世界交通沉管隧道工程建造情況與我國沉管科技發(fā)展現(xiàn)狀

劉凌鋒，林巍，尹海卿，劉亞平，鄒威，許思妍，紀(jì)宇諾

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032；3.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461；4.北京師范大學(xué)珠海分校，廣東 珠海519087）

1 概述

從1910年的底特律河沉管隧道建成至今，世界交通沉管隧道已有超過110 a歷史，建成的隧道總數(shù)也已超過200條[1]。國外方面，國際隧道協(xié)會(huì)（ITA）總結(jié)并整理出了1997年及以前的世界沉管隧道檔案[2]，文獻(xiàn)[3]將該檔案時(shí)間擴(kuò)充到了2011年，日本沿岸開發(fā)技術(shù)研究所梳理了2002年及以前日本和國際上知名的沉管隧道信息[4]，文獻(xiàn)[5]整理了2003年及以前荷蘭知名沉管隧道建設(shè)的情況；國內(nèi)方面，文獻(xiàn)[6]對(duì)沉管隧道理論研究和試驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，文獻(xiàn)[7]對(duì)混凝土沉管管節(jié)的預(yù)制方法特點(diǎn)及典型工程案例進(jìn)行了總結(jié)，文獻(xiàn)[8]對(duì)沉管工法的工程設(shè)計(jì)理論與方法及施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和詳盡剖析，文獻(xiàn)[9]全面介紹了沉管法隧道的防水設(shè)計(jì)要點(diǎn)，文獻(xiàn)[10]摘錄了我國2017年及以前建成的沉管隧道信息，文獻(xiàn)[11]討論了沉管隧道規(guī)劃的方法與原則，文獻(xiàn)[12]綜合論述了高流動(dòng)性混凝土的歷史、發(fā)展驅(qū)動(dòng)力、材料特性、機(jī)理以及配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)檢驗(yàn)方案。

本文基于國內(nèi)外出版物、專利、論文及維基百科、百度百科、搜狗百科等網(wǎng)絡(luò)可達(dá)渠道，全面獲取世界交通沉管隧道信息，從沉管隧道工程的建造數(shù)量、建造長度、建設(shè)效率、建設(shè)難度及科技創(chuàng)新程度等方面，對(duì)世界交通沉管隧道工程的建造情況與國內(nèi)沉管隧道科技發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析討論。

2 世界沉管隧道工程建造情況

梳理世界范圍內(nèi)143條已建或在建知名交通沉管隧道的有關(guān)信息，包括：1）所在地的國家；2）沉管段長度（不是隧道洞門到洞門的長度，也即不包括現(xiàn)澆暗埋段長度）；3）管節(jié)數(shù)量（也即預(yù)制段數(shù)量，決定了該沉管項(xiàng)目的最小浮運(yùn)安裝次數(shù)）；4）典型管節(jié)尺寸（長×寬×高）；5）開工和竣工年份；6）水深（從平均水面到沉管隧道結(jié)構(gòu)底部的垂向距離）；7）沉管最大埋深（沉管隧道頂面上覆的回填和回淤土的最大厚度）；8）管體結(jié)構(gòu)形式；9）車道數(shù)量；10）隧道類型（公路隧道、鐵路隧道或公鐵兩用隧道）；11）斷面形狀。

從以上多個(gè)維度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行透視分析，展示世界沉管隧道工程的建造情況。

2.1 累積數(shù)量與累積長度

143條交通沉管隧道中，荷蘭建造有29條、日本30條、美國26條、中國22條（大陸地區(qū)有15條）。圖1為已建和在建沉管隧道數(shù)量的累積圖，圖2為長度累積圖。

圖1 世界各國沉管隧道數(shù)量累積圖Fig.1 Cumulative number of immersed tunnels in the world

圖2 世界各國沉管隧道長度累積圖Fig.2 Cumulative length of immersed tunnels in the world

可見：美國最早發(fā)展沉管隧道，且其沉管隧道累積長度一直位于其他國家之上，但進(jìn)入新世紀(jì)以來，美國幾乎未建新沉管隧道；荷蘭和日本盡管地域小，但也是沉管大國，其累積數(shù)量和累積長度的發(fā)展趨勢(shì)較接近。我國大陸地區(qū)在20世紀(jì)80年代末開始建造沉管隧道，直到21世紀(jì)初，才展現(xiàn)出較快發(fā)展勢(shì)頭：有兩次“跳躍”，第一次是2010年港珠澳大橋島隧工程開工，第二次是2017年深中通道開工（同年，港珠澳大橋島隧工程沉管貫通）?？傮w而言，隨著港珠澳大橋島隧工程的開工和建成，我國沉管隧道長度累積曲線呈現(xiàn)出“指數(shù)增長”的趨勢(shì)，展現(xiàn)“后來居上”的態(tài)勢(shì)。

近些年，人們對(duì)沉管的信心越來越強(qiáng)，國內(nèi)外一系列大型沉管隧道開建，最為典型的是2020年開工的長達(dá)17.6 km的費(fèi)馬恩通道，給世界沉管隧道累積曲線帶來了“飛躍式”增長，也是歐洲大陸在疫情時(shí)代“重建美好家園”的關(guān)鍵工程。

2.2 建設(shè)速度

圖3是不同年代建成的沉管隧道項(xiàng)目的建設(shè)速度散點(diǎn)圖，并通過圖例區(qū)分了不同國家的建造。建設(shè)速度指的是沉管段的長度除以建設(shè)總年份（由于大部分沉管隧道的信息只能精確地統(tǒng)計(jì)到年，這里不可避免地存在一定程度的偏差，但總體趨勢(shì)正確）；圖4類似圖3，但其建設(shè)速度指的是沉管段長度與其斷面寬度和高度的乘積除以隧道建設(shè)總年份。由圖3和圖4可見：世界4個(gè)“沉管隧道大國”中，無論是沉管長度還是沉管體量建設(shè)速度，中國和美國均靠前，荷蘭和日本均靠后。從沉管長度建設(shè)速度來看，排在前三位的分別是舊金山海灣地鐵沉管、釜山-巨濟(jì)沉管和港珠澳大橋島隧工程；從沉管體量建設(shè)速度來看，排在前三位的是港珠澳大橋島隧工程、釜山-巨濟(jì)沉管和厄勒隧道。值得一提的是，厄勒隧道和港珠澳大橋島隧工程沉管都是采用工廠法流水線預(yù)制沉管的項(xiàng)目。

圖3 世界各國沉管隧道年均建設(shè)長度-竣工年散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plots of annual-averaged constructed length-year of completion of the world immersed tunnel

圖4 世界各國沉管隧道年均建設(shè)體量-竣工年散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plots of annual-averaged constructed volume-year of completion of the world immersed tunnels

圖5、圖6分別對(duì)應(yīng)圖3、圖4，按不同沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)形式分類，分為鋼殼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼混鋼三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)（以下統(tǒng)稱復(fù)合結(jié)構(gòu)）?？梢?，鋼殼結(jié)構(gòu)形式沉管的年均長度建設(shè)速度最快。這也許是由于鋼殼結(jié)構(gòu)沉管隧道一般斷面尺寸較小。從沉管體量的年均建設(shè)速度來看不難發(fā)現(xiàn)，鋼殼的建設(shè)速度反而最低。混凝土交通沉管的體量較大，建設(shè)速度最快。過去復(fù)合結(jié)構(gòu)沉管的施工速度較慢，主要原因是早期復(fù)合結(jié)構(gòu)施工工藝較復(fù)雜，具體分析詳見文獻(xiàn)[13]。

圖5 世界沉管隧道長度建設(shè)速度圖（按管體結(jié)構(gòu)分）Fig.5 Length-construction speed map of immersed tunnels in the world(Classification by tube structure)

圖6 世界沉管隧道體量建設(shè)速度圖（按管體結(jié)構(gòu)分）Fig.6 Volumn-construction speed map of immersed tunnels in the world(Classification by tube structure)

由圖5、圖6還可見，近十年的混凝土結(jié)構(gòu)及復(fù)合結(jié)構(gòu)沉管隧道建設(shè)速度均較以前有較大提升。沉管長度建設(shè)速度排前5的是2條鋼殼和3條混凝土沉管隧道；沉管體量建設(shè)速度排前5的是1條鋼殼和4條混凝土沉管隧道。

混凝土預(yù)制方法可進(jìn)一步分為干塢法和工廠法。后者只有厄勒隧道和港珠澳大橋島隧工程，已在圖中示出，可見混凝土工廠法的建造速度是其它建造方法的3～6倍。

圖7為我國沉管隧道建設(shè)速度圖。港珠澳大橋島隧工程的長度建設(shè)速度和體量建設(shè)速度均最快。值得一提的是，港珠澳大橋沉管段長5.664 km，大部分結(jié)構(gòu)采用混凝土結(jié)構(gòu)，僅約10 m的合龍段，也即最終接頭的主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)[14]。目前在建的深中通道沉管段全部采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，且相比圖3、圖4所示的日本復(fù)合結(jié)構(gòu)，若能如期完工，建設(shè)速度將有大幅提升。深圳沿江高速下沉隧道的預(yù)計(jì)建設(shè)效率也很高，也即將采用前述的工廠法預(yù)制，且在如何進(jìn)一步提升工廠法預(yù)制速度方面有一些思考和研究[15]。

圖7 中國沉管隧道建設(shè)速度圖Fig.7 Construction speed of immersed tunnels in China

港珠澳大橋島隧工程的順利建成給中國沉管建造帶來信心的同時(shí)，其工藝創(chuàng)新和施工經(jīng)驗(yàn)也為我國后續(xù)沉管隧道建設(shè)效率邁上新的臺(tái)階打好基礎(chǔ)。

圖8是世界一些著名沉管項(xiàng)目的建設(shè)速度，我國港珠澳大橋島隧工程也名列前茅。

圖8 世界著名沉管隧道建設(shè)速度圖Fig.8 Construction speed of world-famous immersed tunnels

2.3 建設(shè)難度

從沉管隧道的管節(jié)體量、管節(jié)數(shù)量、水深和埋深4個(gè)方面對(duì)沉管隧道的建設(shè)難度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)具體解釋如下：

1）管節(jié)體量。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的長×寬×高，管節(jié)體量標(biāo)示單次管節(jié)施工的難度，體量越大，運(yùn)輸及安裝操控難度越大，單次澆筑混凝土方量可能越大，所需施工設(shè)備規(guī)格越大，所需場地單位面積越大。

2）管節(jié)數(shù)量。管節(jié)數(shù)量等同于安裝次數(shù)（如果沒有返工）。同等風(fēng)險(xiǎn)管控能力和水平下，管節(jié)安裝的次數(shù)越多，發(fā)生事故的概率越大。

3）水深。水深意味著水下施工的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)性，水深越大，操作難度和風(fēng)險(xiǎn)均越大。

4）埋深。埋深標(biāo)示管節(jié)的負(fù)荷，埋深越大，管節(jié)結(jié)構(gòu)和水密風(fēng)險(xiǎn)越大。

通過對(duì)30位經(jīng)驗(yàn)豐富的沉管隧道工程師或沉管相關(guān)從業(yè)人員進(jìn)行問卷咨詢，參加問卷的人員均與沉管隧道工程相關(guān)，包括4類：總工級(jí)別人員（5位）、設(shè)計(jì)人員（8位）、施工人員（10位）和有沉管隧道項(xiàng)目工作經(jīng)驗(yàn)的其他非技術(shù)人員（7位）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，上述4類人員中，總工人員認(rèn)為水深指標(biāo)最重要，埋深指標(biāo)最次要；設(shè)計(jì)人員和施工人員均認(rèn)為水深指標(biāo)最重要，管節(jié)數(shù)量指標(biāo)最次要；其他人員認(rèn)為埋深指標(biāo)最重要，管節(jié)數(shù)量指標(biāo)最次要。

根據(jù)各類沉管隧道相關(guān)從業(yè)人員對(duì)沉管隧道建設(shè)難度4項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)排名，假定第一名獲得4分，第二名3分，第三名2分，第四名1分，則可得到各類人員對(duì)4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合打分情況見表1。表1中，根據(jù)各類人員的理論知識(shí)水平、工程經(jīng)驗(yàn)豐富程度及從事崗位與技術(shù)的關(guān)聯(lián)度等因素，設(shè)定了加權(quán)系數(shù)，并對(duì)其打分情況進(jìn)行加權(quán)求和。最終，利用各項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)得分除以4項(xiàng)指標(biāo)的總加權(quán)分得到沉管隧道建設(shè)難度評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合加權(quán)系數(shù)。

表1 沉管隧道建設(shè)難度評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合排名及加權(quán)系數(shù)Table 1 Comprehensive ranking and weighting coefficient of construction difficulty evaluation index of immersed tunnels

選擇10條世界著名的沉管隧道，統(tǒng)計(jì)其管節(jié)體量、管節(jié)數(shù)量、水深和埋深，并以港珠澳大橋島隧工程作為參照項(xiàng)目（也即將其它沉管項(xiàng)目的各項(xiàng)值除以港珠澳大橋島隧工程的）實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)的無量綱化。將無量綱化后的各項(xiàng)指標(biāo)乘以表1中的綜合加權(quán)系數(shù)后再求和，得到各沉管隧道的建設(shè)難度系數(shù)，見圖9。圖中可見排名前三的是港珠澳大橋島隧工程、舊金山海灣地鐵沉管和釜山-巨濟(jì)沉管。

圖9 世界著名沉管隧道建設(shè)難度系數(shù)Fig.9 Construction difficulty coefficients of world-famous immersed tunnels

圖9中，假設(shè)沉管隧道建設(shè)難度系數(shù)為C，其與無量綱化后的管節(jié)體量V、管節(jié)數(shù)量N、水深D及埋深B的關(guān)系如下：

值得一提的是，沉管隧道所處的海域環(huán)境（如外海、河口、內(nèi)河等）、建設(shè)條件（水文、氣象、泥沙等）、管體結(jié)構(gòu)（如鋼殼、混凝土、復(fù)合結(jié)構(gòu)等）、是否在某領(lǐng)域某國度首次建設(shè)等因素，都是評(píng)價(jià)其建設(shè)難度的重要指標(biāo)，但限于數(shù)據(jù)缺乏及文章篇幅，僅討論前4種所提及可量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 國內(nèi)沉管科技發(fā)展現(xiàn)狀

從沉管隧道專著數(shù)量、專利數(shù)量、論文數(shù)量3個(gè)角度剖析評(píng)價(jià)國內(nèi)沉管隧道工程的科技創(chuàng)新程度。其中，專著和專利僅限于中文，論文包含中英文。

以當(dāng)當(dāng)網(wǎng)（http：//www.dangdang.com/）、淘寶網(wǎng)（https://www.taobao.com/）、孔夫子舊書網(wǎng)（https://www.kongfz.com/）為數(shù)據(jù)庫，搜索“沉管隧道”、“沉管”等關(guān)鍵詞，并對(duì)結(jié)果人工篩選，獲得55本沉管隧道相關(guān)專著。以出版時(shí)間為橫軸，繪制國內(nèi)沉管隧道相關(guān)專著數(shù)量及其累積數(shù)量曲線，見圖10。

圖10 國內(nèi)沉管隧道相關(guān)專著數(shù)量及其累積數(shù)量曲線Fig.10 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related monographs

以知網(wǎng)（CNKI）為數(shù)據(jù)庫，搜索沉管隧道相關(guān)國內(nèi)專利。經(jīng)嘗試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)搜索關(guān)鍵詞為“沉管or沉管隧道or沉埋or沉埋隧道not樁not沉井not基坑not管道not盾構(gòu)”時(shí)，可最大程度獲得所需結(jié)果，共1 181項(xiàng)。再剔除一些無關(guān)主題的專利，如“建筑施工”、“井壁管”、“配合使用”、“鋰云母”、“電源線”等，配合人工篩查，得到最終精確搜索結(jié)果868條。以專利的公開時(shí)間為橫軸，繪制出國內(nèi)沉管隧道相關(guān)專利數(shù)量及其累積數(shù)量曲線，如圖11所示。

圖11 國內(nèi)沉管隧道相關(guān)專利數(shù)量及其累積數(shù)量曲線Fig.11 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related patents

以知網(wǎng)（CNKI）為數(shù)據(jù)庫，搜索沉管隧道相關(guān)國內(nèi)外論文，搜索方式為中英文拓展。經(jīng)嘗試，當(dāng)搜索關(guān)鍵詞為“沉管or沉管隧道or沉埋or沉埋隧道not樁not CFG not振動(dòng)沉管not軟基not建筑not黃土”時(shí)，可最大程度獲得想要搜索結(jié)果，共3 626條；從中剔除“石油天然氣工業(yè)”、“動(dòng)力工程”、“中等教育”、“無機(jī)化工”、“有機(jī)化工”、“航空航天科學(xué)與工程”、“人物傳記”、“中國文學(xué)”等無關(guān)學(xué)科，結(jié)果剩余3 161條；此時(shí)觀察搜索結(jié)果的主要主題，均為相關(guān)主題；再從中剔除“盾構(gòu)法”、“盾構(gòu)隧道”、“盾構(gòu)機(jī)”等無關(guān)次要主題，結(jié)果剩余1 385條；最后，從搜索結(jié)果中人工篩選刪除無關(guān)內(nèi)容，可獲得精確搜索結(jié)果，共1 367條。以論文的發(fā)表時(shí)間為橫軸，繪制出國內(nèi)沉管隧道相關(guān)論文數(shù)量及其累積數(shù)量曲線，如圖12所示。

圖12 國內(nèi)沉管隧道相關(guān)論文數(shù)量及其累積數(shù)量曲線（基于CNKI數(shù)據(jù)庫）Fig.12 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related papers(Based on CNKI database)

為進(jìn)行對(duì)照，以Scopus為數(shù)據(jù)庫，搜索關(guān)鍵詞為“‘immersed tunnel’or‘immersed tube’or‘sunken tube’or‘immersed tunnelling’”，得到搜索結(jié)果937條，繪制論文數(shù)量及其累積數(shù)量曲線見圖13。

由圖10～圖13可見：無論是專著、專利還是論文數(shù)量，均在2010年左右開始呈現(xiàn)出“爆發(fā)式”增長，這得益于2010年港珠澳大橋島隧工程的開工。港珠澳大橋島隧工程沉管隧道于2010年開工，2017年貫通，全長6.7 km，沉管段長度5 664 m，是世界上最長的公路沉管隧道，也是國內(nèi)首條外海沉管隧道。港珠澳大橋島隧工程在國內(nèi)首次采用工廠法流水線預(yù)制沉管，為克服超深埋、大回淤等困難，采用世界首創(chuàng)的半剛性沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)，并使用鋼殼-高流動(dòng)性混凝土三明治結(jié)構(gòu)為主體的可逆式主動(dòng)止水最終接頭，實(shí)現(xiàn)了1 d之內(nèi)完成沉管隧道最終段的合龍。港珠澳大橋島隧工程的順利建成，實(shí)現(xiàn)了我國外海沉管隧道從0到1的突破，使我國從沉管隧道的相對(duì)小國，成為沉管隧道的國際領(lǐng)軍國家之一，也為我國后續(xù)沉管隧道的建設(shè)打下了良好基礎(chǔ)。在搜集的國內(nèi)沉管隧道相關(guān)專著、專利和論文中，港珠澳大橋島隧工程相關(guān)的占比分別為61%、44%和25%（圖14），可見，港珠澳大橋島隧工程的科技創(chuàng)新程度較高，對(duì)我國沉管隧道工程建設(shè)有較強(qiáng)的科技引領(lǐng)作用。

圖13 國內(nèi)沉管隧道相關(guān)論文數(shù)量及其累積數(shù)量曲線（基于Scopus數(shù)據(jù)庫）Fig.13 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related papers(Based on Scopus database)

圖14 國內(nèi)沉管隧道相關(guān)專著、專利、論文中島隧工程相關(guān)數(shù)量占比圖Fig.14 Proportion of the number of island and tunnel engineering in domestic immersed tunnel related monographs,patents and papers

4 結(jié)語

本文對(duì)世界沉管隧道工程建造情況進(jìn)行了分析，剖析并評(píng)價(jià)了國內(nèi)沉管隧道科技發(fā)展現(xiàn)狀。結(jié)論如下：1）從沉管隧道累積數(shù)量與累積長度看，美國、日本、荷蘭是老牌沉管隧道大國，中國是新興沉管隧道大國，港珠澳大橋島隧工程的開工與貫通均給我國沉管隧道累積長度帶來了“跳躍”；2）從已建沉管的長度和體量建設(shè)速度看，中國和美國均排在前列，鋼殼結(jié)構(gòu)沉管長度建設(shè)速度較快，混凝土結(jié)構(gòu)沉管體量建設(shè)速度較快，采用工廠法的厄勒隧道和港珠澳大橋島隧工程建設(shè)速度均位于世界前列；3）建立了以管節(jié)體量、管節(jié)數(shù)量、水深和埋深為指標(biāo)的沉管隧道建設(shè)難度評(píng)價(jià)公式，世界已建沉管隧道中，港珠澳大橋島隧工程建設(shè)難度最大；4）從國內(nèi)沉管隧道相關(guān)專著、專利及論文數(shù)量看，港珠澳大橋島隧工程的建設(shè)為我國沉管隧道科技發(fā)展作出了較大貢獻(xiàn)，為推動(dòng)我國沉管隧道工程科技創(chuàng)新起到較強(qiáng)的引擎作用。

值得指出天氣、海況和地質(zhì)條件也是沉管隧道建造的關(guān)鍵參數(shù)，由于這方面公開信息較少，尚無法形成同等數(shù)據(jù)規(guī)模的“大數(shù)據(jù)分析”，該部分可作為將來研究的進(jìn)一步延伸。