二公院设计内地首条海底隧道贯通

11月5日，随着一声沉闷的巨响和轻微的摇晃，中交二公院轨道交通及地下工程设计分院副院长、翔安隧道现场设计代表梁巍感觉眼前顿时亮了起来。一阵疾风带着阵阵凉意吹过，海底的闷热、潮湿一扫而光，爆破缺口外原本“耷拉着脑袋”的彩旗瞬间飞扬起来——翔安隧道全线贯通了！ 
　　看着工人们摇旗、呐喊、拥抱，梁巍的情绪也被带动了起来，他冲到人群中一起欢呼相庆，尽情宣泄着长时间以来的压力。工人们逐渐散去，施工又按计划紧锣密鼓地进行，梁巍的心情却如头顶波涛汹涌的大海，澎湃起伏。 
　　从1998年4月开始预可行性研究到目前全线贯通，梁巍作为11年有余的亲历者和历史时刻见证人，有太多的激动和感慨，而这些无不与翔安隧道工程具有的复杂性和挑战性有关。在建设国内大陆第一条海底隧道的征途上，二公院的设计者凭借雄厚的科技实力和非凡的智慧与勇气，战胜和跨越了一个又一个艰难险阻，使穿越海底的梦想从脑中走到纸上，再从纸上变为现实。 
　　勇担大陆首条 
　　 海底隧道设计重任 
　　时光回溯到5年前。2004年5月，二公院一举中标厦门翔安隧道工程初步设计和施工图设计。在浩瀚的大海下挖掘一条隧道，这在我国大陆地区尚属首次。正因如此，设计中标单位二公院吸引了国内乃至国际同行的目光。“对招投标结果，我们没有过多激动，因为我们基本胜券在握。”二公院总经理赵喜安5年后谈起，仍然波澜不惊。 
　　中交二公院轨道交通及地下工程设计分院院长、翔安隧道设计负责人郭小红介绍说，二公院“胜券”之一是其雄厚的技术实力和极佳的设计业绩，他们摘得了国内公路隧道12项桂冠，包括当时最长的公路隧道——湖南雪峰山隧道，最长斜井的公路特长隧道——重庆摩天岭隧道，间距最小的暗挖隧道——湖北花园隧道等。“胜券”之二是对翔安隧道的长期关注与研究，1998年4月进行工程的预可行性研究，2002年3月进行可行性研究，他们采用大范围比选、层层推进的方法，研究的海域横向宽度达8公里左右，共提出了10多条路线方案，涵盖了厦门东侧海域的方方面面，对各种有代表性的工法进行了充分比选。最终，他们推荐的线位和“钻爆法施工的暗挖隧道方案”得到了业主、专家以及当时的交通部和国家计委的认可。 
　　没有人比二公院人对翔安海域的情况更清楚，也没有人比二公院人心中的压力更大。他们清楚地知道，自己虽已在陆上隧道设计中得心应手，但海底隧道环境较陆上隧道无疑差异巨大，设计难度也成几何级数增加： 
　　——对深水地区进行地质勘测比地面地质勘测更困难，造价更高，而且准确性较低，遇到未预测到的不良地质情况（如断层、破碎带等）的可能性更大。 
　　——水下隧道施工要饱受突然涌水，特别是断层破碎带涌水的威胁。 
　　——水下隧道很高的渗水压力可能导致水流有高渗透性，若扰动区域与水面有渠道相通，可能造成灾难性的涌水与塌方。 
　　——水下隧道不能自然排水，施工中需先注浆加固围岩，堵住出水点，然后再开挖，堵水的同时还要加强机械排水，以堵为主，堵抽结合。 
　　——沿海底隧道线路布置施工竖井困难很大，导致连续的单口掘进长度很长，从而对施工期间的后勤和通风有更高的要求。 
　　——海水对施工设备、钢筋、混凝土及运营期机电设备都具有腐蚀作用，故海底隧道在抗腐蚀设计方面具有更高要求。 
　　…… 
　　“设计是灵魂。”二公院人清楚地知道，对翔安隧道这样世界级的工程来说，必须要摸清海底的脾性，并在初步设计和施工图设计中，将海底的复杂情况标注清楚；设计出有针对性的应对措施，以便施工单位在施工中“按图索骥”一一落实。这样才能保证最终将隧道成功修通，实现国人自己设计、自己建设的目标。 
　　困难显而易见，决心不可动摇。在给翔安隧道项目设计人员作动员时，二公院总经理赵喜安的发言掷地有声：“在经历了修桥高峰和高层建筑热之后，21世纪无疑是长大隧道工程发展、大力开发利用地下空间的时代。我国是海洋大国，沿海有众多岛屿，从保护环境、节约岸线资源以及避免大量拆迁来看，水下隧道建设将是当仁不让的发展方向。翔安隧道是我国大陆第一条海底隧道，作为公路设计的‘国家队’，要充分发挥我们的特长，设计出国际一流的海底隧道，为今后更多的海底隧道设计积累经验，也以此证明，我们国家的隧道设计水平是世界一流的！” 
　　精兵强将被紧急调往厦门，艰难的设计工作由此展开。 
　　攻克三大世界级难题 
　　虽然有心理准备，详细勘探后，二公院设计人员还是大吃一惊，这里的地质条件差得出乎人意料。 
　　隧道从厦门市区出发，到达大海彼岸的翔安，需要穿越浅滩全风化层、沙砾层段和海底风化槽等较差地质，这几道难关，无一不是世界级的，无一不如一只只“拦路虎”挡在设计者面前。 
　　翔安隧道不仅是我国内地第一条海底隧道，也是第一条由国内专家自行设计的海底隧道，还是世界上第一条采用钻爆法施工的海底隧道。国内还没有海底隧道建设的经验。工程界流传着一句谚语： 
　　“火焰山好过，但海底隧道难挖。”那么，厦门的这个隧道如何才能挖通呢？ 
　　二公院的设计人员们思考着一个个适合我国国情的海底隧道建造设计方案，也在为类似工程的动工兴建，缩小与世界先进水平的差距，绞尽脑汁，奉献着智慧与激情。 
　　二公院轨道交通及地下工程设计分院院长、项目负责人郭小红介绍，翔安隧道两端陆域部分是在全强风化层（通俗地说就是泥土）下挖隧道。由于泥土缺乏足够的支撑力，翔安隧道两个主隧道的开挖断面都达到170平方米。这是迄今为止全世界横截面最大的海底隧道。如果全洞一次开挖，稍有不慎就可能造成大面积塌方。对此，二公院设计人员在设计中采用了CRD工法，巧妙地解决了这一难题。CRD工法就是先将隧道半圆截面划成四块，先挖上面的小块，做好支撑保护，再挖下面小块。这样松软土层产生的压力就能够得到很好的分解。四块全部挖完后，再在整个隧道的四周做支撑保护。为加快进度，设计人员还结合通风井，在隧道两端的浅滩地段修筑了直径约100米的人工岛，从上往下开挖竖井直至主洞处。挖一个井增加了两个作业面，施工方就能从土层两端同时掘进，而这两个竖井还将成为隧道的通风井。 
　　翔安隧道地质的第二条拦路虎是翔安端的浅滩段存在一段450米长的透水砂层。砂层就像一块巨大的海绵，一端在陆地一段在海里，砂粒之间充满了水。在这样的地方挖隧道，存在严重的涌水、塌方、透砂风险。对此，二公院设计人员设计出了“地下连续墙+井点降水”办法，即切断砂层与海水的连通，再把砂层里的水排干。施工人员在砂层上方滩涂填筑围堰，使滩涂成为真正的陆地，然后在隧道上方地表划定一个长方形的工作面，沿着工作面四周深挖壕沟至砂层下，用混凝土造出隔水墙，将砂层与海水隔开。工程人员在工作面内挖掘了189口深井，砂层中的水便沿着砂粒间的缝隙流入这些井里，接着被抽离。透水砂层里没了水，涌水难题也迎刃而解。 
　　穿越透水砂层后，隧道施工就到了海底花岗岩层。其实，在全岩层挖掘隧道是较为安全和快速的，但海底岩层的风化深槽却让工程遭遇了最大的施工挑战。这是翔安隧道地质的第三条拦路虎。风化深槽是海底岩层因风化作用形成的深坑，就像一只嵌在岩石中的V形水缸，下半部装满了淤泥沙石。 
　　风化深槽竖直地嵌入岩层，与海水相通，一旦施工不慎，就像在几十米的海水下把隧道撕开了一个口子，海水涌入，整条隧道就有报废的危险。翔安隧道要经过大小不一的4个风化槽，3孔隧道共需穿越12次，穿越风化深槽的难度之大、风险之大为国内外罕见。在借鉴和总结国内外有关工程经验的基础上，二公院设计人员决定采用全断面预注浆堵水加固方案。简单地说，就是隧道掘进到达风化深槽前约5米时，在已开掘的隧道尽头（俗称掌子面）修一个平整面，在这个平面上钻出200多个直达风化槽的小孔，通过这些小孔，注浆设备将强力速干水泥注入风化槽，几个小时后，前方风化槽的烂泥、碎石就板结成了与岩石硬度相当的水泥块，然后开挖隧道，就像是在一个巨大的岩石中凿一个孔。翔安隧道的全线贯通，宣告这一方法行之有效，世界性隧道工程难关就这样被厦门翔安隧道的设计者、建设者们攻克了！80多岁的中国科学院院士孙均在施工现场说：“全断面帷幕注浆工艺是十分安全的，缺点是速度太慢，半年能挖100米就很不错，但这种施工方案是完全正确的，急不得。” 
　　 海底隧道“样板” 
　　据郭小红介绍，由于翔安隧道的浅滩全风化层、沙砾层段和海底风化槽等较差地质不是完全分开，在施工过程中二公院设计人员秉着“有疑必探、无疑也探、先探后掘”的原则，在设计方案中列出了多种地质预报手段用来预测前方到底有没有烂泥层、松土层，让建设者拥有了不可缺少的“透视眼”： 
　　首先是利用TSP地震波探测。这项技术是利用地震波反射原理，能长距离地预报隧道施工前方的地质变化，如断层破碎带和其他不良地质带，其准确预报范围为前方100米至150米。其次是地质雷达探测，这是一种对地下不可见的目标进行定位的电磁技术，探测深度比地震波探测浅，只有10至30米，但准确性更高。还有就是红外探水和水平钻孔，通过这些方法，不仅可以提前知晓隧道前方水分布情况，还可以直接获得前方地质状况的直接证据。 
　　地质预报还有一个关键手段是：服务隧道超前掘进，作为地质先导洞。服务隧道是海底隧道左右两个行车隧道中间的一个小隧道，是发生险情时用来逃生和日常维护、抢险的。但在隧道挖掘阶段，这个服务隧道可以先行掘进几十或上百米，以提前探明隧道前方真实的地质情况，成了地质先导洞。 
　　在六七十米深的海底下施工，海水成了设计者、建设者们的“天敌”。厦门翔安隧道的地下水充裕，渗水量大，如何保证施工及以后的运营期间不会发生海水大泄漏呢？ 
　　郭小红介绍说：“翔安隧道在设计施工中灵活地运用了‘以堵为主’、‘PVC分区防水’、‘配置注浆管的背贴式防水带和中埋式止水带’、‘特殊地段设置防水闸门’、‘全断面帷幕注浆’、‘超前预注浆’、‘周边注浆’、‘局部渗漏处注浆’等防水、止水措施。在初期支护（在隧道壁上形成30厘米钢筋混凝土厚壁）和二次衬砌（在隧道壁上形成60厘米的支护厚度）之间铺设薄薄的聚合材料防水层。当二次衬砌完毕，为保证万无一失，我们还是留了注浆孔，一滴水也要堵，确保滴水不漏,这个工艺叫回填注浆，为的就是把工程中因地质沉降带来的支护空洞完全填补。翔安隧道的抗腐蚀、抗渗水等级均为最高，可保用100年，并能抵抗7—8级地震，施工工艺为世界顶级水平。 
　　隧道开工3年多来，没有发生一起重特大伤亡事故，实现‘零伤亡’。” 
　　在翔安隧道设计中，二公院人还突出了“以人为本、安全第一”的总体思路，比如在隧道建设过程中，隧道尽头（掌子面）始终保持移动电话信号满格，遇有突发情况，能够及时与外界联系；突出工程结构的安全性和耐久性，在经济合理的前提下，保证工程适用性，对多个方案进行逐一遴选； 
　　注重工程的可实施性并引入动态设计概念，设计时尽可能考虑施工要求，并且加强施工阶段设计服务，将施工中的动态设计看做整个设计工作的组成部分…… 
　　如今，翔安隧道顺利贯通，国人自己设计、自己建设海底隧道的梦想即将实现。中国工程院院士王梦恕在一次会议上曾直言不讳地说：“翔安隧道地质条件太不理想了，翔安隧道修好了，国内再修其他海底隧道就没什么大问题了！”