5.4.2桥隧方案比选
在选择本项目采用桥梁跨越长江的同时，项目研究组考虑过采用水底隧道穿越长江的隧道方案，并收集了国内外相关资料和信息，对隧道方案进行了较详细的研究和比较，对隧道方案的工程可行性进行了论证。
我国过江隧道最早修建首推20世纪60年代的黄浦江隧道，近十几年来，随着黄浦江、珠江和甬江等一些大型水底隧道的建成，标志着我国的修建越江隧道技术水平总体上有了大幅度的提高，使我国在跨越海、江、河的方案上有多种选择的可能，使隧道成为解决过江通道的基本手段之一。
5.4.2.1隧道施工方法
国内公路隧道的施工方法早期以矿山法为主。而近二十年来，随着社会的需求和科学技术的进步，隧道的施工技术得到长足发展，一些新的隧道施工方法和工艺在工程中也得到了成功的应用，一批长大隧道得以顺利建成。常用于水底隧道的施工方法主要有暗挖法和沉管法两种：
1、暗挖法
主要包括以下三种：新奥法（NATM）、掘进机法（TBM）和盾构法。
A、新奥法。新奥法的核心是充分发挥围岩的自承作用和自稳能力。隧道开挖后，及时采用喷砼、锚杆封闭、加固围岩，尽可能保持围岩的原有强度，容许围岩变形但又不致出现强烈的松弛破坏；当隧道变形基本稳定时，施作二次衬砌。在施工过程中进行监控量测，及时掌握围岩和支护的变形，并对量测信息进行处理、反馈，进一步提出合理的施工方法和调整支护参数，以指导下阶段的隧道施工。对于浅埋软弱围岩，需采用超前支护或地层改良等辅助施工措施。施工的基本原则可以归纳为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”，是修建隧道最常用的方法。
新奥法的优点是施工组织简单、工期较短、建设费用较低；施工适用范围广，不受隧道断面尺寸和形状的限制，对各类围岩均能适用，当地质条件变化时，施工工艺可机动灵活随之变化；施工设备的组装和工地之间转移简单方便，重复利用率高；多年来已经积累了丰富宝贵的施工经验，形成了科学完整的工艺。但它同时也存在施工工序多，施工过程中各工序干扰大，开挖速度低、超欠挖严重，爆破对地层扰动大，施工安全性差，作业场所环境恶劣、工人劳动强度大等难以克服的缺点，此外由于开挖速度低，在较长隧道施工时，往往需要采用辅助坑道来增加开挖工作面，从而增加工程造价。
B、掘进机法。掘进机法是利用隧道掘进机切削、破碎岩体，开凿隧道的施工方法，适用于硬质岩石隧道，其特点在于施工过程是连续的，具有隧道工程“工厂化”的特点。
掘进机法的主要优点：
①开挖作业能连续进行，因此，施工速度快，工期得以缩短。特别是在稳定的围岩中长距离施工时，此特征尤其明显；
②没有像爆破那样大的冲击，对围岩损伤小，几乎不产生松弛、掉块，崩塌的危险小，可减轻支护的工作量，此外，超挖小，衬砌也省；
③开挖表面光滑，在水工隧道的情况下，无衬砌区间阻力小；
④震动、噪音小，对周围的居民和结构物的影响小；
⑤采用机械化施工，安全、作业人员少。
掘进机法缺点：
①机械购置费和运输、组装解体等的费用高，机械的设计制造时间长，初期投资高，因此，很难用于短隧道；
②施工途中不能改变开挖直径；
③地质的适应性受到一定的限制；
④开挖断面的大小、形状变更难，在应用上受到一定的制约。
随着社会对安全、省力、改善劳动环境等的要求提高，掘进机技术施工由于其安全可靠性高，最近在我国得到了较大的发展。
C、盾构法。盾构法即采用盾构这种机械在围岩中向前掘进，同时在机器的尾部及时拼装上可以承受巨大压力的管片，在围岩中推进过程中，一边防止土砂的崩塌，一边在其内部进行开挖、衬砌作业修建隧道的方法。它是现阶段在软弱地层中修建地铁、交通隧道以及各种管道的先进施工方法之一，应用十分广泛。它的最大特点是不影响或较少影响地面建筑物和环境，其主要优点有如下几点：
①除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和震动影响；
②隧道的费用不受埋深的很大影响；
③盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少；
④土方量较少；
⑤穿越江、河、海道时，不影响航运；
⑥施工不受风雨等气候条件的影响；
⑦在地质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性。
但盾构也存在一定局限性，主要问题有：
①当隧道曲线半径过小时，施工较为困难，目前已经开发出R=10m的急转弯盾构，有效的解决了这一难题；
②在陆地建造隧道时，如隧道的埋深太浅，则盾构法施工困难很大，而在水下时，如覆土太浅，则盾构法不够安全；
③盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差，目前已多用局部气压代替；
④盾构施工过程中引起的隧道上方一定范围内的地表下沉尚难完全防止，特别在饱和含水松软的地层中，要求采取严密的技术措施才能把下沉控制在很小的限度内；
⑤在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。
随着当代城市建筑、公共设施及各种交通日益繁忙，地面拥挤的现象越来越严重；以及盾构机械设备和施工工艺的不断发展，适应大范围的工程地质和水文地质条件的能力大为提高，加之各种断面形式的盾构机械（急转弯盾构、扩大盾构法、地下对接盾构等）的相继出现。在建造穿越水域、沼泽地和山地的公路、铁路和水工隧道，盾构也往往由于它在特定条件下的经济合理性而得到采用，使隧道能快速、安全而高度机械化地修建。
2、沉管法
沉管法就是在水底预先挖好沟槽，把在陆上其他地点预制好的适当长度的管体，浮运到沉放现场，顺序地沉放在沟槽中，并回填沙石覆盖管体而修建隧道的方法。是修建水底隧道通常采用的方法。
沉管隧道的施工，大体上可分为节段制作，沉管段施工，竖井及引道施工等几部分。沉管法具有如下几条主要特点：
①隧道埋深与其他隧道相比，因仅需设置在不妨碍通航的深度下，故隧道的全长可以缩短，并且与两岸道路衔接容易；
②隧道管段是预制的，质量好，水密性高；
③因有浮力作用在隧道上，所以视比重小，要求的地基承载力不大；
④断面形状无特殊限制。可按用途自由选择，特别适应较宽的断面形式；
⑤沉管的沉放，虽然需要时间，但基本上可在1～3日内完成，对航运的限制不大；
⑥不需要沉箱法和盾构法的压缩空气作业，在相当水深的条件小，能够安全施工；
⑦因采用预制方式施工，效率高，工期短。
但在挖掘沟槽时，会出现妨碍水上交通和弃渣处理等问题。沉管法最关键的技术难点是投放施工控制要求高，江中水流速度较大时施工难度大。
5.4.2.2施工方法选择
根据工可地质勘察专题报告，本项目所拟定的两桥（隧）址距离较近，属同一地貌单元，地层条件差异不大，上覆地层为第四系全新统冲积层，主要为亚粘土、亚砂土、粉砂、细砂等地层，河床下伏砾卵石层，下伏基岩主要为粉细砂岩，软硬不均，多含软弱夹层。其中第四系覆盖层较厚，最厚处深达84m。
根据桥（隧）址区域工程地质和水文地质条件，结合地形地貌、水文河道条件、防洪要求和两岸建筑物分布情况，综合考虑现阶段经济、技术水平，本着安全、经济、合理的原则对该处隧道方案的施工方法进行分析和比较。
1、新奥法
目前我国公路隧道采用新奥法设计和施工的比率已达50%左右，且该方法较多地应用于山岭公路隧道之中。本桥（隧）址区覆盖层较厚，基岩风化较深，软硬不均，因此，为防止江水涌入隧道及隧道坍塌，采用该方法施工时要求水底隧道深埋入弱～微风化岩层中，且隧道洞顶弱～微风化岩石厚度要求达到15m以上，因此，将会造成隧道规模比较大，隧道单线长度将超过5Km。该方法在掘进过程中，不可避免地会大量采用钻爆施工方法，钻爆施工势必对地层扰动很大，施工安全性差，作业环境较恶劣，工人劳动强度大。并且桥（隧）址区两岸有长江防洪大堤，大量采用钻爆施工也对以上建筑物均构成了一定威胁，隧道开挖过程中，控制地表建筑物的沉降和保证地表建筑物的安全将成为一大难题。另外两岸边有很长一段隧道经过了软弱地层，为有效降低该段内部结构施工中围护结构的位移和周边地面的沉降，为保证安全、顺利通过该软弱围岩地段，确保工程质量，必须采取强有力的辅助施工措施与初期支护密切配合才能保证施工的顺利进行，这样将造成工序繁多，各工序干扰大，进度慢，增加工期，并且带来较大的工程投资。施工过程中该段隧道还存在着塌方和涌水的危险性。因此，本项目全部采用新奥法施工存在着较大的风险性。
2、掘进机法
掘进机技术自50年代中期进行工业化生产以来，由于采用掘进机施工具有快速、连续作业、机械化程度高、安全、劳动强度小，对地层的扰动小、衬砌支护质量好、通风条件好、减少辅助工程等优点，日益受到人们的重视，已经在国外的地下工程建设中得到广泛应用。在一些发达国家，不少单位都明确规定，对于较长的隧道，必须用掘进机施工。在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的4—10倍。我国引进TBM技术已有二十多年的历史，但至今仍没有形成一套实用的施工组织设计和关于掘进机方面的技术、经济法规，且TBM法一般仅在我国铁路隧道和水工隧道施工中采用，只是近年来，才在公路长大山岭隧道中开始使用，大断面隧道施工经验不足。TBM法施工对水底隧道出现的各种突发事件的应变能力有限，对地质条件的依赖性大。国内机械及技术力量相对薄弱，大型掘进机需从欧、美、日进口，进口成本较高，初期投资较大，很难用于较短隧道，否则选择TBM法的经济效益差，据测算，当利用国内已有设备，隧洞长度不宜小于4～5Km；若由外国承包商带机施工，长度不宜小于10km。而本项目隧道方案穿过硬质岩层的长度才2Km左右，穿过软弱地层时仍需采用其它方法施工，采用掘进机法总体经济效益差。因此根据以上分析，本项目放弃了采用掘进机法。
3、盾构法。
盾构技术是目前国际上发达国家较为广泛采用的地下隧道全机械化开挖的施工技术。盾构是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖、支护、推进、衬砌等作业功能。盾构技术以其较高的机械化程度和施工安全性已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水工隧道工程之中。我国已成功采用盾构法建成许多大型公路隧道，其中包括上海黄浦江3条过江隧道，施工技术较为成熟。
已经建成的武汉长江隧道为“万里长江第一隧”，2003年10月国内专家曾对其设计和施工方法进行了评审，评审结果认为：该隧道是我国在长江上兴建的第一条过江隧道，不能冒太大风险，首先要确保安全；盾构法技术成熟，对防汛没有影响，拆迁量较小，施工期短，施工时长江航运不受影响，因此，宜采用盾构法施工。
举世瞩目的上海崇明越江通道工程确立南隧北桥为工程推荐方案，其中过江隧道拟采用盾构隧道施工，按双向6车道布置，全长8.95公里，隧道外径长达15.20m，是目前世界上最大直径的盾构隧道。
盾构是一种价格昂贵，针对性很强的专用施工机械，对每一条用盾构法修建的隧道，都需要根据地质水文条件、结构断面尺寸专门制造，一般不能简单地套用到其他隧道工程中重复使用，使得必须有一定投资规模和施工难度的隧道工程才考虑实际应用该项施工技术。
本项目位于武汉长江隧道下游190多公里，两岸第四系覆盖层厚，基岩深埋，隧道区围岩属软弱围岩，适合运用盾构法修建隧道。并且该水底隧道规模较大，采用盾构隧道有经济可比性。根据以上情况分析，本项目可以采用盾构方案。
4、沉管法
沉管法是修建水底隧道的主要施工方法。沉管法隧道施工技术在我国还是一项新技术，起步较晚，但经过近十年的实践，我国已成功掌握了沉管隧道建设技术。1993年，广州建成了内地第一条水下大型沉管隧道—珠江隧道。随后，国内采用沉管法建成的隧道有：上海外环线隧道、宁波甬江隧道、香港跨海隧道等，其质量和防水性能都达到了较高水平，特别是随着上海外环线上的8车道越江隧道工程的建成通车，标志着我国在沉管隧道领域达到了国际先进水平，为我国在长江、黄河、海峡修建沉管隧道积累了丰富的经验。
根据以上实例和国内沉管的建设经验及沉管法具有缩短隧道长度、水密性好、施工条件好、效率高、工期短、要求的地基承载力不大等优点，本项目亦可采用沉管方案。
5.4.2.3隧道方案建筑限界
按照六车道高速公路的设计标准，隧道计算行车速度为100km/h，采用上下行分离的隧道。根据《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）的规定，隧道单向净宽拟采用0.5+0.5+3×3.75+0.5+0.5=13.25m，隧道建筑限界高5.0m（见图537）。
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图537 单洞隧道建筑限界（单位：cm）
5.4.2.4盾构隧道方案
1、断面设置形式
隧道内轮廓采用单心圆，衬砌拟采用错缝拼装的单层装配式钢筋混凝土管片结构，管片基本设计参数为：内径Φ14.0m，外径Φ15.4m，环宽2.0m。采用高压钠灯照明，机械通风，隧道两侧设各种监控设备。设计中充分利用隧道行车道下面空间，设置管线沟、通风道和紧急救援车道（见图538）。
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图538 盾构隧道断面设置形式（单位：cm）
2、江底联络通道
本项目盾构方案掘进的圆形隧道较长，因此在盾构圆形隧道段长度四分点左右共设三条连接上下游两条隧道的联络通道，其断面尺寸拟定为：1.4m×2.1m。以防一旦出现紧急事故工况，乘行人员、求援人员可通过联络通道进入相邻隧道（见图539）。
该联络通道的施工方案为，在隧道内利用水平孔加固地层，使联络通道外土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法”的基本原理，在冻土中采用新奥法进行联络通道的开挖构筑施工。
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图539 盾构隧道江底联络通道示意图（单位：cm）
3、盾构工作井及两岸岸边段隧道
岸边段隧道包括暗埋段、光栅段及敞开段。盾构工作井及暗埋段基坑开挖深，属于超深基坑，因此根据开挖深度和周围环境的要求，盾构工作井及暗埋段拟采用地下连续墙作为围护结构，明挖施工（见图540）。光栅段及敞开段基坑开挖可采用钢板桩围护明挖法施工。盾构进出洞的土体加固采用冻结法。
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图540 暗埋段断面设置形式（单位：cm）
4、隧道通风方案
根据近年在过江隧道的建设经验以及对该工程初步的通风分析计算，隧道采用纵向通风方式，污染空气分别从隧道南、北两岸车辆驶出洞口附近的通风塔内，由排风机集中向高空排放。
5、建设方案与规模
隧道平面线形为直线；根据规范要求及方便长大隧道的排水，最大纵坡控制在3.0%以内，最小纵坡控制在0.5%以上。根据隧道功能、断面大小、远近期通风、养护维修及运营管理等方面要求，考虑一次修建两孔三车道隧道，两线隧道中心线间距约50～60m，净距约35～45m。盾构隧道方案工程规模见表 510。
表 510 盾构隧道方案工程规模表（郭祥-码头镇桥位）
项 目
长度（m）
隧道全长
2×4682.8
盾构段长度
2×3875.2
两岸暗埋段长度
2×266.4
光栅段长度
2×100
敞开段长度
2×400
工作井
2×41.2
通风塔
2个
隧道估算
32.5亿元
引桥、接线及互通估算
6.9亿元
工程估算总价
39.4亿元
5.4.2.5沉管隧道方案
1、断面设置形式
沉管法采用矩形断面，隧道净高为6.0m，一般地段预留100cm设备（车道信号灯、照明灯具等）安装高度。由于本隧道需安装射流风机，为了尽可能减小横断面高度，考虑在射流风机安装点处将顶板作局部抬高处理（抬高50cm），设置风机安装壁龛，在路面下设60cm厚的镇重混凝土，见图541。
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图541 沉管隧道断面设置形式（单位：cm）
2、两岸岸边段隧道、隧道通风方案
两岸岸边段隧道的断面与盾构隧道方案的岸边段隧道相同。暗埋段拟采用地下连续墙作为围护结构，采用明挖法施工。光栅段及敞开段基坑开挖可采用钢板桩围护明挖法施工。
隧道通风方案亦采用纵向通风方式，污染空气分别从隧道南、北两岸车辆驶出洞口附近的风塔内，由排风机集中向高空排放。
3、沉管法埋置深度
对于采用明挖法施工的水底隧道，控制隧道最小埋深的主要因素有：通航水深、隧道建筑高度、最大冲刷深度、隧顶覆盖层厚度、结构物的抗浮性等；同时沉埋隧道基底不宜深入岩层，一方面水下爆破困难，另一方面容易产生纵向不均匀沉降，对隧道结构产生较大的危害。本方案综合考虑上述因素后，按隧道回填顶面标高最低与原河床底面持平为原则确定隧道设计标高。
4、沉管法建设方案与规模
沉管结构采用钢筋混凝土结构，在沉管隧道中部设置紧急避难通道，两侧设置行车道。断面采用三孔矩形断面。沉管节段在临时干船坞内预制，需选择合适的位置建造临时干船坞，临时干船坞的工作量大，多采用明挖法修建；管段预制时要注意灌注质量，采取严格的施工措施防止混凝土产生裂缝，保证混凝土结构的水密性；保证隧道的防水性有难度，要设防水层，对防水层也要加以保护；沉管基础的底面积大，地层和管体底面的基础处理比较费时费事；隧道穿过防洪大堤底部的施工为沉管方案的重点和难点之一，其施工方法应与堤防部门协商。
表 511 沉管隧道方案工程规模表（码头镇）
项 目
长度（m）
隧道全长
2×3373
沉管段长度
2×1740
两岸暗埋段长度
2×1133
光栅段长度
2×100
敞开段长度
2×400
通风塔
2个
隧道估算
22.6亿元
引桥、接线及互通估算
8.3亿元
工程估算总价
30.9亿元
5.4.2.6桥隧方案比较
1、主要优缺点
桥梁方案与隧道方案在完成过江功能上，有各自的特点和优势。与桥梁方案相比较，隧道方案的主要优点有：
①不侵占航道净空，不影响港口航运，不干扰岸边航务设施，不受气候变化的影响，可以全天候越江通车；
②它可以做到一洞多用，能将城市供水、供电、通讯等管道安排在同一洞内过江，并可保证安全稳定；
③占地少，拆迁房屋、管线数量小；
④抗震能力与战时抗毁损能力相对较好。
但从设计、施工及运营方面综合考虑，江底隧道方案与桥梁方案相比主要有以下几点明显的劣势：
①从工程设计和建造技术要求上来看，修建隧道的技术要求远高于大桥。目前国内修建成功的大型越江隧道较少，国内修建大型越江隧道的技术也不够成熟；相反，国内修建桥梁的技术已达国际先进水平，已建通车的世界级特大跨度的斜拉桥、悬索桥和拱桥众多，设计和施工水平较成熟；
②从目前国内外的实践来看，由于隧道施工为地下作业，水文、地质等方面不确定因素多，水下作业的技术难度和施工风险都相当大，容易追加项目的投资；
③从防水角度看，虽然隧道防水技术在不断的发展，但由于施工条件的制约，防水效果不可保证，会存在一定程度的渗漏水现象，施工和运营过程中隧道方案的防水问题将是该方案的弱点和难点；
④从安全角度看，水底隧道是一个封闭在水下的建筑物，一旦发生车辆碰撞交通事故或意外火灾就不如在地面上易于疏散人员和车辆；
⑤从本项目所处地区的建设条件来看，本河段为一弯曲河道，水流速大，对防洪要求高，防汛部门要求施工和运营过程不允许对两岸的防洪大堤造成任何影响。而隧道方案将不可避免地从两岸的防洪大堤河床底部穿过，可能对大堤和主河床带来较大影响，不利于防洪。另外，北岸为低洼地带，洪水期积水较深，隧道运营期间防水排水较困难。而桥梁方案则直接跨越大堤和主河床，基础对大堤和主河床带来影响很小。作为防洪通道，为保证安全畅通，采用桥梁方案为宜；
⑥沉管隧道方案基槽的大面积开挖对环境和通航均带来较大影响。
另外，采用桥梁跨越长江的方案（特别是采用特大跨径悬索桥或斜拉桥）可以给本河段增加一道人文景观，有利于本地区旅游业的发展。
2、年主要运营维护费用比较
表 512 年主要运营维护费用初步比较表
比较项目
桥梁方案（万元/年）
隧道方案（万元/年）
照明
100
150
通风
—
240
监控、通信
80
250
排水
—
60
日常维护、检修
250
80
（消防、交通等）安全设施
90
350
合计
520
1130
3、桥隧方案综合比较
表 513 桥隧方案初步比较表
比较项目
桥梁方案
盾构隧道方案
沉管隧道方案
设计和施工技术
成熟
较成熟
不成熟
技术难度和风险性
较小
较大
大
防渗漏水
无
难
较难
运营安全度
好
较差
差
对防洪影响
较小
较大
大
对通航影响
较小
无
大
对环境影响
较小
很小
大
国防战备和抗震能力
一般
很好
好
工程造价
较低
最高
较高
运营维护成本
小
大
大
推荐意见
推荐
舍弃
舍弃
因此，综合以上各方面因素比较，本项目采用桥梁跨越长江的方案最优。
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