1 / 9 长大公路隧道的设计与展望上海市隧道工程轨道交通设计研究院曹文宏随着我国城市建设的蓬勃发展，大型越江过海通道已进入了高速发展阶段以大深度地下空间的开发、大断面跨江过海通道需求的增长、环保意识的增强、可持续发展理念为契机，相应的工程设计、施工技术的不断突破，都为超大、特长跨江过海通道进一步高效综合利用开拓了新的前景交通建设作为国家基础建设的重要组成部分，在国民经济中占有十分重要的地位世界各国的经济发展业已证明，快速通畅的网络交通是经济发展必不可少的基本条件随着我国城市化进程的不断加快，对跨江过海通道的建设要求越来越高，特别是一批大型跨江越海重大工程工程的建成和正在建设，将我国的通道工程的技术领域推向了一个新的高度，同时也带来了技术创新、安全环保、绿色节能等众多新理念的挑战目前，我国已建成及在建的重要跨江过海交通隧道有上海崇明过江通道、厦门翔安海底隧道、青岛海底隧道、南京纬三路隧道、上海的中环线二座隧道、外环线隧道、港珠澳大桥隧道等其中隧道长度最长的为崇明越江工程中的长江隧道，其工程总长约9km，盾构隧道一次穿越长度约7.5km而琼州海峡通道、渤海湾通道工程也已处于规划阶段，以琼州海峡为例，其海域长度最短达 20km 左右，采用隧道建设方案的可行性的研究将是隧道行业所面临的一个新挑战，本文将根据我国现有隧道设计、施工方面的最新技术，来展望隧道设计的新发展。
一、跨江过海隧道设计所需考虑的主要问题采用水下隧道跨江过海对自然环境的影响少，有不受通航净空限制和航空空域的限制，运营时不受恶劣气象条件的影响，比桥梁有更好的抗震性能随着我国国民经济的快速发展，满足集约型社会和可持续发展的需求，以建隧道满足跨江过海、天堑变通途的需求将成为一种趋势而大断面、长距离水下隧道的建设既有其特点和优势，同时也伴随一些复杂的技术难度，这就需要我们精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页 2 / 9 就如下一些问题作综合考虑，如：土建实施方案、隧道工程的防水、通风方案、防灾减灾、降温措施等 (一> 土建实施方案水下隧道是实现跨江过海的一种方式，常用的有钻爆法、盾构法和沉管法三种类型1.钻爆法采用钻孔爆破或臂式掘进机施工，适用于基岩中的地下工程工程地质和水文地质条件对隧道的顺利实施起着重要的作用，因此在长大隧道施工中往往须采取超前导坑、声波探测等技术措施进一步查清前方地质情况在正常情况下，只有进出两个工作面，实施速度相对较慢，但其实施的长度不受限制如要增加工作面，则必须在水域中增设人工岛，而这又往往是一个困难的、风险较大的一个工程。
同时地下施工环境较差钻爆法隧道由于实施技术的不断提高，隧道长度也越来越长最著名的有日本的青函隧道、我国的终南山隧道、厦门东通道、翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道等2. 沉管法隧道自 1910 年美国首次用沉管法隧道建成穿越底特律河的铁路隧道至今，全世界范围内建成的沉管隧道超过150 座2000 年厄勒海峡大通道正式通车，其中沉管隧道全长 3.5km2003 年我国最大的外环隧道通车，最大埋深33m2004年开工建设韩国釜山隧道的最大埋深50m香港已建成 5 座越海隧道我国目前在建的港珠澳大桥岛隧工程中，沉管法隧道全长6.766km，管顶最低点标高在平均水位下 33m随着沉管技术的不断发展，沉管隧道的建设规模越来越大，向车道数更多、宽度宽、长度长的方向发展同时功能也多样化，从单一公路交通用途向公路、铁路、市政共用等多用途方向发展对不同地基的适应性也越来越广沉管法隧道埋深较其它隧道浅，有与两岸的接线较容易、断面利用充分等有优点但如工程地区河势不稳定、工程区域水流较急、水环境保护要求高、通航密度大等均不利于沉管隧道的实施且从隧道目前实施情况来看，如埋深精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页 3 / 9 超过 50m 将受阻于目前的机械施工条件。
3. 盾构法隧道最近几十年来随着世界经济的持续增长，盾构法隧道的设计、施工技术日趋成熟、盾构法隧道得到迅速发展，尤其在亚欧地区，跨江过海的交通隧道大量采用大直径盾构建造1993 年建成的英法海峡隧道采用双护盾盾构机创造了单向掘进21.1km 的最长掘进记录最大埋深约100m，成功解决了深层高水压下的密封防水技术、钢筋砼管片结构和防水、长距离掘进的运输等技术难题日本东京湾海底公路隧道全长 9550m，最大埋深约 60m，最大水压 0.6MPa，采用 8 台直径 14.14m的泥水平衡盾构机施工穿越土层为软弱冲积和洪积粘土层，中间采用对接方案实施， 1997 年 12 月建成通车我国自上世纪七十年代建成上海打浦路隧道后，又建成了大连路隧道、上中路隧道、纬三路隧道、钱江通道等一系列工程2004 年荷兰采用当时世界最大直径的泥水平衡盾构(Φ14.87m>推进了7.2km 的单孔隧道， 2005 年又用于上海的上中路隧道建设业已完工的长10.8km 广深港客运专线狮子洋盾构隧道也是采用江中对接2009 年 9 月用二台直径 15.2m 泥水平衡盾构机顺利建成了上海崇明越江通道，达到了一次推进最长(7.5km>、开挖直径最大、克服水头压力最高的纪录。
盾构法隧道适合的土层较为广泛，如遇岩石，亦可采用混合盾构来应对同时对周边的环境影响较小，且其具有机械化程度高、施工速度快、实施精度高、防水条件较好、工程质量易于控制等优点 (二> 通风方案长大隧道的通风方案有三大类方案，即纵向通风、半横向通风方案和全横向通风方案其中全横向通风方式适用于对向交通，土建结构上须提供较大的风道断面，工程造价将会大幅上升并由于土建结构断面增大而加剧了工程实施风险，所以目前在长大隧道实施方案中不宜采用而对于送风型、排风型半横向通风方式虽各有所长，但它同样需要较大的风道面积，增加工程造价和实施风险同时它和全横向通风同样有一个弱点，关键就是能否在隧道内形成等精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页 4 / 9 量的送、排风而在长大隧道的风道内依靠调节风阀的开度来形成隧道内的送排风，技术难度非常的大所以目前长大隧道工程实施中多采用纵向通风方案纵向通风方案又可分为全纵向通风方案和诱导性纵向通风+重点排烟纵向通风+重点排烟，充分利用汽车行驶时产生的活塞风进行通风，若交通阻滞队列中发生火灾时，该方案即可就近将烟气排除、控制烟气蔓延，以利于乘行人员疏散和救援。
上海崇明越江通道长江隧道即采用诱导性纵向通风+重点排烟方案 <见图1），一次通风距离达7.5km为验证该系统的可靠性，我们在实验基地建造了1：1 实验场，配备了与工程设计相同的结构防火、通风排烟、消防救援、火灾报警、安全疏散、应急标识、中央监控设备等，实现了国际上在同一实验场内，同时模拟防灾系统所有功能，特别是系统联合功能的综合性实验通过实验验证了隧道的抗灾体系可靠、能有效的控制火灾的发展；重点排烟系统功效显著，能有效控制烟气流动、排除烟气、减少烟气在隧道内的影响范围；火灾报警系统可迅速发现火灾、可为人员逃生、救援创造有利条件；被动防火设施能可靠保护隧道主体结构在火灾工况下的安全火灾工况时及时启动灭火、排烟系统，能满足人员的疏散要求，人员逃生安全有保障精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页 5 / 9 图 1 崇明越江通道长江隧道通风系统图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 9 页 6 / 9 这样每一个区段约6~7km，完全可以满足通风要求。
三> 降温系统长期以来，隧道内通风系统的主要任务是稀释汽车尾气排放污染物的浓度以达到卫生标准、火灾情况下的通风排烟大多数短隧道的安全运营，说明通风系统的上述功能已完全满足隧道交通功能的要求，但是随着隧道长度的增加、交流量大，热季隧道内部空气温度高，高温区段长，也会成为超大特长隧道影响隧道运营安全需要重点解决的难题之一我院曾在冬季对上海延安东路隧道做过测试，从隧道入口到隧道出口，由于汽车尾气热量使隧道内温度上升约 10℃左右如在热季高温天气隧道遭遇交通拥堵时，隧道内升温会对隧道乘用人员产生很大的影响，甚至影响隧道的正常使用常用的降温方式一般有通风降温、制冷降温、喷雾降温用通风降温，对隧道工程限制多、造价高，制冷降温代价高，工程可行性、经济性不强由于公路隧道内干球温度高、相对湿度低的空气环境具备了良好的喷水降温条件，水的汽化潜热大，在隧道内喷淋少量的水，若能在一定时间内完全蒸发，则降温效果将非常明显在上海长江隧道设计过程中，对此项技术并进行了全比例的喷雾降温实验<见图 2）确定了喷雾设计的关键技术指标及运行控制要求然后将此正式用于工程设计中<见图 3）投资省，且通过隧道运营后对通风降温系统的检测，证明降温系统达到了设计要求，效果良好。
2a喷雾实验全景2b 正在喷雾的喷嘴图 2 喷雾实验图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 9 页 7 / 9 PPPP图 3 高压细水雾降温系统原理图(四> 防灾系统隧道环境封闭与外界直接连通的通道少，逃生条件差，烟、热排除的出口有限，一旦发生灾害，对隧道和人员造成的损失是巨大的隧道可能遭遇的灾害包括：交通事故、地震、火灾、水淹、恐怖袭击等其中，交通事故最为多发，并且常常引发火灾因此世界各国纷纷对隧道防灾系统<特别是防火灾系统）展开研究尤以对长大、多功能隧道如集高速公路交通、轨道交通、高压电缆过江等多种功能为一体的防灾系统设计需根据性能化设计的思路，通过工程类比、计算机模拟、模型实验等多种方法，对防灾设计原则、系统组成、系统功能等方面进行研究，完成符合工程实际需求的防灾系统设计，并通过全比例火灾安全实验进一步验证、整合和优化隧道的防火灾设防目标为：以人为本，兼顾工程安全确保人员安全是防火灾设防的核心目标隧道工程的安全目标是：当遭受低于设防标准的火灾时，隧道主体结构一般不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于设防标准的火灾时，主体结构可能有一定损坏，经修理可继续使用。
防灾系统设计主要内容有：1. 被动防火设计隧道内被动防火设计通过设置防火<防烟）分隔、结构保护措施，着重保护受火灾威胁的隧道主体结构；防止火灾扩散，防止火灾通过电缆管线、装饰材精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 9 页 8 / 9 料的延燃；通过设置安全疏散措施，及时疏散人员，配合救援，减少人员和财产损失被动防火设计含防火分隔、防烟分隔、被动结构防火保护、管线防火保护、安全疏散设施2. 主动防火设计主动防火包含由中央控制系统统一调度、联动控制的火灾报警、防排烟、给排水消防、防灾供电和照明、疏散指示系统和防灾通信监控系统，以主动控制或扑灭火灾主动防火设计含火灾报警；给排水、消防设计；防排烟；防灾供电；应急照明；疏散指示；应急广播；防灾通信；CCTV监控系统；中央控制系统二、展望鉴于多年来世界经济的快速发展，人们对大容量、长距离、便捷、舒适交通的渴求，隧道有越建越大、长度越来越长的趋势而盾构法隧道受建设工艺条件制约，其规模与长度也受到了一定的限制上海长江隧道以15m 的直径，一次完成 7.5km 的长度，已可居目前世界隧道之最。
但正是通过这么多年来的工程实践，针对长大隧道结构、通风、降温、防灾系统设计，及盾构机制造、快速施工工艺等的不断突破与创新，为盾构法隧道建造技术的发展打下了进一步攀登的坚实基础，就目前设计、施工、管理水平来看，盾构法隧道完全可得到更高水平更快的发展：(1> 隧道长度达 20m，直径达 18m 左右盾构机的设计制造水平亦日趋完善其主要部件大轴承的设计寿命已达1万小时，一次推进10km 亦不成问题从盾构机直径来看，通过总结国内外已有经验及盾构大轴承的设计制造情况来看，直径大到18m 左右亦不成问题国外已有设计、制造19m 盾构机的报道通过采用日本东京湾隧道和狮子洋隧道江中对接的方法，则隧道的总长度应该可以达到20km 左右2> 超长隧道通过另建服务隧道可有效解决隧道通风、冷却难题(3> 以大直径隧道适应长距离大交通量需求、增加运行安全性精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页 9 / 9 外径约 18m 左右的隧道，可适应设计车速为100km/h<80km/h）的单管 3车道<车道宽 3.75m）+2.5m紧急停车带，下设救援空间或双层4 车道+2.5m 紧急停车带的长距离高速公路的需求。
精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页 。