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科学界如何评价渤海湾隧道

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“世界最长海底隧道”、“烟台-大连半小时可达”、“2600亿巨资打造”……连日来,渤海湾海底隧道未建先“红”,成为人们茶余饭后的谈资,仿佛可以轻易打通渤海湾海底交通的“任督二脉”,谈笑间,天堑变通途。

 

现实远未如此简单。事实上,渤海湾海底通道工程在目前仍然只是一个咨询项目。中国工程院院士、防护工程专家钱七虎告诉记者,对长距离海底通道这样的大工程,应当“宜桥则桥,宜隧则隧”,有时还要因地制宜“桥隧并举”。他强调,无论哪种方式,海底交通工程都不是简单的工作,海底通道要从图纸上“走”下来,还需要克服一系列难题。

架桥?通隧?

正如钱七虎所说,我国江河两岸、海上交通命脉的打通,既有大桥,也有隧道,还有许多海湾实施桥隧结合的工程。举世瞩目的港珠澳跨海大桥即是采用桥隧结合的方式,利用人工岛在伶仃洋主航道下连接约6.7公里的海底隧道与海上部分的跨海大桥。

港珠澳大桥之所以建海底隧道,主要是为保证30万吨级油轮和15万吨级以上集装箱顺利通航(若架桥需要架设非常高,成本更高且技术难度更大)。另外,该处海域位于中华白海豚保护区,建海底隧道亦能减少对中华白海豚栖息地的影响。

钱七虎认为,从建造成本上讲,一般情况下,大桥的修建相对略低。

“桥梁工程的工厂化程度高、建成工期短,且成本一般来说比隧道要低,但如果大桥引桥涉及到拆迁征地等情况,就不能一概而论了。”钱七虎举例说,南京、武汉大桥一端建在城市建城区,除建桥成本之外,还需要支付一笔拆迁费用。

钱七虎指出,虽然藏埋在海湾里的海底隧道一般不会在建城区,但隧道需要开通风孔、通风井,以排掉通过隧道的汽车尾气和烟尘(假定修建公路隧道)。如果隧道距离太长又没有自然形成的小岛,还需要修建人工岛。“这样一来,就增加了修建隧道的成本和难度。”钱七虎说。

就桥和隧的运营等方面,北京交通大学土木建筑工程学院院长、隧道及地下工程教育部工程研究中心主任张顶立认为,隧道具有全天候运营的优势。

“在遇到台风、大雾等极端恶劣天气的时候,海底隧道由于建造在海床以下,仍可以实行全天候的运营,而这些恶劣的天气条件对大桥的影响较大。”张顶立对记者说,当然这也伴随着全天候照明、排水、通风,这是隧道比桥梁多付出的“代价”。

张顶立也指出,由于隧道对地质的依赖性比桥大很多,隧道在建设中面临的风险更大。

这并不难想象:建桥时只要桥桩立稳在稳定地层上就可以了,而修隧道要求每个断面都要通过,有一处断面出问题就意味着事故。

不过,从战略保护的角度来讲,桥梁容易被炸坏,隧道更不容易被摧毁,适应性更好一些;从耐久性等方面,隧道服务寿命也相对久一点。

“我们常说‘逢山开路遇水架桥’,现在‘遇水’又多了一个选择。”张顶立对记者说,“修桥可能会遇到妨碍海运航道的问题,修隧有时会遭遇不良地质的难题,具体项目上要根据实地情况,本着科学的精神做选择。”

盾构机施工中常发生“卡机”故障无法转动,同时刀具磨损也给施工带来另一个课题:换刀。

挑战从未间断

在实际的隧道建造中,常用三种工法,分别是:沉管法、盾构法、钻爆法。钱七虎说,这三种工法各有适用范围和条件,也各有待突破的难题。

沉管法工程造价低、水下工期短、隧道施工质量容易保证,且断面空间可自行设定,但只适于海/河床稳定、水流较缓(一般要小于3m/s)的水文条件下的隧道铺设。沉管法是几种工法中较易实现的方法,然而现实情况是,理想的水文条件往往难以达到。

钱七虎介绍说,港珠澳大桥海底隧道沉管就是一个例子。为保证伶仃洋主航道上油轮的正常通行,沉管需要深埋在30多米的海沟内。随着沉管的埋深,其上的荷载结构也较之浅埋式沉管法更重,而且伴随着潮水回淤和不均匀沉降等一系列的挑战。另外,沉管的沉放受水流速度影响很大,在水速较大情况下沉管的沉放对接也是一大难题。

作为暗挖施工中的一种全机械化施工方法,盾构法水下施工对水面航运交通不会造成影响。这种方法自动化程度高、不受天气影响,但要求“一次成洞”。钱七虎告诉记者,武汉、南京、上海长江隧道的修建都是用的盾构法,除上海长江隧道较为顺利外,武汉、南京隧道段都遇到了不良地质条件的挑战。

“在已建成的南京纬七路、武汉长江隧道和目前正在开展的南京纬三路隧道施工过程中,盾构机在江底遇到了砂砾石层和基岩,这种上软下硬的岩层和基岩,对盾构机刀具和刀盘的磨损非常严重。”钱七虎说,基岩堪称高水压下盾构、掘进的天敌。

此外,盾构机推进中遇到断层,常发生“卡机”故障无法转动。如何顺利地在高水压下对类似岩层开展盾构施工;如何防止盾构机卡机,都是目前国家“973”计划亟待攻关的课题。

不良地质条件的困扰,不仅仅局限于盾构法施工,自实施隧道工程以来,人们和它的战争从未休止。张顶立告诉记者,对不良地质段的处理,直接影响到工程是否安全、快速、经济、有效。

盾构机刀具磨损也同时给施工带来另一个更大的麻烦——洞下换刀。在无法自动检测刀具磨损程度的情况下,在高水压下的刀盘前泥水舱内换刀,其困难程度可想而知。钱七虎对记者说:

“这就提出了盾构机刀具磨损自动、实时检测和控制机器人换刀的课题。”

另外,盾构法还存在盾构机直径待拓的问题。目前,世界上已建成的直径最大的盾构机是德国海瑞克公司生产的15米直径的泥水混合式盾构机,上海三车道长江隧道采用的即是该盾构机。然而,要满足四车道甚至更宽隧道的建设,需要研制大直径盾构机,这就需要科技创新。

“一直以来,我提倡隧道机械设备国产化、本土化,目前沈阳、上海、郑州都能生产盾构机,但都是中小型的,距离建造中国的‘巨无霸’盾构设备还尚待时日。”钱七虎说。

钻爆法一般从岩层通过,可以与盾构法互为补充。也正是因为钻爆施工要深入岩层,需满足最小岩层厚度的要求,以保证施工过程中不会发生海水突出,故采用该方法一般要比沉管法、盾构法更深。

与盾构法不同,钻爆法的“敌人”是断层和风化槽。钱七虎说:“如果修建很长的隧道,难免遇到断层或者风化槽,为了保证不漏水,就要加固断层带。一般采取封闭注浆,这也是很有难度的工作。”

张顶立告诉记者,目前,在针对不良地层条件的对策上,我国以注浆为主体的加固处理技术,在国际上处于领先地位。

“如果能够准确地对地质情况做到超前预报,比如提前了解要开挖地质的透水性、强度,它与海水的联系连通性,该种地层的规模、位置、发育情况等性质,将会对施工提供很大的帮助。”张顶立说,至今,超前地质预报仍是一个难点。

学科联动,杜绝科技欠账

尽管面临一系列挑战,我国的隧道工程“以用促产”,正以一个隧道大国的姿态,逐步推动着我国的隧道工程技术走在前沿。

“我国海岸线较长,岛屿较多,河流也多,跨江河湖海的水下工程也多,在这方面的技术领先也是比较迫切和必要的。”张顶立说,隧道工程促进技术的发展和成熟,而反过来技术的成熟也推动工程的顺利推进。

他告诉记者,近年来,得益于国家经济的发展和投资的拉动,我国的隧道修建技术也得到了长足的发展。

然而,海底隧道工程涉及土木工程、海洋地质勘探、机械装备制造、自动化控制、海洋生态评估等错综复杂的学科领域,亟需各学科联动发展,推进工程技术的革新。

“目前制约海底隧道发展的一个很重要的命题是防灾。如果选择公路隧道而非铁路,按照防灾标准设置相应的消防救灾措施代价极高,这也是为什么更多发展铁路隧道的原因。”张顶立说,防灾水平的提高也取决于其相关学科的发展。

记者了解到,海底隧道工程常伴有服务通道的修建,一方面服务通道断面相对较小,可以在施工期间作为探路地质情况的“先锋”,另一方面还可以在施工期间“护驾”,起到防灾作用。但是,随着隧道修建距离越来越长,服务通道无疑增加了许多成本。

钱七虎在谈及海洋地质预报时指出,目前常用的是地质雷达、地震勘测(TSP)、红外勘探等手段,单独使用不能满足隧道工程对其超前、精确预报的要求。

日前,山东大学突水突泥综合地质预报成果突出,中国工程院在济南召开的工程科技座谈会上认为,该成果已达到国际领先水平。

针七虎强调:“建设海底隧道是人类共同的难题,在建设过程中遇到了种种挑战,这更要求我们结合现有的技术手段把问题和困难研究在前面。要坚持如履薄冰、如临深渊的科学态度,学习载人航天工程‘零问题发射’的精神,少走弯路。”

专家们表示,在海底隧道这样关系重大的工程中,不能有科技欠账。海底隧道工程亟需我们在各技术领域的配合、各学科间的协同合作,从理论和实践上付出更多的努力,形成一套隧道工程技术系统和理论体系,才能更好地支撑隧道大国的建设需要,最终成为隧道强国。

发布:2007-07-17 10:58    编辑:泛普软件 · xiaona    [打印此页]    [关闭]
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