重大越江跨海工程建设养护技术的研究

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重大越江跨海工程建设养护技术的研究

来源：黄融发布日期：2009-1-22

摘要：我国既是内陆国家，又是海洋国家，漫长的海岸线和众多的岛屿需要连接。本文通过国内外的举例，针对重大越江跨海工程的建设养护技术，阐述了个人的观点和研究方向。

我国既是内陆国家，又是海洋国家，漫长的海岸线和众多的岛屿需要连接。随着高等级公路建设步伐的加快和沿江、沿海经济的快速发展，大型越江跨海隧道与桥梁的建设必将高速持续发展，隧道与桥梁的规模、跨径和长度将越来越大，技术要求越来越高，施工技术与设备要求更为复杂，施工条件更加恶劣，对工程服役寿命和安全性也有极高的要求。但是，国内还缺乏成熟的越江跨海隧桥建设与养护经验和核心技术，因此非常有必要加快开展此方面的技术研究。

国内外重大跨海32程

◆国外重大跨海工程
二战之后，经过技术，经验的积累与科技的发展，工程界建造大型桥梁与隧道的能力越来越强，使世界各国独自或联合起来考虑过去所不敢设想的超大跨海工程，包括国家内部、国与国之间甚至洲与洲之间的高速公路、铁路交通网。综合起来，国际上跨海工程的规划、设计和建造情况见图1。

欧洲是世界经济较发达的地区，英国已经在河流入海口、海峡、海湾建造了若干隧道与桥梁，还计划在苏格兰和赫布里底群岛，奥克尼群岛之间建设海底隧道。苏格兰和北爱尔兰之间，选择了两条可能的联结跨海隧道线路。规模最大的当属圣·乔治海峡，英格兰和爱尔兰连接工程和英法海峡通道工程等(见图2)。

    欧洲和非洲以地中海为界，适宜跨越的地方在西班牙和摩洛哥间的直布罗陀海峡。自1 979年起，西、摩两国开始合作进行可行性研究。该通道主要选线方案：东A线自西班牙的肯拿莱斯角到摩洛哥的锡尔莱斯角，海峡宽约14km最大水深950m；西B线自帕洛马角到马拉巴塔角，海峡宽2 6 k m，最大水深300m。窄处水深，宽处水浅。桥梁方案有悬索或斜拉，或其组合；隧道方案则有半潜、沉管和深埋等。该跨海工程是目前世界上最为艰巨的项目，尚在不断研究之中。

    20世纪40年代日本建造的关门海峡隧道，是世界上最早的海峡隧道，下关方向采用矿山法施工，门司方向采用盾构法施工。二战后，日本着手将四大岛用跨海工程连接，已完成尾道一今治线，儿岛一坂出线、神户一鸣门线三条主要跨海线路。1 998年建成的明石海峡大桥跨越海峡宽约4 k m，水最深约1 20m，采用三孔连续悬索桥形式，中孔设计为1 990m，1 995年阪神地震造成淡路侧塔墩斜移，使桥跨增加约0.8m。还值得一提的是轻津海峡跨海工程青函隧道，海峡宽约23km，水深140m，隧道在海床下1 OOm，共长53．85km，是迄今世界上最长的海峡隧道，其施工时间长达24年之久，建成后隧道的运营耗用电力可供30万人规模城市之需。

    白令海峡介于亚洲俄罗斯杰日尼奥夫角与美洲美国阿拉斯加威尔±王子角之间，早在1 894年便有专家提过跨海工程的建议，1 980年林同炎曾提出箱型三层预应力梁桥梁方案，上层为公路，中层为铁路，下层为管道。白令海峡跨海工程可利用中间两个大小达埃曼岛，亚洲侧峡宽34 5km，两岛外侧距离4．02km，美洲侧峡宽35.4km，水最深处约54m(图3)。

◆国内重大越江跨海工程
渤海海峡宽约1 20km～145km。自旅顺老铁山侧，跨老铁山水道约45km，至庙岛列岛的北隍城岛、南隍城岛、大钦岛，砣矶岛，北长山岛，南长山岛到山东半岛的蓬莱约75km跳岛建桥。老铁山水道平均水深35m，最深处60m(图4)。该工程已完成预可行性研究报告。台湾海峡长约330km，宽约140 km～250km，除了高雄南有3000m深水盆地外，峡中平均水深仅约50m，可利用沿海岛屿修建跨海工程(见图5)。深信这一关乎两岸利益和民族统一进程的工程在不远的将来出现在地图上。

琼州海峡介于广东省雷州半岛与海南省海南岛之间，东西长约80．3km,南北平均宽约29．5km，中部50m以上深水槽宽约10km，80m左右中央深水槽宽亦有7km，水最深达160m。正式提出跨海工程构想是在上世纪60年代，特别是1 993年决定修建同三线，使其成为该线路上的关键工程，1 996年3月已完成预可行性研究报告。

此外，长江、珠江以及沿海经济发达地区还有多座跨江河隧道和桥梁正在规划研究和建设之中(表1)。

越江跨海隧桥工程建养技术现状
    ◆盾构法隧道建造技术现状
    全世界已建和在建的跨海隧道有20多条，主要分布在欧洲和日本，最有代表性的是英吉利海峡隧道和东京湾隧道。

    1 993年建成的英吉利海峡隧道工程全长48 5km，海底段37 5km，最大埋深100m．由2条外径8．6m的铁路隧道和1条外径5．6m的服务隧道组成。隧道掘进采用两类盾构机型共1 1台，其中混合型双护盾盾构兼具土压平衡盾构及TBM机的全部功能，且创造了单向掘进21．1 km的最长记录，攻克了海底盾构对接、高水压下密封防水及长距离掘进等技术难题。

    东京湾隧道建造于1 989年～1 997年, 隧道内径12．3m，外径1 3．9m，由二区间组成，总长9.1 km(浮岛至风塔之间4 .6km．风塔至海焚之间4．5km)。自各区间上，下行线从两个方向采用直径为14．14m的泥水平衡盾构机(共计8台)始发推出，推进2km--3km距离后在海底对接。隧道施工在海面下约60m、海底面下30m的高水压地基中进行。

    上海是我国盾构越江隧道建设的先行城市，早在1 963年就在第四纪软弱含水地层中进行了直径4.2m盾构隧道工程试验，在此基础上，1 965年开工建设直径10.22m穿越黄浦江的打浦路隧道，此后又陆续建成一系列越江隧道(表2)。

    经过20年的努力，国内已对内径11.0m盾构隧道的设计与建设技术积累了较多的经验，尤其是上中路隧道和长江隧道工程的顺利实施，基本具备建造长大越江跨海盾构隧道的技术基础，表3列出了目前跨越长江的隧道工程简况。

    ◆桥梁建造技术现状
    桥梁跨径是衡量桥梁技术含量最主要指标之一，悬索桥和斜拉桥是大跨桥梁中最具竞争力的桥型，世界最大跨径大桥如表4所示。从表中可以看出，在排名前10名的大跨径桥梁中，中国境内悬索桥占了5座，斜拉桥占了8座，且这些桥梁均是在20世纪90年代以后建设的，充分说明近1 5年来我国桥梁技术的突破性发展，桥梁建设技术总体进入世界先进行列。

    ◆隧道和桥梁养护技术现状
    大型跨江海工程结构的施工和运营都处在恶劣环境中，运营期对其进行实时监测和定期的检测，是了解结构安全状态、对潜在的结构和功能危险进行预警，以及对结构养护管理进行决策的关键，因此，发展跨江海隧道和桥梁的监测与检测技术是养护技术的首要问题。

——隧道养护技术
    日本，欧美等发达国家基于丰富的工程设计和施工经验，对盾构隧道工程的保护已建立安全性控制的技术标准。近年来我国，特别是在软土地区，随着盾构隧道工程的大量修建，工程规模越来越大，从而面临频繁区域性工程活动的危害风险也越来越大。依托大型工程为背景，定量评估复杂的区域性工程活动对隧道安全的影响，制定合理的控制措施，是确保盾构隧道长期安全性的一项重要课题。

    随着高速公路隧道的快速发展，对车辆长期荷载下软土地区隧道与地基动力响应，隧道沉陷与控制技术必须给予足够的重视，目前该方面的研究多集中在高速列车及地铁运营期间引起环境振动及对隧道本身的动力响应，对车辆动载引发公路隧道响应及层状和饱和地基的振动与治理的研究比较鲜见。

    德国、日本、美国，中国等国家已建立了隧道养护技术规范，有的已开发了隧道管理和变异诊断专家系统。但是，一方面我国隧道管理与养护技术还需完善，尤其是在长大隧道方面，经验还较少；另一方面，国内虽在多条隧道中引进或开发了成套隧道营运监控系统，但效果发挥还不甚理想，与日常养护管理和信息化管理的要求还有一定距离。

——桥梁养护技术
    目前，超大跨度桥梁设计中许多问题有待进一步研究，由运营中的大桥结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究的补充，而且可以提供有关海洋环境桥梁结构行为与环境规律的最真实的信息。桥梁健康监测系统的建立有利于超大跨新型桥梁结构设计方法与相应规范与标准的改进，有利于养护管理和服役安全状态的监控。

    美国80年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，如佛罗里达州Sunshine Skyway Bridge桥上安装了500多个传感器。英国80年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查和比较了多种长期监测系统的方案优缺点。我国香港的Lantan Fixed Crossing大桥、青马大桥，以及内地的虎门桥和江阴长江大桥等在施工期间装设了传感装置，用以监测服役期的安全状态。近年来，桥梁健康监测的研究主要集中于测点优化布置、振动模态识别、结构状态特征提取、结构整体性评估、异常诊断与损伤识别以及海量数据流处理等方面，取得了一定的进展，然而面对大跨度桥梁，国际上至今还没有公认有效的利用测量信息诊断桥梁损伤或健康状态的方法。

我国越江跨海隧桥工程建养技术研究趋势
    海洋与大江特殊的自然环境与复杂的地质条件，加之工程向更大、更深，更环保的方向发展，使得重大越江跨海隧道和桥梁的建设和养护面临较多困难和不确定性因素，今后需要开发诸如深水地质勘测、结构耐久与耐腐、通风与防灾减灾、节能与环保、抗风与抗震、结构体系与安全性评估等关键技术，为重大基础设施的建设和养护提供有力的技术支撑。

    ◆隧道地质保障系统
    海底深水隧道采用常规地质勘察方法，其准确性将难以满足隧道设计与施工要求，需要针对不同的地质条件与不同的阶段提出适合的地质勘察手段与方法，形成深水地质勘察技术。

    不良地质段地层的物理力学性质对隧道结构的稳定性具有重要影响，有时是造成事故的根源，需要进行不良地质段地层土工试验研究，对不同地层的物理力学参数进行测定，并据此进行稳定性分析，研究制定地层加固方案。不良地质段的超前预报工作近年来在我国得到了较为普遍的应用，也已取得了一些可资借鉴的经验和教训。今后应结合水底隧道特点，从探测仪器，综合探测方法、资料分析与验证等方面开展工作，重点研究提高预测预报的可靠性和及时性。

    ◆隧道环境和防灾技术
    针对水下长大隧道特点,应进一步研究以下隧道结构和运营安全的保障技术：

——隧道防灾标准研究
——隧道运营安全预警与控制技术研究
——隧道火灾特性和结构防火抗爆技术研究
——隧道防灾救援设备应用技术研究
——隧道环境与行车安全研究
——隧道防(减)灾、反恐与救援体系研究

    ◆结构耐久性研究
    针对工程所处入海口、海湾等代表性水文气候条件，研究江水底、咸淡交替变换水域、以及高盐和湿热等特殊海洋环境下隧道的耐久性，提出应用于工程的高抗蚀设计及其配套技术，建立越江跨海隧道工程耐久性设计理论与方法。

    研究越江跨海特大跨径桥梁全寿命设计和耐久性设计技术，研究索缆体系耐久性改善措施，研究提高海洋环境下混凝土材料和构件耐蚀能力技术，研究海洋环境下钢结构防腐蚀的技术。

    ◆智能养护系统管理及快速修复技术研究利用
    现有隧道与桥梁耐久性数据库及其健康状态评估方法，开发结构安全健康状况检测及长期监测关键技术，开发运营和养护智能管理系统，开发结构和路面病害整治技术和快速修复技术。

    ◆桥梁结构体系与灾害性动力下的关键设计技术
    针对将来可能建设的超大跨度桥梁工程，研究协作，组合、混合等新结构体系与基础形式，研究波浪，强风和地震作用下超大跨度桥梁减灾技术，研究跨江海桥梁桥梁防船撞设计与安全防护技术。

上海长江隧桥工程关键技术研究
    上海长江隧桥工程是世界上最大的隧道与桥梁结合工程之一，采用“南隧北桥”、公路与轨道交通兼用的方式。

    长江隧道外径为1 5．0m，是最大直径的盾构法隧道工程，也是一次推进最长距离的水底公路隧道；长江大桥主跨为730m的斜拉桥，在同类桥梁中跨度居世界第五，国内第三。依托工程设计、施工和养护的需要，并结合国家“863”科技计划，对以下建养技术开展研究，争取在一些关键技术上达到国际领先水平。

    ◆大直径盾构隧道管片衬砌结构研究
     基于足尺管片结构整环和构件试验，结构纵向整体稳定性的相似模型试验，研究管片接头参数对衬砌结构受力的影响、盾构隧道衬砌结构的设计模型、结构整体稳定性等。

    研究适合工程特点的通用管片类型的选定及其曲线拟合理论和计算方法，并研制基于通用图形环境的三维可视化设计技术软件。

    ◆长大盾构隧道纵向稳定性及结构整体化设计技术
    依据室内大比尺相似材料物理模型与离心机模拟试验，建立长大隧道与土体共同作用力学计算模型和隧道结构、联络通道与土体共同作用的力学计算模型。

    研究沿长大盾构隧道纵向及横向土质变异，荷载分布不均匀、接头形式、纵向不均匀变形对隧道变形，结构内力、接头影响及范围，建立隧道整体稳定性分析及纵向设计方法。

    综合模型试验、计算分析结果，提出隧道纵向沉降以及在隧道结构变异处的沉降控制措施。

    ◆越江盾构隧道抗震分析及减振技术
    利用数值和物理两种模拟方法研究长大越江隧道的响应特征。针对砂性地层特性及长柔隧道结构形式，从结构选型．接头构造、特殊措施等方面提出有效可行的抗震措施并加以验证。

    建立长期循环荷载作用下饱和层状土体振陷分析模型，重点研究高速和重载车辆运行产生的隧道振陷与防治技术。

    ◆超大直径盾构隧道施工技术
    开展跨江海特大超长隧道工程的盾构掘进机的选型研究；在盾构模拟试验平台上进行盾构掘进试验，开挖面稳定机理及高水压条件下泥膜影响研究；盾构掘进施工参数匹配标准研究。开展盾构泥水处理系统技术研究；泥水自动化监控系统的研制和应用新型泥水配比和体系的试验研究。开发长距离测量控制技术。盾构同步注浆浆液研制和配套工艺设备研究；盾构隧道注浆质量的快速无损探测方法。隧道内道路结构同步快速施工技术。

    ◆高水压下超大直径盾构隧道联络通道施工技术

    研究高压富水条件下江底联络通道冻土帷幕温度场和强度场特征，结合冻胀力作用规律，提出冻土帷幕、冻结方案的设计计算方法。

    研究冻土帷幕温度场和强度场特征及其安全状态的判断准则；建立具有冻土帷幕温度场和强度场可视化自动监测系统、冻土帷幕安全状态判断和报警功能的地下工程冻结法信息化施工系统。

    ◆单跨百米级连续组合梁桥设计与施工技术
    研究组合梁桥大跨度桥面板在偏载、轮载疲劳作用下的受力特性和设计计算方法，提出构造措施及设计要求。

    研究大跨度组合梁桥钢与混凝土连接件的设计技术。

    研究单跨百米级连续组合梁抗弯、抗剪性能，以及负弯矩区力学性能及改善措施。

    研究大跨度梁桥施工技术。

    ◆大型跨江海公轨兼用桥梁设计技术
    研究跨江海公轨兼用桥梁结构设计技术。

    研究轨道交通行车安全性与舒适性设计技术研究大跨度桥梁-汽车-轨道车辆问相互作用的分析方法研究跨江海公轨兼用桥梁的减振技术研究桥梁与轨道间的伸缩调节缓冲与温度调节技术。研究特殊气候条件下轨道交通运营管理技术；研究公轨兼用桥梁交通事故时的疏散救援系统。

    ◆桥梁大型构件施工技术
    研究大型预制构件施工技术。研究超长超大构件的制作工艺、特大型海上起重运输设备要求；研究超长超大构件移动、海上运输、海上整体安装调整工艺：研究受力合理，构造简单，便于海上操作的大型预制构件之间及与其它结构之间的可靠耐久的连接技术。

    ◆跨江越海隧桥工程养护管理技术隧道和桥梁结构健康监测识别系统研究。
    隧道和桥梁结合工程的养护及远程监测技术研究。

结语
    鉴于目前国内重大交通基础设施建设的方兴未艾和建造技术的现状，针对大型越江跨海隧道与桥梁工程所面临的共性和特性问题进行技术攻关，通过代表性隧道与桥梁工程的实际应用与检验，建立具有我国自主知识产权的、整体上达到国际先进水平的重大交通基础设施建设核心技术群，对加快我国大型越江跨海隧道与桥梁工程的发展具有重大意义。

    此外，对交通基础设施存在重建设，轻管养的倾向，应尽早从技术上对大型跨海工程养护管理进行全面、深入和细致的研究，做好科学的论证和准备工作，这是一项十分必要且具有前瞻性的迫切任务。