盾较长，不易及时支护，易塌方，易卡死，如台湾坪林隧道; 3）造价高，是开敞式TBM的1.3倍; 4) 衬砌必须用管片，造价高于复合衬砌的2倍左右。 因此，双护盾掘进机经工程实践验证不宜使用。图24 台湾雪山（坪林）隧道双护盾掘进机 6、沉埋管段法不适于长大隧道（大于6km）、不适于硬岩地层、更不适用台湾海峡。 7、在软弱、不稳定地层宜采用盾构法施工，

15、但盾构直径宜小于12m。如琼州海峡水下隧道长度34km，穿越软弱地层，宜采用土压平衡复合式盾构。序号跨海通道称呼地区全长(M)其中:海面下长(KM)建筑设想提出时间开工年月通车年月技术类型交通类型工程造价(亿元人民币)投资方式备注1港九中线海底隧道（红 海底隧道）香港18861.619561969.9197212沉埋法公路隧道176BOT企业投资2地铁海底隧道香港约20001.419771980沉埋法铁路隧道BOT企业投资3港九东线海底隧道香港40002.219851990沉埋法公铁两用隧道35.3BOT企业投资4港九西线公路隧道香港20001.3619811993.81997.4沉埋法公路隧

16、道46.7BOT企业投资5港九西线铁路隧道香港20001.2619951998沉埋法铁路隧道9.3BOT企业投资6高雄海底隧道台湾高雄22501.061984沉埋法公路隧道政府投资7厦门海底隧道福建厦门9000620世纪80年代2005.42009(预计)矿山法公路隧道39.5(含配套工程)银行垡贷款在建中表表3：国内海底隧道国内海底隧道8大连海底隧道辽宁大连60003200320072011钻爆法公路隧道拟建9胶州湾湾口海底隧道山东青岛61703.320世纪80年代2006.62009矿山法公路隧道31.8BOT企业投资拟建10台湾海峡海底隧道福建台湾约130KM1948拟建11琼州海峡海底

17、隧道广东海南34KM18KM1980约2010盾构法铁路隧道200拟建12港岛-北京大屿山海底隧道香港10KM公路隧道拟建13孙逸仙大马路-友谊大马路海底隧道澳门公路隧道拟建14海凼第一海底隧道澳门公路隧道拟建15海凼第二海底隧道澳门公路隧道拟建16长江口海底隧道上海8.9KM盾构公路隧道拟建表表4 4 跨海桥隧跨海桥隧1长江口隧桥工程上海25.5KM123拟建其中:隧底隧道8.9KM盾构公路隧道跨海大桥10.3KM公路桥2大连-烟台胶州湾山东烟台辽宁大连130KM1992.1拟建其中:海底隧道123KM铁路隧道跨海大桥7KM公铁两用桥3港珠澳海上通道香港珠海澳门36KM28KM2003201

18、0沉管法公路隧道400亿BOT拟建其中:海底隧道16KM跨海大桥20KM盾构法钻爆法1、厦门公路越海隧道 由于隧道穿越地层为质地良好的花岗岩，决定采用双向六车道钻爆法施工，中间设管廊式服务通道；通过对钻爆法、TBM法、沉管法、盾构法比选，由于围岩较好，沉管法和盾构法技术不可行，被否定，钻爆法比TBM法又便宜5亿多，故最终方案选用施工技术成熟、灵活的钻爆法。目前该隧道已经运营通车。 图25 厦门海底隧道平位置图图26 厦门海底隧道剖面图图27 厦门海底隧道效果图图28 建成投厦门海底隧道2、武汉长江第一隧 原定为沉管法方案，因施工干扰大，冲刷变化大，干坞不易选择，造价太高而否定；由于隧道穿越粉细

19、沙不稳定地层，决定采用双向四车道、泥水加压式盾构，盾构直径11.4m，采用复合式刀具，以实现长距离不换刀掘进；同时，江下取消了横通道，有利于运营隧道变位而不开裂。 图30 武汉长汉隧道横断面图图29 武汉长江隧道平面位置图 图31 建成后武汉长江隧道 3、武汉汉阳二次穿越长江水底公路隧道，设计为双向四车道采用盾构法施工，盾构直径11.4m。 4、南京-浦口长江第二隧道是铁路高速跨越点，原定沉管法，后因冲刷深度变化较大，流速大而改为盾构法 。目前，南京市政府采用双向六车道，工程造价约44亿元。采用大直径15m泥水盾构，造价高，风险大，埋深也要加大。 因15m盾构制造风险很大，施工风险更大，而且盾

20、构机的制造费用高，约3.5亿元/台。采用分离式两条双向四车道的过江隧道方案，可以避免大直径盾构所带来的施工风险，大大降低工程造价，提前工期。因此用盾构法施工的水下隧道适合双向四车道，不宜采用双向六车道；断面直径不宜超过12m。图33 15m的隧道断面图图32 南京长江隧道平面位置图5. 杭州市庆春路钱塘江市区水底隧道 采用双向四车道盾构方案，理念正确，已进行了安全、风险评估，对环境影响很小。图34 杭州庆春路隧道断面图图35 建成后杭州庆春路隧道6、联结青岛黄岛胶州湾海底隧道 由于穿越优质花岗岩地层，采用双通道六车道钻爆法施工方案，设计合理，施工顺利，目前已贯通。原青岛侧的交通联结方式设计采用

21、高架穿越城区，影响环境， 经论证改为地下，取消高架。 图36 青岛海底隧道平面位置 图37 青岛海底隧道效果图7、广深港铁路客运专线狮子洋双洞单线铁路隧道全长10.8km ，双洞单线隧道盾构施工长9.349km，隧道内径9.8m，管片厚0.5m，采用4台泥水盾构，两端对接，洞内解体的施工方案，施工顺利，目前已接近贯通。图38 线路走向图39 工程范围图40 隧道地质纵断面图图41 隧道效果图8、沪通铁路穿越长江铁路隧道单洞双线或双洞单线两种方案等对比，长约17km。图42 隧道地质纵断面图图43 隧道平面位置图图44 隧道断面图9、港、珠、澳海上大通道 全长36km，分别由6km沉埋管段和大桥

22、相联后，用3.6km盾构或浅埋暗挖法修建隧道，在珠海拱北上岸，再用桥和6km长的山岭隧道相联，并和太澳公路联通，工程规模为双向六车道。图45 平面位置图图46 隧道埋位置图图47 隧道埋深位置图10、上海地区多条水底隧道穿越黄浦江，均采用双向四通道，盾构法施工，效果很好，两端接线容易，方便市民。11、大连市区海湾海底隧道 经过桥、隧对比，决定采用双向六车道，钻爆法施工方案。因该地区的岩体为花岗岩，地质条件很好，采用钻爆法施工不破坏环境，少占地，少拆迁。沉管法在该市区海湾不宜应用：原因如下： （1) 软土层薄,且隧道全长2/3以上处于岩石之中，世界上110多条沉管隧道只有一条是建（放）在岩石上，

23、其他全部在不稳定粉细砂、极软弱地层，因地层贯入度30时水中基槽很难开挖，水下大量爆破在技术上不可行；（2) 水下爆破工期不可控；（3) 施工干扰大、影响周围航运、扰民、破坏海洋生态；（4) 造价高，75100万/m；（ 5)两端引线难以处理，干坞面积大，不易寻找。12、上海浦东至长兴岛水底隧道 双向六通道，采用盾构法施工，盾构直径15.18m，长距离4km掘进，风险很大，需认真研究，尤其不易在江中设置横通道，取消横通道对两个主体隧道的结构沉降控制十分有效，对防止结构开裂也非常有利。图48 盾构 15.18m13、我国大陆第一条用沉埋管段法修建的甬江水底隧道，隧道由4节85m长和1节80m长管段

24、组成。 图49 干坞施工图14、广州市区地铁和城市交通多条穿越珠海水底隧道正在设计、施工的有五条，由于水浅、隧道短、没有航运，所以采用双向六通道沉埋管段方案。图50 沉管隧道断面图图51 隧道单元预制图图52 沉管隧道效果图15. 琼州海峡34km 跨海隧道，采用浅埋暗挖法和盾构法修建铁路海底隧道，正在论证中，目前采用轮渡过渡。 图53 琼州海峡隧道西线方案纵断面图16、渤海湾大连至烟台110km跨海铁路隧道，可以采用钻爆法、TBM法和盾构法修建。 17、长沙浏阳河水下铁路、公路隧道，应用浅埋暗挖法修建，已经通车运营。 18、已经开工修建的长沙湘江水下公路隧道，采用钻爆法施工，施工顺利。图54 大连至烟台隧 道平面位置图图55 建成后的浏阳河隧道 19. 其他水下隧道 南水北调供水工程、输气工程、污水处理工程、铁路过江工程等，有的建成，有的正在建设和筹建中，分别采用盾构法或钻爆法。图56 穿黄隧洞纵断面示意图图57 穿黄隧洞效果图六、理念的更新六、理念的更新1. 审核一个工程修建的好坏应遵守环境效益第一、社会效益第二、工程本身效益第三