第1章 绪论
我国水域辽阔，具有大量建设水下隧道的优越条件[1，2]。以内陆江河、湖泊为例，涵盖长江、黄河、珠江、淮河、海河等七大水系在内的内陆水域面积达17.47万平方千米，其中包括五千余条流域面积超过100平方千米的河流，1平方千米以上的天然湖泊总面积约8万平方千米。此外，我国大陆海岸线北起鸭绿江口，南至北仑河口，绵延近3万千米，其间有星罗棋布的岛屿和海湾，据统计，仅水域面积大于0.5万平方千米的海湾就有辽东湾、渤海湾、莱州湾、杭州湾、北部湾等多个，拥有岛屿约6万多个，面积超过500平方千米的岛屿有6536个，其中有人居住的有455个。水域的阻隔造成了我国几千年来区域经济文化发展不协调的现状，也为进入新世纪后我国水下隧道的大发展提供了条件，穿越江河湖海等“天堑”、实现水域交通，是实现我国社会与经济发展的必然选择。
1.1 我国水下隧道建设与发展历程
1.1.1 从“唯桥是举”到“桥隧并举”
20世纪早期，我国在越江、跨海交通通道工程方案的选择上都是“唯桥是举”，当然这些桥梁对缓解我国交通紧张、促进经济稳定发展作用巨大。但是必须看到，仅建桥梁，而几乎无水下隧道，这在世界越江、跨海交通通道史上是十分罕见的，其负面作用也是十分明显的。我国土木工程界经过几十年反思，论证发现越江、跨海交通通道工程采用隧道方案相比桥梁而言，在通航、水保、环保、生态、适应气候变化、抗震、国防等方面具有明显的优越性[3]，主要表现在：水下隧道不侵占航道净空，不影响航运，不干扰岸上航务设施；水下隧道能全天候通行，不受大风、暴雨、大雪、大雾和严重冰冻等恶劣气候的影响，有稳定畅通无阻的通行能力，能够实现全天候通行；抗震性能好，具有很强的抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力；在建设时能做到不拆迁或少拆迁，有效降低综合造价；具有很大的超载能力；对生态环境影响小，不破坏美好的自然景观，能避免噪声、尘土对周围环境的影响；主体结构耐久性好，结构维护保养费用低；可以做到一隧多用，将城市供水、供电、供气和通信等设施一并布置在隧道内比较安全、稳定的环境中。正是由于水下隧道的综合优势，尤其是进入新世纪以来，在城市道路(武汉长江隧道、南京长江隧道等)、高速公路(上海长江隧道、杭州钱江隧道)、高速铁路(京广高铁浏阳河隧道、广深港高铁狮子洋隧道)、城际铁路(佛莞城际铁路狮子洋隧道)、地铁(武汉地铁2号线、南京地铁10号线)等方面的突破，改变了“遇水架桥”的传统思维，开创了水下隧道发展的新局面。目前，水下隧道已在技术水平和建设体量上实现跨越式发展，逐渐成为穿越江河湖海等水域障碍的重要手段，特别在铁路、公路、城市道路、地铁等跨江海交通通道建设中往往成为重要的可选方案，尤其当桥梁受两岸接线条件制约或通道间距过密时，水下隧道方案通常成为*选。今日中国已成为当之不二的世界“水下隧道建设大国”，正向隧道建设强国大步迈进。
1.1.2 工法的“纷争”与融合
水下隧道的修建方法主要有：矿山法、盾构法、沉管法和围堰明挖法[4]，在实际工程中常根据水域条件和地质条件选择适宜的施工方法。
一般而言，矿山法主要适用于完整性较好的中硬岩层，主要优点是造价低，但因开挖对围岩扰动较大，常常需要多种辅助施工措施配合，且需特别应对突涌水风险；沉管法隧道埋深浅，可缩短两岸接线长度，但施工受通航条件、水流流速、泥沙淤积、天气等多种因素限制，且管节预制、防水、基槽开挖、管节浮运、沉放、水下对接以及基础处理等工艺流程复杂；围堰明挖法虽工期短、埋深浅、断面布置灵活，但需限制通航，大多应用在穿越湖泊的情况。盾构法施工不受河道、季节等条件的影响，对周围环境影响小，对地质条件适应性强，施工安全快速，但遭遇到复杂多变的地层，如断裂构造、软硬交替或上软下硬的地层时，盾构的掘进比较困难，且由于采用拼装式衬砌，结构整体性较差，防水难度大。
总的来看，各个工法各有优缺点，而在我国水下隧道建设快速开展的21世纪前十年，设计建设的一大批水下隧道主要穿越了软弱地层，涉及淤泥质土、黏土、砂土、粉土、卵石、砾石等第四系覆盖层，盾构法具明显的适应性优势。借由这十年的快速建设，我国现代盾构技术不断革新、装备摊销成本下降，使盾构法成为修建水下隧道的*选工法。随着近年来“复杂地质、大直径、高水压、长距离”隧道建设的需要，盾构技术与装备更是得到快速发展，相继突破了土岩复合地层、超大直径、超高水压技术，进一步拓展了盾构技术的应用范围。
此外，随着更复杂地形地质隧道建设的需要，多工法并用渐成趋势，以盾构/TBM (tunnel boring machine，隧道掘进机)等机械化工法为主，矿山法、明挖法为辅的水下隧道工程大量建设，如在建的深茂铁路珠江口隧道、汕汕高铁汕头湾海底隧道、青岛胶州湾第二海底隧道等均采用“钻爆法+盾构法”施工。各个工法不断完善，多工法融合发展将成为今后长大水下隧道建设的主要模式，这也是我国从隧道建设大国走向隧道建设强国的必由之路。
1.1.3 当前盾构隧道的建设现状与趋势
目前，我国水下隧道的建设主要集中在珠三角、长三角地区，以及长江、黄河流域的沿海沿江城市。这些城市或地区往往河流众多、水系发育，跨江越海交通需求量大，大型的水下隧道不断涌现[5-11]。以盾构法水下隧道为例，在长江、黄浦江、珠江、钱塘江、黄河、湘江等水域，建设了大量用于公路交通、铁路交通、电力输送的越江盾构隧道，如：穿越珠江狮子洋的广深港高铁狮子洋隧道(全长10.800km，直径10.8m，双洞单线，设计行车速度350km/h)、佛莞城际铁路狮子洋隧道(总长约4.900km，盾构管片直径13.1m，单洞双线)、穿越黄浦江的沪通铁路水下隧道(全长12.230km，盾构区间段长9.030km)、上海崇明越江隧道(全长8.893km，盾构区间段长度为7.475km，直径15.0m，双孔六车道)、南京长江隧道(全长3.930km，直径14.5m，双孔六车道)、钱江隧道(全长4.450km，直径15.0m，双孔六车道)、杭州庆春路隧道(全长4.180km，直径11.3m，双孔四车道)、武汉三阳路长江隧道(全长2.590km，直径15.2m，公铁两用双层盾构隧道，上层为双向六车道公路，下层为地铁7号线)、扬州瘦西湖隧道(全长4.400km，直径14.5m，双向四车道，单孔双层)、苏通GIL管廊隧道(盾构段长5.469km，直径11.6m，特高压GIL电力隧道)、厦门地铁2号线海底隧道(全长2.767km，海域段长约2.120km，直径6.7m，双洞单线)、济南济泺路黄河隧道(全长3.890km，直径15.2m，双孔双层，上层为双向六车道公路，下层为预留地铁空间)等。我国已建成主要大型水下盾构隧道如表1-1所示。
表1-1 我国已建成主要大型水下盾构隧道情况汇总
与此同时，尚有一大批大型盾构法水下隧道在建或将要开工建设(见表1-2)，如深圳妈湾隧道(盾构段长度2.063/2.060km，直径15.0m，单孔双层六车道)、江阴靖江长江隧道(全长6.415km，盾构段长度4.952km，直径15.5m，双孔六车道)、武汉和平大道南延黄鹤楼隧道(全长2.486km，盾构段长度1.390km，直径15.4m，单孔双层六车道)、武汉两湖隧道(东湖段直径14.5m，南湖段直径15.5m)、杭州秦望路隧道(直径15.2m)、武汉二七路长江隧道(直径15.5m)等。
表1-2 国内在建超大直径盾构法水下隧道概况
当前，我国正值交通基础设施建设快速发展的新阶段，已经成为世界上水下隧道发展*快、建设规模和建设数量*大的国家之一，而盾构法已然成为其中建设的主力军，为打破交通瓶颈和实现经济可持续发展提供了重要保障。总结看来，我国水下盾构隧道的建设趋势主要有以下几点：
(1)由单一软土地层向复合地层发展
以往我国大直径盾构隧道均修建于软土地层中。2004年11月开工的武汉长江隧道，开启了我国在土砂复合地层修建大直径盾构隧道的历史；2005年8月开工的南京长江隧道，开启了我国在土砂复合地层修建超大直径盾构隧道的历史；2006年5月开工的广深港高铁狮子洋隧道，开启了我国在土岩复合地层修建大直径盾构隧道的历史；2010年5月开工的南京扬子江隧道和2014年12月开工的武汉三阳路公铁合建长江隧道，开启了我国在土岩复合地层修建超大直径盾构隧道的历史。
(2)由大直径向超大直径发展
进入21世纪以来，我国开始修建超大直径盾构隧道[12]，且直径逐渐加大，由*初的14.5m(上海上中路隧道)发展至目前世界*大直径17.5m(深圳荷坳隧道)。由于直径的加大，隧道内可以承载的车道数也随之增加，由*初的单层三车道发展至双层四车道或公铁合建。
(3)由中等水压向高水压和超高水压发展
在武汉长江隧道之前，我国大直径盾构隧道*大水头不超过0.45MPa，此后逐步加大：武汉长江隧道0.57MPa—南京长江隧道0.65MPa—广深港高铁狮子洋隧道0.67MPa—南京扬子江隧道0.75MPa—佛莞城际铁路狮子洋隧道0.78MPa—苏通GIL长江隧道0.80MPa—深茂铁路珠江口隧道1.06MPa和青岛胶州湾第二海底隧道0.96MPa。
(4)由常规岩土向特殊岩土和不良地质发展
由常规岩土向特殊岩土和不良地质发展的大直径盾构隧道代表性案例有：扬州瘦西湖隧道穿越具有膨胀性的老黏土地层、南京和燕路过江隧道穿越岩溶地层和水下断层、苏通GIL长江隧道穿越沼气地层等。穿越水下断层的隧道还有广深港高铁狮子洋隧道、佛莞城际铁路狮子洋隧道等，在建的汕汕高铁汕头湾海底隧道和广梅汕铁路汕头湾海底隧道穿越水下活动断层，青岛胶州湾第二海底隧道盾构段近距离并行水下活动断层且钻爆法隧道段穿越活动断层。
新的时期，铁路、公路、城市地铁等交通基础设施的越江跨海需求依旧迫切，建设琼州海峡、渤海海峡通道的挑战不断迫近，盾构法水下隧道经由量大面广的快速建设之后，也需对隧道建设中暴露的施工问题、结构病患等工程现状背后的病害机理及时反思、总结，争取从设计源头上实现隧道结构性态主动控制，从而确保水下隧道工程的安全性与耐久性。
1.2 盾构法水下隧道的防水与结构安全问题
1.2.1 盾构法隧道典型渗漏水病害
近30年来我国修建了大量的盾构隧道，包括水下隧道和城市地铁区间隧道，结构防水质量总体上良好，但是也存在如下几个方面的问题需要进一步研究和思考，并在今后的工程中尽量避免重复发生[13]。
1)管片结构裂缝渗漏
盾构法隧道运营期管片裂缝渗漏有两种情况，一种是施工期出现的管片裂缝渗漏治理不彻底，运营期继续发生渗漏；另外一种是运营期出现的新裂缝渗漏(图1-1)。从调研情况来看，水下盾构法隧道出现的管片结构开裂渗漏主要是**种情况，运营期新增裂缝渗漏现象主要出现在地铁盾构隧道中，因为隧道上方地表堆土、取土或附近基坑开挖、降水等活动引起管片开裂的案例较多，如南京地铁2号线西延线[14]某区间因周边建筑基坑施工，造成隧道管片开裂渗漏。
图1-1 盾构隧道管片结构开裂渗漏水
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