沉管隧道技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

陳 越

(港珠澳大橋管理局， 廣東 珠海 519015)

?

沉管隧道技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

陳 越

(港珠澳大橋管理局， 廣東 珠海 519015)

隨著我國城市化進程快速推進，很多大城市集中在江河兩岸或江河入?？诟浇凉芩淼谰哂新裆顪\、通行能力大、線路短、橫斷面形狀選擇靈活、管節(jié)預(yù)制質(zhì)量易于控制和防水效果好等優(yōu)點，使得沉管隧道技術(shù)得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。1)歸納沉管隧道的主要技術(shù)，有隧道位置的選擇原則與建設(shè)條件調(diào)查、幾何設(shè)計、結(jié)構(gòu)與防水設(shè)計、接頭處理、基礎(chǔ)處理、管節(jié)浮運沉放等； 2)從隧道的精細化地質(zhì)勘察、基礎(chǔ)處理、基礎(chǔ)墊層處理和消防技術(shù)等方面，介紹目前世界上建造規(guī)模最大的沉管隧道——港珠澳大橋沉管隧道施工關(guān)鍵技術(shù)，其建設(shè)標志著我國沉管隧道技術(shù)已達到國際先進水平； 3)結(jié)合國內(nèi)外沉管隧道修建情況，總結(jié)沉管隧道工程技術(shù)的發(fā)展趨勢： 規(guī)模不斷增大、環(huán)境適應(yīng)性越來越強、施工裝備水平不斷提升、最終接頭技術(shù)不斷進步； 4)隨著沉管隧道理論設(shè)計、施工工藝和配套工程的不斷發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善，新工程的不斷建設(shè)，以及新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，將推進沉管法隧道技術(shù)再上新臺階。

沉管隧道； 港珠澳大橋； 管節(jié)浮運沉放； 管節(jié)接頭； 地質(zhì)勘查； 基礎(chǔ)處理； 隧道消防技術(shù)

0 引言

水下沉管隧道是由若干在預(yù)制場內(nèi)進行預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼殼與鋼筋混凝土復合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)與混凝土復合結(jié)構(gòu)的管節(jié)，分別浮運到現(xiàn)場，逐節(jié)沉放到水下，在水下將其相互連接并正確定位在已經(jīng)開挖的水下溝槽內(nèi)，其后輔以相關(guān)工程施工，使這些管節(jié)組合成為連接水體兩端陸上交通的載體[1]。從1910年在美國底特律河采用沉管法修建第一座用于交通運輸?shù)乃滤淼浪闫?，沉管隧道已?00多年的歷史，各國已建成具有交通功能的沉管隧道約150座，而且還廣泛應(yīng)用于排水(污)工程、電纜專用水下隧道工程等。沉管隧道的橫斷面和結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生了較大變化，從早期的圓形橫斷面逐步發(fā)展到八角形、方形、矩形和多邊形的斷面形式，從鋼殼結(jié)構(gòu)逐步發(fā)展到鋼殼與鋼筋混凝土復合結(jié)構(gòu)、雙層鋼殼/鋼結(jié)構(gòu)三明治式復合結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式等[2]。

在沉管隧道發(fā)展歷史中有2項大的技術(shù)突破： 管節(jié)水力壓接技術(shù)和砂流法處理基礎(chǔ)墊層技術(shù)。水力壓接是指在管節(jié)拉合后，將相鄰端封墻之間的水體排出，利用水壓力壓緊第1道GINA橡膠止水帶的技術(shù)[3]； 砂流法也稱壓砂法[4]，通過管節(jié)底板預(yù)留孔壓注砂或砂、水泥熟料與水的混合料充填管節(jié)底板與基槽底之間空隙，形成基礎(chǔ)墊層的方法。隨著沉管隧道建設(shè)規(guī)模的增大、應(yīng)用范圍的推廣、技術(shù)的進步和施工裝備的提升，國內(nèi)外各項沉管工程均結(jié)合建設(shè)條件發(fā)展了許多新技術(shù)和新裝備。

1 沉管隧道的主要技術(shù)

由于城市化進程的快速推進，很多大城市集中在江河兩岸或江河入海口附近。沉管隧道具有埋深淺、通行能力大、能較好地與江河兩岸道路連接、提高隧道周邊土地價值等優(yōu)勢。隨著經(jīng)濟活動的急切需要，水下隧道建設(shè)的迫切性不斷提高。在近30年里，我國大陸已建成沉管隧道10座，在建的有2座，還有多座沉管隧道工程正在開展前期研究或準備動工。沉管隧道工程建造技術(shù)覆蓋范圍很廣，主要可歸納為以下方面。

1.1 沉管隧道位置的選擇原則與建設(shè)條件調(diào)查

沉管隧道位置選擇應(yīng)符合城市總體規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃要求，以交通流量作為基本依據(jù)，在廣泛收集氣象和水文條件、河勢(海床)的歷史資料、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、航道條件、水利防洪現(xiàn)狀和規(guī)劃等必要條件的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)和經(jīng)濟比較確定設(shè)計方案。

1.2 沉管隧道的幾何設(shè)計

沉管隧道幾何設(shè)計也即是總圖設(shè)計，包含道路隧道的平面、縱斷面和橫斷面設(shè)計，其一般順序為： 橫斷面—縱斷面—平面[2]。對道路隧道的橫斷面設(shè)計時需確定其建筑限界，建筑限界即是橫斷面內(nèi)的結(jié)構(gòu)不能侵入的限界(包括施工誤差)。汽車通行限界與建筑限界之間的空間供安裝設(shè)備用； 為保證排水的功能，縱斷面設(shè)計時最小縱坡為0.3%，最大縱坡應(yīng)符合使用功能和相應(yīng)的規(guī)范標準。沉管隧道的最低點通常設(shè)置在規(guī)劃航道范圍內(nèi)，采用“V”或“W”縱坡設(shè)計[5]； 在隧道的平面設(shè)計方面，平面曲線原則上不侵入沉管段，可避免因曲線加寬造成的管節(jié)制造和水壓對接困難問題。

1.3 沉管隧道的結(jié)構(gòu)與防水設(shè)計

矩形箱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的管節(jié)長度一般為100～160 m，其長度的確定需結(jié)合隧道的縱坡、管節(jié)浮運沉放方案、沉管段長度、地基基礎(chǔ)條件等因素綜合考慮，以技術(shù)和經(jīng)濟合理為原則。管節(jié)結(jié)構(gòu)按形式可分為整體式管節(jié)和節(jié)段式管節(jié)。整體式管節(jié)是縱向鋼筋貫通整個管節(jié)，作為一個剛體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計； 而節(jié)段式管節(jié)是節(jié)段之間采用變形縫，每個節(jié)段結(jié)構(gòu)作為一個剛體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，在管節(jié)浮運沉放期間采用縱向預(yù)應(yīng)力索將各節(jié)段拉結(jié)成一個整體[6]，節(jié)段式管節(jié)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 節(jié)段式管節(jié)結(jié)構(gòu)(單位： m)

沉管隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計包括橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計、縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗震設(shè)計和結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計。在管節(jié)的縱向設(shè)計中應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)形式、地基剛度變化、地基基礎(chǔ)沉降變形等影響。由于沉管法隧道與其他工法隧道顯著不同的特點，必須進行浮力設(shè)計，浮力設(shè)計的主要內(nèi)容有確定干舷高度和抗浮安全系數(shù)驗算，通過浮力設(shè)計，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終確定管節(jié)結(jié)構(gòu)的高度和外廓尺寸。

防水設(shè)計通常遵循“混凝土結(jié)構(gòu)自防水為根本，輔以結(jié)構(gòu)外防水層，以接頭、接縫防水為重點，多道設(shè)防，綜合治理”的設(shè)計原則。應(yīng)根據(jù)沉管隧道的使用功能要求、構(gòu)造特點、內(nèi)外水壓和施工條件等進行綜合防水設(shè)計。

1.4 接頭處理

沉管隧道的接頭按剛度可劃分為剛性接頭和柔性接頭； 按結(jié)構(gòu)形式可劃分為管節(jié)接頭、節(jié)段接頭、最終接頭和特殊接頭。在20世紀40年代發(fā)明GINA橡膠止水帶之前，管節(jié)接頭均采用剛性接頭，之后普遍采用柔性接頭。柔性接頭的變形和變位隨柔性程度和位置的不同而不同，受力計算應(yīng)結(jié)合各組合工況進行分析，地震工況參數(shù)宜采用地震反應(yīng)分析或模型試驗確定。節(jié)段接頭主要是剪力鍵和止水帶的設(shè)計，重點解決剪力鍵與止水帶之間的相互設(shè)置關(guān)系，以及接頭部位的混凝土澆筑密實度。

1.5 基礎(chǔ)處理

基礎(chǔ)處理是指沉管段的基礎(chǔ)處理和基礎(chǔ)墊層處理。通常水下沉管段對基礎(chǔ)的要求不高，認為沉管段主要是抗浮問題，設(shè)計的重點不是基礎(chǔ)的承載力，而是要重點控制管節(jié)之間以及管節(jié)與暗埋段之間的差異沉降，避免出現(xiàn)超過設(shè)計允許的豎向差異沉降； 墊層的處理方式分為先鋪法和后填法，采用刮碎石的先鋪法已在港珠澳大橋沉管隧道工程中獲得成功應(yīng)用。后填法中的灌砂法、壓漿法也在國內(nèi)多座沉管隧道工程中獲得應(yīng)用，如臺灣高雄沉管隧道基礎(chǔ)墊層采用灌砂法，為提高地震時的抗液化能力，在灌砂過程中，首次將適量水泥熟料摻入砂水混合料中，該抗震措施已得到廣泛的認同。

1.6 管節(jié)浮運沉放安裝

管節(jié)浮運方式有絞拖、浮船塢(或半潛駁)浮運和拖輪拖運等，須結(jié)合工程的建設(shè)條件以及承包人的設(shè)備情況，通過技術(shù)和經(jīng)濟比選確定管節(jié)浮運方案。在沉管隧道工法應(yīng)用的100多年歷史中，管節(jié)沉放曾用過的方法以及機具設(shè)備的種類、形式很多。管節(jié)沉放方案的選擇涉及到承包人擁有的設(shè)備或擬開發(fā)的設(shè)備以及建設(shè)的邊界條件，管節(jié)的安裝精度涉及到作業(yè)窗口的合理選取、設(shè)備性能、承包人對沉放設(shè)備的操控能力和管節(jié)沉放過程中的動態(tài)監(jiān)測水平，還需結(jié)合工程的具體情況進行風險評估，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)的目的。總之，管節(jié)的沉放安裝是一項綜合實力的體現(xiàn)。

沉管隧道的主要技術(shù)還包括管節(jié)預(yù)制干塢的選擇、管節(jié)結(jié)構(gòu)的預(yù)制技術(shù)和水下基槽開挖技術(shù)等。隨著經(jīng)濟發(fā)展的需求，隧道的建設(shè)規(guī)模不斷加大，需要在不同環(huán)境條件下修建沉管隧道，一些原本非關(guān)鍵的技術(shù)也將上升為關(guān)鍵技術(shù)。

2 港珠澳大橋沉管隧道關(guān)鍵技術(shù)介紹

港珠澳大橋沉管隧道是在結(jié)合我國經(jīng)濟發(fā)展需要，汲取國內(nèi)外沉管隧道建設(shè)經(jīng)驗和教訓的基礎(chǔ)上，建造的目前世界上規(guī)模最大的沉管隧道[7-8]。該工程設(shè)計使用壽命為120年，公路等級為雙向6車道高速公路，設(shè)計速度為100 km/h。隧道全長6 704 m，在兩端設(shè)置海中人工島。沉管段總長5 664 m，共33個管節(jié)，包括28個直線管節(jié)和5個曲線管節(jié)，其中標準管節(jié)長180 m，由8個節(jié)段(節(jié)段長22.5 m)組成，橫斷面尺寸為37.95 m×11.4 m，質(zhì)量約7.8萬t。隧道的最大埋深距常水位約47 m，隧道頂至原始海床的回淤厚度達23 m 的縱向長度約3 000 m。

該工程規(guī)模巨大，技術(shù)難題多，試驗研究、技術(shù)研發(fā)、新技術(shù)應(yīng)用貫穿全過程，是我國經(jīng)濟、技術(shù)水平高速發(fā)展的結(jié)晶，也是國家綜合實力的體現(xiàn)。到目前為止，該工程的關(guān)鍵技術(shù)可歸納如下： 隧道的精細化地質(zhì)勘察；海中人工島快速成島；隧道基礎(chǔ)(基礎(chǔ)墊層)處理與沉降控制；隧道管節(jié)沉放施工與施工窗口選擇；大規(guī)模工廠化制造；水下結(jié)構(gòu)止水技術(shù)；沉管隧道大型專用裝備研制；海上施工測量技術(shù)；120年耐久性保障技術(shù)和沉管隧道消防技術(shù)等。本文選擇幾項有一定影響力的關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。

2.1 隧道的精細化地質(zhì)勘察

由于隧道段位于砂層和軟弱地層中，已有的地質(zhì)資料不能滿足超長沉管隧道的設(shè)計要求，因此需要通過補充地質(zhì)勘察獲得更多的地質(zhì)信息，以滿足設(shè)計所需的各種參數(shù)。

該工程采用以CPTU為主、傳統(tǒng)鉆探為輔的勘察技術(shù)。根據(jù)隧道區(qū)勘察技術(shù)要求，現(xiàn)場勘察、室內(nèi)試驗和地質(zhì)報告編寫按照英國標準(BS)及我國香港Geoguide 的要求進行； 對于沒有包括在BS 和Geoguide 內(nèi)的勘察工作，參考國際土力學及巖土工程協(xié)會(ISSMGE)標準或者其他適用的國家標準(如ASTM 和中國標準等)。

隧道按設(shè)計要求補充地質(zhì)勘察，共完成80 個鉆孔。其中，一般原位測試孔39 個，技術(shù)孔41 個。374 個孔壓靜力觸探孔(CPTUs)，22 個孔壓靜力觸探消散試驗孔(CPTUDs)[9]。

CPTU設(shè)備以20 mm/s 的速率進行貫入試驗，同時記錄錐尖阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力和探頭傾角，記錄頻率為2 Hz。該設(shè)備能實時顯示，達到快速、準確地進行地質(zhì)分層。通過地質(zhì)評估確定地質(zhì)分層，形成三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，為軟基處理提供可靠依據(jù)。由于缺乏珠江口區(qū)域采用靜力觸探方式進行地質(zhì)勘查的經(jīng)驗，組織3家顧問咨詢單位進行平行地質(zhì)評估，獲取精細化的地質(zhì)信息。在已沉放安裝的29個管節(jié)中，隧道的最大沉降量和管節(jié)之間的差異沉降量均控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)。

2.2 隧道基礎(chǔ)處理

在海上設(shè)置面積均約10萬m2的東人工島和西人工島，其功能是實現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換的連接。在人工島之間采用沉管隧道進行連通，隧道的縱向呈“W”形狀。港珠澳大橋沉管隧道縱剖面見圖2。

圖2 港珠澳大橋沉管隧道縱剖面(單位： m)

由于隧道穿越人工回填砂層、全新世海相沉積層、晚更新世陸相沉積層、晚更新世海陸交互相沉積層和晚更新世陸相沉積層，為實現(xiàn)沉管基礎(chǔ)剛度的平順過渡，保證施工質(zhì)量，降低施工風險，基礎(chǔ)縱向分區(qū)如下：1)隧道敞開段，降水聯(lián)合超載預(yù)壓； 2)減光段和暗埋段，降水聯(lián)合超載預(yù)壓+PHC樁； 3)島上沉管段首2節(jié)段，降水聯(lián)合超載預(yù)壓+高壓旋噴樁； 4)沉管斜坡段， 擠密砂樁(部分超載預(yù)壓)； 5)沉管中間段，天然地基(局部換填)。沉管段的基礎(chǔ)墊層采用夯平塊石+先鋪碎石形成的組合結(jié)構(gòu)。

沉管斜坡段采用擠密砂樁[10]，形成由一定間距的擠密砂樁與黏土共同構(gòu)成的復合地基，達到增加地基強度、改善地基整體穩(wěn)定性的目的。黏土地基加固主要表現(xiàn)為： 1)由于在黏土中按一定間距做成直徑大且密實的砂樁，從而形成復合地基，增加地基整體的抗剪能力，提高地基承載力并防止地基產(chǎn)生滑動破壞； 2)由于密實砂樁的排水作用，加快了原土體的固結(jié)，減少工后剩余沉降； 3)由于復合地基的作用，可以減小差異沉降。擠密砂樁加固地基的施工步驟見圖3。

圖3 擠密砂樁加固地基的施工步驟

Fig. 3 Sketch diagram of construction process of sand compaction pile (SCP)

擠密砂樁的加固作用因地基性質(zhì)的不同而不同。對于松散砂土地基，砂樁的主要作用是成樁時對周圍砂層產(chǎn)生振密作用以及擠密作用； 對于軟弱黏土地基，主要是置換作用和排水作用。

2.3 沉管段基礎(chǔ)墊層處理

在隧道沉管段(島頭擠密砂樁的堆載區(qū)外)整平碎石層下設(shè)置2.0 m厚水下塊石夯平層，以此來保證整平碎石層的均勻性。整平船施工帶壟溝碎石墊層，墊層設(shè)置V形槽，縱向鋸齒型鋪設(shè)[11]。墊層頂橫向?qū)挾?1.95 m(結(jié)構(gòu)寬37.95 m，結(jié)構(gòu)外緣線兩側(cè)各預(yù)留2 m)，單壟頂縱向?qū)挾?.8 m，V形槽頂縱向?qū)挾?.05 m。碎石壟邊坡坡率按1∶1.5設(shè)計，實際按自然休止角形成。

丹麥—瑞典的厄勒海峽沉管隧道(Oresund Strait)長4.05 km，沉管寬度為38.8 m，施工最大水深22 m，使用了碎石墊層的浮式鋪設(shè)平臺，在波浪最大高度0.75 m、最大水流速度1 m/s的條件下實現(xiàn)了±25 mm的墊層整平精度。在韓國釜山—巨濟沉管隧道施工中，考慮深水拋石整平高程測量及整平墊層質(zhì)量檢測所采用的儀器設(shè)備精度和結(jié)構(gòu)機械誤差產(chǎn)生的累計誤差，采用日本三清建設(shè)株式會社與韓國殷圣建設(shè)株式會社聯(lián)合研制的“KUS-ISLAND”號自升平臺式深水整平船，在最大水深48 m、最大水流速度1 m/s的條件下，墊層整平測量精度達到±40 mm。港珠澳大橋沉管隧道自主制造的抬升式碎石整平平臺[7]見圖4，最大水深在50 m以上，在最大水流速度小于1.5 m/s條件下的墊層整平精度為±35 mm。

2.4 沉管隧道消防技術(shù)

初步設(shè)計階段確定了該沉管隧道應(yīng)確保接頭防水材料在50 MW火災(zāi)條件下的安全性能； 隧道通風采用縱向通風加重點排煙通道的通風方案。在與接頭止水帶廠家溝通后，確定了OMEGA橡膠止水帶的耐溫標準，即溫度≤70 ℃時不超過3 h、溫度≤100 ℃時不超過2 h、溫度≤150 ℃時不超過1 h。通過分析研究，相關(guān)的設(shè)備系統(tǒng)已有相應(yīng)的技術(shù)和產(chǎn)品，隧道消防設(shè)計的關(guān)鍵是接頭的防火、排煙道的排煙口設(shè)置以及逃生門間距確定等。

圖4 港珠澳大橋沉管隧道抬升式碎石整平平臺

Fig. 4 Elevating gravel bedding equipment used in Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel

為了解決特長沉管隧道的消防技術(shù)，先后開展6個專題進行深入研究。其中，“離岸特長沉管隧道防災(zāi)減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)”課題通過足尺沉管試驗隧道防火災(zāi)綜合試驗和按RABT溫升曲線開展了高溫耐火試驗，對隧道防災(zāi)7大系統(tǒng)(結(jié)構(gòu)防火、通風和排煙、消防救援、火災(zāi)報警、安全疏散、應(yīng)急標識、中央監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備)進行了全面、系統(tǒng)的綜合性試驗。研究內(nèi)容主要為： 1)火災(zāi)規(guī)模標定； 2)確定火災(zāi)規(guī)模與火災(zāi)場景之間的關(guān)系； 3)測試沉管隧道預(yù)定規(guī)模火災(zāi)下的臨界風速； 4)測試不同斷面處沉管管節(jié)頂板、邊墻、底板的高溫煙流流動特性、升溫速度、持溫時間與溫度場分布。

試驗隧道(見圖5)按照港珠澳大橋海底沉管隧道斷面尺寸1∶1等比例建造，由隧道主體與輔助風道組成，隧道主體長約150 m，內(nèi)凈空14.55 m×7.1 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隧道側(cè)壁上部設(shè)置排煙風道。煙道側(cè)面開設(shè)6組排煙口和3處逃生門。本試驗隧道為目前世界上斷面最大的沉管試驗隧道，配置有隧道通風系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等機電設(shè)施，可開展隧道通風排煙、消防、火災(zāi)場景、人員疏散等研究性和工程應(yīng)用性試驗[12-13]。

圖5 足尺沉管試驗隧道

在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗，通過數(shù)值計算確定排煙道的每組排煙口間距為67.5 m。沉管隧道可較密布置逃生門，但考慮到隧道的使用功能和效果，設(shè)置逃生門的縱向間距為135 m。隧道行車孔結(jié)構(gòu)防火采用外敷防火板(板厚為25 mm)形式，防火板直接安裝在混凝土結(jié)構(gòu)表面，采用膨脹螺栓固定； 接頭位置的防火設(shè)計見圖6，采用允許縱向變形的防火板構(gòu)造形式，內(nèi)側(cè)再設(shè)置陶瓷纖維毯組成防火隔斷。

B為接頭處于正常狀態(tài)時的寬度；b為受溫度變化等因素影響在接頭位置產(chǎn)生的變形量。

圖6 隧道接頭防火設(shè)計(單位: mm)

Fig. 6 Fireproofing design of immersed tunnel joints (mm)

3 沉管隧道工程技術(shù)的發(fā)展趨勢

沉管隧道具有埋深小、線路總長明顯短于礦山法和盾構(gòu)法隧道、橫斷面形狀選擇靈活(可圓可方)、管節(jié)預(yù)制質(zhì)量易于控制、防水效果好等優(yōu)點[14]，使得沉管隧道技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要有以下幾方面。

3.1 建設(shè)規(guī)模不斷增大

采用沉管法在美國底特律河修建的世界上第一座沉管隧道的沉管段只有782 m長; 1970年在美國舊金山建成的海灣地區(qū)快速交通運輸系統(tǒng)(BART)沉管隧道長5 825 m，由58個管節(jié)組成; 1980年通車的比利時亞伯爾沉管隧道橫斷面尺寸為53 m×9.35 m，標準管節(jié)長138 m，沉管段只有336 m長，是世界上最寬的沉管隧道; 2000年竣工的厄勒海峽沉管隧道沉管段長3 560 m，橫斷面尺寸為38.8 m×8.6 m，是由20個管節(jié)組成的公鐵兩用隧道，也是第一例采用工廠法預(yù)制管節(jié)的沉管隧道; 擬建丹麥—德國的費馬恩(Fehmarnbelt)海灣沉管隧道沉管段長17.6 km，最大水深40 m，公鐵兩用，公路為雙向4車道，設(shè)計速度120 km/h，鐵路設(shè)計速度為160 km/h。該隧道橫斷面尺寸為42.2 m×8.9 m，業(yè)主招標推薦沉管隧道設(shè)計為89個管節(jié)，其中79個標準管節(jié)和10個特殊管節(jié)，每個管節(jié)長217 m，將成為世界上規(guī)模最大的沉管隧道。

美國的FortMcHenry隧道、荷蘭的Drecht隧道和我國上海外環(huán)隧道均為雙向8車道，是最多車道的道路沉管隧道。目前處于初步設(shè)計階段的廣東省深圳—中山跨江通道，沉管隧道全長6 845 m，其中沉管段長5 035 m，高速公路標準，雙向8車道，設(shè)計速度為100 km/h。

3.2 環(huán)境適應(yīng)性越來越強

沉管隧道從江河下游或出海口建造發(fā)展到江河中游，能夠在江河較大水流速度條件下進行管節(jié)的浮運沉放安裝，如廣東省佛山市的汾江路南延線的東平河沉管隧道工程和江西省南昌市的紅谷隧道工程，目前均完成了管節(jié)的沉放安裝。

從淺水區(qū)向深水區(qū)發(fā)展，土耳其2008年建成的博士普魯斯海峽隧道為目前最深的鐵路沉管隧道，最大水深達61 m。

荷蘭阿姆斯特丹中央火車站的沉管隧道又是另一項典型案例。為了在擁有100多年歷史的阿姆斯特丹中央火車站下建造地鐵車站(該火車站依河道建成，且房屋的基礎(chǔ)形式均為木樁，要求修建地鐵車站期間必須保持火車站的正常運營)，荷蘭的工程師構(gòu)想出采用沉管隧道的工法在火車站下修建地鐵車站。管節(jié)浮運進入中央火車站的過程見圖7，該工程面臨建設(shè)周期長、施工條件復雜、不可預(yù)見性因素多等挑戰(zhàn)，經(jīng)過10多年的建設(shè)，完成保護歷史建筑物的地鐵車站建造。

圖7 管節(jié)浮運進入中央火車站的鳥瞰詳圖

Fig. 7 Airscape of segment floating into Amsterdam Central Railway Station

隨著海港(海灣)周邊地區(qū)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對大容量交通通道的需求日益增長，采用沉管法建造水底交通隧道更具優(yōu)勢，而跨海通道采用多種工法組合，如橋島隧組合方案，已經(jīng)在丹麥—瑞典厄勒海峽通道、韓國釜山—巨濟通道、港珠澳大橋等工程中得到應(yīng)用和發(fā)展。擬建的深圳—中山通道、大連灣通道、卡塔爾通道也將采用橋島隧組合方案。

3.3 施工裝備水平不斷提升

沉管隧道是一種對綜合技術(shù)水平要求很高的工程，自從20世紀發(fā)明GINA橡膠止水帶，管節(jié)的對接可以采用水力壓接技術(shù)，實現(xiàn)管節(jié)柔性接頭，使隧道的縱向設(shè)計技術(shù)獲得較大突破。其次是后填法基礎(chǔ)墊層技術(shù)的發(fā)明，解決了沉管隧道基礎(chǔ)墊層平整度的問題。但隨著沉管法技術(shù)應(yīng)用范圍的推廣、建設(shè)規(guī)模的增大，為適應(yīng)分部分項工程技術(shù)的組合應(yīng)用，各國均進行了專用施工設(shè)備的研發(fā)，韓國釜山—巨濟沉管隧道的基礎(chǔ)處理采用水下深層水泥攪拌樁，研發(fā)了在基礎(chǔ)墊層上調(diào)整管節(jié)平面精確位置的體外定位微調(diào)裝置(EPS)； 厄勒海峽沉管隧道在滿足環(huán)保要求的條件下，為開挖約200萬m3哥本哈根石灰?guī)r，將“雙子星”絞吸船的鉸刀功率提高到3 680 kW，并增設(shè)橫移絞車； 水下高精度聲吶測量技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了管節(jié)沉放姿態(tài)的控制精確度。

隨著我國沉管隧道工程的增多，施工裝備技術(shù)也不斷創(chuàng)新。在廣州侖頭—生物島沉管隧道工程中，雙向4車道的矩形鋼筋混凝土管節(jié)采用半潛駁進行預(yù)制和運輸。在港珠澳大橋沉管隧道工程中，研發(fā)了隧道基礎(chǔ)處理的擠密砂樁船、基礎(chǔ)墊層施工專用碎石整平船和管節(jié)沉放安裝專用沉放駁等大型專用施工裝備。

3.4 最終接頭技術(shù)不斷進步

早期沉管隧道均采用圓形鋼殼結(jié)構(gòu)，隧道的最終接頭是通過澆筑水下混凝土實現(xiàn)臨時止水，然后連接隧道的結(jié)構(gòu)，將最終接頭做成一個剛度大于或等于隧道結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)段。在矩形結(jié)構(gòu)的沉管隧道中，通常采用封板式的方法，即： 在管節(jié)安放后約2 m縱向長度的最終接頭空間設(shè)置若干鋼支撐，來防止管節(jié)水壓消失后GINA橡膠止水帶回彈，在結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置鋼封板形成施工期間的水密封系統(tǒng)，抽排鋼封板內(nèi)空腔的水體，連接隧道的結(jié)構(gòu)，形成與隧道等剛度的結(jié)構(gòu)段。

在沉管隧道施工環(huán)境的影響下，如隧道的埋深、結(jié)構(gòu)形式、航道的通航要求以及環(huán)保的需求，沉管隧道水下最終接頭的形式得到不斷的發(fā)展。伸縮式的最終接頭已獲成功應(yīng)用，在隧道暗埋段內(nèi)設(shè)置一個可縱向移動的短管節(jié)，當最后一個管節(jié)完成水下安裝后，將該短管節(jié)推出，與已沉放的管節(jié)對接，完成接頭水密封后進行結(jié)構(gòu)處理。日本在20世紀90年代研發(fā)了預(yù)制安裝式的最終接頭方案，大阪南港隧道采用V型楔塊最終接頭，可發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)精確制造技術(shù)和管節(jié)的準確安裝，當V型楔塊最終接頭安放到水下的設(shè)計位置，利用其自身的質(zhì)量壓緊止水帶，達到止水的效果，然后進行管節(jié)內(nèi)的構(gòu)造處理，可大幅減少潛水作業(yè)，在隧道埋深較大的情況下提高了安全性。港珠澳大橋沉管隧道工程目前在研發(fā)新型的V型最終接頭，并期待該新技術(shù)成功應(yīng)用。

4 結(jié)語

隨著一系列沉管隧道關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善，以及在世界范圍的工程實踐與交流，沉管隧道正得到越來越多的重視和應(yīng)用，已在設(shè)計理論、施工工藝和配套工程等方面取得了較大發(fā)展，并逐漸成為修建水下大型隧道的主要工程方案。沉管隧道在我國已顯示出蓬勃的生命力，但需要結(jié)合工程的建設(shè)條件，通過技術(shù)和經(jīng)濟比較確定合理的方案，更需要根據(jù)工程特點開發(fā)新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，通過技術(shù)進步提高沉管法隧道的適用性。準備開工建設(shè)的丹麥—德國費馬恩海灣沉管隧道、深圳—中山通道沉管隧道以及大連灣通道沉管隧道工程具有更大的挑戰(zhàn)性，可以預(yù)見，新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備將不斷涌現(xiàn)，也將推進沉管法隧道技術(shù)再上新臺階。

[1] 陳韶章, 陳越. 沉管隧道施工手冊[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社, 2014. CHEN Shaozhang, CHEN Yue. Construction manual for immersed tunnel [M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2014.

[2] 陳韶章， 陳越. 沉管隧道設(shè)計與施工[M]. 北京: 科學出版社， 2002. CHEN Shaozhang，CHEN Yue. Design and construction of immersed tunnel[M]. Beijing: Science Press, 2002.

[3] 王艷寧, 熊剛. 沉管隧道技術(shù)的應(yīng)用與現(xiàn)狀分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2007, 44(4): 1-4. WANG Yanning, XIONG Gang. Application and state of the art of immersed tube tunnels [J]. Modern Tunnelling Technology, 2007, 44 (4): 1-4.

[4] 楊文武. 沉管隧道工程技術(shù)的發(fā)展[J]. 隧道建設(shè), 2009, 29(4): 397-404. YANG Wenwu. Development of immersed tube tunneling technology [J]. Tunnel Construction, 2009, 29 (4): 397-404.

[5] 陳越. 港珠澳大橋島隧工程建造技術(shù)綜述[J]. 施工技術(shù), 2013, 42(9): 1-5. CHEN Yue.Review on construction technology of tunnel and artificial islands for Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. Construction Technology, 2013, 42 (9): 1-5.

[6] 劉洪洲, 張志剛, 柴瑞, 等. 沉管隧道節(jié)段接頭作用機理及構(gòu)造形式探討[J]. 公路, 2015(4): 27-32. LIU Hongzhou, ZHANG Zhigang, CHAI Rui, et al. Action mechanism and structure types of segmental joint for immersed tube tunnel [J]. Highway, 2015 (4): 27-32.

[7] 徐國平, 蘇權(quán)科, 李貞新, 等. 外海超長沉管隧道設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 公路, 2015(4): 1-7. XU Guoping, SU Quanke, LI Zhenxin, et al. Research on key design technology of extra-long immersed tunnel in open sea[J]. Highway, 2015 (4): 1-7.

[8] 陳韶章, 蘇宗賢, 陳越. 港珠澳大橋沉管隧道新技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2015, 35(5): 396-403. CHEN Shaozhang,SU Zongxian, CHEN Yue. New technologies used for immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Project [J]. Tunnel Construction, 2015, 35(5): 396-403.

[9] 廖建航. 港珠澳大橋島隧工程精細化地質(zhì)勘察管理[J]. 水運工程, 2013(7): 15-18. LIAO Jianhang. Management of fine soil investigation for Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge island-tunnel project[J]. Port & Waterway Engineering, 2013 (7): 15-18.

[10] 林鳴, 梁桁, 劉曉東, 等. 海上擠密砂樁工法及其在港珠澳大橋島隧工程的應(yīng)用[J]. 中國港灣建設(shè), 2012(4): 72-77. LIN Ming, LIANG Heng, LIU Xiaodong, et al. Method for construction of offshore sand compaction piles and its application for island and tunnel project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge [J]. China Harbour Engineering, 2012 (4): 72-77.

[11] 張志剛, 劉洪洲. 公路沉管隧道的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2013, 33(5): 343-347. ZHANG Zhigang，LIU Hongzhou. Development and key technologies of immersed highway tunnels[J].Tunnel Construction, 2013, 33(5): 343-347.

[12] 蘇權(quán)科, 陳越, 柴瑞, 等. 港珠澳大橋1∶1足尺沉管隧道防災(zāi)減災(zāi)綜合試驗研究[J]. 公路交通技術(shù), 2015(5): 97-101. SU Quanke, CHEN Yue, CHAI Rui, et al. Comprehensive experimental study of fire prevention and disaster reduction in 1∶1 full-scale immersed tube tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge [J]. Technology of Highway and Transport, 2015 (5): 97-101.

[13] 蔣樹屏, 張恩情, 郭軍, 等. 沉管隧道接頭構(gòu)件耐火試驗研究[J]. 地下空間與工程學報, 2016, 12(3): 607-612. JIANG Shuping, ZHANG Enqing, GUO Jun, et al. Experimental research on fire protection for immersed tunnel joint[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12 (3): 607-612.

[14] 孫鈞. 論跨江越海建設(shè)隧道的技術(shù)優(yōu)勢與問題[J]. 隧道建設(shè), 2013, 33(5): 337-342. SUN Jun. Study of technological advantages and problems in construction of tunnels crossing rivers and seas[J]. Tunnel Construction, 2013, 33 (5): 337-342.

Application and Developing Trends of Immersed Tunnel

CHEN Yue

(HongKong-Zhuhai-MacaoBridgeAuthority,Zhuhai519015,Guangdong,China)

With the rapid development of urbanization, there are more and more big cities around river shores and mouth of rivers. The immersed tunnel technology has been widely applied and rapidly developed due to its advantages of shallow buried depth, large traffic capacity, short traffic line, flexible choice of cross-section types, easy control of segment quality and good waterproof effect. In this paper: 1) Major technologies of immersed tunnel, i.e. site selection principle and construction condition investigation, geometric design, structure and waterproof design, joints design, foundation treatment and segment floating and sinking, are summarized. 2) The key construction technologies of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel, the largest scale immersed tunnel in the world at present, are introduced in terms of fine geological survey, foundation and foundation layer treatment and tunnel firefighting technology; the project indicates that the China’s immersed tunnel technology has reached the international advanced level. 3) The development tends of immersed tunnel technology, larger scale, better adaptability to environment and improvement of construction equipments and final joint construction technology, are summarized by studying the construction situation of immersed tunnels in China and abroad. 4) Thanks to the progress of theoretical design, construction technologies and their auxiliary projects and key technologies and new engineering construction, the immersed tunnel technology will reach a higher level.

immersed tunnel; Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge; segment floating and sinking; segment joint; geological survey; foundation treatment; tunnel firefighting technology

2016-11-12；

2017-02-23

陳越(1965—)，男，廣東廣州人，2003年畢業(yè)于華南理工大學，管理科學與工程專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，現(xiàn)主要從事地下工程、沉管隧道的技術(shù)管理工作。E-mail： cy@hzmbo.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.001

U 455.46

A

1672-741X(2017)04-0387-07