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深圳妈湾跨海通道总体方案设计关键技术研究

0 引言
近年来，随着世界经济的高速发展，地下空间利用和开发进入高速发展的快速通道。隧道工程作为道路交通穿越江河湖泊、障碍物等的重要形式，成为城市交通发展的重要方向。特别是那些穿越江、河、湖泊、海域的隧道，有着非常大的优势。目前国外已建成的海底隧道有20多条，主要分布在日本、美国、西欧等地区。国内已有多地开建水下隧道，已建成通车达30多条，分布于上海、广州、厦门、武汉、青岛等地。
妈湾跨海通道位于深圳市南山区和宝安区，连接前海自贸合作区以及大铲湾港区、宝安中心区，最终与沿江高速接驳，是以货运为主、兼顾客运的交通通道。由于穿越地区均为人工填海造地区域或者海域，同时又是大断面的货运交通隧道，面临的外部环境和内部技术条件非常复杂。本文旨在从跨海通道总体方案设计方面进行探索和思考，在实践过程中总结经验，提出一些关键技术难点，共同行借鉴和参考。
1 工程概况
妈湾跨海通道是连接南山港区和大铲湾港区的货运专用通道，同时兼顾两个片区的客运交通联系。
妈湾跨海通道规划为城市快速路，主线设计车速80km/h，双向6车道，两端陆域段设双向6车道地面道路。道路设计起点位于妈湾大道和月亮湾大道相交处，终点接现状沿江高速大铲湾收费站，道路全长约7.3km，其中前海段2.5km，海域段1.1km，大铲湾段3.7km。如图1所示。

2 工程特点及控制条件
2.1 主要工程特点
妈湾跨海通道是一条穿越人工填海造地区域和海域的疏港货运通道，采用深埋盾构方式敷设，断面大、埋深大，所通过地区的地质条件复杂，可以说是国内为数不多的大断面货运交通隧道。其主要工程特点如下：
（1）疏港货运交通为主，双向6车道，盾构直径大。
该工程定位为疏港货运通道，运行车辆以集装箱货车为主，货运自然车占比高，需要采用双向6车道断面，从而导致盾构段直径大，技术难度也相应增大。
（2）预留远期航道条件，以深埋隧道敷设，隧道内纵坡较大。
该工程穿越前海湾，规划15万t级航道，需要采取深埋方式敷设，陆域段需设置进出口匝道，从而导致海域段与陆域段衔接的主线道路纵坡较大。
（3）临海环境、复合地层，盾构面临上软下硬和高水压，风险极高。
该工程所经过区域地质条件复杂，水压高，所经区域为人工填土、沉积淤泥、淤泥质黏土、砂质黏性土、构造岩、全～微风化的混合花岗岩及混合岩等。盾构段基本上处于上软下硬的地层，对盾构机性能及施工技术要求极高，风险也极高。
（4）超深基坑+复合地层，基坑支护难度大，风险高。
盾构井位置处基坑深度超出一般水平，均属于超深基坑范畴，最大基坑深度达到27m，没有统一的规范和标准，结构受力复杂，计算难度大，给基坑支护带来巨大风险。
（5）连接前海和大铲湾片区，环保要求高。
前海合作区定位为具有国际竞争力的现代服务业区域中心和现代化国际化滨海城市中心。大铲湾远期预留发展用地明确建设成为未来科技城，以“立体城市、绿色城市、未来城市”为理念，建设具有全球辐射引领作用的“互联网+”未来科技城。
（6）特长海底隧道以货运交通为主，火灾概率高，逃生救援难度大。
项目隧道总长度超过5km，为特长隧道，同时交通组成以货运集装箱为主，火灾概率大，热释热率高，又穿越海域，对隧道通风消防及逃生救援要求极高。
（7）跨越海域，冲淤对隧道有影响。
该项目海域与外海连通，潮汐每日涨退，所在海域水动力较小，容易形成海水中细颗粒土的沉淀，致使该区域淤泥沉淀量较大，开挖后回淤速度较快，隧道施工和建成后，都会受到冲淤的影响。
2.2 控制条件
（1）道路起终点：均与现状道路衔接，设置为互通式立交，需要考虑立交功能定位、立交型式及近远期结合方案。
（2）沿线重要的建筑及管线：包括前海段保税园区及现状高压燃气管线，大铲湾段主要是大铲湾港码头及其设施。
（3）海域段航道条件：预留远期航道通航条件。
（4）上软下硬的地质条件及高水压带来的高风险等制约技术方案。
（5）陆域段环保要求高，对隧道通风方案提出高要求。
3 总体方案设计关键技术
3.1 主要技术标准确定
妈湾跨海通道规划为城市快速路。在这个大原则下，如何确定更为详细的技术标准以满足设计需求，在方案设计前应该尽早明确。
（1）道路等级与设计速度
根据区域交通组织、路网结构需要，结合妈湾跨海通道所承担的功能，确定妈湾跨海通道的道路等级为城市快速路。由于妈湾跨海通道以承担疏港交通功能为主，考虑大型集装箱货车行驶安全性、舒适度等因素，建议地下道路按高标准设计，设计行车速度取80km/h。
（2）道路最大纵坡
最大纵坡对道路竖向及工程方案、经济性均有较大影响。妈湾跨海通道以集装箱货运交通为主，兼顾客运，以深埋方式敷设。经过调研相关的集装箱车型，并采用驾驶模拟仓试验，考虑盾构段长度及出入口匝道设置满足交通功能需求等因素，初步确定地下道路最大纵坡取4%，既能适应车辆要求，又能达到工程设计经济合理。
3.2 隧道工法确定
国内外常用的水下隧道工法方案基本为盾构法、沉管法、堰筑法、钻爆法等，对比国内外的经验，结合航道条件、地质条件、规划条件、工期条件等因素，综合确定该项目的工法方案。
（1）工法方案比较
表1对几种水下隧道工法方案进行一个粗略对比，各有优缺点和适用情况。
（2）工法方案确定
根据妈湾跨海通道项目特点和条件，结合地质情况，从交通服务功能、工程规模、技术可行、风险可控、工期适应性、经济合理性、环境友好性、运营安全性等方面综合比选。由于盾构法具有受场地条件制约程度低、对环境影响小、经济性优、工程风险总体可控、外部协调工作量较小、行政成本低、有利于工程尽快实施等优点，经综合比较，推荐采用盾构工法。

3.3 路线设计
（1）盾构工法对海域段线位的影响
该项目海域段采用双圆盾构工法施工，根据盾构施工工法要求，两圆之间要保证一定的距离，保证隧道施工安全。相关规范对两圆之间间距做了要求：盾构法左右线双洞间距不小于1.0D（D为单个圆隧道直径，下同）；平面半径不小于50D。确定海域段道路平面线形为“圆曲线+直线+圆曲线”布设形式。
（2）陆域段线位衔接
陆域段线位受前海、大铲湾两端的用地条件、规划红线位置、既有管线、出入口匝道布置等条件限制，路线平面布置调整余地小，同时需要与海域段大半径曲线衔接，以接顺两端规划中线。
（3）进出洞口线形设计
进出洞口是驾驶人视线明暗变化的节点，由于外围空间视觉不同，影响驾驶人员操作行为和心理的变化，从而对行车安全造成一定的影响。在该项目中，除了要保证线形连续外，在前海端洞口还要考虑与现状高架桥的衔接，通过曲线设置尽可能避免小偏角，保证行车安全。
3.4 进出匝道设置
妈湾跨海通道连接了前海合作区和大铲湾片区，客运交通联系需要通过妈湾通道来解决，因此需要在前海段和大铲湾段设置进出口匝道，满足客运交通需求，需要在前海段和大铲湾段各设置两对进出口，并且进出口要尽可能近海，以服务更多的地块交通。
3.5 节点设计
该项目的主要立交节点为起点月亮湾立交和终点大铲湾收费站立交节点。
（1）起点立交方案
根据前海合作区规划及妈湾通道规划，疏港交通的功能由妈湾通道承担，现有立交型式不能满足疏港交通组织功能需求，需要部分调整。保留原来的立交型式不变，调整南向东方向右转匝道，增加北向东方向的定向匝道，从而保证疏港货运交通组织更加完善。
（2）终点立交方案
按照“大铲湾港区客运交通与疏港交通相对分离”、“大铲湾港区疏港交通与南山港区疏港交通相对分离”的思路和原则，采用近远期结合、分期进行交通组织的方式来解决交通问题。
3.6 防灾救援
隧道工程的防灾体系是通过隧道的主体建筑结构、通风、照明、供配电、消防等各个子系统的安全或功能的冗余设计来实现，并通过监控系统将各子系统构成一个有机的整体，以实现隧道总体防灾、减灾和救灾的功能。
3.6.1 建筑防灾
主要体现在隧道的装修材料均选用防火耐火材料，在隧道顶部设置防火内衬。同时，考虑纵向和横向逃生相结合的逃生体系。在盾构段沿隧道纵向每隔一段距离设置逃生口和逃生楼梯，通过隧道的上、下层相互逃生；在明挖段采用设置横通道的方式进行左右互为逃生，从而保证人员在灾害情况下尽快疏散。
3.6.2 通风系统
妈湾通道工程射流风机悬吊于隧道顶部及侧壁，用来补充汽车低速行驶时交通通风力的不足。竖井内设有轴流风机，用于火灾时送风排烟。考虑不同火灾工况下的通风排烟模式，确保火灾事故工况下通风系统具有排烟功能，尽可能控制烟雾和热量扩散，并为逗留在隧道内的乘客、消防人员等提供一定的新风量，以利于人员疏散和灭火扑救。
3.6.3 消防系统
该工程隧道火灾主要为汽车油箱火灾、车载货物火灾等A、B类危险物的复合火灾。火灾蔓延速度快，危及隧道结构安全，交通恢复所需时间长。而且，一类城市交通隧道因隧道长，火灾时人员、车辆疏散及消防员的火灾救援相对困难，故对隧道初期火灾的控制非常重要。
3.6.4 综合监控系统
妈湾通道工程综合监控系统包括中央控制、闭路电视、紧急电话、火灾报警、有线广播、交通监控以及通风、照明设施，火灾报警及消防系统的联动控制等。
4 结语
随着经济发展和城市交通需求，越来越多的水下隧道工程将会带来更多的挑战和机遇，面临的问题也是千差万别。通过本文的阐述，希望给同类工程提供借鉴。城市水下隧道的竖向设计需要考虑的因素众多，除了需要满足道路交通功能之外，还要考虑规划条件、隧道工法、地质条件等，只有把这些相关因素充分结合，综合分析研究，才能确定最优的隧道竖向高程，达到标准高、线形好、交通功能完备、施工安全可靠、经济效益最优的目标。妈湾跨海通道竖向设计方案的确定过程，可供类似工程参考借鉴。

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