10.6公里竟修了3年，在湖底修隧道為什麼這麼難？

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　對於經歷過在隧道中開車的朋友，開車通過一條十多公里長的隧道通常不是一件令人愉快的事，昏暗的燈光和單調的牆壁會干擾駕駛員的判斷，增大車禍風險。然而，武漢東湖隧道顛覆了這一刻板印象。在這條美麗的隧道里開上十幾分鐘，整個人的心情都變好了。

　（武漢東湖隧道）

　　不過，愉悅的人可能不包括修路的工程師。這條隧道可謂非常難修，10.6公里的隧道耗時3年，耗資81億元才最終建成。它所採用的圍堰明挖施工法技術難度高，是國內湖底隧道施工技術的標杆。

（一）在湖底的淤泥中如何支撐起一段隧道？

　　武漢位於長江與漢江的交匯處，這裡水系繁雜，中心城區星羅棋布了40個大大小小的湖泊，滋養了眾多的人口，但也為交通帶來了諸多不便。尤其是武漢的東湖，33平方公里的水域面積嚴重阻隔了武昌區的交通。

　　想要到湖的對側，必須花上一個多小時的時間繞行。這嚴重影響了武漢市民的方便出行。因此，一條橫跨東湖的橋樑或隧道勢在必行。

　　在國家5A級旅遊景區上架大橋實在煞風景，湖底隧道因此成為了唯一的選擇。

　　中國穿山公路眾多，還有數不盡的地下工程，修條隧道本不算難事。然而，湖底隧道與穿山隧道有著本質的不同。

　　對於尋常的穿山隧道，山體的岩石本身就具有很高的強度，隧道開挖後，只需要在此基礎上修建以支撐、防水功能為主的隧道壁即可。而湖底隧道，尤其是東湖的湖底沒有任何可供支撐的堅固土體，只有鬆軟的湖底淤泥。

　　工程師們不可能像普通隧道那樣，用一台盾構機在湖底的淤泥中打洞，這樣還沒等隧道支撐建立起來，淤泥就坍塌下來了；也不可能直接將隧道管直接鋪設在鬆軟的湖底上，這樣隨著淤泥的不均勻沉降，隧道就會發生變形、漏水甚至結構破壞。

　　（圍堰明挖法）

　　要想在淤泥質湖底修建隧道，唯一的方法就是將湖底的淤泥先清理乾淨，將隧道架設在穩定的基質土體上以避免不均勻沉降，隨後再將原來的淤泥回填。於是，施工工程師們決定採用一種「簡單粗暴」的方法：圍堰明挖法。

　　具體說來，就是在需要修建隧道的位置周圍修建圍堰，用鋼板樁圍堰將一部分湖水圍起來，形成類似於「湖中湖」的結構。然後，再將圍堰中的湖水抽干，將淤泥挖出適合於隧道鋪設的形狀來，再拆除圍堰，回水還湖。

　　東湖通道中6公里多長的東湖隧道，位於湖底下方20-35米。這意味著整個工程的土方量極其巨大，達到600萬立方米，堆在一個足球場上可以壘1000米高。

（二）圍堰：湖底土體施工的關鍵

　　要實現圍堰中淤泥的順利開挖，就必須要保障圍堰密不透水。圍堰的質量不僅關係到湖中隧道的施工成本與工期，更關係到後期的施工安全。一旦嚴重漏水，場內施工人員的安全都會受到威脅。

　　遠處看，圍堰彷彿一圈薄薄的鋼板。其實，圍堰的寬度達到5米，以型鋼和鋼筋做成骨架，插入湖底以下5米。形成骨架後，再將圍堰內的淤泥、孤石等雜物清除乾淨，在骨架內側鋪設防滲土工膜和土工格柵，最後填充黏土形成強度。

　　東湖隧道圍堰頂部標高20.5米，比東湖最高水位高0.5米，並留有臨時加高的餘地。

　　（圍堰的結構）

　　圍堰的最核心功能就是擋土和防水。因此，對於圍堰構件的加工和安裝測量十分重要。

　　在圍堰鋼板樁之間的介面處，必須通過嚴格的整修和質量檢驗，防止安裝後銜接不嚴發生漏水。在建成後，也要在後續施工中進行常態化的監測，防止其發生滑移。當圍堰整體變形超過30毫米時，監測系統會及時報警並採取可靠措施來保證圍堰安全。

（三）隧道的建設也要考慮湖底生物的方便

　　東湖水系的生態系統比較脆弱，長期的排水明挖施工會對湖中生物造成不好的影響。東湖隧道的環評報告指出，當施工範圍內的湖水抽干後，施工區域會對湖底生物產生割斷，使得浮遊動植物類生物銳減，底棲生物和水底有益的微生物群基本消失。

　　（湖泊生態系統）

　　為了儘可能地減小對湖泊生態系統的影響，東湖隧道線路幾乎是「貼」著沿湖路左右遊走，這樣保證了經過之處全部是在靠湖邊的湖汊處，盡量不影響湖泊內的野生動植物。隧道雖然經過3個湖，但都只造成了很小的局部影響。

　　湖底的微生物群和底棲生物遷移能力很差。施工場地將整個湖泊一分為三，就好似架設了一道「柏林牆」，阻斷了生物之間的交流，影響其繁衍。施工方巧妙地進行了設計，使得在整個施工打圍期間，三湖將是連通的。

　　在郭鄭湖與湯菱湖之間架設了一座50米的棧橋，將水體騰出來給生物遷徙；在郭鄭湖與團湖之間埋6排管道，以保證整個施工期間，大湖的水還能在三個小湖之間正常交換。

　　東湖隧道工期長達26個月，但真正湖中打圍的時間不超過兩年，這從時間上爭取了湖泊生物的自我恢復時間。在竣工2年之內，湖底被「切斷」的微生物群和底棲生物就能自我修復。

（四）消防、排風，湖底隧道如何保障使用？

　　湖底隧道不同於穿山隧道，其在湖底的7公里一線到底，缺乏中間的出口。因此，隧道的排風和消防相比起穿山隧道而言難度更高。

　　迄今為止，中國尚未制定一套全面系統的水下隧道消防設計和施工的工程建設標準。因此，東湖隧道工程，作為難度最高、長度最長的城中湖隧道工程，其消防系統設計實例就成為了全國參考的重要標準。

　　在隧道中，整個消防系統是由幾個消防子系統共同組成的，包括普通的消火栓系統、泡沫-水噴霧滅火系統、滅火器裝置和超細乾粉自動滅火系統。其中，最基礎的滅火裝置是基於市政自來水的消火栓系統。

　　隧道的洞口處設置有一個消防泵房。從隧道兩端的城市給水干管中各引一路自來水到隧道的洞口，平時會將消防泵房中的兩座200立方米消防水池貯滿。在隧道和匝道的全線都設置有消火栓，只要一處失火，4股充實水柱就會同時到達失火位置，並可以保障3個小時的持續滅火。

　　考慮到汽車火災的特殊性，使用純水滅火效果不好，因此除水滅火系統外，隧道內還附加有一套泡沫-水噴霧系統。當有車輛失火時，系統既可以自動，也可以手動開啟，持續20分鐘對隧道內任何一點的火災進行撲救。

　　（複雜的泡沫-水噴霧系統）

　　除了這些複雜的自動系統外，在隧道行車道的兩側，還交錯布置了共計756組滅火器，供人緊急情況下取用以撲滅初期火災。對於隧道附屬的電氣室、低壓室等機房設施，則採用超細乾粉無管網的全淹沒滅火方式。

　　（全淹沒式滅火）

　　東湖附近對環境空氣質量、景觀要求都很高，這給東湖隧道的通風系統提出了很高的要求。

　　專家們詳細分析了東湖隧道中的預測交通量和需風量，並根據標準對稀釋汽車尾氣中的CO、NO2和煙塵所需的風量進行了計算。經過多方案比選，專家最終決定，在自然通風的基礎上增加豎井分段縱向通風，增加了3處排風機房和1處送風機房，將湖底暗埋段的大部分污染物通過排風亭集中排放，自然通風口和隧道洞口只需排放該區段範圍內的污染物和少部分湖底暗埋段的污染物即可。

　　這樣，既充分利用了自然通風口的分散排污作用，又減少了對洞口周邊的環境空氣質量的影響。

　　（通風氣流組織圖）

（五）隧道燈光的設計也十分有講究

　　東湖隧道的一大亮點就是其不同尋常的燈光。

　　驅車穿過這一湖底隧道可以看到，隧道燈光的顏色不像普通隧道那樣呆板且刺眼，而是結合了人體工程學進行設計，進行了多段變光、變色，讓人進入隧道時逐步適應隧道燈光，出隧道時再逐步適應外部燈光，如同「潛虯隱水，層林盡染」。

　　隧道內還設有梅花吊頂、防眩光綠化帶等設施，有效舒緩隧道通行壓迫感，而且充滿荊楚特色。

　　（東湖隧道的燈光布置）

結語

　　東湖隧道已於2015年末建成通車。目前，穿越武漢東湖的時間從原來的一個小時縮短到了10分鐘，極大地改善了武昌區的交通，也對加強東湖景區環境保護與開發等方面將發揮顯著作用。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯繫newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

歡迎關注《了不起的中國製造》官方微博

歡迎關注《了不起的中國製造》網易號

編輯| 史文慧

推薦閱讀：