妈湾跨海通道线位平面图
引言
妈湾跨海通道工程位于深圳市南山半岛西部、珠江入海口东岸，隔内伶仃洋与珠海、中山相望。为适应城市发展需要，减小西部港区疏港交通对前海环境的影响，2013年6月深圳市政府审议通过了《前海深港现代服务业合作区综合规划》，提出新建妈湾跨海通道，实现前海交通的客货分离。
拟建工程南段起于妈湾大道与月亮湾大道立交，沿前海片区妈湾大道敷设；北段沿大铲湾港区金港大道敷设，止于沿江高速大铲湾立交，线路全长约7.3km，其中分隔南北两岸的前海湾海域宽约1.1km，如上图所示。
工程主线按设计速度80km/h、双向六车道、城市快速路标准设计。考虑为前海合作区未来发展预留空间，在大铲湾港区保留港口功能的前提下，妈湾跨海通道工程采用深埋隧道方式敷设。隧道单向行车建筑限界全宽12.75m，其中机动车道路面宽3×3.75m，最小净高为5.0m。
该项目是深圳市首座跨海道路隧道工程，建设条件复杂，开展多工法方案综合比较，选择适宜的工法成为关键性技术问题。
建设条件与项目特点分析
（1）濒海工程建设受自然气候与海洋环境条件影响大
深圳市属南亚热带季风海洋性气候，雨量丰沛，但分配不均、干湿季节明显。台风是本地区主要的灾害性天气。拟建工程场地位于珠江口伶仃洋东岸，不仅受海洋潮汐作用影响较大，且受台风的袭击和影响，几乎每年均发生台风瀑潮。
水下隧道建设必须关注气温、风、降水、潮汐、潮流、风瀑潮、波浪、泥沙冲淤及突发极端气象与水文条件的影响。
（2）人工填海造陆增加工程场地地质条件的复杂程度
场区原始地貌为海域、滨海滩涂、滨海潮间带，局部分布有鱼塘。后经近十余年的人工围填造地，极大地改变了现场地形地貌，开发建设了大铲湾、妈湾、赤湾等多座码头。
区域内主要地层分布有人工填土（素填土、填石、填砂），其下为第四系全新统海陆交互沉积淤泥，全新统冲洪积黏土、中粗砂，上更新统湖沼沉积淤泥质黏土，冲洪积粉质黏土、砾砂，中更新统残积砂质粉质黏土、构造岩及全～微风化蓟县系的混合花岗岩及混合岩。
隧道北岸大铲湾港区集装箱码头陆域由整体吹填形成。围堤结构采取袋装砂斜坡堤形式，地基处理采用清淤海砂置换方案和砂被排水板方案。其中，一期工程经过真空联合堆载预压后，建成港区集装箱堆场；远期工程采用直排式真空预压和砂石桩方式进行软基处理。
隧道南岸的前海区于2012年基本形成陆域。陆域隔堤采用强夯挤淤方式填筑，两侧隐伏隔堤采用干式沉管振冲碎石桩方式进行固结，中心区域采用塑料插板排水固结。底基层以风化砾石土垫层及开山石料分层堆载压实填筑。
场区内不仅基岩风化程度差异性较大，且岩面起伏突兀、软硬不均，硬岩、淤泥质软土等对于隧道施工难度极大的地层状况在前期勘察过程中均有所揭示，并且围海筑陆工法工艺的多样，使得建设范围内的地层构成更趋复杂、工程特性更显差异。
人工行为对地形地貌的改造增加了拟建工程场地周边地质条件的复杂性，对构筑隧道工法工艺的选择、施工机械设备选型与地质勘察工作等均提出了巨大的挑战。
（3）穿港深埋隧道的敷设方式加大工程实施难度与运营成本
控制隧道竖向位置的规划航道尺度全宽约762m，其中进港航道宽约650m、码头前沿停泊水域宽约112m，如图所示。
前海湾通航断面图
大铲湾港区码头分四期建设，位于突堤外侧的一期工程泊位已投入营运，二、三及远期工程已完成填海筑陆，如图所示。
大铲湾港区及航道规划平面图
1）水浅槽深的进港航道
隧道拟穿越的前海湾水域，水深在1.5～11.0m之间，水下地形呈中部高、近岸低的“一滩两漕”断面。靠近前海侧的现况主航道最低高程约-7.8m，靠近大铲湾一侧的次航道最低高程约为-4.0m，中部浅滩经疏浚后高程约为-1.0～-1.5m，仅能保证退潮后水下淤泥不外露。为保证150000DWT集装箱船抵达突堤内侧泊位，规划进港航道底高程按-19.3m控制。
现况海域水下泥面与规划航道底面将近18m的高差，使得位于规划航道以下的跨海隧道总体埋置深度大大增加。
2）临港直立的停泊水域
规划航道除挖深较大外，由于其北侧大铲湾港区突堤正面规划有泊位，而采用了以重力式沉箱构筑的直立式岸壁形式。
码头前沿线水域一侧港池底高程为-19.3m，陆域一侧地面高程为4.5m，这一高程台阶，不仅使得下穿港池岸壁的隧道上覆荷载发生突变，更使得陆域段隧道基坑开挖面临超深的难题。
3）先后建设的不利影响
由于大铲湾集装箱码头远期工程及规划航道实施尚未有明确的建设时段，而随着前海片区的高速建设，分离疏港货运、净化交通环境的压力促使妈湾跨海通道尽早建成的需求极为迫切。港区远期用地码头岸壁修筑及航道开凿，与其下交通隧道的建设时序难以实现匹配。在妈湾跨海隧道建成运营的条件下，再进行大铲湾远期港区岸壁构筑及航道开挖，所造成的外部荷载条件变化是必须考虑的不利工况。
（4）前海城市环境与水环境对工程建设的环境保护提出更高要求
1）前海片区的城市环境
根据总体规划，前海正努力打造粤港现代服务业创新合作示范区、现代服务业体制创新区、现代服务业发展积聚区、香港与内地紧密合作的先导区及珠三角产业升级的引领区。到2020年前后，拟将前海打造成为先行先试、活力个性、绿色低碳的前海水城。
2）前海湾的水域环境
汇入前海湾水域的西乡河、咸水涌、新圳河、双界河、桂庙渠、铲湾渠等雨源型河涌，因截污不彻底、面源污染及河口水动力不足等原因，水质恶劣、淤积严重。大铲湾突堤码头的建设，使前海湾由开放式海湾变为半封闭式港池，削弱了湾内外水体交换能力，使河涌下泄污染物扩散路径和强度大幅改变，造成港池内的水体水质环境变差。
拟建隧道作为前海片区重要的疏港交通干道的功能定位与横亘湾口的特殊位置，均要求更为深入地考虑前海城市环境与水系环境，统筹考虑城市水安全、水环境、水生态、水文化与隧道建设及运营的结合，提出与前海城市定位与水系环境相适宜的工程实施方案，对隧道建设的环境影响作出预判，对可能采取的基槽开挖、水下炸礁、弃渣抛泥等工程措施的环境效应进行评估，并对其环保措施提出更为严格的要求。
（5）特长超宽隧道的工程体量要求前期工作务必严谨周密
1）两岸用地需求控制了特长隧道规模
大铲湾、前海片区均在进行强度较大的陆域开发建设，地面道路或深槽路堑对其两侧用地交通联系的分隔与干扰，是难以接受的。为此，两地管理部门均提出了在其区域范围内尽可能采用暗埋形式敷设的要求，即拟建隧道除穿越前海湾水域外，其进出口位置应尽量向建设核心区以外的南北两端延伸。
为保障特长隧道的运营安全，应综合考虑环境条件与疏港货运的交通特性，做出防灾专项设计。
2）进出口匝道布设形成了超宽隧道断面
为兼顾两岸片区间客运交通联系，前海与大铲湾港区陆域段均分别设有两对与主线并行的出入口匝道。匝道进出、加减速车道与分合流段，均形成了大跨度超宽断面。
前海建成区段，基槽开挖施工与密集的市政、工业管线的矛盾更为突出，需要根据现场条件结合管线“拆、改、移、保”及交通保障措施，提出切实可行的实施方案。
3）穿海隧道建设特性注定了前期工作的艰巨复杂
濒海隧道工程建设前期工作涉及规划、交通、海洋、海事、航道、边防、水利、港务、渔政、环境、景观、管线等多家单位及地下空间资源综合开发利用等多项待建工程，是一项需多专业论证、多接口管理、多工程协调、多部门审批的综合系统工作过程。
在建设环境复杂、投资规模大、技术难度高的背景下，工程建设管理难点多、周期长、成本高的特点更加凸显，需要前期工作更为深入细致、科学充分。
工法比选原则
基于对建设条件与项目特点的充分认知，结合国内外水下隧道工程案例解决方案的调研，提出“水陆并重、综合评估”的工法比选原则。以工程地质与水文地质勘察工作为基础，以海域段隧道盾构法、沉管法、堰筑法及钻爆法等多工法方案设计为出发点，重点考虑两岸陆域明挖暗埋隧道段施工难度、风险与成本，以技术可行、风险可控、经济合理、工期满足、环境友好、运营安全为评价标准，综合评估隧道工法方案。
总体方案
总体方案以隧道为主体，综合优化起终点交通组织与进出口匝道布局，根据各工法适用条件、结构形式与工艺要求，确定技术标准与专业接口，拟定线路平纵横设计方案，控制工程规模，划分工法分段。
（1）横断面设计
盾构法与钻爆法施工隧道均采用分离式断面布局。
盾构法单线隧道采用内径13.7m、外径15.0m的单圆断面，上层为排烟风道、中部为行车空间，行车道板以下用于逃生疏散及布置设备管线与检修维护通道，如图所示。
盾构法隧道横断面图（单位：mm）
钻爆法单线隧道断面呈拱顶曲墙式，开挖毛洞跨径约16.7m、净高约11.3m。
沉管法与堰筑法采用中部设置重点排烟风道、逃生通道与设备管线空间，两侧为主行车道的三孔闭合框架整体式结构。断面外包尺寸为34.1m×11.1m，如图所示。
沉管法及堰筑法隧道横断面图（单位：mm）
除海域段隧道进行盾构法、沉管法、堰筑法及钻爆法等多工法方案比较外，两岸陆域隧道均采用明挖暗埋方式敷设，其结构形式结合进出口匝道布局，分段采用双跨至多跨现浇钢筋混凝土闭合框架。主线及匝道隧道两端洞口以外的敞开段，以U型槽形式与地面道路顺接。
（2）竖向设计
1）竖向设计原则
纵断面设计遵循以下原则：①由施工阶段安全稳定与运营阶段抗浮或防护要求所控制的结构顶板最小覆土厚度要求，确定规划航道以下隧道最低点位置；②根据前期勘察所揭示的地层分布状况，尽量选择岩性单一、纵横向岩面起伏较小的位置布设隧道穿越；③当海域段隧道采用盾构法时，尽量延伸其应用范围，以充分发挥设备效益；④尽量抬升两端陆域隧道竖向位置，以减小明挖暗埋段基坑深度。
2）竖向最低点控制标准
当海域段隧道采用盾构法时，隧道顶板高程取决于：①盾构机掘进过程中为保持开挖面稳定所需的最小覆土厚度；②拼装完成的管片环脱离盾尾后，为抵抗地下水与壁后注浆的浮力所需的最小覆土厚度；③远期规划航道开挖后，为保障运营隧道抗浮稳定的最小覆土厚度。
经验算，盾构法隧道顶高程按远期规划航道底高程-19.3m以下不少于10m标准控制。
当海域段隧道采用沉管法或堰筑法时，隧道顶板高程考虑通航船只锚击入土深度要求、结构受力与防护要求、海床稳定性与冲淤变化等因素，综合确定为远期规划航道底高程-19.3m以下不少于2m覆土。
相关研究表明，钻爆法修建水下隧道最小岩石覆盖层厚度，宜为2～3倍毛洞开挖跨径，方案设计中取为30m。海域段隧道顶高程竖向控制标准详下表。
海域段隧道顶高程竖向控制标准
3）纵断面设计取值
隧道竖向按不小于0.3%且不大于4.0%的“V”型或“U”型纵坡设计。
当海域段隧道采用盾构法时，为尽量延长盾构机施工范围，大铲湾陆域段采用了较小的纵坡值（2.66%），即穿越海域后并不急于抬升，竖向位置控制在满足盾构掘进顶部覆土厚度一般不小于1D。
但这一纵坡取值原则，在与前海陆域隧道相接段却遇到了障碍。因前海段进出口匝道平面位置距离海域较近（即隧道变断面位置临近岸边），适用于单圆断面的特性大大限制了盾构法在前海陆域段的延伸。因此，不得不采用较大的纵坡（-4.0%），以连接海域段隧道与岸边的盾构工作井。
当海域段隧道采用沉管法或堰筑法方案时，为尽快抬升陆域段隧道竖向位置，缩短超深基坑范围，海域与两端陆域隧道相接的过渡段均采用了较大的纵坡（-3.3%、3.5%）。由于需要更大的埋深来保障施工中的地层稳定，与海域段钻爆法隧道两端相接的纵坡均取用了困难条件下的极限值（±5.0%），接线条件与运营状况趋于劣化。海域段隧道各工法方案及与之相接的两端陆域隧道纵断面参数详见下表及下图。
海域段盾构法方案隧道纵断面图（纵横比例1∶10）
海域段沉管法方案隧道纵断面图（纵横比例1∶10）
（3）平面设计
两岸陆域段隧道平面为直线，在海域段设置大半径反向“S”型曲线以接顺规划中线。当采用盾构或堰筑法时，海域段线路以R=2000m平曲线布设，指标均衡、接线顺适。考虑到平曲线对管节浮运与沉放、对接精度及曲线偏压对接头稳定与防水的不利影响，沉管法实施段设计为直线，将曲线段调整至两岸陆域，技术指标在满足规范要求的可接受范围内。但施工时需拆除大铲湾港区一期工程预留的两节沉箱，完成后再予恢复。
（4）总体方案评价
（1）受限于前海及大铲湾港区陆域段用地完整性需求，主线隧道进出口位置（即主线隧道封闭段长度）基本固定，形成长约5.7km的特长隧道。隧道总体工法为海域段各工法方案与陆域明挖暗埋法的组合。
（2）海域段隧道固然体现并集中了本项目主要的技术难点与风险点，但同时受海域段工法应用范围的影响，与之相接的陆域明挖暗埋段隧道具有更大的体量（详见表3），其基坑工程的难度与风险更应引起足够的重视（详见表4）。其后开展的工法方案设计，对各方案可实施性分析与造价估算亦验证了陆域段隧道占有更决定性的地位。这也是“水陆并重、综合评估”的工法方案比选总体原则提出的缘由。
（3）饱和软土、人工填土与各风化程度混合花岗岩的复杂地层条件，使得水下大跨度钻爆法隧道施工具有更高的安全风险，且更深的埋置位置、更宽的双线洞室净距导致两端接线条件、运营条件更差，因此，进一步深入研究海域段钻爆法实施方案的价值较低。
工法方案
（1）盾构法
盾构法施工隧道外径约为15m，采用平板式钢筋混凝土管片拼装结构。预制行车道板安装随主体结构管片拼装同步推进。拟选用对复合地层条件及高水压条件适应性更好、掌子面主动稳定更为可靠的大直径混合式泥水平衡盾构机。
大铲湾港区远期工程范围内陆域已经形成，但尚未开发建设，场地条件良好，以吹填土为主的地层构成亦有利于盾构掘进，适宜作为盾构始发端。
（2）沉管法
沉管段选用防水性能更优、构造相对简单、浇筑便利的钢筋混凝土整体式管节，共计8节，单节长130m，灌砂基础。干坞工程进行了新建现场干坞与改建港珠澳牛头岛干坞的方案比选。改建利用干坞方案具有技术可行性及经济节省等优点，但存在与港珠澳工程工期难匹配、浮运距离长（直线距离约22.7海里）及占用航道成本高的不足。
故推荐坞址位于大铲湾港区远期用地的新建方案。管节临时系泊位于前海湾内，该水域受风浪影响小，掩蔽条件良好。坞址及寄放区距隧址较近，浮运航道短，疏浚工程量小。
干坞规模按满足一次预制4节、分两批预制的场地要求确定，总占地面积约9万平米。北、南两端分别在临时围堰内施做沉管段与陆域暗埋段接头。管段沉放自北向南顺序施工，水下最终接头置于E7与E8管节之间、水深相对较浅的靠近前海的一侧。
（3）堰筑法
鉴于前海湾内“水浅槽深”的埋置条件，推荐采用整体稳定性好、抗风浪安全可靠度高的膜袋砂土石围堰作为挡水构筑物，围堰内以局部放坡开挖与排桩内支撑相结合的方式开挖基坑。干法施做现浇钢筋混凝土隧道主体结构。
现况前海湾内虽未实现规划航道，但仍有船只不断往来，施工期间需保留通航条件，且汇入湾内的多条河涌亦需保留排海通道。
为此，围堰实施按分段、分期施做进行筹划。首先施做北侧靠近大铲湾港区段围堰，保持南段水域通航及湾内外水体交换，主体结构浇筑完工后，封闭端头，拆除围堰；开挖疏浚北段临时航道后，再对南段水域进行围堰。
综合比较
（1）技术可行
随着国内交通基础设施建设的迅猛发展，高水压复合地层大直径盾构法、深水大型沉管法施工技术均取得了突破性进步，大量工程实践经验与科技成果的累积，大大扩展了水下隧道多工法的应用范围。堰筑法更具有对特种设备设施依赖小、工艺成熟的可靠性。以上各工法方案均具有技术可行性。
（2）风险可控
盾构法方案的主要风险在于：①盾构机对地层适应性风险；②远期航道开挖与岸壁构筑导致建成隧道产生变形与变位的风险。
沉管法方案的主要风险在于水下基槽稳定与大回淤防控、深水沉放与对接精度控制、纵向不均匀基础条件下的变形协调与管节渗漏等。
堰筑法方案的主要风险在于极端天气条件下的围堰失效、城市环境与水环境污染等。
在采取有效措施的情况下，以上3个方案的工程风险均能控制在可接受范围内。
（3）工期满足
采用一台盾构机承担左右双线掘进时，耗时约52个月的总工期是难以接受的。为此，方案中按新购两台盾构机进行组织。
盾构机15～18个月的设计、生产周期使其进场较晚，但因不受管线改移、场地拆迁等外部条件影响，订购合同的履行具有较高的保证。盾构机的制造可与盾构井及其后方暗埋段隧道同步进行，或提早开展设备招标采购的谈判。
海域硬岩及上软下硬地层将为盾构掘进制造一定麻烦，预计刀具磨损较大，在边掘进边维护的工况下，功效会有所降低。
采用沉管法方案时，干坞修建、管节预制可与陆域暗埋段施工、端头围堰及水下基槽开挖平行展开，各工序间制约关系较弱，总体工期较短，但存在不确定风险。
堰筑法修建隧道的各工序上下承接关系明显，多开辟平行工作面的努力收效甚微。导行航道与分段分期围堰更延长了总工期。与沉管法相似，受征地拆迁、管线改移、气象与水文条件等影响较大，加之占海用海范围大、涉及管理部门多，综合协调组织难度大，工期保障存在不确定风险。各方案总工期预测详如表所示。
（4）经济合理
各方案总投资估算如表6，其中盾构法方案估算总投资最低，具有更好的经济性。
表6方案总投资估算对比表
（5）环境友好
盾构法除始发端临时场地占用外，对场地条件的依赖度低，基本不受气候条件影响。在规范的抛泥弃渣控制下，对城市环境、水质环境、景观环境可以达到基本无影响。
沉管法及堰筑法以基槽开挖为共同特征的施工工艺，占海用海范围较大。管节浮运沉放受水文、泥沙淤积及气候条件影响大，需采取基槽稳固与防淤措施，并等待适宜的气象与水文窗口期。堰筑法在其漫长的施工周期内更需经历台风、暴雨等恶劣天气的考验。
远期航道开挖将主要挖除淤泥、砂质黏土等，位于其下的隧道基槽已深入全～强、中风化花岗岩地层，其中中风化花岗岩段平均挖深6.1m，分布于水下基槽57.7%的长度范围内。水下爆破的低效高价及周边环境的可承受度不容小视。
沉管法及堰筑法对海湾环境最大的影响在于因开挖基槽而形成的水下暗槽。其最深达18m的槽深及与水流方向呈近垂直的走向，将进一步迟滞湾内外水体交换，致使改善湾内水质、提升水城环境付出更大的代价。远期航道的实施将在一定程度上改善这一状况，但在其实施前，基槽内不断淤积的泥沙，将作为隧道结构难以承受的荷载或成为海域段隧道养护的沉重负担。
（6）运营安全
各方案实现的隧道结构，在承载能力、使用耐久、防水、排水、防淹、抗震等方面均可通过采取相应技术措施以满足正常使用。可采用分段式纵向通风+重点排烟等方式及与消防、照明、供电、监控等系统的联动，保障正常使用、拥堵及火灾工况下安全或适宜的洞内环境。
其中，沉管法、堰筑法实现的海域段隧道与陆域明挖暗埋隧道结构形式一致，断面连贯性好，便于附属设备设施的预留预埋，且连通左右线的人（车）行横通道施工简便易行。
盾构法隧道，特别是高水压环境下的横通道施工，具有一定技术难度，风险高、代价大。可通过设置连接行车道层与板下安全空间的楼梯，实现火灾状况下的纵向疏散［6］。
（7）综合比较
1）位于远期规划航道以下深埋的竖向条件、隧道进出口位置受两岸陆域用地限制而不得不向南北两端延长，使得沉管法、堰筑法整体埋深浅、两端接线条件好、一般情况下所形成的隧道长度较短的优势无从发挥。
2）沉管法、堰筑法对基础承载力要求不高、地层适应广泛的特点，在基底大部分处于全～强、中风化花岗岩地层的条件下，亦得不到体现。水下炸礁的环境影响反而成为基槽开挖中不可避免的难题。
3）基槽开挖形成的水下沟槽将横卧于湾口，进一步降低湾内水体的自我清洁能力，势必造成污染物随涨潮落潮回荡在湾内水域，极大地破坏了前海水城的环境品质。
4）下穿泊位的特殊线位、港池底与岸壁顶近24m的巨大高差，决定了陆域暗埋段当与海域段基槽相接时必然形成超深基坑。这意味着，选择沉管法或堰筑法为水下隧道施工方案时，其两端相接的暗埋段将面临更大的难度、更高的风险与代价。
5）将海域段工法方案置于全隧道视角下综合审视时，盾构法跨域水陆的应用范围，使其可以选择适宜的埋深设置盾构工作井，从而减小两端明挖暗埋段的基坑深度，总体上降低了工程风险。
6）以盾构法下穿前海湾水域为主体，两端以明挖暗埋法相衔接的方案，可以适应本工程复杂的地质条件，平纵接线顺适，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，受外部协调制约因素少，有利于尽快实施。
结语
综上分析，推荐海域段采用盾构法的工法方案。在进一步的工程地质与水文勘察的基础上，尚需针对盾构法风险开展相应的课题研究。盾构法隧道方案的风险首先来自复杂的地层条件，其表现为［7-8］：
（1）类型多样。盾构法施工范围内，除海积淤泥、冲洪积黏土、中砂，淤泥质黏土，冲洪积粉质黏土、砾砂，残积砂质黏性土、全～微风化混合花岗岩等原状地层自上而下呈现外，人工填土（素填土、填石、填砂）层普遍间杂分布。隧道线位虽避开了前海陆域段大范围填石地层，但仍不排除盾构掘进断面内会出现零散块石，大铲湾吹填陆域段亦有真空预压塑料排水板遗留地下。
（2）性质差异。不仅人工填海筑陆基础与原状地层工程性质差异悬殊，各岩层风化程度、单轴抗压强度、耐磨性能亦相差甚远。从基本无强度的淤泥质土层到高达200MPa的微风化花岗岩均有分布。
（3）分布不均。场地内基岩起伏较大，隧道所穿越地段“上软下硬”及全断面硬岩段约占掘进总长92%。
（4）高压富水。盾构掘进范围内地层富水性强、水压高。另一风险来自于远期规划航道开挖与码头岸壁构筑时，对盾构隧道结构的卸载与加载作用。其影响不仅表现为水下基槽爆破开挖造成的隧道周边岩土体振动，约18m厚覆土的挖除所引起的隧道结构上浮更为显著。在纵向不均匀地层条件下，外部荷载的变化将导致隧道管片结构发生超出预期的变形与变位［9-10］，进而影响管片结构受力性能、防水可靠性，危及隧道正常与耐久使用。因此，开展相关课题研究，从而采取有效防范措施是十分必要且紧迫的。