內(nèi)河沉管隧道干塢選擇形式的探討

范國剛，賀維國，沈永芳

(1.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津市 300133；2.上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司)

中國江河眾多，水系發(fā)達，內(nèi)陸河流總長達43萬km，長度在1 000 km以上的河流20多條。中國國內(nèi)人口超過100萬的城市超過100座，其中98%以上都是依江而建，靠河而興，但河流也將城市分割，使得江河兩岸道路骨架不連，一定程度上制約了城市整體交通路網(wǎng)的形成和經(jīng)濟快速發(fā)展。水下隧道具有全天候、大運量、交通快捷、對航運及環(huán)境影響小的特點，是有效連通城市兩岸道路的主要方式之一。水下隧道工法主要有礦山法、盾構(gòu)法、沉管法等。沉管法隧道是將預(yù)制好的管段通過浮運、沉放、水下對接后貫通形成整個隧道，其頂部覆土淺、隧道長度短、與水域兩岸道路銜接更靈活，可大大節(jié)約中心城區(qū)土地資源，是城市修建內(nèi)河水下隧道的主要方法之一。

世界上第一座沉管隧道是1910年建于美國底特律河的水下雙線鐵路隧道。中國大陸于1993年建成了第一座沉管隧道，截至目前已建和在建的沉管隧道近20座，另有10多座內(nèi)陸城市計劃建設(shè)沉管隧道。沉管隧道干塢是用于管段預(yù)制的場地，管段需在干塢內(nèi)預(yù)制、存放、舾裝，然后浮運至指定位置對接。雖然干塢屬于臨時結(jié)構(gòu)，但其形式、規(guī)模和位置也直接影響工程造價、管段浮運方式，甚至決定隧道方案是否可行，故選擇合適的干塢形式對沉管隧道工程意義重大。

1 內(nèi)河沉管隧道特點

國內(nèi)外已建沉管隧道基本都位于海灣或江河入?？诘群Ｑ蟓h(huán)境。相比海洋環(huán)境，城市內(nèi)河修建沉管隧道具有如下主要特點： ① 河道窄、水深淺、徑向流速大、航運密集、水位落差大;② 已建成連接城市兩岸道路的跨河橋梁密集，河道通航尺度有限，從而限制了大型水上作業(yè)設(shè)備在管段浮運和沉放施工中的使用;③ 城市核心區(qū)河道兩岸土地資源緊缺，高大建構(gòu)筑物密集，而沉管管段體積龐大，合適的批量管段預(yù)制場地(干塢)選擇困難。

上述復(fù)雜的環(huán)境條件都制約著沉管隧道干塢在城市內(nèi)河的形式。

2 干塢類型、選擇原則與塢底標(biāo)高

2.1 干塢類型

根據(jù)管段預(yù)制場地和預(yù)制方式的不同，可把沉管隧道干塢分為固定干塢、移動干塢和工廠化干塢3類。

固定干塢通常是在陸地上開挖大型基坑，在基坑內(nèi)進行管段預(yù)制，可兼用于舾裝、起浮、系泊。根據(jù)干塢與隧道的位置關(guān)系，又可分為軸線干塢、旁建干塢和獨立干塢。獨立干塢根據(jù)大基坑內(nèi)預(yù)制管節(jié)的小基坑數(shù)量又可分單子塢和雙(多)子塢。

移動干塢是利用碼頭作為隧道工區(qū)用地，在大型半潛駁船上進行的管段預(yù)制，后期駁船也兼做管段浮運、舾裝的載體。

工廠化干塢是在室內(nèi)固定位置完成鋼筋綁扎與移動、模板支立、混凝土澆筑與養(yǎng)護等工序，通過對達到一定強度的節(jié)段頂推平移實現(xiàn)下一個增量匹配節(jié)段的循環(huán)作業(yè)，多次循環(huán)，完成一節(jié)管段制作。雖然工廠化干塢也在陸地預(yù)制管段，但它的設(shè)計理念、設(shè)計方法與常規(guī)的固定干塢有本質(zhì)區(qū)別，因此，該文沿用傳統(tǒng)的分類方法，把工廠化干塢作為單獨的一種干塢類型。

2.2 干塢選擇原則

(1) 干塢位置、規(guī)模及類型應(yīng)結(jié)合工程周邊地面環(huán)境(建構(gòu)筑物、交通與材料來源等)、地質(zhì)和航道條件、工程造價、管段預(yù)制工藝等綜合確定。

(2) 干塢設(shè)計使用年限應(yīng)根據(jù)工程籌劃確定，并滿足管段預(yù)制、浮運工期需求。

(3) 干塢塢頂防洪標(biāo)高、基坑邊坡穩(wěn)定等應(yīng)符合現(xiàn)行國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

(4) 干塢應(yīng)具有良好的外部施工條件。

2.3 干塢底標(biāo)高

固定干塢塢底標(biāo)高決定干塢基坑深度，影響工程造價，與管段高度、干舷高度、管段安全浮運需求有關(guān)。移動干塢管段應(yīng)在下潛區(qū)進行檢漏，下潛區(qū)尺寸應(yīng)滿足駁船所需的平面操作空間及水深要求。

(1) 固定干塢塢底標(biāo)高Ha可按式(1)確定：

Ha=H0-H+hg-Hs

(1)

式中：H0為管節(jié)出塢設(shè)計水位或標(biāo)高(m)；H為管節(jié)外包高度(m)；hg為管節(jié)干舷高度(m)；Hs為管節(jié)底部至塢底的起浮安全距離(m)，不宜小于0.5 m。

(2) 移動干塢下潛區(qū)底標(biāo)高Ha可按式(2)確定：

Ha≤Hh-H+hg-Hs-H1

(2)

式中：Hh為管節(jié)脫離駁船時設(shè)計水位或標(biāo)高(m)；Hs為管節(jié)底部至駁船甲板面的起浮安全距離(m)，不宜小于0.5 m；H1為駁船船體高度(m)；H、hg意義同前。

3 內(nèi)河沉管隧道干塢選擇實例

3.1 軸線干塢

軸線干塢是將隧道岸上明挖段主體結(jié)構(gòu)基坑與干塢基坑共用，管段預(yù)制完成后，沿隧道軸線浮運出塢進入基槽沉放。此種干塢優(yōu)點：管段數(shù)量較少時，能節(jié)省臨時用地、降低工程造價；無需單獨為管段浮運疏浚航道。缺點：管段浮運出塢后才能進行岸上主體結(jié)構(gòu)施工，當(dāng)管段數(shù)量較多時，影響岸上段施工工期。

廣州官洲隧道起于生物島，下穿寬約190 m的官洲河后到達大學(xué)城，水深2.15～7.40 m，遠期規(guī)劃航道寬80 m，深6 m，枯水期水面最低標(biāo)高3.45 m。隧道沉管段寬23 m，高8.7 m，E1管段長94 m、E2管段長116 m、E3管段長4 m，3節(jié)管段總長214 m。

隧址處河道窄，水深淺，長距離管段浮運臨時航道的疏浚工程量巨大，隧道周邊又無合適地塊作為干塢場地，故該工程采用軸線干塢，塢址設(shè)在生物島側(cè)，塢底縱向長度260 m，橫向?qū)挾?7 m，塢底標(biāo)高-5.6 m，干塢內(nèi)一次預(yù)制所有管段。

與單獨設(shè)置干塢方案相比，該隧道軸線干塢無需為管段浮運疏浚航道，管段數(shù)量少，明挖段主體結(jié)構(gòu)與臨時干塢共用，縮短工期約5個月，減小臨時占地面積3.4萬m2。

3.2 旁建干塢

旁建干塢是將干塢選址在隧道岸上段主體結(jié)構(gòu)旁，并與隧道岸上段主體結(jié)構(gòu)共用基坑圍護結(jié)構(gòu)和基坑止水體系。此種干塢優(yōu)點：基坑共享圍護結(jié)構(gòu)，能減小臨時占地面積，節(jié)省工程投資；干塢內(nèi)預(yù)制管段的區(qū)域與岸上主體結(jié)構(gòu)基坑不完全重疊，可實現(xiàn)管段預(yù)制與岸上段主體結(jié)構(gòu)的平行作業(yè)，從而加快施工速度，節(jié)省工期；對管段數(shù)量較多的沉管隧道也適用。缺點：主體結(jié)構(gòu)基坑與干塢基坑并排設(shè)置，整體場地面積要求高；管段浮運至沉放位置需根據(jù)水深情況考慮臨時航道疏浚。

佛山東平隧道北側(cè)起于佛山市禪城區(qū)，南側(cè)與東平新城相接，下穿東平水道，隧址處水面寬200～300 m,河流中心水深8～11 m,常年水流速度2.7～3.0 m/s，枯水期水面最低標(biāo)高0.4 m。隧道沉管段寬39.9 m，高9.0 m，E1 、E2管段長均為115 m、E3管段長105 m、E4管段長110 m，4節(jié)管段總長445 m。

沉管隧道管段浮運理想的水流速度為1 m/s以下，東平水道流速不利于獨立干塢管段長距離浮運；隧址附近單獨設(shè)置大型干塢需拆遷大面積房屋；中、小型干塢工期不能滿足需求；移動干塢無合適的駁船，故該隧道采用旁建干塢，干塢選址在東平新城端隧道東側(cè)，占地面積61 000 m2，塢底標(biāo)高-9.1 m，一次同時預(yù)制4節(jié)管段。

東平隧道采用旁建干塢比軸線干塢節(jié)約工期約12個月，比獨立干塢減少拆遷6 300余m2。

3.3 獨立干塢

獨立干塢是在隧址范圍以外另外選擇干塢位置。此干塢優(yōu)點：選址范圍靈活，江河上下游岸邊地塊都可作為備選場地；可實現(xiàn)沉管隧道水下基槽開挖、兩岸明挖段施工、管段預(yù)制多方面的平行作業(yè)，加快工期；根據(jù)管段總數(shù)量，可采用單個、兩個或多個相對獨立的干塢體系。管段數(shù)量很多時，多子塢同時具備獨立的管段預(yù)制及出塢條件，能靈活應(yīng)對內(nèi)河水位季節(jié)性的變化，縮短工期、降低造價。缺點：管段遠距離浮運可能會帶來較大的航道臨時疏浚量；沿線橋梁等建筑物通航尺度、季節(jié)性水位變化差等外界條件控制干塢選址和管段浮運。

南昌紅谷隧道位于八一大橋與南昌大橋之間，下穿贛江后，連接南昌市西岸紅谷灘新區(qū)與東岸老城區(qū)。隧址處水面寬度約1 400 m，最低水位9. 80 m，枯水期與豐水期水位最大高差超過12 m。隧道沉管段寬30 m，高8.3 m，E1～E9管段長均為115 m、E10管段長96.5 m、E11管段長107.5 m、E12管段長90 m，12節(jié)管段總長1 329 m。

隧址附近兩岸建筑物密集，軸線干塢和旁建干塢在工期和用地上不能滿足需求。經(jīng)沿岸考察，干塢選址在隧址下游約8.5 km，周邊空曠、無房屋拆遷的沙灘上。

由于贛江水位差季節(jié)變化大，若在最低水位浮運，航道疏浚量極大，故選擇豐水期集中浮運，管段在隧址附近臨時寄放，枯水期集中沉放方案。管段出塢水位標(biāo)高不低于12.65 m，場地標(biāo)高17～22 m，塢底標(biāo)高4.0 m，干塢的開挖平均深度約16 m，總長516 m，總寬257 m，占地面積13.3萬m2。

結(jié)合沉管段數(shù)量，采用并排的雙子塢平行作業(yè)，每個子塢內(nèi)一次預(yù)制3節(jié)管段，分2批預(yù)制完成。

與一次預(yù)制12節(jié)管段的大型干塢相比，雙子塢方案可節(jié)約工期4個月，并可避開枯水期對管段浮運的影響，實現(xiàn)管段預(yù)制與浮運沉放的流水化作業(yè)。

3.4 移動干塢

當(dāng)隧道兩岸房屋密集，在隧址附近征拆固定干塢場地困難，同時河道水深淺，采用獨立干塢疏浚費用龐大時，可考慮采用移動干塢制作管段。移動干塢優(yōu)點：利用既有駁船作為管節(jié)預(yù)制場地，節(jié)省固定干塢修建時間；不需要占用大面積施工場地，減小了對環(huán)境的破壞和影響；半潛駁吃水深度比管段浮運所需水深淺3～4 m，對航道要求低，能有效降低管段運輸?shù)氖杩９こ塘?；移動干塢可重復(fù)使用，減小隧道臨時工程規(guī)模，節(jié)約工程造價。缺點：管段的規(guī)模受半潛駁平面尺寸和承載能力制約；半潛駁一次預(yù)制一節(jié)管段，只適用于管段數(shù)量不多的工程；移動干塢需要在隧址附近找到合適的下潛港池，進行管段從駁船到河中的入水轉(zhuǎn)換；半潛駁預(yù)制需要建造臨時碼頭，且浮運路線受橋梁通航凈高影響；中國既有半潛駁數(shù)量較少，要找到與工程相匹配的半潛駁難度較大。目前中國典型大型半潛駁、浮船塢統(tǒng)計見表1。

廣州市侖頭隧道線路北端起于海珠區(qū)，下穿寬280 m的侖頭海后到達生物島，侖頭海水深6～8 m，遠期規(guī)劃航道寬60 m，深6 m，枯水期水面最低標(biāo)高3.45 m。隧道沉管段寬23 m，高8.7 m，E1管段長55 m、E2管段長67 m、E3管段長4 m，E4管段長71.5 m，E5管段長77 m ，5節(jié)管段總長277 m(包括水下最終接頭2.5 m)，單節(jié)管段最大重量約1.5萬t。

表1 中國典型大型半潛駁、浮船塢統(tǒng)計

工程受正在建設(shè)地塊、既有房屋及生態(tài)保護區(qū)影響，在隧址附近無固定干塢所需的場地，獨立干塢航道疏浚極大，結(jié)合生物島沿線碼頭和中國國內(nèi)既有半潛駁情況，最終采用“重任1601號”駁船作為移動干塢，船體長度122.5 m×31.6 m，載重1.6萬t，最大下潛深度不小于9 m，下潛港池底面積為150 m(長)×31.6 m(寬)，底標(biāo)高-13.25 m，浮運距離13.5 km。

與固定干塢相比，侖頭隧道采用移動干塢避免了房屋征拆，減少工期4個月，減少土方開挖7.4萬m3。

3.5 工廠化干塢

工廠化干塢占地面積大、自身造價高，一般用于沉管段長超過3 km的工程。中國只有港珠澳大橋海底沉管隧道采用工廠化干塢，其沉管段長約5.7 km。在城市內(nèi)河受建設(shè)場地和工程本身規(guī)模制約，尚無采用工廠化干塢的內(nèi)河沉管隧道。

4 內(nèi)河干塢形式選擇

中國大陸已建成運營的內(nèi)河沉管隧道已有10座，沉管段長度從214 m到1 329 m不等，干塢形式和沉管段長度統(tǒng)計見圖1。

圖1 中國大陸已建成沉管隧道干塢形式與管段長度統(tǒng)計

綜合考慮沉管段規(guī)模、建設(shè)環(huán)境、管段結(jié)構(gòu)類型等控制條件，內(nèi)河沉管隧道干塢方案可利用表2進行初步選擇。

5 結(jié)論

該文結(jié)合官洲、東平、紅谷、侖頭4座內(nèi)河沉管隧道，分析了固定干塢(包括軸線干塢、旁建干塢、獨立干塢)、移動干塢與工廠化干塢各自的優(yōu)缺點及適應(yīng)性，給出了干塢方案初步選擇方法。通過工程實踐驗證，可得出如下結(jié)論：

表2 內(nèi)河沉管隧道干塢方案初步選擇

注：★表示宜選；◎表示可選；▲表示非約束條件；×表示不宜選。

(1) 固定干塢塢底標(biāo)高和移動干塢下潛區(qū)底標(biāo)高計算公式滿足工程需求，公式合理。

(2) 軸線干塢在內(nèi)河沉管隧道中應(yīng)用最多，但隧道明挖段需在管段出塢后施工，整體工期受制于管段預(yù)制、浮運和沉放時間。

(3) 旁建干塢、獨立干塢、移動干塢都可實現(xiàn)管段預(yù)制與隧道明挖段之間平行作業(yè)，可節(jié)省隧道工期，但需結(jié)合管段浮運對水深、航道疏浚、浮運線路上橋梁通航限高等因素綜合考慮。

(4) 內(nèi)河高水位差不制約沉管隧道工法是否可行，通過合理的干塢形式和浮運窗口期的選擇，可避開高水位差對管段浮運的影響。工廠化干塢雖可實現(xiàn)管段生產(chǎn)的高度機械化和流水化作業(yè)，但其占地面積大、造價高、不能制造異形管段，而內(nèi)河沉管隧道通常長度短，故較少采用工廠化干塢。

(5) 當(dāng)內(nèi)河沉管隧道管段數(shù)量較多時，可采用獨立雙(多)子塢形式實現(xiàn)管節(jié)預(yù)制、浮運的流水作業(yè)。