新世纪以来，随着经济社会的快速发展以及城镇化水平的不断提升，我国水下隧道建设如火如荼，越来越多的具有长距离、大直径、大埋深、高水压等特点的水下隧道在我国建成。目前，我国已成为世界上水下盾构隧道工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、建造技术发展速度最快的国家。
水下隧道工程中，一类是海湾线工程，例如厦门翔安隧道、青岛胶州湾海底隧道，都是完全采用钻爆法和浅埋暗挖法修建的大断面双向6车道双洞海底公路隧道，其间攻克了隧道穿越花岗岩强风化槽高压涌水、结构防腐防裂、衬砌混凝土耐久性、建设过程环境保护、多工法作业施工组织等技术难题。另一类是内陆水下隧道工程，例如武汉长江隧道，采用盾构法和浅埋暗挖法两种方法修建的双向4车道公路隧道，工程解决了高水压下盾构密封、刀盘刀具耐久性、上软下硬地层盾构掘进控制、隧道抗浮等技术难题。
（１）海床基岩工程地质与综合地质勘察。修建水下隧道时，在深水和厚覆盖层下有计划地钻探到隧道深度很困难，甚至是不可能的。而其他的地质勘探方法（如物探、地面抽样勘探和深海测量法等） ，目前都不可能给出计划隧道线路上详细的地质剖面。
（２）水下隧道合理覆盖层厚度——隧道最小埋置深度的确定。在城市之间过江，两岸建筑物多时，为少拆迁、少征地，应选最小埋置深度。当跨越大海，两岸可以自由展线时，应考虑深埋，以规避地质和道床深浅的风险。在进行隧道纵剖面设计时，对隧道上方岩体最小覆盖层厚度，即隧道最小埋深的拟选，密切关系到隧道建设的经济和安全问题。覆盖层厚度过薄，隧道施工作业面局部或整体性失稳与涌、突水患的险情则会加大，在辅助工法（如注浆封堵、各种预支护及预加固等）上的投入将急剧增加。覆盖层过厚，水下隧道长度加大，但风险减少，衬砌水量少，压力大，可按排水设计减压。
（３）隧道掘进方法与掘进设备。一般来讲，修建较长隧道的最佳方式趋向于采用隧道掘进机和钻爆法分段施工，它有较高的掘进速度，可缩短工期。在软岩地层，可用钻爆法、浅埋暗挖法开挖。TBM则可用于开挖硬岩，而开敞式TBM具有软硬均可施工的特点。气垫式泥水盾构是不稳定软土施工的首选形式。
（４）衬砌荷载的确定。水下隧道设计的另一个重要问题是衬砌设计时要考虑静水荷载。与陆地隧道相比，水下隧道除了承受实际覆盖层的压力以外还有很高的静水荷载。隧道盾构实际上只能采取预制的管片衬砌，对很深的水下隧道，尽管荷载均匀，并且不会引起弯矩，但会产生很高的静水压，衬砌上的荷载会很大，要求采用的混凝土管片厚度大于600mm。在很长的水下隧道中，庞大而笨重的管片运输与装卸非常麻烦。另外，衬砌是由多块管片拼装而成，每一块管片接头处就是一个铰，形成多铰衬砌，属不稳定结构，当衬砌水平部位没有地层抗力时，盾构若产生偏心荷载会失稳塌散，因此，应施作二次整体式混凝土衬砌。因此，应尽可能降低管片上的静水压力。
（５）施工探水与治水技术。施工探水与治水是水下隧道施工的重要环节，是关系到工程建设成败的主要因素之一。
（６）地质超前预报技术。由于地勘资料的缺失和不足，水下隧道施工需通过以超前钻孔为主的各种地质超前预报技术预报前方的地质情况，以便指导设计和施工，并及时调整隧道设计施工方案。通常应设服务导洞先行，提前预报。
（７）耐腐蚀高性能海工混凝土。海洋大气和水环境使隧道衬砌钢筋混凝土长期受到含盐水质、生物、矿物质、高水压等的持续作用，锚杆、喷层、防水薄膜和高碱性混凝土与钢筋等材料因物化损伤的积累与演化（腐蚀）而影响其耐久性。
（８）超大型盾构机长距离掘进设计与施工的若干关键问题。超大型盾构机长距离掘
进设计与施工存在的问题有：①饱水松散砂性地层、高水压条件下，大断面隧道浅层掘进，泥水加压超大型盾构开挖作业面的稳定与安全性问题；②长距离掘进，盾构机行进姿态的控制与自动化纠偏，以及行进中的刀盘检修、刀具更换、故障处理与排险；
③隧道纵向不均匀沉降和整体侧移，超大型管片接头刚度不足导致环向弯曲变形过大，防范管片纵缝、环缝渗漏接头防水密封材料、工艺及其构造，以及管片自防水工艺等。
（９）对桥隧结合方案，模筑人工岛的设计和施工方案、工法等的研究。
钻爆法施工对山岭隧道来说，是一项非常成熟的施工方法，在各种复杂的条件下，有许多成功的先例。此法应用于水下隧道工程，也成功地修建了多条越江（河）隧道，例如：目前我国正在建设的海底隧道——厦门翔安公路隧道、青岛的青黄海底公路隧道、浏阳河公路铁路隧道等均采用钻爆法施工。水下隧道地质情况复杂，施工难度较大，需要在施工前广泛调查国内外水底铁路隧道的施工状况，并结合工程特点，研究分析施工中遇到的一系列关键性技术问题。限于篇幅，本小节仅对水下隧道的突涌水防治对策、断层破碎带的穿越技术、水下长大隧道快速掘进技术进行简述。
（一）突涌水防治对策
水下隧道一般选择工程地质条件较好，海域部分基本位于微风化花岗岩地段，不良地质段所占比例较少，但难免会穿越风化深槽，在施工中有发生坍塌和突涌水的可能。依据隧道水文地质和工程的特点，主要工程风险在于施工期间坍塌、高压突涌水发生在海域段深槽的情况。隧道通过潮间带、断层破碎带及海底风化槽时，上覆土层较浅，岩层软弱破碎，一旦施工扰动过大，隧道顶部高水压容易将隧道覆盖层击穿，从而发生坍塌、突水、涌泥。而水下隧道与一般山岭隧道最显著的差异就是涌水源是无限的海水，所以必须止水。因此，应对软弱地层进行预加固等防治技术研究。从类似条件隧道的施工经验看，应重点研究全断面注浆、帷幕注浆、径向注浆等注浆方案的实施条件、材料、参数、工艺、机具设备及效果检验和评价标准。此外，还应研究控制爆破技术、爆破震动控制标准，结构受力和变形规律、安全基准及控制措施。
（二）断层破碎带的穿越技术
在海底岩层中穿越的隧道工程，勘测、定位和选线受到的限制很大，故其穿越断层破碎带的几率大，数量也多。海底隧道都是处于地面水系之下，地下水富存，断层破碎带若与其上或其附近的水系相通，随时都有可能给工程带来淹没、塌通、涌水，或形成泥石流的危险。危险一旦发生，轻则给工程进展造成影响，重则将使工程的安全和施工人员的生命受损。如日本丹那隧道，在1925 年12月施工时遇到高压涌水，水压达21km/cm2 ，并夹带泥石流，花费了42个月之久才突破险关。日本青函隧道发生过4次较大塌方涌水事故，最严重的一次于1976年5月6日发生在北海道侧平行导坑内，由凝灰岩断层破碎带内的高压水引起，涌水量高70m3/min，经修挡水墙、压浆堵水封断水源，而后又开挖迂回坑道，用了5个月的时间才绕过了涌水段。因此，断层破碎带的穿越，是钻爆法在海底隧道工程施工的关键。
钻爆法在其他地层的施工和在山岭、地铁等领域的施工技术大同小异，而由于水下隧道的特殊风险，在穿越水下断层破碎带时，其安全通过的技术显得尤为关键。
穿越水下断层破碎带，主要就是断层破碎的支撑、加固堵水的问题。目前，国内外经常采用的方法是强行穿越法、注浆法、冻结法和其他辅助方法。另外，还应增设辅助导洞、迂回导洞将水排出，边注浆、边排水，给正洞创造施工条件。
水下隧道中水域、海域占大部分，如果仅从水下隧道出入口两端向中间施工，作业时间长，总体进度慢；有条件的话，则可在两岸陆域和海域结合部增设工作竖井或斜井，以增加施工工作面，从而缩短整个工程施工时间。
目前，单线铁路隧道在围岩条件较好时，采用钻爆法施工时速度能达到单工作面15～250m/月；围岩地质条件较差时，每月只能掘进到100m左右。因此，在水底、海底复杂地质情况下，长大隧道施工时应考虑快速施工。
常规的隧道快速掘进施工方法是：一般利用平行导坑小断面快速掘进，在超前正洞一定距离后，以横通道的方式拐入正洞开创新的工作面，新的工作面可以全断面的方式进行正洞掘进，亦可以小断面的下导坑快速掘进，然后进行全断面扩挖。由于扩挖与下导坑属于平行作业，小导坑掘进不占用循环时间，扩挖时钻眼量少，使得循环时间短；另外，更重要的是小导坑为扩挖部分创造了良好的临空面，不需要掏槽，可以说，爆眼有多深，进尺就有多深，爆破利用率可达到100％，爆破震动速度可降低30％。故使用扩挖法时，隧道掘进速度比全断面法掘进要快２～2.5倍以上。
快速掘进还需要在施工中运用光面爆破技术控制超挖量、配备大型凿岩机械、高效率的装运机械、大容量喷射机及装、运、衬设备，同时应加强围岩与支护结构受力变形监测，并建立反馈体系，可以实现信息化快速施工。
水下隧道在钻爆作业中要谨慎小心，以防因爆破震动破坏围岩而出水，同时还应设法组织快速施工，以挽回注浆加固围岩或治理突水造成的工期损失。
（一）盾构机的选型
水下隧道施工，盾构机选型应根据工程的围岩条件、隧道断面大小、隧道长度、隧道线路、隧道埋深等条件来定，但盾构在其施工区间可能会遇到各种复杂多变的条件，因此必须事先对这些条件进行详细的调查，选用耐久性好、施工方便、安全性和经济性优异的盾构机。
盾构机的选择及其施工的可靠性，包括保持开挖面的稳定、切削刀盘的种类、出土方式、主轴的扭矩、推进能力以及最为关键的盾构机的密封性能等方面，均应认真对待。可以说，盾构机选用正确与否是工程成败的关键。气垫式泥水盾构是水下隧道施工常用的盾构类型。
（１）认真研究工程地质和水文地质条件，针对工程特点，明确工程施工对盾构机性能和功能的要求，盾构机设备配置必须考虑突发事故的处理。
（２）通过补充地质勘探，进一步查明盾构隧道特别是过水段的地层特性、水底覆土厚度等地质条件，为盾构机选型提供尽可能详实的地质资料。
（３）针对过水下地段软硬不均地层，并借鉴以往盾构隧道软硬不均匀地层掘进时刀具磨损的经验，重点做好盾构刀盘和刀具的设计，争取在过水下段不换刀。若换刀，设计应有一半以上刀具可以在后部抽换，不需要高压下换刀。
（４）盾构机必须具有可靠的舱压选择、控制、调节性能，通过与泥浆系统的配合，很好地实现泥水平衡，确保开挖面稳定下的顺利掘进。
（５）盾构机必须配备、超前地质钻机等设备，最可靠的办法是增设服务通道进行超前地质预报，防患于未然。
（６）加强对国内外有大断面（11ｍ以上）泥水平衡和复合式盾构机制造厂商的调研和比选，选择最优的厂家制造。
（７）为满足长距离及穿越水下掘进要求，盾构机各系统、各部件必须有较高的可靠性，且故障少，维修方便，使用寿命长。
（二）高水压下泥水盾构掘进技术
盾构隧道在穿越江河或海底时，隧道的静水压力通常很大，盾构机在高水压下施工，给施工增添了许多难度。因此，盾构机自身的密封系统性能良好是隧道安全施工的重要保证。此外，还应选择合适的泥水压力和掘进参数，制订可行的隧道防水方案，选择合适的注浆方案和浆液配比，防止盾构在掘进过程中出现顶部及周围土体坍塌、隧道上浮等，保证盾构隧道的安全施工。当盾构机穿越的土体为砂层时，更应该根据具体的土层性质及地下水压力的大小选择合适的掘进参数，并制订有针对性的措施，防止掌子面前方土体在高水压作用下发生土体坍塌甚至流沙等一系列工程事故。
（三）盾构隧道防浮技术
盾构在超高水压区掘进时，由于隧道受地下高压水及泥浆的包裹，隧道将在较长时间内处于悬浮状态。同时，由于同步注浆浆液的初凝时间较长，注浆压力控制不当，浆液随地下水窜入建筑物外围地层中，从而造成隧道上浮。
（１）施工期间严格控制隧道轴线，使盾构正确沿着设计轴线推进，每环均匀纠偏，减少对土体的扰动。
（２）提高同步注浆质量，要求浆液有较短的初凝时间，使其遇泥水后不产生劣化，并要求浆液具有一定的流动性，能均匀地布满隧道一周，及时充填建筑空隙。
（３）在同步注浆的基础上，结合聚氨酯注浆在隧道周围形成环箍，每隔10～20m打一道环箍，使隧道纵向形成间断的止水隔离带，以减缓、制约隧道上浮，从而防止隧道变形。
（４）加强隧道纵向变形的监测，并根据监测的结果进行有针对性的注浆纠正。如调整注浆部位及注浆量，配制快凝及提高早期强度的浆液。
（５）当发现隧道上浮量较大且波及范围较远时，应立即采取对已建隧道进行径向1m范围内的注浆措施，以割断泥水继续流失路径。补压浆要求均匀，压浆后浆液成环状。一般补压浆可采用单液水泥浆与聚氨酯相结合的注浆方法，注浆范围为5～10环。径向注浆要及时，对稳定管气，提高管片强度很有效果。
（６）为了正确观测隧道纵向变形，正确地判断隧道是否稳定，可采用连通管进行纵向变形监测。
（四）大型盾构长距离掘进技术
一般盾构掘进距离超过1.5km左右时，需要作为长距离施工来进行考虑。另外，在提高施工设备效率的同时，为了确保施工的安全，有必要加强施工，提高管理效率。
（１）进行长距离施工时，必须根据地层、盾构形式、施工条件等，尤其是针对刀盘、刀具、轴承密封、盾尾密封、送排泥输送管等，充分研究盾构的耐久性。
（２）为了确保盾构的耐久性，防患于未然，必须进行适当的维护保养。对刀具磨耗进行管理，一般是通过预测刀具或探测磨耗量来进行保养。刀具的磨耗探测方式有油压式、电气式、超声波式等。轴承密封和盾尾密封能够进行检测填充润滑油脂的压力及轴承密封温度的管理系统。
（３）在长距离施工中，经常会遇到必须更换刀具或盾尾密封的情况。刀具的更换必须在预先计划路线上的地点或中间竖井进行检查、更换，并采用易于更换的结构。对于盾尾密封，要考虑意外事件，除了最外侧的密封外，其他几层应采用在施工中易于更换的结构。
（４）长距离施工时，由于渣土的运出往往制约推进的进度，因此对运出能力等必须进行充分的考虑。
（５）长距离施工时，必须增加实际作业时间，必须确保有洗手间、休息场所等安全卫生设施。
（６）在饱水松散砂性地层、高水压条件下，大断面隧道浅层掘进，要考虑泥水加压超大型盾构开挖作业面的稳定与安全性问题。
（７）长距离掘进，盾构机行进姿态的控制与自动化纠偏，以及行进中的刀盘检修，刀具更换，故障处理与排险。
（８）隧道纵向不均匀沉降和整体侧移、超大型管片接头刚度不足导致环向弯曲变形过大，防范管片纵缝、环缝渗漏水／泥的接头防水密封材料、工艺及其构造，以及管片自防水工艺等。
沉管隧道作为一种19世纪末到20世纪初逐步发展起来的一种修建水下隧道的新工法，常用于跨越江、河、港湾与海峡等类型水域。国外已修建了大量的沉管隧道，我国初涉该领域，市场前景广阔。沉管隧道的关键修建技术主要包括以下几个方面：管节制作重度与精度控制技术、管节温度应力与裂缝控制、水下基槽稳定性及施工、管节接头防水施工、管节浮运沉放及精确对接、基础处理和最终接头施工等。
一般来讲，采用隧道掘进机修建海底隧道可以获得快速、安全的效果，采用掘进机法施工的关键技术有如下几个方面：
（一）硬岩隧道的掘进技术
全断面隧道掘进机已经用于很多海底隧道。开敞式TBM具有很多优点，它能适应各种不同地层。尽管这样，仍然还有许多困难和挑战需要隧道工程师们去克服。
有关钻爆法与隧道掘进机的优缺点的对比，现在仍在继续。虽然，对在硬岩中的长隧道来说，采用全断面隧道掘进机也许更为有利，但其成本可能会增加。硬岩中的长大隧道，对掘进机大轴承及它们的密封系统要求很高，在掘进中途，可能需要为掘进机的重大拆换修理做特殊准备。
在有较多裂隙的岩石中，水也许会成为问题。在有多孔隧道的工程中（例如跨诺桑伯兰海峡隧道），修建另外一条导洞可能会有很大的好处，这在英法海峡隧道的服务隧道中实施灌浆取得成功的实例中得到了充分证明，从而使运行隧道中的掘进机能够快速穿过一些曾被认为是有困难的掘进地段。
（二）软岩隧道的掘进技术
在这种情况下，对掘进机最重要的要求是：
（１）切削头及其刀具的设计要有能对付多变的地层条件（如砂和卵石地层、冰碛层以及大漂石等，这些地层还可能在一个混合掌子面上出现或与整体硬岩结合的情况）的能力；
（２）密封件的设计，要具有防止渗染和耐磨的材料进入关键位置内（如掘进机的一些轴承）的能力。
（三）掘进机施工中的地层改良技术
地层改良技术，如局部降水、渗透或压密灌浆，是对诸如工作面前方和横通道之类的附属工程施工的主要辅助手段。地层改良技术作为改善隧道掘进条件的一种手段，是一种强有力的手段，而且也得到了合理的使用，它解决了技术上的问题，并保证了施工安全。因此，采用开敞式ＴＢＭ＋超前管棚的预支护＋喷混凝土、钢拱架、环向锚杆（管）模式的后配套措施是保证掘进机施工安全的主要措施。
青岛市地处山东半岛西南部，环抱胶州湾，南临黄海，是我国对外开放的主要港口城市。青岛与黄岛被海湾相隔，黄岛急待开发，隧道修建前靠环胶州湾近70km联结，非常不便，桥、隧方案对比10年有余，最后确定采用隧道方案，这样不会影响大自然海域。青岛胶州湾湾口海底隧道南接黄岛区的薛家岛，北连青岛老市区团岛，下穿胶州湾湾口海域。项目总投资31.86亿元（不含城区接线工程），其中土建工程投资23.49亿元，拆迁及征地等其他费用5.1亿元。隧道工程全长6170ｍ，其中隧道长5550ｍ，穿越海域段为3300ｍ，两端敞口段长620ｍ。隧道采用双向双洞6车道，中间设服务隧道，采用钻爆法施工。隧道按80km／h的行车速度设计，使用年限为100年，工期为3年。隧道断面为椭圆形，主隧道开挖断面高11.2~12.0ｍ、宽约15.23~16.03m，隧道纵断面呈V形，最大纵坡为3.5%，右线路面最低点高程为-74.14m、左线为-73.69m，至海底面44.5m，隧道的最小埋深为25m，海域段主隧道埋深一般为20~30m。青岛胶州湾湾口海底隧道处无覆盖层，基岩为中风化和微风化花岗岩，而且强风化层很薄，岩石完整性好，是建设隧道的最理想位置。胶州湾隧道行车隧道为左右线设置，左右线隧道中线间距为55m，在左右线隧道间平行设置服务隧道（接线隧道不设置服务隧道）。行车隧道毛洞洞高12.2m，洞跨16.125m；服务隧道毛洞洞高7.35m，洞跨7.1m。毛洞开挖后行车隧道与服务隧道之间的最小净距为15.884m，小于行车隧道的洞跨16.125m，根据相关规范规定为小净距隧道。较之标准分离式隧道，小净距隧道开挖支护的相互影响作用剧烈，应力重分布更加复杂；再则，海底隧道的地质荷载条件比山岭隧道复杂得多。
青岛胶州湾隧道是连接青岛市主城与辅城的重要通道，为城市快速路隧道，该隧道的建设从根本上解决了“青黄不接”的问题，大大改善了西部投资环境，有利于加速发展新区经济，实现新、老港区的优势互补和整体效益的提高，是实现青岛市发展成为现代化国际大城市的基础。其工程建设规模宏大，社会影响深远。
本工程段围岩级别变化频繁，IV、V级围岩比例较大，围岩情况变化频繁。并且隧道多次穿越断层（裂）破碎带，其中大多数出现在海域段。因其多数沿张裂隙侵入，故其接触面附近存在岩石软化带，隧道通过沿岩脉裂隙贯通性很易引发突泥、涌水等地质灾害。
隧道施工存在长距离穿越地表建筑物、洞口小净距施工、海域段过断层（裂）破碎带预注浆等问题，施工中采用双侧壁导坑法、CD法、导洞超前大断面开挖方法、台阶法等多种施工方法，且工法转换次数较多，这些都将会制约施工进度。施工探水、治水、防坍等各种辅助施工会经常中断正常工序循环，影响了综合进度指标的提高，加大了组织和协调难度。青岛段由于拆迁、占地困难、拖延近一年时间影响开工，对黄岛开发、国家发展滞后很大，历史将予记载。采用复合式衬砌，初期支护由喷混凝土钢筋网，钢拱架锁脚锚杆组成，取消了顶部锚杆，两层衬砌之间设防水层和系统盲管组成的排水系统。
本工程隧道结构设计使用年限为100年，设计防水等级为一级防水，即不允许渗漏水，结构表面无湿渍。隧道二次衬砌结构设计采用C50耐久性混凝土，初期支护喷射混凝土设计采用C35高强度等级防渗喷射混凝土，高防水等级设计反衬出多重防水结构施工的高要求。
本工程隧道围岩级别变化频繁，施工采用双侧壁导坑法、CD法、下导洞超前大断面法、台阶法等多种施工方法，以及超前小导管、超前自进式管棚、全断面帷幕注浆、局部注浆、径向注浆等多种辅助施工措施。为降低地质风险，施工中还将采取施工地质调查、TSP探测、高分辨直流电法、红外探水、地质雷达、负视速度法、超前探孔等综合地质预测预报技术，多种工法、辅助措施应用广泛。
海域段有多处断层（裂）破碎带，断层（裂）带内岩体强度低，自稳能力差。在这些不良地质地段，存在渗透破坏、发生突涌水或隧道坍塌的可能，施工风险巨大。隧道埋深在国内外用钻爆法施工覆跨比等于２是最小埋深的风险工程，这是技术水平要求最严、最难、最高的工程。
本工程主隧道和服务隧道独头掘进距离比较长，存在高扬程反坡排水和长距离施工通风问题。反坡排水任务非常重，需要间隔设置抽排设施，以满足施工排水和突发情况之下的应急排水需要。
本工程设计采用大量多重防腐锚杆、Ｔ７６ｓ迈式自进式管棚、聚丙烯纤维喷射混凝土等新型材料，需要配备相适应的配套设备。相对于本工程较高的质量、安全、进度目标，隧道开挖、支护、预注浆、出渣运输等施工作业均需采用大型机械化配套设备进行施工，以满足要求。
本工程地处国家优秀海滨旅游城市青岛，风景优美，地域特色明显，施工海域内生活着文昌鱼等多种海洋物种，工地紧靠薛家岛风景区，对施工环保要求高，是不破坏原貌的最美丽的工程。
（二）工程重点与难点
本工程重、难点主要集中于工程及水文地质分析判定、隧道下穿地表建筑物保护、隧道穿越海底断层（裂）破碎带的施工、隧道突泥涌水防治、隧道结构耐久性施工、施工通风、结构防排水施工、小净距隧道施工、施工工期、环境保护10个方面。
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