科學(xué)界如何評(píng)價(jià)渤海灣隧道

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“世界最長海底隧道”、“煙臺(tái)－大連半小時(shí)可達(dá)”、“2600億巨資打造”……連日來，渤海灣海底隧道未建先“紅”，成為人們茶余飯后的談資，仿佛可以輕易打通渤海灣海底交通的“任督二脈”，談笑間，天塹變通途。

現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)未如此簡單。事實(shí)上，渤海灣海底通道工程在目前仍然只是一個(gè)咨詢項(xiàng)目。中國工程院院士、防護(hù)工程專家錢七虎告訴記者，對(duì)長距離海底通道這樣的大工程，應(yīng)當(dāng)“宜橋則橋，宜隧則隧”，有時(shí)還要因地制宜“橋隧并舉”。他強(qiáng)調(diào)，無論哪種方式，海底交通工程都不是簡單的工作，海底通道要從圖紙上“走”下來，還需要克服一系列難題。

架橋？通隧？

正如錢七虎所說，我國江河兩岸、海上交通命脈的打通，既有大橋，也有隧道，還有許多海灣實(shí)施橋隧結(jié)合的工程。舉世矚目的港珠澳跨海大橋即是采用橋隧結(jié)合的方式，利用人工島在伶仃洋主航道下連接約6.7公里的海底隧道與海上部分的跨海大橋。

港珠澳大橋之所以建海底隧道，主要是為保證30萬噸級(jí)油輪和15萬噸級(jí)以上集裝箱順利通航(若架橋需要架設(shè)非常高，成本更高且技術(shù)難度更大)。另外，該處海域位于中華白海豚保護(hù)區(qū)，建海底隧道亦能減少對(duì)中華白海豚棲息地的影響。

錢七虎認(rèn)為，從建造成本上講，一般情況下，大橋的修建相對(duì)略低。

“橋梁工程的工廠化程度高、建成工期短，且成本一般來說比隧道要低，但如果大橋引橋涉及到拆遷征地等情況，就不能一概而論了。”錢七虎舉例說，南京、武漢大橋一端建在城市建城區(qū)，除建橋成本之外，還需要支付一筆拆遷費(fèi)用。

錢七虎指出，雖然藏埋在海灣里的海底隧道一般不會(huì)在建城區(qū)，但隧道需要開通風(fēng)孔、通風(fēng)井，以排掉通過隧道的汽車尾氣和煙塵(假定修建公路隧道)。如果隧道距離太長又沒有自然形成的小島，還需要修建人工島。“這樣一來，就增加了修建隧道的成本和難度。”錢七虎說。

就橋和隧的運(yùn)營等方面，北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院院長、隧道及地下工程教育部工程研究中心主任張頂立認(rèn)為，隧道具有全天候運(yùn)營的優(yōu)勢。

“在遇到臺(tái)風(fēng)、大霧等極端惡劣天氣的時(shí)候，海底隧道由于建造在海床以下，仍可以實(shí)行全天候的運(yùn)營，而這些惡劣的天氣條件對(duì)大橋的影響較大。”張頂立對(duì)記者說，當(dāng)然這也伴隨著全天候照明、排水、通風(fēng)，這是隧道比橋梁多付出的“代價(jià)”。

張頂立也指出，由于隧道對(duì)地質(zhì)的依賴性比橋大很多，隧道在建設(shè)中面臨的風(fēng)險(xiǎn)更大。

這并不難想象：建橋時(shí)只要橋樁立穩(wěn)在穩(wěn)定地層上就可以了，而修隧道要求每個(gè)斷面都要通過，有一處斷面出問題就意味著事故。

不過，從戰(zhàn)略保護(hù)的角度來講，橋梁容易被炸壞，隧道更不容易被摧毀，適應(yīng)性更好一些；從耐久性等方面，隧道服務(wù)壽命也相對(duì)久一點(diǎn)。

“我們常說‘逢山開路遇水架橋’，現(xiàn)在‘遇水’又多了一個(gè)選擇。”張頂立對(duì)記者說，“修橋可能會(huì)遇到妨礙海運(yùn)航道的問題，修隧有時(shí)會(huì)遭遇不良地質(zhì)的難題，具體項(xiàng)目上要根據(jù)實(shí)地情況，本著科學(xué)的精神做選擇。”

盾構(gòu)機(jī)施工中常發(fā)生“卡機(jī)”故障無法轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)刀具磨損也給施工帶來另一個(gè)課題：換刀。

挑戰(zhàn)從未間斷

在實(shí)際的隧道建造中，常用三種工法，分別是：沉管法、盾構(gòu)法、鉆爆法。錢七虎說，這三種工法各有適用范圍和條件，也各有待突破的難題。

沉管法工程造價(jià)低、水下工期短、隧道施工質(zhì)量容易保證，且斷面空間可自行設(shè)定，但只適于海/河床穩(wěn)定、水流較緩(一般要小于3m/s)的水文條件下的隧道鋪設(shè)。沉管法是幾種工法中較易實(shí)現(xiàn)的方法，然而現(xiàn)實(shí)情況是，理想的水文條件往往難以達(dá)到。

錢七虎介紹說，港珠澳大橋海底隧道沉管就是一個(gè)例子。為保證伶仃洋主航道上油輪的正常通行，沉管需要深埋在30多米的海溝內(nèi)。隨著沉管的埋深，其上的荷載結(jié)構(gòu)也較之淺埋式沉管法更重，而且伴隨著潮水回淤和不均勻沉降等一系列的挑戰(zhàn)。另外，沉管的沉放受水流速度影響很大，在水速較大情況下沉管的沉放對(duì)接也是一大難題。

作為暗挖施工中的一種全機(jī)械化施工方法，盾構(gòu)法水下施工對(duì)水面航運(yùn)交通不會(huì)造成影響。這種方法自動(dòng)化程度高、不受天氣影響，但要求“一次成洞”。錢七虎告訴記者，武漢、南京、上海長江隧道的修建都是用的盾構(gòu)法，除上海長江隧道較為順利外，武漢、南京隧道段都遇到了不良地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)。

“在已建成的南京緯七路、武漢長江隧道和目前正在開展的南京緯三路隧道施工過程中，盾構(gòu)機(jī)在江底遇到了砂礫石層和基巖，這種上軟下硬的巖層和基巖，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具和刀盤的磨損非常嚴(yán)重。”錢七虎說，基巖堪稱高水壓下盾構(gòu)、掘進(jìn)的天敵。

此外，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)中遇到斷層，常發(fā)生“卡機(jī)”故障無法轉(zhuǎn)動(dòng)。如何順利地在高水壓下對(duì)類似巖層開展盾構(gòu)施工；如何防止盾構(gòu)機(jī)卡機(jī)，都是目前國家“973”計(jì)劃亟待攻關(guān)的課題。

不良地質(zhì)條件的困擾，不僅僅局限于盾構(gòu)法施工，自實(shí)施隧道工程以來，人們和它的戰(zhàn)爭從未休止。張頂立告訴記者，對(duì)不良地質(zhì)段的處理，直接影響到工程是否安全、快速、經(jīng)濟(jì)、有效。

盾構(gòu)機(jī)刀具磨損也同時(shí)給施工帶來另一個(gè)更大的麻煩——洞下?lián)Q刀。在無法自動(dòng)檢測刀具磨損程度的情況下，在高水壓下的刀盤前泥水艙內(nèi)換刀，其困難程度可想而知。錢七虎對(duì)記者說：

“這就提出了盾構(gòu)機(jī)刀具磨損自動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測和控制機(jī)器人換刀的課題。”

另外，盾構(gòu)法還存在盾構(gòu)機(jī)直徑待拓的問題。目前，世界上已建成的直徑最大的盾構(gòu)機(jī)是德國海瑞克公司生產(chǎn)的15米直徑的泥水混合式盾構(gòu)機(jī)，上海三車道長江隧道采用的即是該盾構(gòu)機(jī)。然而，要滿足四車道甚至更寬隧道的建設(shè)，需要研制大直徑盾構(gòu)機(jī)，這就需要科技創(chuàng)新。

“一直以來，我提倡隧道機(jī)械設(shè)備國產(chǎn)化、本土化，目前沈陽、上海、鄭州都能生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，但都是中小型的，距離建造中國的‘巨無霸’盾構(gòu)設(shè)備還尚待時(shí)日。”錢七虎說。

鉆爆法一般從巖層通過，可以與盾構(gòu)法互為補(bǔ)充。也正是因?yàn)殂@爆施工要深入巖層，需滿足最小巖層厚度的要求，以保證施工過程中不會(huì)發(fā)生海水突出，故采用該方法一般要比沉管法、盾構(gòu)法更深。

與盾構(gòu)法不同，鉆爆法的“敵人”是斷層和風(fēng)化槽。錢七虎說：“如果修建很長的隧道，難免遇到斷層或者風(fēng)化槽，為了保證不漏水，就要加固斷層帶。一般采取封閉注漿，這也是很有難度的工作。”

張頂立告訴記者，目前，在針對(duì)不良地層條件的對(duì)策上，我國以注漿為主體的加固處理技術(shù)，在國際上處于領(lǐng)先地位。

“如果能夠準(zhǔn)確地對(duì)地質(zhì)情況做到超前預(yù)報(bào)，比如提前了解要開挖地質(zhì)的透水性、強(qiáng)度，它與海水的聯(lián)系連通性，該種地層的規(guī)模、位置、發(fā)育情況等性質(zhì)，將會(huì)對(duì)施工提供很大的幫助。”張頂立說，至今，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)仍是一個(gè)難點(diǎn)。

學(xué)科聯(lián)動(dòng)，杜絕科技欠賬

盡管面臨一系列挑戰(zhàn)，我國的隧道工程“以用促產(chǎn)”，正以一個(gè)隧道大國的姿態(tài)，逐步推動(dòng)著我國的隧道工程技術(shù)走在前沿。

“我國海岸線較長，島嶼較多，河流也多，跨江河湖海的水下工程也多，在這方面的技術(shù)領(lǐng)先也是比較迫切和必要的。”張頂立說，隧道工程促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和成熟，而反過來技術(shù)的成熟也推動(dòng)工程的順利推進(jìn)。

他告訴記者，近年來，得益于國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和投資的拉動(dòng)，我國的隧道修建技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。

然而，海底隧道工程涉及土木工程、海洋地質(zhì)勘探、機(jī)械裝備制造、自動(dòng)化控制、海洋生態(tài)評(píng)估等錯(cuò)綜復(fù)雜的學(xué)科領(lǐng)域，亟需各學(xué)科聯(lián)動(dòng)發(fā)展，推進(jìn)工程技術(shù)的革新。

“目前制約海底隧道發(fā)展的一個(gè)很重要的命題是防災(zāi)。如果選擇公路隧道而非鐵路，按照防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相應(yīng)的消防救災(zāi)措施代價(jià)極高，這也是為什么更多發(fā)展鐵路隧道的原因。”張頂立說，防災(zāi)水平的提高也取決于其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

記者了解到，海底隧道工程常伴有服務(wù)通道的修建，一方面服務(wù)通道斷面相對(duì)較小，可以在施工期間作為探路地質(zhì)情況的“先鋒”，另一方面還可以在施工期間“護(hù)駕”，起到防災(zāi)作用。但是，隨著隧道修建距離越來越長，服務(wù)通道無疑增加了許多成本。

錢七虎在談及海洋地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)指出，目前常用的是地質(zhì)雷達(dá)、地震勘測(TSP)、紅外勘探等手段，單獨(dú)使用不能滿足隧道工程對(duì)其超前、精確預(yù)報(bào)的要求。

日前，山東大學(xué)突水突泥綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)成果突出，中國工程院在濟(jì)南召開的工程科技座談會(huì)上認(rèn)為，該成果已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

針七虎強(qiáng)調(diào)：“建設(shè)海底隧道是人類共同的難題，在建設(shè)過程中遇到了種種挑戰(zhàn)，這更要求我們結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)手段把問題和困難研究在前面。要堅(jiān)持如履薄冰、如臨深淵的科學(xué)態(tài)度，學(xué)習(xí)載人航天工程‘零問題發(fā)射’的精神，少走彎路。”

專家們表示，在海底隧道這樣關(guān)系重大的工程中，不能有科技欠賬。海底隧道工程亟需我們?cè)诟骷夹g(shù)領(lǐng)域的配合、各學(xué)科間的協(xié)同合作，從理論和實(shí)踐上付出更多的努力，形成一套隧道工程技術(shù)系統(tǒng)和理論體系，才能更好地支撐隧道大國的建設(shè)需要，最終成為隧道強(qiáng)國。