汕头位处环太平洋火山地震带上，要想让工程使用寿命长就不得不考虑抗震的问题。另外，汕头湾水下松软淤泥和坚硬基岩不规则出现，而隧道施工的核心设备盾构机从坚硬的岩层中突然进入软弱地层，很容易发生栽头、下沉，为此，工程师量身定制了国内最大直径的盾构机进行施工。
出品| 网易新闻
作者| 须臾千秋，清华大学土木工程博士
东南沿海地区向来是中国经济发展的领头羊，而汕头则恰好位于福建厦门与广东珠三角两大重要经济区之间。
一直以来，由于山地崎岖，汕头市的发展十分受限，加之汕头湾的天然阻碍，汕头的经济建设主要集中在海湾的北岸，而南岸则由于交通不便难以发展，白白浪费了宝贵的土地资源。此外，汕头的发展滞后也阻碍了珠三角与厦门两大城市群的联结。
因此，建设一条沟通汕头湾南北、通行能力足够强大的快速通道十分必要。
（汕头湾地理位置）
（一）投资额巨大加之不可预料因素太多，开工一度遥遥无期
长期以来，联结汕头湾南北两岸的只有海湾大桥和礐石大桥两座桥梁。随着汕头经济的快速发展，它们的通行能力远远满足不了日益增长的交通需求。而且，这两座大桥都距离城市核心区较远，过桥必须绕行城外，这又为城市平添了许多交通负担。
鉴于此，自2007年年底，汕头市就已经开始进行隧道项目的可行性研究。隧道项目的必要性和迫切性不容置疑，然而其建设条件复杂，技术难度极大，不可预见因素太多，工程投资估算高达57亿元，这使得当年隧道项目的推进深受阻碍。
直到2015年，随着汕头市经济的飞速发展和市场主导的落实，修隧道的钱终于到位，工程建设才最终开始。
汕头海湾隧道工程起于汕头湾北岸的市中心，终到南岸的濠江区南滨路，全长6.68公里，其中隧道部分5.3公里。工程采用一级公路技术标准，能抗百年一遇的洪水侵袭。隧道设置双向六车道，设计时速60公里，建设总工期4年半，建成后将成为国内唯一一个承担一级公路功能的过海隧道。
该工程的技术难度极高，为了确保工程顺利推进，项目建设管理单位邀请了钱七虎等三名院士和国内知名的地质结构、隧道工程专家组成专家委员会，长期为项目提供技术服务。
（二）火山地震带遇上海底软硬岩分布不规则，施工难度极高
汕头位处环太平洋火山地震带上，属于中国的8度地震烈度区。
考虑到隧道工程重要性高，使用年限长，因此需要按照抵抗9度地震烈度的规格来采取抗震措施。在9度地震下，建筑物普遍发生破坏，少数倾倒，铁轨弯曲，而汕头海底隧道必须要保障在这种条件下不发生破坏。
另外，汕头湾的水下地质环境也十分特殊。
它不像山区隧道，自始至终都是坚硬的基岩；也不像一般的海底隧道如港珠澳大桥隧道，全程都是软弱的海底淤泥，因而可以直接在海底铺设沉管。汕头湾的海底环境复杂不均一，软弱淤泥和坚硬基岩不规则出现。
这样，在软硬岩的交界处，就很容易产生应力集中，破坏隧道主体结构。
（为汕头海湾隧道量身定制的盾构机）
而且，用于隧道施工的最核心设备——盾构机重达4600吨，重量相当于一艘驱逐舰，在挖掘行进的过程中，如果从坚硬的岩层中突然进入软弱地层，很容易由于承载力不足而使得盾构机栽头、下沉。
隧道在主航道下埋深只有12米左右，而盾构机自身的直径就超过了15米。一旦机头下沉，很可能会导致设备上浮和海底段坍塌，十分危险。
考虑到以上这些因素，中国专门为汕头海湾隧道的修建量身定制了特殊的盾构机。
（三）量身定制的高精尖盾构机，能常压换刀还能超前地质预报
海湾隧道的盾构施工段长3047.5米，为双向六车道，由双孔圆管组成。每孔分三层，上层是排烟通道，中间是行车通道，下层是人员疏散通道。盾构施工段采用两台盾构机同时施工。不过，汕头湾水下这种特殊的地质环境绝非普通盾构机可以应付的，海湾隧道项目专门为其量身定制了特殊的盾构机。
这是两台海底隧道施工专用的全世界最大的盾构机，它全长130米，刀盘直径超过15米，相当于5层楼的高度。无论是坚硬的花岗岩基岩还是松软的淤泥土层，它都能一视同仁地进行开挖。
当遭遇坚硬基岩时，盾构机前方的刀盘会将坚硬的基岩切成小块，而后将挖出来的石头、泥沙、水等通过刀盘后部一系列复杂精密部件组成的泥浆循环系统输送出隧道。盾构机的最大工作速度被严格限制在5厘米/分钟，并且以2米作为一个循环进行结构衬砌，防止软弱的地层发生垮塌，进而保证整个隧道的安全。
为了同时高效地切削一百多平方米的岩体，这台盾构机的总功率达10800千瓦，工作时每小时的耗电量大约相当于一万个家庭的用电量。
它由上万个零部件组成，采用了目前国际盾构机制造领域的前沿技术，具备常压换刀、刀盘伸缩摆动、超前地质预报、超前钻探等功能，堪称全球最为高精尖的隧道施工机械。
针对施工中可能发生的地质环境突变，进而设备上浮与海底段坍塌的问题，工程师们对盾构机进行了有针对性的改良。
通过巧妙的设计，他们将盾构机的刀盘和重心向后移动，这样即使前方岩层突然变软，盾构机也不至于迅速发生下沉。
盾构机切削岩层的过程对于刀盘的损耗很快，而这台海湾号盾构机拥有先进的刀具自动检测功能，可以进行自动的刀具磨损检测和旋转检测，并将数据实时传递到施工人员手中，让使用者定量地掌握刀具的实时状态，甚至可以精确地得知刀具磨损了几个毫米。
当刀具遭到破坏或到达使用寿命时，这台盾构机特有的常压换刀功能可以保障使用者精准、迅速地对每一把刀进行更换。只需要打开刀具的阀门，就可以将备用刀具换上。与此同时，外界的泥水与盾构机内部完全隔绝开，相比起一般盾构机风险极高的带压换刀操作，既安全又便捷。
此外，这台盾构机的刀具还可以进行前后伸缩和上下摆动，这对于换刀操作的意义重大，可以让整个换刀操作严丝合缝，极大地提高效率。
在盾构机前方施工的同时，后方的隧道也在同步成型。在衬砌搭建的同时，一条隧洞后面的三条行车道也在同步修建。开挖和清淤的工作完全由机械完成，工作人员则从繁重的体力劳动中被解放了出来，只需要在主控室进行监控，并在盾构机中进行必要的操纵即可。
从开挖到铺路，全套流程一气呵成。
这台笨重的盾构机还粗中有细。它的超前地质预报和超前钻探功能，可以通过超声波对盾构推进的前方40米处的地层提前进行掌握。如果有恶劣的地质环境，比如孤立岩石、地层硬度突变等，可以让工程师提前做出应对。在一些极端工况下，盾构机还具备“氦氧饱和带压进仓功能”，保障机械的正常使用和人的正常工作。
（四）要让庞大的盾构机进场工作，围堰和始发井修建也是个技术活
盾构机一旦进场，施工进度就会推进得非常快，但想要让这样一台四千多吨重的巨无霸开始工作并不容易。为了让这台130米长的盾构机能够顺利进场工作，工程部需要先在海湾的南岸边修建一处围堰。
