沉管隧道管節(jié)預(yù)制工藝比選

吳瑞大，歐政軍

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510231）

修建大型水下隧道主要采用沉管法和盾構(gòu)法[1]。沉管法是先在岸上預(yù)制管節(jié)，然后浮運到指定位置下沉對接固定，進而建成過江隧道或水下構(gòu)筑物的施工方法[2]。采用沉管法施工的隧道稱為沉管隧道，有鋼殼管節(jié)和鋼筋混凝土管節(jié)兩種結(jié)構(gòu)型式。早期修建的沉管隧道多為鋼殼管節(jié)，隨著水力壓接法和管節(jié)防水等關(guān)鍵技術(shù)的進步，鋼筋混凝土管節(jié)逐漸取代了鋼殼管節(jié)，近幾十年修建的沉管隧道大多以鋼筋混凝土管節(jié)為主。管節(jié)是沉管隧道的最基本的組成單元，管節(jié)預(yù)制是沉管隧道工程的重要環(huán)節(jié)。本文介紹了4種不同混凝土管節(jié)預(yù)制方式及工程應(yīng)用實例，結(jié)合港珠澳大橋沉管隧道工程的實際情況，重點分析了沉管預(yù)制干塢法和工廠法的各自優(yōu)缺點和適用范圍，通過深入地比選研究，最后提出港珠澳大橋管節(jié)預(yù)制實施方案。

1 混凝土管節(jié)預(yù)制方式

1942年鋼筋混凝土管節(jié)首次成功應(yīng)用于荷蘭鹿特丹的Mass沉管隧道工程[3]，隨著科技進步，大量施工技術(shù)難題逐漸被攻克，幾十年來混凝土管節(jié)的預(yù)制方式也發(fā)生了很大的變化。根據(jù)預(yù)制場所的不同，目前混凝土管節(jié)的預(yù)制有大干塢內(nèi)一次預(yù)制、干塢內(nèi)分批預(yù)制、工廠化分批預(yù)制、水上浮動預(yù)制等4種方式。

1.1 大干塢一次預(yù)制方式

本方式是在一個大型的干塢內(nèi)一次性完成所有水下管節(jié)的預(yù)制。它只需一次性放水進塢，而無需在塢首設(shè)置重復(fù)開合的闡門。管節(jié)出塢時，拆除塢首圍堰即可將管節(jié)逐段拖運出塢。這種預(yù)制方式所需的干塢規(guī)模較大，占地多，土地使用費高，對環(huán)境和生態(tài)的影響較大。本方式只適用于隧道規(guī)模小，管節(jié)數(shù)量少，土地使用價格低，塢址地質(zhì)條件較差以及不易在干塢內(nèi)放水排水的工程。

我國1995年11月建成通車的寧波甬江沉管隧道就是采用這種方式進行管節(jié)預(yù)制的。該隧道全長3821.98m，為單管單孔雙車道結(jié)構(gòu)，水中共有五節(jié)管節(jié)E1～E5，總長420m（85m+80m+3×85m），管節(jié)全部在隧道軸線南引道處的岸邊設(shè)置的干塢（圖1）內(nèi)一次性預(yù)制。塢底長215m，寬 85m[4]。

本工程管節(jié)之所以采用大干塢內(nèi)一次預(yù)制方式，是因為塢底為流塑狀軟土，隧址的基槽易回淤，且管節(jié)數(shù)量少。為增強塢底地基承載力，防止地基不均勻沉降的影響，除了在管節(jié)預(yù)制基礎(chǔ)范圍的地基進行排水和換土處理外，在預(yù)制管節(jié)時還采取了如下有效措施：采取分段（分8段）澆筑、各段之間設(shè)1m長的斷開段、根據(jù)各段沉降觀測結(jié)果再確定澆筑斷開段的時間，最后各分段連成整體形成預(yù)制管節(jié)。管節(jié)浮運出塢時，將管節(jié)平移至塢內(nèi)組合基礎(chǔ)上，用騎吊法將沉設(shè)船與管節(jié)組成組合體，管節(jié)靠壓載沉沒于水中，并吊在沉設(shè)船下方浮運出塢。出塢時水位必須在高平潮。

1.2 干塢分批預(yù)制方式（簡稱干塢法）

本方式是沉管管節(jié)在干塢內(nèi)分批制造，分批出塢，塢首需設(shè)置能重復(fù)開合的闡門，以滿足塢內(nèi)多次放排水的要求。由于管節(jié)是分批預(yù)制的，因而干塢規(guī)模小，占地少，但建造閘門費用較高；干塢內(nèi)反復(fù)灌水、抽水對干塢邊坡穩(wěn)定性不利；適用于地質(zhì)條件好，管節(jié)數(shù)量相對較多，干塢建設(shè)用地狹窄的工程。

我國1994年1月建成通車的廣州珠江沉管隧道管節(jié)就是采用這種方式預(yù)制的。該隧道全長1238m，為單管4孔結(jié)構(gòu)（4線機動車道+雙線地鐵車道），水中預(yù)制沉管共5節(jié)（E1～E5），總長457m（105m+2×120m+90m+22 m），全部管節(jié)分4批在設(shè)于芳村岸邊隧道軸線上的干塢內(nèi)預(yù)制。由于隧址地方狹窄，只能設(shè)置分批預(yù)制的小規(guī)模干塢，管節(jié)預(yù)制1節(jié)，起浮出塢1節(jié)。干塢寬48m，長105 m，深8.9m，如圖2所示。塢門寬33m，為鋼結(jié)構(gòu)，施工期間塢門須開閉3次及安裝拆除1次。干塢內(nèi)管節(jié)起浮后，在塢內(nèi)平移至隧道軸線，同時開啟塢門，利用塢門外150m處方駁上的液壓絞車拖引出塢浮運[5]。

1.3 工廠化分批預(yù)制方式（簡稱工廠法）

工廠法采用在專設(shè)的廠房內(nèi)進行管節(jié)的工業(yè)化生產(chǎn)，再分批推入干塢，分槽（淺水槽和深水槽）出塢的辦法施工，主要適用于預(yù)制工期緊，工程質(zhì)量要求高，塢址地勢高低不平的工程。

已建的丹麥-瑞典穿越厄勒海峽固定聯(lián)絡(luò)線上的沉管隧道工程就是采用這種方法。該隧道全長3.5 km，隧道由20節(jié)預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)組成，每個管節(jié)重55000 t（178 m×42m×8.5m），橫截面為單管4孔（2孔公路+2孔鐵路）結(jié)構(gòu)，每節(jié)管節(jié)由8段長度為22.25m的管段組成。管節(jié)在丹麥哥本哈根北海灣附近預(yù)制，在專設(shè)的廠房內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)。管節(jié)按橋梁分段灌筑的方式采用鑲合澆注法澆筑，即每一個管段緊靠在前一管段的端部灌筑，并采用了先進的液壓模板系統(tǒng)。當2節(jié)管節(jié)并行預(yù)制完成后，頂推系統(tǒng)將其推入工廠外的無水淺水干塢，然后關(guān)閉淺水干塢的滑動塢門與深水干塢的浮動塢門，并向干塢內(nèi)注水，待干塢內(nèi)的水位達海面以上10m時管節(jié)在淺水干塢浮起，再將管節(jié)絞拉至深水干塢，排水待塢內(nèi)水面降到海平面后打開浮動塢門，將管節(jié)拖運至隧址沉放就位。圖3是厄勒海峽沉管隧道管節(jié)預(yù)制工地的總體布置示意圖。

1.4 水上浮動預(yù)制

上述3種管節(jié)預(yù)制方式均需在岸邊事先建造干塢，干塢占地面積較大，開挖深度達10m以上，還需要存放大量棄泥的地方，建造干塢的費用也較高，約為沉管制造費用的20%以上。此外，在干塢內(nèi)重復(fù)灌排水還會導(dǎo)致周圍地面沉降，給環(huán)境帶來危害。為了克服上述缺點，有建議采用在水上浮動預(yù)制管節(jié)。

早期的鋼殼沉管隧道中就曾采用在船臺上預(yù)制鋼殼后，將鋼殼沿滑道滑入水中成為浮體，在漂浮狀態(tài)下灌筑鋼筋混凝土管節(jié)。這種管節(jié)一般做成圓形，由于鋼殼不拆卸，耗鋼量太，費用高。

1995年，英國工程師在研究了管節(jié)在制造期間的重力和浮力的變化規(guī)律后，建議矩形管節(jié)在水上浮船上制造。該方法是先將浮船錨碇在隧址附近有一定水深（此水深大于管節(jié)漂浮后吃水深度與浮船高度之和）的水面上，然后在浮船上澆筑管節(jié)底板混凝土，再澆筑管節(jié)側(cè)墻混凝土，此時要求澆筑側(cè)墻升高速度比浮船下沉速度要快（即管節(jié)正浮力的增加比管節(jié)重量增加要快）。當側(cè)墻體混凝土灌筑到一定高度時，管節(jié)本身的浮力就可以支持自身的重量而不需靠浮船提供浮力了，這時可將浮船灌水下沉到河底，但在浮船下沉之前應(yīng)先在管節(jié)兩頭安裝封頭板，以使管節(jié)漂浮后不再進水。當管節(jié)漂浮后可將其拖運至隧址處，再澆筑其余側(cè)墻和頂板混凝土，同時將浮船排水后浮升至水面、拖運至原位，準備制造下一節(jié)管節(jié)[6]。

用這種方法預(yù)制管節(jié)可以無需建造龐大的干塢，且不影響周圍環(huán)境，這對于城市中心建造沉管隧道十分有利，而且費用相對較低，但是要求施工水域波浪、水流較小。

綜上所述，這4種沉管管節(jié)預(yù)制方式各有優(yōu)缺點，與沉管隧道的規(guī)模、管節(jié)的數(shù)量、干塢的占地面積、水深和管節(jié)浮運沉放等因素密切相關(guān)，適用于不同的工程項目。另外，管節(jié)預(yù)制方式還對管節(jié)的防水性能、結(jié)構(gòu)強度以及沉管隧道的施工工期、造價、環(huán)保等很多方面影響重大。

2 港珠澳大橋沉管預(yù)制工藝比選

港珠澳大橋位于中國珠江口伶仃洋水域，連接珠江東岸香港及西岸的澳門、珠海，大橋長約35.6 km，大橋軸線自粵港分界線交點向西至珠海、澳門口岸間的主體工程主線全長29.552 km，采用橋隧組合形式，沉管隧道穿越珠江主航道，隧道兩端各設(shè)東、西人工島與兩端橋梁連接。

大橋島隧工程包括東人工島結(jié)合部非通航孔橋、東人工島、沉管隧道、西人工島、西人工島結(jié)合部非通航孔橋，全長7440.546m，其中預(yù)制沉管段長5664m，由33節(jié)管節(jié)組成。

與厄勒海峽、釜山至巨濟接線等國外長大海底沉管隧道的設(shè)計理念類似，港珠澳大橋沉管采用節(jié)段式管節(jié)，標準管節(jié)長180m，由8×22.5m節(jié)段組成，通過后張預(yù)應(yīng)力連接在一起，管節(jié)起浮、舾裝完成后，通過拖輪運到隧道區(qū)，沉放、對接形成海底隧道。標準節(jié)段混凝土方量為3400m3，鋼筋約900 t，沉管隧道橫斷面示意圖見圖4。

港珠澳大橋作為具有空前影響力的跨海通道工程，其工程規(guī)模大，工期緊，難度高，技術(shù)含量高。為滿足沉管120 a設(shè)計使用壽命的要求，實現(xiàn)對大體積混凝土的控裂技術(shù)，國內(nèi)首次采用沉管管節(jié)全斷面一次澆筑工藝，沉管預(yù)制施工工藝的選擇將對工程質(zhì)量、后期建設(shè)和運營產(chǎn)生極其重要的影響。

考慮沉管預(yù)制的擬選塢址、平面布置、工藝技術(shù)、質(zhì)量要求、沉管寄放、工程造價、工期要求和工程風(fēng)險等方面因素，干塢法和工廠法均為合理、可行的管節(jié)預(yù)制備選方案，下面對此兩種工法進行進一步的比選研究。

2.1 沉管預(yù)制廠平面布置

經(jīng)過前期多方面研究論證，確定了珠海市桂山牛頭島為最佳干塢建造地址。根據(jù)干塢法和工廠法的要求，分別進行了總平面布置規(guī)劃，并進行了優(yōu)化。

2.1.1 干塢法平面布置

干塢法平面布置為兩個塢“3+3”塢前寄放干塢型布置，廠區(qū)共分九大功能區(qū)：預(yù)制干塢區(qū)（1號、2號干塢區(qū)）、鋼筋加工區(qū)、鋼結(jié)構(gòu)及預(yù)埋件加工區(qū)、混凝土生產(chǎn)區(qū)、碎石加工區(qū)、材料碼頭運輸區(qū)、沉管寄放區(qū)、生活及辦公區(qū)等設(shè)施。干塢法總平面布置見圖5。

2.1.2 工廠法平面布置

工廠法平面布置為淺塢加深塢“2＋4”的布置方案，包括生產(chǎn)線廠房、淺塢區(qū)、深塢區(qū)、鋼結(jié)構(gòu)及預(yù)埋件加工區(qū)、混凝土生產(chǎn)區(qū)、碎石加工區(qū)、材料碼頭運輸區(qū)、沉管寄放區(qū)、生活及辦公區(qū)等設(shè)施?？偲矫娌贾靡妶D6。

2.2 工藝設(shè)計

根據(jù)港珠澳大橋沉管預(yù)制工程量、工期要求、工效分析及總平面布置，分別對干塢法和工廠法進行了工藝設(shè)計。

2.2.1 干塢法預(yù)制工藝

管節(jié)分批次在干塢內(nèi)進行預(yù)制，每批次為3節(jié)管節(jié)，左右兩個干塢共分11批次輪流出塢。管節(jié)在塢內(nèi)預(yù)制完成并進行一次舾裝及試漏后，利用在干塢布設(shè)的錨點和絞車等設(shè)備，將管節(jié)絞移出干塢，使管節(jié)在塢前寄放區(qū)內(nèi)臨時系泊寄放和二次舾裝。

沉管模板分為側(cè)模、側(cè)模門架、內(nèi)模結(jié)構(gòu)、內(nèi)模支架及導(dǎo)梁五部分組成。預(yù)制場共配置6套模板（6套外模、6套內(nèi)模），即每個臺座設(shè)置1套模板系統(tǒng)。

干塢法主要包括三大關(guān)鍵工藝：鋼筋綁扎工藝、模板裝拆工藝、全斷面澆筑混凝土工藝。

2.2.2 工廠法預(yù)制工藝

沉管工廠化預(yù)制是指按照流水式預(yù)制生產(chǎn)線進行工藝布置，所有預(yù)制作業(yè)在廠房內(nèi)連續(xù)進行，每個節(jié)段在澆筑臺座上全斷面澆筑、養(yǎng)護，達到強度后向前頂推22.5m，空出澆筑臺座，下一節(jié)段與剛頂出的節(jié)段相鄰匹配預(yù)制，直至完成8個節(jié)段，整體頂推至淺塢進行臨時預(yù)應(yīng)力索張拉形成管節(jié)整體，再進行舾裝、試漏、出塢作業(yè)。

工廠化流水施工工藝設(shè)置2條生產(chǎn)線，每條由3個鋼筋綁扎臺座、1個混凝土澆筑臺座、1套鋼筋綁扎模架、1套固定底模、1套內(nèi)模、1套外模及4個鋼筋籠滑移臺車組成。

沉管寄放在深塢區(qū)，共分17批次出塢。

工廠法主要包括四大關(guān)鍵工藝：鋼筋綁扎工藝、模板裝拆工藝、全斷面澆筑混凝土工藝、管段頂推工藝。

2.3 工法比選

與干塢法相比，工廠法的優(yōu)點主要有以下方面：

1）在總平布置方面，由于工廠法分為深塢和淺塢，充分利用了桂山牛頭島階梯形地勢，大大減少了土石方開挖量。

2）在工藝流程方面，工廠法預(yù)制施工都以管段為單位進行，容易形成流水施工。

3）在施工組織方面，所有管段在工廠內(nèi)預(yù)制，不受天氣影響，真正實現(xiàn)了連續(xù)作業(yè)，勞動力需求保持均衡。管段的鋼筋籠全部“離線”預(yù)加工，處于預(yù)制工作主流程之外，加快了施工速度。沉管起浮時不會淹沒鋼筋預(yù)制區(qū)、模板加工區(qū)及混凝土澆注區(qū)等主要功能區(qū)，提高了施工效率。有文獻對厄勒海峽沉管隧道傳統(tǒng)干塢法和工廠法的效率進行了統(tǒng)計比較，認為其工效有了很大提高。

4）在施工質(zhì)量方面，所有鋼筋加工綁扎、模板安裝、混凝土澆筑養(yǎng)護以及孔道灌漿等工作均在室內(nèi)進行，條件可控，施工質(zhì)量好，為提高工程質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

5）在施工成本方面，盡管工廠法在頂推系統(tǒng)、混凝土輸送系統(tǒng)等專用設(shè)備的資金投入上加大了，但是工廠法更流暢的施工組織卻減少了管節(jié)預(yù)制的時間，勞動力成本更低，同時免除了澆注過程中混凝土人工冷卻，允許使用長鋼筋和機械加工，極大地降低了鋼筋用量，減少了氣候?qū)こ探ㄔO(shè)的影響，工程的總體造價相對減少了。

6）工廠法預(yù)制縮短了混凝土的輸送距離，可以達到小于150m，無需使用混凝土運輸車。

工廠法也有一定的缺點：新澆筑的管段在短時間的養(yǎng)護后就要被頂推，管節(jié)在下水前要運送250m左右的距離。該方法在國內(nèi)尚無先例，在國外也僅在厄勒海峽沉管隧道應(yīng)用過，屬于新技術(shù)，存在一定的技術(shù)風(fēng)險。但是只要在施工前期進行一定的研究，解決管段混凝土早期的裂縫控制和頂推系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)風(fēng)險也是可控的。

結(jié)合沉管預(yù)制干塢法和工廠法的平面布置，綜合沉管預(yù)制的技術(shù)要求、質(zhì)量控制、沉管寄放安全、工程造價、工期要求、工程風(fēng)險等方面因素進行深入研究比較，兩種工法主要指標如表1所示。

表1 沉管預(yù)制干塢法和工廠法主要指標比較

3 結(jié)語

本文通過對國內(nèi)、國外多個典型沉管隧道管節(jié)預(yù)制實例的調(diào)研，總結(jié)、分析了大干塢內(nèi)一次預(yù)制、干塢內(nèi)分批預(yù)制、工廠化分批預(yù)制、水上浮動預(yù)制等4種沉管管節(jié)預(yù)制方式的特點和適用范圍。針對港珠澳大橋沉管隧道的工程特點，經(jīng)初步分析，沉管預(yù)制采用干塢法和工廠法兩種工法均是合理和可行的，各具優(yōu)劣。最后重點對這兩種工法在干塢基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本、機械投入、施工質(zhì)量控制、關(guān)鍵技術(shù)的可靠性、工期保障和沉節(jié)寄放安全等方面進行了深入比選，建議港珠澳大橋沉管預(yù)制優(yōu)先選擇工廠法進行施工。

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