先鋪法基床整平在沉管隧道中的應(yīng)用及發(fā)展

馬宗豪，宋江偉

0 引言

沉管隧道的基礎(chǔ)處理在保證隧道施工期和運(yùn)營(yíng)期的變形穩(wěn)定中非常重要。先鋪法碎石基礎(chǔ)可以解決基礎(chǔ)沉降變形過大的問題，大大增強(qiáng)軟弱地基的承載力，同時(shí)還能起到排水及加速下部土層的固結(jié)和沉降，有效保證地基穩(wěn)定性。

從整個(gè)沉管隧道施工發(fā)展過程看，日本、前蘇聯(lián)和英美各國(guó)從20世紀(jì)60年代中后期就開始了沉管技術(shù)的研究。而我國(guó)沉管隧道的發(fā)展起步比較晚，從20世紀(jì)70年代中后期才開始，而且整平設(shè)備比較落后，設(shè)備的更新?lián)Q代比較遲緩。但國(guó)內(nèi)外沉管技術(shù)發(fā)展的方向基本都是一致的，主要集中在3個(gè)方面：改進(jìn)拋石工藝和機(jī)械以提高拋石質(zhì)量；研究新的水深測(cè)量和質(zhì)量檢測(cè)方法；研發(fā)新型水下拋石整平設(shè)備提高作業(yè)效率。

通過查閱資料可知，國(guó)內(nèi)外的整平設(shè)備從結(jié)構(gòu)形式上基本可分為框架式整平機(jī)、坐底式整平船、平臺(tái)船式整平機(jī)、步履式整平機(jī)和平臺(tái)式深水拋石整平船等，這些設(shè)備基本上都采用先鋪法基床整平技術(shù)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外已建設(shè)的上百座沉管隧道基礎(chǔ)處理方法統(tǒng)計(jì)[1-2]，先鋪法占已建隧道的28%，噴砂法占18%，壓砂法占17%，灌砂法占16%，其他基礎(chǔ)處理方法占21%。由此可見，先鋪法占的比例最高，這也是沉管隧道基礎(chǔ)處理方式未來發(fā)展的大趨勢(shì)。

1 世界沉管隧道的發(fā)展史

沉管技術(shù)的研究始于1810年，直到1896年美國(guó)首次利用沉管法建成穿越波士頓港的運(yùn)水隧道和1910年在美國(guó)建成底特律水底鐵路隧道才宣告沉管法的成功誕生。荷蘭于1942年首次建成位于鹿特丹的maas沉管隧道，即世界上首次采用矩形鋼筋混凝土管段建成的沉管隧道。1959年，加拿大成功采用水力壓接法建成Deas隧道。

隨著沉管隧道關(guān)鍵技術(shù)的突破，沉管法很快被世界各國(guó)普遍采用。美國(guó)的FortMcHenry隧道、荷蘭的Drecht隧道和中國(guó)上海外環(huán)隧道等在隧道建設(shè)史上較為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界已超過150座沉管隧道，最多的國(guó)家為美國(guó)、荷蘭和日本。國(guó)內(nèi)外著名的沉管隧道如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外典型沉管隧道一覽表Table 1 List of typical immersed tunnels both at home and abroad

2 先鋪法整平技術(shù)在沉管隧道中的應(yīng)用案例

2.1 舊金山海底沉管隧道

美國(guó)舊金山海底隧道采用先鋪法整平技術(shù)，碎石基床整平機(jī)的主體是一個(gè)框架式桁架結(jié)構(gòu)，桁架采用浮筒浮于海面。桁架的軌道上安裝軌道臺(tái)車，臺(tái)車下懸吊整平用料的分配箱，下料斗和分配箱之間用料管相連。

整平作業(yè)期間，將整平料從料斗倒入分配箱，拖曳臺(tái)車帶動(dòng)分配箱將整平料均勻地鋪設(shè)在基床頂面上，從而實(shí)現(xiàn)基床整平，如圖1所示[3]。碎石壟高程采用激光和光電接收器進(jìn)行控制，控制精度在依80 mm以內(nèi)。

圖1 舊金山海底隧道碎石基床整平示意圖Fig.1 Leveling plan of macadam foundation for San Francisco subsea tunnel

2.2 香港地鐵過海沉管隧道

1979年建設(shè)的香港地鐵荃灣線尖沙咀至灣仔沉管隧道，整平的最大水深約30 m，沉管隧道長(zhǎng)1.4 km。碎石基礎(chǔ)整平采用先鋪法，基礎(chǔ)整平分2層施工，基礎(chǔ)第1層預(yù)留標(biāo)高300 mm，粗拋整平；第2層為精細(xì)整平，基礎(chǔ)頂面平整度達(dá)依50 mm。

圖2 基礎(chǔ)處理和管節(jié)沉放專用工程船示意圖Fig.2 Sketch map of foundation treatment and special project ship for pipe sinking

整平機(jī)械也有了質(zhì)的飛躍，不再是簡(jiǎn)單的浮筒式整平結(jié)構(gòu)，而是升級(jí)到了初始的船體結(jié)構(gòu)（如圖2所示），此時(shí)的船舶還增加了管節(jié)沉放的功能。

2.3 丹麥厄勒海峽沉管隧道

1996年開始修建的丹麥厄勒海峽大橋沉管隧道長(zhǎng)4.05 km，基礎(chǔ)條件較好，其施工最大水深22 m。該項(xiàng)目碎石基礎(chǔ)整平采用浮式鋪設(shè)平臺(tái)，可在最大波高0.75 m、最大流速1 m/s的條件下實(shí)現(xiàn)依40 mm的基礎(chǔ)整平精度。

基礎(chǔ)整平的基本方式是通過管道直接將碎石輸送至基槽預(yù)定位置，管道的下端配有一套刮板，刮板沿基槽橫向移動(dòng)，使碎石頂部在鋪設(shè)時(shí)處于預(yù)定高程內(nèi)。這個(gè)過程是連續(xù)的，沒有二次整平。

整平設(shè)備已經(jīng)開始集成化，拋石整平管也集成到了多功能船舶上，而且船舶和拋石的定位裝置也和以往的不同，首次采用了GPS海上定位系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 浮式碎石鋪設(shè)平臺(tái)Fig.3 Floating macadam laying platform

2.4 韓國(guó)釜山沉管隧道

韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道全長(zhǎng)約3.3 km[4]，碎石墊層采用先鋪法進(jìn)行施工，分2層進(jìn)行鋪設(shè)，頂層300 mm為精平層?！癒US-ISLANG”號(hào)自升平臺(tái)式深水整平船是為了沉管隧道的基礎(chǔ)施工而開發(fā)的，該船在最大水深48 m，最大水流速度1 m/s的條件下基礎(chǔ)整平精度達(dá)到依40 mm，如圖4所示，該船一次最大整平面積為34 m伊15.6 m。

圖4 KUS-ISLANG號(hào)自升平臺(tái)式深水整平船F(xiàn)ig.4 KUS-ISLANG self elevating platform deepwater leveling ship

該船在結(jié)構(gòu)上有了新的變化，集成化、自動(dòng)化程度較高。拋石整平結(jié)構(gòu)底部有了較大的革新，整平系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)軟硬件相結(jié)合的技術(shù)水平。整平方式也由人工操作轉(zhuǎn)變成了數(shù)控集成操作，整平效率也有了很大的提升。

2.5 港珠澳大橋沉管隧道

港珠澳大橋沉管隧道全長(zhǎng)5 664 m，沉管基床采用先鋪法施工?！敖蚱?號(hào)”整平船[5]采用自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，是專為港珠澳大橋沉管隧道碎石基床鋪設(shè)設(shè)計(jì)建造的專用施工船舶，最大工作水深50 m，在水流速度1.5 m/s的條件下基礎(chǔ)整平精度達(dá)到依40 mm[6]，整平效率相比韓國(guó)釜山整平船大大提升，如圖5所示，該船的鋪設(shè)范圍為51.2 m伊25.2 m（拋石管中心距），最大鋪設(shè)面積為53 m伊27 m，單個(gè)船位鋪設(shè)面積為37.4 m伊24.6 m。

我國(guó)自主研發(fā)的自升平臺(tái)式深水整平船是釜山-巨濟(jì)沉管隧道所用船舶的“升級(jí)版”，主要表現(xiàn)在船舶的結(jié)構(gòu)形式、軟硬件、管理系統(tǒng)和程序等方面，進(jìn)一步提高了整平施工的一體化、自動(dòng)化管理水平。該船舶在2015年進(jìn)行了一次技術(shù)革新，增設(shè)了清淤設(shè)備，成為世界首艘集清淤功能于一體的整平船。

2.6 深中通道沉管隧道（待建）

深中通道是連接廣東省深圳市和中山市的大橋，是世界級(jí)超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程。本工程沉管基床采用先鋪法碎石基床施工方案，根據(jù)工程的需要參建單位擬建1艘新型自升式拋石整平船。擬建船舶主尺寸90.0 m伊66.6 m，作業(yè)水深大于50 m，單船位整平范圍可達(dá)58 m伊44 m。

擬建船舶的拋石管直徑加大至2 m，其升降和鎖緊動(dòng)作通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，升降速度可以達(dá)到1.0 m/min，不需要額外的抱樁鎖緊設(shè)備，機(jī)構(gòu)更加緊湊，動(dòng)作更加簡(jiǎn)單、快速。該機(jī)構(gòu)不但能夠滿足拋石管總成在各種設(shè)計(jì)工況下的自由升降和鎖緊，并且有緩沖機(jī)構(gòu)，能夠緩沖設(shè)備各種作業(yè)過程中的振動(dòng)。行走大車和行走小車的速度最高可達(dá)0.1~5 m/min，采用變頻電機(jī)無級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)。

此船舶建成后將成為世界上迄今為止最大、最先進(jìn)的自升式碎石整平船舶。

3 結(jié)語與展望

從先鋪法整平技術(shù)的發(fā)展歷程看，整平船的拋石工藝和裝備不斷革新，測(cè)控系統(tǒng)和質(zhì)量檢測(cè)方法也在不斷改良，整平裝備的集成化、自動(dòng)化程度、作業(yè)效率和作業(yè)精度不斷提高。

綜上，隨著先鋪法整平工法的不斷革新，整平裝備必將向著“集成化、模塊化、智能化、無人化”的方向發(fā)展。

[1]唐健.沉管隧道基礎(chǔ)處理方法淺析[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2004（3）：67-69.TANG Jian.Analysis of foundation treatment method for immersed tube tunnel[J].Railway Survey and Design,2004(3):67-69.

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[3] 李增軍，王立峰，劉學(xué)勇，等.拋石整平技術(shù)及裝備研發(fā)的典型案例[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2010（S1）：142-147.LI Zeng-jun,WANG Li-feng,LIU Xue-yong,et al.Typical instance of development of leveling technology and equipment[J].China Harbour Engineering,2010(S1):142-147.

[4] 張學(xué)俊，魏紅波，張建軍.韓國(guó)釜山沉管隧道基礎(chǔ)鋪設(shè)整平施工關(guān)鍵技術(shù)[J].水運(yùn)工程，2013（6）：177-182.ZHANG Xue-jun,WEI Hong-bo,ZHANG Jian-jun.Paving and leveling construction technology of immersed tube tunnel founda原tion from Pusan,South Korea[J].Port&Waterway Engineering,2013(6):177-182.

[5] 楊秀禮，邵曼華，徐杰.港珠澳大橋沉管碎石墊層鋪設(shè)船（平臺(tái)）拋石整平總體方案選型[J].施工技術(shù)，2014（11）：17-19.YANG Xiu-li,SHAO Man-hua,XU Jie.The overall scheme selec原tion of rubble leveling for gravel cushion laying shop on Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Construction Technology,2014(11):17-19.

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