破壞力相當於3400萬噸TNT，在8級地震烈度下汕頭海灣隧道怎麼修？

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　東南沿海地區向來是中國經濟發展的領頭羊，而汕頭則恰好位於福建廈門與廣東珠三角兩大重要經濟區之間。

　　一直以來，由於山地崎嶇，汕頭市的發展十分受限，加之汕頭灣的天然阻礙，汕頭的經濟建設主要集中在海灣的北岸，而南岸則由於交通不便難以發展，白白浪費了寶貴的土地資源。此外，汕頭的發展滯後也阻礙了珠三角與廈門兩大城市群的聯結。

　　因此，建設一條溝通汕頭灣南北、通行能力足夠強大的快速通道十分必要。

（一）投資額巨大加之不可預料因素太多，開工一度遙遙無期

　　長期以來，聯結汕頭灣南北兩岸的只有海灣大橋和礐石大橋兩座橋樑。隨著汕頭經濟的快速發展，它們的通行能力遠遠滿足不了日益增長的交通需求。而且，這兩座大橋都距離城市核心區較遠，過橋必須繞行城外，這又為城市平添了許多交通負擔。

　　鑒於此，自2007年年底，汕頭市就已經開始進行隧道項目的可行性研究。隧道項目的必要性和迫切性不容置疑，然而其建設條件複雜，技術難度極大，不可預見因素太多，工程投資估算高達57億元，這使得當年隧道項目的推進深受阻礙。

　　直到2015年，隨著汕頭市經濟的飛速發展和市場主導的落實，修隧道的錢終於到位，工程建設才最終開始。

　　汕頭海灣隧道工程起於汕頭灣北岸的市中心，終到南岸的濠江區南濱路，全長6.68公里，其中隧道部分5.3公里。工程採用一級公路技術標準，能抗百年一遇的洪水侵襲。隧道設置雙向六車道，設計時速60公里，建設總工期4年半，建成後將成為國內唯一一個承擔一級公路功能的過海隧道。

　　該工程的技術難度極高，為了確保工程順利推進，項目建設管理單位邀請了錢七虎等三名院士和國內知名的地質結構、隧道工程專家組成專家委員會，長期為項目提供技術服務。

（二）火山地震帶遇上海底軟硬岩分布不規則，施工難度極高

　　汕頭位處環太平洋火山地震帶上，屬於中國的8度地震烈度區。

　　考慮到隧道工程重要性高，使用年限長，因此需要按照抵抗9度地震烈度的規格來採取抗震措施。在9度地震下，建築物普遍發生破壞，少數傾倒，鐵軌彎曲，而汕頭海底隧道必須要保障在這種條件下不發生破壞。

　　另外，汕頭灣的水下地質環境也十分特殊。

　　它不像山區隧道，自始至終都是堅硬的基岩；也不像一般的海底隧道如港珠澳大橋隧道，全程都是軟弱的海底淤泥，因而可以直接在海底鋪設沉管。汕頭灣的海底環境複雜不均一，軟弱淤泥和堅硬基岩不規則出現。

　　這樣，在軟硬岩的交界處，就很容易產生應力集中，破壞隧道主體結構。

　　而且，用於隧道施工的最核心設備——盾構機重達4600噸，重量相當於一艘驅逐艦，在挖掘行進的過程中，如果從堅硬的岩層中突然進入軟弱地層，很容易由於承載力不足而使得盾構機栽頭、下沉。

　　隧道在主航道下埋深只有12米左右，而盾構機自身的直徑就超過了15米。一旦機頭下沉，很可能會導致設備上浮和海底段坍塌，十分危險。

　　考慮到以上這些因素，中國專門為汕頭海灣隧道的修建量身定製了特殊的盾構機。

（三）量身定製的高精尖盾構機，能常壓換刀還能超前地質預報

　　海灣隧道的盾構施工段長3047.5米，為雙向六車道，由雙孔圓管組成。每孔分三層，上層是排煙通道，中間是行車通道，下層是人員疏散通道。盾構施工段採用兩台盾構機同時施工。不過，汕頭灣水下這種特殊的地質環境絕非普通盾構機可以應付的，海灣隧道項目專門為其量身定製了特殊的盾構機。

　　這是兩台海底隧道施工專用的全世界最大的盾構機，它全長130米，刀盤直徑超過15米，相當於5層樓的高度。無論是堅硬的花崗岩基岩還是鬆軟的淤泥土層，它都能一視同仁地進行開挖。

　　當遭遇堅硬基岩時，盾構機前方的刀盤會將堅硬的基岩切成小塊，而後將挖出來的石頭、泥沙、水等通過刀盤後部一系列複雜精密部件組成的泥漿循環系統輸送出隧道。盾構機的最大工作速度被嚴格限制在5厘米/分鐘，並且以2米作為一個循環進行結構襯砌，防止軟弱的地層發生垮塌，進而保證整個隧道的安全。

　　為了同時高效地切削一百多平方米的岩體，這台盾構機的總功率達10800千瓦，工作時每小時的耗電量大約相當於一萬個家庭的用電量。

　　它由上萬個零部件組成，採用了目前國際盾構機製造領域的前沿技術，具備常壓換刀、刀盤伸縮擺動、超前地質預報、超前鑽探等功能，堪稱全球最為高精尖的隧道施工機械。

　　針對施工中可能發生的地質環境突變，進而設備上浮與海底段坍塌的問題，工程師們對盾構機進行了有針對性的改良。

　　通過巧妙的設計，他們將盾構機的刀盤和重心向後移動，這樣即使前方岩層突然變軟，盾構機也不至於迅速發生下沉。

　　盾構機切削岩層的過程對於刀盤的損耗很快，而這台海灣號盾構機擁有先進的刀具自動檢測功能，可以進行自動的刀具磨損檢測和旋轉檢測，並將數據實時傳遞到施工人員手中，讓使用者定量地掌握刀具的實時狀態，甚至可以精確地得知刀具磨損了幾個毫米。

　　當刀具遭到破壞或到達使用壽命時，這台盾構機特有的常壓換刀功能可以保障使用者精準、迅速地對每一把刀進行更換。只需要打開刀具的閥門，就可以將備用刀具換上。與此同時，外界的泥水與盾構機內部完全隔絕開，相比起一般盾構機風險極高的帶壓換刀操作，既安全又便捷。

　　此外，這台盾構機的刀具還可以進行前後伸縮和上下擺動，這對於換刀操作的意義重大，可以讓整個換刀操作嚴絲合縫，極大地提高效率。

　　在盾構機前方施工的同時，後方的隧道也在同步成型。在襯砌搭建的同時，一條隧洞後面的三條行車道也在同步修建。開挖和清淤的工作完全由機械完成，工作人員則從繁重的體力勞動中被解放了出來，只需要在主控室進行監控，並在盾構機中進行必要的操縱即可。

　　從開挖到鋪路，全套流程一氣呵成。

　　這台笨重的盾構機還粗中有細。它的超前地質預報和超前鑽探功能，可以通過超聲波對盾構推進的前方40米處的地層提前進行掌握。如果有惡劣的地質環境，比如孤立岩石、地層硬度突變等，可以讓工程師提前做出應對。在一些極端工況下，盾構機還具備「氦氧飽和帶壓進倉功能」，保障機械的正常使用和人的正常工作。

（四）要讓龐大的盾構機進場工作，圍堰和始發井修建也是個技術活

　　盾構機一旦進場，施工進度就會推進得非常快，但想要讓這樣一台四千多噸重的巨無霸開始工作並不容易。為了讓這台130米長的盾構機能夠順利進場工作，工程部需要先在海灣的南岸邊修建一處圍堰。

　　圍堰需要先將局部的海水抽走，使得工程得以在陸地上開展。隨後，在圍堰中開挖出一處長140米、寬50米、深30米的圍堰始發井。挖掘到一定深度後，就將兩台盾構機放入井內，隨後開始逐漸向北岸掘進。

　　儘管盾構挖掘的自動化程度非常高，但圍堰與始發井的修建極其佔用工期。始發井的修建需要建設地下連續牆，以起到擋土、防水、抗滲的作用。為了支撐住四千多噸重的盾構機，還要進行基底加固，設置鑽孔灌注樁。可以說，汕頭海灣隧道的難度體現在方方面面。

結語

　　汕頭港灣隧道是國內首座地處8度地震烈度區的盾構隧道，以其施工難度高聞名於世界工程界，被多名院士稱為「世界級超級工程」而載入史冊。

　　在未來，這一超高難度的海灣隧道工程會對中國，尤其是南海地區的海洋工程有指導意義。預計到2020年，隧道的主體工程將會修建完成，屆時汕頭南北的交通將不再被阻礙，整個粵東的經濟發展也將會邁上一個新台階。

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編輯| 史文慧