中國沉管法隧道典型工程實例及技術(shù)創(chuàng)新與展望

李志軍， 王秋林， 陳　旺， 郭小龍

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河　065201)

0　引言

沉管法隧道憑借其埋深淺、地質(zhì)適應(yīng)能力強、兩岸接線短及對岸線環(huán)境影響小等優(yōu)勢[1]，已成為修建跨江越海通道的重要工法，并在國內(nèi)城市水下隧道工程中得到廣泛應(yīng)用。自1910年美國在底特律河用沉管法修建第1座用于交通運輸?shù)乃滤淼榔?，目前全世界已建成的沉管法隧道?shù)量已超過100座。近幾十年來，陸續(xù)建成的大型混凝土沉管隧道工程，進一步拓展了在高水壓、復(fù)雜水流和復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工技術(shù)，能夠跨越更深、更寬闊的河口及海峽水道[2]； 新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，推進了沉管法隧道技術(shù)再上新臺階[3]。諸多專家和學(xué)者針對國內(nèi)外沉管隧道的整體技術(shù)發(fā)展和進步均有較翔實的總結(jié)和探討。

香港在1969—1997年的28年間建成了跨越維多利亞港灣的5座沉管隧道，隧道采用了鋼殼沉管(1座)、預(yù)應(yīng)力混凝土沉管(2座)和普通鋼筋混凝土沉管(2座)工法，采用了先鋪法、噴砂法和砂流法3種不同的沉管法基礎(chǔ)[4]，為沉管法工程發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗?？紤]到其地理位置和工況的單一性，中國內(nèi)陸沉管隧道的建設(shè)以香港沉管隧道為基礎(chǔ)進行了大量的發(fā)展和創(chuàng)新。20世紀(jì)90年代初，中國大陸建成了第1條公鐵兩用通行的沉管法隧道——廣州珠江隧道。截至2017年底，已建成18座沉管法隧道。隨著城市交通的日漸繁榮及城市規(guī)劃的提升，在沉管法隧道修建技術(shù)取得長足進步的今天，沉管法隧道在國內(nèi)呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展。因此，有必要對我國沉管法隧道的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀和創(chuàng)新按施工工藝的差異性進行歸納和探討。

目前，我國沉管法隧道修建技術(shù)在水位比較穩(wěn)定的河道和海灣應(yīng)用較廣，但對于水位季節(jié)性變化大的江河和大風(fēng)大浪海洋環(huán)境下沉管隧道的修建技術(shù)，仍缺少系統(tǒng)性的總結(jié)和施工指南。目前國內(nèi)沉管法隧道技術(shù)發(fā)展主要有2個方向： 一個是傳統(tǒng)的江河沉管法隧道，并逐步從下游往中上游發(fā)展，以南昌紅谷隧道等項目為代表；另一個是向海洋環(huán)境發(fā)展，以港珠澳大橋海底隧道等項目為代表。

1　沉管法隧道關(guān)鍵修建技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

除1972年香港修建的紅磡海底隧道采用鋼殼沉管隧道外，中國沉管法隧道均采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。沉管法隧道關(guān)鍵技術(shù)主要包括干塢建設(shè)、大體積混凝土管節(jié)結(jié)構(gòu)預(yù)制、管節(jié)浮運、管節(jié)沉放及對接、接頭處理、基礎(chǔ)處理及接線工程。

1.1　基槽開挖與航道疏浚

1.1.1開挖方式

沉管隧道基槽開挖與航道疏浚涉及到的地層可能有淤泥、淤泥質(zhì)土、土層、砂和風(fēng)化巖石等?？Ｍ诖仍O(shè)備應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、建設(shè)要求、水域條件、巖土可挖性和環(huán)境條件等影響因素進行綜合選擇。巖石一般可在必要的預(yù)處理后進行挖掘，軟質(zhì)巖石可采用大型絞吸挖泥船、鏟斗挖泥船或抓斗挖泥船進行直接挖掘。常用的挖掘船機如圖1所示。

1.1.2水下開挖檢測

應(yīng)用衛(wèi)星GPS定位技術(shù)，采用單波束和多波束水下聲納掃描儀對基槽及浮運航道水下地形進行大斷面掃測，關(guān)鍵部位采用人工探摸及硬掃測和錄像方式[5]，速度快，精度高，確保少超挖、無淺點。多波束掃測生成的水下地形圖如圖2所示。

(a) 吸砂船 (b) 絞吸船(c) 鏈斗船

(d) 抓斗船 (e) 長臂挖機(f) 水下爆破

圖1水下施工多種船機組合

Fig. 1Multi dredger/machine combination of underwater construction

圖2　多波束掃測生成的水下地形圖

Fig. 2Underwater topographic map generated by multi-beam scanning and detecting

1.2　干塢建設(shè)

干塢是用于預(yù)制混凝土管節(jié)的場所，管節(jié)需要在干塢內(nèi)預(yù)制、存放和一次舾裝，然后起浮和拖運。干塢根據(jù)構(gòu)造類型分為移動干塢和固定干塢2類。其中，固定干塢根據(jù)其與隧址的位置關(guān)系，分為軸線干塢、旁建干塢和異地干塢3種。

1.2.1移動干塢

移動干塢是修造或租用大型半潛駁作為可移動式干塢，在移動干塢上完成管節(jié)的預(yù)制，然后利用拖輪將半潛駁拖運至隧道附近已建好的港池內(nèi)下潛，實現(xiàn)管節(jié)與駁船的分離，再將管節(jié)浮運到隧道位置完成沉放安裝工作。2010年建設(shè)完成的廣州市侖頭—生物島隧道是世界上第1座采用移動干塢建成的沉管法隧道[6]，實現(xiàn)了沉管法隧道建設(shè)史上的重大突破，創(chuàng)造了“隧道船上造”的奇跡，如圖3所示。

圖3　廣州市侖頭—生物島隧道工程采用移動干塢預(yù)制管節(jié)

Fig. 3Movable dry dock adopted in Guangzhou Luntou-Bioisland Tunnel Project for precasting immersed tunnel elements

1.2.2固定干塢

固定干塢分軸線干塢、旁建干塢和異地干塢3類。

1.2.2.1軸線干塢

軸線干塢就是將干塢布置在隧道軸線岸上段主體結(jié)構(gòu)位置。國內(nèi)沉管法隧道大都采用軸線干塢，如廣州珠江沉管法隧道、寧波甬江沉管法隧道、寧波常洪沉管法隧道和天津海河隧道等。主要優(yōu)點有： 將干塢與隧道岸上段相結(jié)合，減少了施工場地的占用，同時岸上段和干塢共用了一部分基坑開挖和支護，可以減少一部分工程費用；管節(jié)從塢內(nèi)拖出后，直接沿隧道縱向浮運，減少了航道疏浚費用。天津海河沉管法隧道軸線干塢布置及實景如圖4和圖5所示。

圖4　天津海河沉管法隧道軸線干塢布置

Fig. 4Axial dry dock layout of Tianjin Haihe River Immersed Tunnel

圖5　天津海河沉管法隧道軸線干塢實景

Fig. 5The scenery of axial dry dock of Tianjin Haihe River immersed tunnel

1.2.2.2旁建干塢

干塢建在沉管法隧道的接線隧道旁邊，將干塢和接線隧道采用坑中坑、深淺坑和并行坑等共坑設(shè)計[7]，可節(jié)約用地和臨建投入，如佛山東平隧道。

1.2.2.3異地干塢

異地干塢是遠(yuǎn)離隧道選擇合適的岸域獨立建造干塢。異地干塢最大的優(yōu)點是岸上段結(jié)構(gòu)、管節(jié)制作以及基槽開挖等關(guān)鍵工序可以平行作業(yè)，從而可以最大限度地節(jié)省工期。上海外環(huán)隧道、香港地鐵沙中線過海隧道(見圖6)、港珠澳大橋島隧工程(見圖7)和南昌紅谷隧道均是采用異地固定式干塢的典型案例。

圖6　香港石澳預(yù)制場

圖7　港珠澳大橋島隧工程桂山島沉管預(yù)制廠

Fig. 7Guishan Precast Yard of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Island Tunnel Project

1.3　管節(jié)預(yù)制

中國已建沉管法隧道均采用鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，目前采用整體式管節(jié)和節(jié)段式管節(jié)2種預(yù)制方法。

1.3.1整體式管節(jié)

中國沉管法隧道大部分采用整體式管節(jié)進行管節(jié)預(yù)制，管節(jié)混凝土采用橫向分層和縱向分段進行澆筑。縱向根據(jù)每節(jié)管節(jié)的長度進行分段，每小段長15～18 m，相鄰兩小段之間設(shè)置1.5 m的后澆帶，見圖8。橫斷面分底板、側(cè)墻和頂板2次澆筑，見圖9。

1.3.2節(jié)段式管節(jié)

港珠澳大橋島隧工程采用的是節(jié)段式管節(jié)預(yù)制。通過采用節(jié)段式管節(jié)和整體式澆筑，盡可能地減少溫度裂紋的出現(xiàn)，使混凝土自身成為永久的防水屏障，不再使用外包材料進行輔助防水[8]。港珠澳大橋島隧工程沉管隧道沿縱向劃分為33段管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180 m，非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長157.5 m，保證了每22.5 m為1個節(jié)段。與國外沉管管節(jié)預(yù)制的不同之處在于，港珠澳大橋島隧工程沉管每節(jié)將縱向臨時預(yù)應(yīng)力保留為永久預(yù)應(yīng)力。港珠澳大橋島隧工程沉管隧道管節(jié)分節(jié)、整體澆筑及頂推如圖10—12所示。

①、②、③代表澆筑順序。

圖8某工程采用的縱向分段管節(jié)及后澆帶設(shè)置示意圖(單位： mm)

Fig. 8Sketch diagram of longitudinal segmentation and post-cast strips used in a project (①, ② and ③ represent sequence of casting) (unit: mm)

圖9上下分層澆筑縱向施工縫設(shè)置沉管管節(jié)橫截面圖(單位： mm)

Fig. 9Cross-section diagram of longitudinal construction joint arrangement for immersed elements by upper and lower layered casting (unit: mm)

圖10　港珠澳大橋島隧工程沉管管節(jié)分節(jié)(單位： m)

Fig. 10Segmentation of immersed tunnel elements of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project (unit: m)

1.4　管節(jié)浮運

軸線干塢一般采用干塢、兩岸絞車及水上工作平臺絞車方式，將沉管浮運至對應(yīng)的沉放位置直接進行沉放。當(dāng)水流流速過大時，可適當(dāng)增加拖輪等進行吊拖或頂拖。管節(jié)浮運如圖13—15所示。

圖11　港珠澳大橋島隧工程沉管管節(jié)整體澆筑

Fig. 11Monolithic casting of immersed tunnel elements for Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project

圖12　港珠澳大橋島隧工程沉管管節(jié)頂推完成

Fig. 12Completion of incremental launching of immersed tunnel elements for Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project

圖13　寧波常洪隧道管節(jié)浮運

圖14　寧波甬江隧道管節(jié)浮運

1—管段； 2—方駁； 3—液壓絞車； 4—頂推拖輪； 5—備用拖輪； 6—芳村岸； 7—水流方向。

圖15廣州珠江隧道管節(jié)浮運

Fig. 15Element transportation of Guagnzhou Pearl River Tunnel

上海外環(huán)隧道為異地干塢，采用拖輪吊拖的方式進行管節(jié)浮運，如圖16所示。

圖16　上海外環(huán)隧道采用拖輪吊拖

港珠澳大橋島隧工程管節(jié)浮運為異地外海管節(jié)浮運，主要依靠大功率拖輪以及通過拖輪與固定在管節(jié)上的浮駁對管節(jié)采用吊拖與綁拖或頂拖的方式進行浮運，如圖17—19所示。

圖17港珠澳大橋島隧工程采用吊拖+綁拖的方式浮運管節(jié)(航道內(nèi))(單位： m)

Fig. 17Immersed tunnel transportation of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project (in the channel) (unit: m)

1.5　管節(jié)系泊

管節(jié)預(yù)制試浮檢漏完成后，若不能及時浮運或不能及時沉放，則需要對管節(jié)進行臨時系泊。管節(jié)系泊可分為塢內(nèi)系泊和塢外系泊，又可分為坐底系泊和漂浮系泊，如圖20和圖21所示。

圖18港珠澳大橋島隧工程采用頂拖+吊拖的方式浮運管節(jié)(基槽內(nèi)) (單位： m)

Fig. 18Immersed tunnel transportation of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project (in foundation trench) (unit: m)

圖19　港珠澳大橋島隧工程管節(jié)浮運

Fig. 19Element transportation of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project

圖20　香港地鐵沙中線沉管隧道管節(jié)在塢內(nèi)坐底系泊

Fig. 20Bottom mooring of elements in dock in Shatin to Central Link of Mass Transit Railway (MTR)

為滿足管節(jié)預(yù)制任務(wù)或作業(yè)等需要，分批預(yù)制管節(jié)時可在航道邊臨時選一個水域系泊，可采用坐底系泊和漂浮系泊。廣州洲頭咀隧道沉管采用的是坐底系泊，港珠澳大橋島隧工程采用的是塢內(nèi)漂浮系泊。

圖21　南昌市紅谷隧道工程管節(jié)等候浮運期漂浮系泊

Fig. 21Floating mooring of elements of Nanchang Honggu Immersed Tunnel Project

1.6　管節(jié)沉放

1.6.1沉放方式

管節(jié)沉放是沉管法隧道施工中的重要環(huán)節(jié)，它受各種自然條件的影響和制約，如氣象、水流和航道等。中國沉管法隧道的管節(jié)沉放方法均采用了吊沉法，又細(xì)分為浮吊法(用起重船或浮箱吊沉)、扛吊法(用駁船扛抬吊沉)和騎吊法(用水上專用作業(yè)平臺船泊吊沉[9])。無論采用何種方法，其原理一致，即通過平衡負(fù)浮力控制沉管下潛。當(dāng)然，由于設(shè)備不同，受力的情況也不同，各種方法都有自身的特點。

1.6.1.1浮吊法

在管節(jié)預(yù)制時，預(yù)埋了3～4個吊點，在沉放作業(yè)時用起重船或浮箱提起各個吊點，將管節(jié)沉放至預(yù)定位置，如圖22和圖23所示。

1—沉管； 2—壓載水箱； 3—起重船； 4—吊點。

圖22起重船吊沉法

Fig. 22Crane vessel lifting and sinking method

1.6.1.2扛吊法

扛吊法是采用“扛棒”和“方駁”等相互連接來完成管節(jié)的吊沉作業(yè)，中國沉管法隧道采用扛吊法的工程只有寧波甬江隧道。采用4組小型方駁，橫向2組方駁間用扛棒(鋼梁)聯(lián)系，前后2組方駁間用鋼桁架連接，構(gòu)成一個整體船組。

圖23　港珠澳大橋島隧工程最終接頭采用起重船吊沉法

Fig. 23Crane vessel lifting and sinking method for final connection of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project

1.6.1.3騎吊法

中國沉管法隧道基本采用騎吊法沉放管節(jié)，多利用既有駁船或浮箱，如圖24—27所示。

圖24　廣州洲頭咀雙駁沉放管節(jié)示意圖

Fig. 24Schematic diagram of Guangzhou Zhoutouzui double barges immersed tunnel element sinking

圖25　廣州侖頭—生物島管節(jié)沉放

Fig. 25Guangzhou Luntou-Bioisland immersed tunnel element sinking

圖26　上海外環(huán)隧道管節(jié)沉放

Fig. 26Immersed tunnel element sinking in Shanghai Outer Ring Tunnel

圖27　香港地鐵沙中線首節(jié)管節(jié)沉放

Fig. 27Sinking of first immersed tunnel element of Shatin to Central Link of Hong Kong Mass Transit Railway

港珠澳大橋島隧工程和南昌紅谷隧道等后續(xù)大型沉管法隧道工程，制作專用沉放浮駁設(shè)備，每個沉放駁設(shè)2個浮箱，自浮騎跨管節(jié)，通過吊索與管節(jié)相連吊沉管節(jié)，如圖28和圖29所示。

圖28　港珠澳大橋島隧工程沉管浮駁模型

Fig. 28Immersed tunnel element floating barge model for Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project

1.6.1.4組合沉放方式

廣州珠江隧道管節(jié)沉放采用500 t起重船和2 000 t方駁船進行組合沉放，如圖30所示。

圖29　港珠澳大橋島隧工程管節(jié)沉放

Fig. 29Immersed tunnel element sinking of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Island Bridge Project

(a)

(b)

Fig. 30Guagnzhou Pearl River Tunnel immersed tunnel element lifting and sinking method

1.6.2沉放定位

1.6.2.1淺水區(qū)沉放

管節(jié)沉放多采用全站儀與測量塔法[10]。測量塔為事先安裝在管節(jié)頂面上的塔形鋼結(jié)構(gòu)，其高度根據(jù)沉放深度和測量要求而定，常高達(dá)10余m，中間有直徑為800～1 200 mm的出入人孔。每個管節(jié)前后共設(shè)2座測量塔，并在其頂部設(shè)有測量標(biāo)志，管節(jié)沉放定位基本采用此方式。最終定位采用人工輔助方式，如圖31所示。

圖31　通過測量塔測量定位管節(jié)沉放位置

1.6.2.2深水無人下水沉放

港珠澳大橋島隧工程管節(jié)沉放由于水深達(dá)44 m，潛水作業(yè)風(fēng)險大，因此采用“深水無人下水沉放系統(tǒng)”，包括錨泊定位系統(tǒng)、壓載控制系統(tǒng)、自動拉合系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)和體內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)等，通過信息技術(shù)和遙控技術(shù)實現(xiàn)管節(jié)姿態(tài)調(diào)整、軸線控制和精確對接。管節(jié)平面位置控制測量與管節(jié)沉放對接相對位置精度控制測量集成為GPS+RTK+差分聲納控制系統(tǒng)，平面位置控制采用GPS+測量塔，對接精度控制采用GPS+RTK+聲吶(紅外線/激光等)，軸線精度控制采用貫通測量指導(dǎo)管節(jié)修正[11]。港珠澳大橋島隧工程管節(jié)沉放對接測量定位技術(shù)如圖32所示。

圖32　港珠澳大橋島隧工程管節(jié)沉放對接測量定位技術(shù)

Fig. 32Sinking, docking, measuring and positioning technology of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project

1.7　接頭處理

管節(jié)接頭多采用柔性接頭形式。其中GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶構(gòu)成管節(jié)接頭的2道防水屏障[12]，管節(jié)底板設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)水平剪切鍵，中隔墻處設(shè)鋼結(jié)構(gòu)垂直剪切鍵，縱向設(shè)置PC拉鎖縱向限位。管節(jié)接頭透視圖如圖33所示。

圖33　管節(jié)接頭透視圖

1.8　基礎(chǔ)處理

基礎(chǔ)處理是沉管法隧道的重要工序?；A(chǔ)處理的主要目的是將基礎(chǔ)墊平，按其鋪墊作業(yè)工序安排于管節(jié)沉放作業(yè)之前或以后，可大體上分為先鋪法與后填法2種。

1.8.1后填法

又細(xì)分為砂流法(南昌紅谷隧道工程、廣州佛山東平隧道、廣州侖頭—生物島隧道、廣州生物島—大學(xué)城隧道和廣州珠江隧道等，用得最多)、灌囊法(廣州洲頭咀隧道)、壓漿法(天津海河隧道)和壓砂法(上海外環(huán)隧道)，如圖34—36所示。

圖34　砂流法施工沉管基礎(chǔ)

Fig. 34Construction of immersed tunnel foundation by sand flow method

寧波常洪隧道基礎(chǔ)輔以打設(shè)樁基，沉放后樁頂標(biāo)高低于管底。樁頂與管底通過灌漿囊袋連接, 這樣管節(jié)的荷載便可通過囊袋傳至樁基，管底與基槽底的間隙采用管內(nèi)灌漿充填[13]，如圖37所示。

圖35　廣州洲頭咀隧道現(xiàn)場基礎(chǔ)灌囊作業(yè)

Fig. 35Foundation sand filling operation at the site of Guangzhou Zhoutouzui Tunnel

圖36　天津海河隧道基礎(chǔ)采用壓漿法施工示意圖

Fig. 36Construction sketch of Tianjin Central Avenue Haihe River Tunnel foundation by grouting method

圖37　寧波常洪隧道基礎(chǔ)處理采用樁基+灌囊法+灌漿法

Fig. 37Ningbo Changhong Tunnel foundation treated by pile foundation + pocket filling method + grouting method

1.8.2先鋪法

實際上只有刮鋪法一種，按鋪墊時所采用的材料不同，又分為刮砂法和刮石法[14]2種，兩者的操作工藝基本相同。早期的沉管法隧道多采用刮鋪法處理基礎(chǔ)。港珠澳大橋島隧工程基礎(chǔ)碎石整平船如圖38所示。

圖38　港珠澳大橋島隧工程基礎(chǔ)碎石整平船

Fig. 38Rubble leveling barge for foundation of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project

2　沉管法隧道關(guān)鍵修建技術(shù)創(chuàng)新

隨著我國“一帶一路”政策和經(jīng)濟與城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，鄰江鄰海城市建設(shè)已逐步從江河下游向中上游與內(nèi)河迅猛發(fā)展，以已建成通車的地處長江中游的南昌紅谷隧道項目為代表，填補了沉管法隧道在江河中游修建的空白。同樣，作為長大跨海通道，受航空凈高和海運航道等影響，一般采用橋-島-隧相結(jié)合的方式修建通道，其中隧道的修建工法長期受海陸接線、深水高壓、暗涌海泥和大風(fēng)大浪等多種因素的制約，難以突破大斷面數(shù)千米的隧道修建，而已建成并即將通車的港珠澳大橋海底沉管隧道長度超過5 km，進一步提升了我國沉管法隧道在海洋中的修建長度。上述2個項目的修建過程十分艱辛和困難，針對技術(shù)難題創(chuàng)新了諸多關(guān)鍵技術(shù)，引領(lǐng)了中國沉管法隧道修建技術(shù)，具有里程碑意義。

2.1　一般關(guān)鍵施工技術(shù)創(chuàng)新

2.1.1基槽開挖與航道疏浚

體現(xiàn)了中國工業(yè)制造的進步，采用了多種水上船機組合開挖，水下開挖檢測方法體現(xiàn)了檢測儀器的進步，改變了以往打水砣等傳統(tǒng)檢測方法(存在速度慢、精度低和點位不足的問題)，而采用了速度快、精度高和點位密集的多波束水下檢測。

2.1.2浮運與沉放技術(shù)

利用北斗、GPS定位可視化技術(shù)和大型拖輪等浮運工裝的進步，實現(xiàn)了一體化浮運指揮調(diào)度，保障了管節(jié)浮運姿態(tài)的控制精度，提升了在復(fù)雜水情及航道、長距離浮運等綜合浮運技術(shù)的能力。管節(jié)沉放技術(shù)體現(xiàn)在沉放設(shè)備的創(chuàng)新，制作專用的沉放浮駁設(shè)備及采用大型起重船等，大幅提升了對管節(jié)水下姿態(tài)的控制。

2.1.3基礎(chǔ)處理技術(shù)

以佛山東平隧道和南昌紅谷隧道為代表的后鋪法灌砂基礎(chǔ)，相應(yīng)配套的施工技術(shù)也取得了長足進步。通過施工中采取多種監(jiān)測及檢測方法[15](見圖39)，提升了對灌砂基礎(chǔ)飽滿度的判定精度，沉管隧道基礎(chǔ)灌砂質(zhì)量得到顯著提升。

圖39　沉管隧道基礎(chǔ)灌砂監(jiān)測及檢測方法(沖擊映像法+全波場法)原理圖

Fig. 39Schematic diagram of monitoring and testing method for sand filling foundation of immersed tunnel (impact imaging method+full-wave field imaging method)

2.2　南昌紅谷隧道關(guān)鍵修建技術(shù)創(chuàng)新

2.2.1管節(jié)浮運與沉放技術(shù)創(chuàng)新

2.2.1.1管節(jié)縱斷面迎流橫江浮運

紅谷隧道管節(jié)縱斷面迎流橫江浮運作為創(chuàng)新點有3個過程： 一是管節(jié)絞拉出塢，干塢內(nèi)的水流速很小，而管節(jié)出塢后縱斷面受橫向水流的影響，存在往下游偏移擱淺的重大風(fēng)險；二是過第1座大橋前，管節(jié)需轉(zhuǎn)體90°至平行于水流方向，轉(zhuǎn)體過程中，迎流面積從最大變到最小，該過程受力極其復(fù)雜；三是管節(jié)在調(diào)頭回旋區(qū)打橫調(diào)頭及進隧址，受江心洲及東岸圍堰影響，河道寬度大幅度縮窄，導(dǎo)致贛江東汊航道水流速激增及水流向變得復(fù)雜，風(fēng)險極大。施工中，首次創(chuàng)新采用了“掛拖+綁拖+牽拖+吊拖+地錨”的混合拖航浮運管節(jié)關(guān)鍵技術(shù)，解決了上述風(fēng)險。

2.2.1.2窄航道長距離浮運管節(jié)

紅谷隧道為國內(nèi)首座江河中游沉管法隧道，浮運航道自干塢起，沿途穿越生米大橋、朝陽大橋和南昌大橋，最后到達(dá)隧址，全長8 650 m，受季節(jié)性降水影響，水位和流速變化幅度大，且浮運航道距離長，水位標(biāo)高控制嚴(yán)，航道窄且多次蜿蜒轉(zhuǎn)向，施工風(fēng)險大，浮運窗口期較少。紅谷隧道浮運航道平面示意圖如圖40所示。

2.2.1.3管節(jié)浮運安全穿越窄橋孔

管節(jié)浮運穿越南昌大橋凈跨僅68 m，管節(jié)寬度30 m，拖輪寬10.5 m，管節(jié)至橋墩凈空不足11 m，且橋址河流走向與航道軸線夾角為15°～20°，加之南昌大橋為高樁承臺，抵抗水平?jīng)_擊的能力較弱，一旦管節(jié)與橋墩發(fā)生碰撞，后果不堪設(shè)想。為了防止管節(jié)撞擊橋墩，采用“筒形自浮式復(fù)合材料防撞設(shè)施+鋼導(dǎo)向柱”防撞裝置。在橋墩承臺臺階處至橋墩范圍內(nèi)設(shè)鋼導(dǎo)向柱支撐系統(tǒng)，在承臺周圍設(shè)置筒形自浮式復(fù)合材料防撞設(shè)施，用以保護橋墩，如圖41所示。

圖40　紅谷隧道浮運航道平面示意圖

Fig.40Diagram of transportation channel plan of Nanchang Honggu Immersed Tunnel

2.2.1.4寄放區(qū)管節(jié)浮運調(diào)頭進隧址

東岸圍堰及江心洲壓窄了贛江東汊主河道寬度，使得東汊水流流速急劇上升，流速平均高達(dá)1.7 m/s，管節(jié)在浮運轉(zhuǎn)體過程中必然會出現(xiàn)縱斷面迎流的情況，水流力也隨之急劇增大。同時，基槽處水流也流向回旋區(qū)，流速平均高達(dá)1.35 m/s，2個方向水流在回旋區(qū)交匯，使得回旋區(qū)流速與流向十分紊亂復(fù)雜，造成管節(jié)在回旋區(qū)浮運轉(zhuǎn)體進入隧道的風(fēng)險極大。

(a)

(b)

Fig. 41Pier protection facilities of Nanchang Honggu Immersed Tunnel

主要關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新： 采用“5艘拖輪提供調(diào)頭動力、回旋區(qū)上游水中埋置2個重力式錨塊系高強度尼龍纜拴在管節(jié)腰部，轉(zhuǎn)體過程中將腰部由短纜變長纜護送管節(jié)與水流向呈斜交勻速平穩(wěn)進入隧址基槽”的方式[16]，實現(xiàn)了1.2 m/s流速條件下回旋區(qū)內(nèi)管節(jié)浮運調(diào)頭的安全。

2.2.1.5多管節(jié)批量浮運與系泊

江河中游水文窗口浮運條件苛刻，受季節(jié)性降水影響，贛江流域水位高、流速大，與管節(jié)浮運需求的高水位、低流速相矛盾，浮運窗口期較少；工程建設(shè)施工期滿足浮運條件的窗口期很短，工期難以保障。通過調(diào)整沉管傳統(tǒng)“浮一沉一”的施工組織思路，在較少的窗口期內(nèi)采用集中浮運、臨時系泊和連續(xù)沉放的方式，確保完成單批次管節(jié)的浮運和沉放任務(wù)。

2.2.1.6多管節(jié)連續(xù)沉放與對接

紅谷隧道位于江河中游，豐水期與枯水期水位落差達(dá)10 m以上，管節(jié)在0.6 m/s流速下，沉放定位、壓載下沉和接頭水力壓接等施工技術(shù)難度大、風(fēng)險高，且管節(jié)分別從2段逐節(jié)安裝，在中間進行水下對接。通過采用多功能浮駁、高強耐壓耐久止水帶及精度調(diào)節(jié)蓋等技術(shù)，確保了管節(jié)接頭的水密性和長距離軸線的精度，實現(xiàn)了在高水差、大流速下最終接頭的精準(zhǔn)對接[17]。

2.2.2管節(jié)沉放基礎(chǔ)差異沉降控制技術(shù)創(chuàng)新[18]

由于E6和E7管節(jié)的沉放時間間隔為6個月，地基可能產(chǎn)生不均勻沉降，從而影響管節(jié)對接精度，這種差異沉降可達(dá)多少，對管節(jié)之間柔性接頭有多大影響，都難以判斷且風(fēng)險極高。通過嚴(yán)格控制E6和E7管節(jié)接頭鋼剪切鍵支座安裝精度及安裝質(zhì)量，確保在接頭4組剪切鍵(包括側(cè)墻)及支座均完成后，再拆除鼻托及導(dǎo)向裝置，從而控制E7管節(jié)的端頭沉降量。

2.2.3水下立交接線實現(xiàn)過江通道與沿線路網(wǎng)全互通快速銜接技術(shù)創(chuàng)新

紅谷隧道為連接老城區(qū)和紅谷灘新區(qū)的快速過江通道。西岸采用主線跟匝道并行的接線型式，主線和匝道接線位于不同的路口，極大地緩解了沉管法隧道銜接的主干道的交通壓力。東岸7條明挖匝道采用水下互通立交一體平面基坑設(shè)計，實現(xiàn)了“快速過江、水下立交、多點疏散、東西貫通”的交通功能。東岸接線暗埋段正上方規(guī)劃了1條垂直于沉管軸線的沿江快速路，東岸匝道通過水下立交往南北兩側(cè)延伸，和快速路無縫對接，實現(xiàn)了匝道群和岸上5條主干道路網(wǎng)相接，最大限度地發(fā)揮了過江沉管隧道的社會效益，如圖42和43所示。

2.2.4水下空間開發(fā)與修建避難疏散大廳技術(shù)創(chuàng)新

紅谷隧道東岸接線2個Y字岔口之間設(shè)近400 m2的水下疏散中心。隧道內(nèi)一旦發(fā)生緊急情況，人員可以在疏散大廳進行躲避，并沿著垂直逃離電梯和跑梯快速疏散，減少了應(yīng)急疏散時間，形成了人車分流和直通陸域的防災(zāi)疏散無障礙通道。

圖42　紅谷隧道西岸接線工程

圖43　紅谷隧道東岸接線工程

緊鄰疏散大廳設(shè)1座容量為3 000 m3的消防應(yīng)急水池和泵房，隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，啟動消防設(shè)施，消防水池可直接供水滅火，避免了消防水源不足造成次生危害，最大限度地保證了隧道的消防安全。水下疏散大廳和疏散樓梯如圖44和圖45所示。

圖44　水下疏散大廳

圖45　疏散樓梯

2.3　港珠澳大橋島隧工程沉管法隧道關(guān)鍵修建技術(shù)創(chuàng)新

2.3.1干塢建設(shè)

以港珠澳大橋島隧工程為代表的工廠化干塢建設(shè)技術(shù)的創(chuàng)新，進一步保障了管節(jié)預(yù)制工藝的高效、規(guī)范化和工廠化。

2.3.2管節(jié)預(yù)制

目前管節(jié)預(yù)制大部分采用剛性整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其預(yù)制技術(shù)體現(xiàn)在對混凝土澆筑工藝和養(yǎng)護工藝的進步，其防水主要依靠混凝土自身質(zhì)量的自防水和外部附加防水層。以港珠澳大橋島隧工程為代表的節(jié)段式管節(jié)全環(huán)整體澆筑預(yù)制技術(shù)，減少了管節(jié)的澆筑次數(shù)，增加了單次澆筑混凝土量，取消了混凝土水平施工縫，提升了管節(jié)自身的抗?jié)B性能。

2.3.3管節(jié)沉放

體現(xiàn)在水下定位探測手段的進步，在以港珠澳大橋島隧工程為代表的無人水下對接測量定位技術(shù)，促進了沉管隧道往更深水域發(fā)展。

2.3.4基礎(chǔ)處理

以港珠澳大橋島隧工程為代表的配套先進大型設(shè)備沉管基礎(chǔ)處理技術(shù)，實現(xiàn)了40 m深海底沉管基礎(chǔ)的自動化碎石鋪墊及整平施工，質(zhì)量可得到有效保障。

3　未來沉管法隧道技術(shù)發(fā)展趨勢與展望

隨著沉管法隧道理論、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)，尤其是沉管隧道水下土石方開挖量巨大，超大工程沉管隧道的修建離不開水上開挖船機超大能力的提升。目前在水域滿足的條件下可進一步采用大型絞吸船開挖，例如“天鯤號”絞吸船設(shè)計挖泥量為6 000 m3/h，可以開挖單側(cè)抗壓強度為50 MPa的巖石，大幅提升了水下開挖的能力。“天鯤號”絞吸挖泥船如圖46所示。水上作業(yè)工裝船機能力的提升將推動沉管法隧道技術(shù)再上新臺階。

圖46　“天鯤號”絞吸挖泥船

Fig. 46The largest and advanced heavy-duty "Tiankun" self-propelled cutter suction dredger with a reamer power of 6 600 kW in Asia

3.1　技術(shù)發(fā)展趨勢

新開工的深中通道工程為世界上首次采用沉管法修建的雙向8車道超大超長公路跨海隧道，是中國內(nèi)陸第1座鋼殼沉管隧道(見圖47)。深中通道工程管節(jié)預(yù)制采用船塢法，材料的進步將提升沉管法隧道的防水性能，減少沉管法隧道多種材料的使用，同時東人工島采用水下互通立交技術(shù)實現(xiàn)了路網(wǎng)的快速連接。

圖47　深中通道工程鋼殼沉管效果圖

沉管法隧道多采用淺埋施工，可進一步拓展為懸浮式沉管法隧道[19]，以跨越大的海溝，實現(xiàn)陸地與島嶼、島嶼與島嶼間的長距離交通聯(lián)系，海底懸浮隧道如圖48所示。

圖48　海底懸浮隧道

3.2　行業(yè)領(lǐng)域突破

實現(xiàn)異地修建干塢、異地預(yù)制管節(jié)和跨區(qū)域浮運沉管的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國的海岸線長，可實現(xiàn)沉管法隧道的工廠化區(qū)域預(yù)制，供給多個沿海及“一江兩岸”城市使用。

3.3　助推城市建設(shè)

“一江兩岸”城市建設(shè)已基本完成。在過江隧道建設(shè)中，沉管法具有埋深淺、兩岸引線短、路網(wǎng)銜接好、使用領(lǐng)域廣、輕易實現(xiàn)與地下共同管廊合建和拆遷少等優(yōu)勢，助推城市建設(shè)與快速發(fā)展。

3.4　江河湖海展望

中國沉管法隧道目前主要集中在長江流域、珠江流域及沿海城市。中國地域廣闊，有眾多的湖泊和江河，同時，在這些地方也聚集了眾多的城市。隨著中國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，交通需求更加巨大，相信沉管法隧道將作為一種重要的隧道工法，在淮河流域、黃河流域、沿海和港灣等區(qū)域的城市中一定有其大范圍推廣應(yīng)用的土壤。

4　結(jié)語

南昌紅谷隧道工程地處流速及航道條件苛刻的江河中游，港珠澳大橋島隧工程地處深水的外海，這2個工程使中國沉管法隧道修建取得了多項重大關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新和突破，獲得了諸多第一手科技成果，也正在引領(lǐng)中國乃至世界沉管法隧道修建地域和水域的拓展。例如我國在瓊州海峽跨海通道、大連至煙臺跨海通道和汕頭灣新通道等工程中也考慮采用沉管隧道的方案，說明目前中國沉管法隧道領(lǐng)域的設(shè)計和施工技術(shù)已基本成熟，也積累了許多寶貴的資料和經(jīng)驗，但仍應(yīng)進一步研究，比如軟土地基處理、外海高水深及海溝跨越沉管法隧道施工技術(shù)和江河中上游沉管法隧道施工技術(shù)。

隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和進步，國家“一帶一路”建設(shè)對水、陸、空交通運輸在安全、快捷、舒適和經(jīng)濟等方面提出了更高的要求。大連灣海底沉管隧道、深中通道工程、南昌二七過江通道、襄陽東西軸線沉管隧道和汕頭灣新通道等工程的相繼開工建設(shè)，必將助推沉管法隧道修建技術(shù)的快速發(fā)展。展望未來修建世界級跨江越海超級工程，沿海城市發(fā)展與島嶼國家交通建設(shè)，以及建設(shè)海上絲綢之路快速通道等領(lǐng)域、地域和水域，沉管法隧道較盾構(gòu)隧道具有斷面布置形式靈活、斷面利用率高、接頭防水性能好、整體結(jié)構(gòu)安全性高、多場區(qū)平行施工速度快、橋島隧組合多樣且經(jīng)濟、通行能力強等獨特優(yōu)勢，必將在中國乃至世界得到突飛猛進的發(fā)展。

5　致謝

本文引用的部分事例、數(shù)據(jù)及圖片，采用了港珠澳大橋島隧工程和南昌紅谷隧道等中國沉管法隧道相關(guān)資料，在此對相關(guān)方表示誠摯的感謝。