沉管隧道管節預制工藝比選

吳瑞大，歐政軍

（中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510231）

修建大型水下隧道主要采用沉管法和盾構法[1]。沉管法是先在岸上預制管節，然后浮運到指定位置下沉對接固定，進而建成過江隧道或水下構筑物的施工方法[2]。采用沉管法施工的隧道稱為沉管隧道，有鋼殼管節和鋼筋混凝土管節兩種結構型式。早期修建的沉管隧道多為鋼殼管節，隨著水力壓接法和管節防水等關鍵技術的進步，鋼筋混凝土管節逐漸取代了鋼殼管節，近幾十年修建的沉管隧道大多以鋼筋混凝土管節為主。管節是沉管隧道的最基本的組成單元，管節預制是沉管隧道工程的重要環節。本文介紹了4種不同混凝土管節預制方式及工程應用實例，結合港珠澳大橋沉管隧道工程的實際情況，重點分析了沉管預制干塢法和工廠法的各自優缺點和適用范圍，通過深入地比選研究，最后提出港珠澳大橋管節預制實施方案。

1 混凝土管節預制方式

1942年鋼筋混凝土管節首次成功應用于荷蘭鹿特丹的Mass沉管隧道工程[3]，隨著科技進步，大量施工技術難題逐漸被攻克，幾十年來混凝土管節的預制方式也發生了很大的變化。根據預制場所的不同，目前混凝土管節的預制有大干塢內一次預制、干塢內分批預制、工廠化分批預制、水上浮動預制等4種方式。

1.1 大干塢一次預制方式

本方式是在一個大型的干塢內一次性完成所有水下管節的預制。它只需一次性放水進塢，而無需在塢首設置重復開合的闡門。管節出塢時，拆除塢首圍堰即可將管節逐段拖運出塢。這種預制方式所需的干塢規模較大，占地多，土地使用費高，對環境和生態的影響較大。本方式只適用于隧道規模小，管節數量少，土地使用價格低，塢址地質條件較差以及不易在干塢內放水排水的工程。

我國1995年11月建成通車的寧波甬江沉管隧道就是采用這種方式進行管節預制的。該隧道全長3821.98m，為單管單孔雙車道結構，水中共有五節管節E1～E5，總長420m（85m+80m+3×85m），管節全部在隧道軸線南引道處的岸邊設置的干塢（圖1）內一次性預制。塢底長215m，寬 85m[4]。

本工程管節之所以采用大干塢內一次預制方式，是因為塢底為流塑狀軟土，隧址的基槽易回淤，且管節數量少。為增強塢底地基承載力，防止地基不均勻沉降的影響，除了在管節預制基礎范圍的地基進行排水和換土處理外，在預制管節時還采取了如下有效措施：采取分段（分8段）澆筑、各段之間設1m長的斷開段、根據各段沉降觀測結果再確定澆筑斷開段的時間，最后各分段連成整體形成預制管節。管節浮運出塢時，將管節平移至塢內組合基礎上，用騎吊法將沉設船與管節組成組合體，管節靠壓載沉沒于水中，并吊在沉設船下方浮運出塢。出塢時水位必須在高平潮。

1.2 干塢分批預制方式（簡稱干塢法）

本方式是沉管管節在干塢內分批制造，分批出塢，塢首需設置能重復開合的闡門，以滿足塢內多次放排水的要求。由于管節是分批預制的，因而干塢規模小，占地少，但建造閘門費用較高；干塢內反復灌水、抽水對干塢邊坡穩定性不利；適用于地質條件好，管節數量相對較多，干塢建設用地狹窄的工程。

我國1994年1月建成通車的廣州珠江沉管隧道管節就是采用這種方式預制的。該隧道全長1238m，為單管4孔結構（4線機動車道+雙線地鐵車道），水中預制沉管共5節（E1～E5），總長457m（105m+2×120m+90m+22 m），全部管節分4批在設于芳村岸邊隧道軸線上的干塢內預制。由于隧址地方狹窄，只能設置分批預制的小規模干塢，管節預制1節，起浮出塢1節。干塢寬48m，長105 m，深8.9m，如圖2所示。塢門寬33m，為鋼結構，施工期間塢門須開閉3次及安裝拆除1次。干塢內管節起浮后，在塢內平移至隧道軸線，同時開啟塢門，利用塢門外150m處方駁上的液壓絞車拖引出塢浮運[5]。

1.3 工廠化分批預制方式（簡稱工廠法）

工廠法采用在專設的廠房內進行管節的工業化生產，再分批推入干塢，分槽（淺水槽和深水槽）出塢的辦法施工，主要適用于預制工期緊，工程質量要求高，塢址地勢高低不平的工程。

已建的丹麥-瑞典穿越厄勒海峽固定聯絡線上的沉管隧道工程就是采用這種方法。該隧道全長3.5 km，隧道由20節預制鋼筋混凝土管節組成，每個管節重55000 t（178 m×42m×8.5m），橫截面為單管4孔（2孔公路+2孔鐵路）結構，每節管節由8段長度為22.25m的管段組成。管節在丹麥哥本哈根北海灣附近預制，在專設的廠房內工業化生產。管節按橋梁分段灌筑的方式采用鑲合澆注法澆筑，即每一個管段緊靠在前一管段的端部灌筑，并采用了先進的液壓模板系統。當2節管節并行預制完成后，頂推系統將其推入工廠外的無水淺水干塢，然后關閉淺水干塢的滑動塢門與深水干塢的浮動塢門，并向干塢內注水，待干塢內的水位達海面以上10m時管節在淺水干塢浮起，再將管節絞拉至深水干塢，排水待塢內水面降到海平面后打開浮動塢門，將管節拖運至隧址沉放就位。圖3是厄勒海峽沉管隧道管節預制工地的總體布置示意圖。

1.4 水上浮動預制

上述3種管節預制方式均需在岸邊事先建造干塢，干塢占地面積較大，開挖深度達10m以上，還需要存放大量棄泥的地方，建造干塢的費用也較高，約為沉管制造費用的20%以上。此外，在干塢內重復灌排水還會導致周圍地面沉降，給環境帶來危害。為了克服上述缺點，有建議采用在水上浮動預制管節。

早期的鋼殼沉管隧道中就曾采用在船臺上預制鋼殼后，將鋼殼沿滑道滑入水中成為浮體，在漂浮狀態下灌筑鋼筋混凝土管節。這種管節一般做成圓形，由于鋼殼不拆卸，耗鋼量太，費用高。

1995年，英國工程師在研究了管節在制造期間的重力和浮力的變化規律后，建議矩形管節在水上浮船上制造。該方法是先將浮船錨碇在隧址附近有一定水深（此水深大于管節漂浮后吃水深度與浮船高度之和）的水面上，然后在浮船上澆筑管節底板混凝土，再澆筑管節側墻混凝土，此時要求澆筑側墻升高速度比浮船下沉速度要快（即管節正浮力的增加比管節重量增加要快）。當側墻體混凝土灌筑到一定高度時，管節本身的浮力就可以支持自身的重量而不需靠浮船提供浮力了，這時可將浮船灌水下沉到河底，但在浮船下沉之前應先在管節兩頭安裝封頭板，以使管節漂浮后不再進水。當管節漂浮后可將其拖運至隧址處，再澆筑其余側墻和頂板混凝土，同時將浮船排水后浮升至水面、拖運至原位，準備制造下一節管節[6]。

用這種方法預制管節可以無需建造龐大的干塢，且不影響周圍環境，這對于城市中心建造沉管隧道十分有利，而且費用相對較低，但是要求施工水域波浪、水流較小。

綜上所述，這4種沉管管節預制方式各有優缺點，與沉管隧道的規模、管節的數量、干塢的占地面積、水深和管節浮運沉放等因素密切相關，適用于不同的工程項目。另外，管節預制方式還對管節的防水性能、結構強度以及沉管隧道的施工工期、造價、環保等很多方面影響重大。

2 港珠澳大橋沉管預制工藝比選

港珠澳大橋位于中國珠江口伶仃洋水域，連接珠江東岸香港及西岸的澳門、珠海，大橋長約35.6 km，大橋軸線自粵港分界線交點向西至珠海、澳門口岸間的主體工程主線全長29.552 km，采用橋隧組合形式，沉管隧道穿越珠江主航道，隧道兩端各設東、西人工島與兩端橋梁連接。

大橋島隧工程包括東人工島結合部非通航孔橋、東人工島、沉管隧道、西人工島、西人工島結合部非通航孔橋，全長7440.546m，其中預制沉管段長5664m，由33節管節組成。

與厄勒海峽、釜山至巨濟接線等國外長大海底沉管隧道的設計理念類似，港珠澳大橋沉管采用節段式管節，標準管節長180m，由8×22.5m節段組成，通過后張預應力連接在一起，管節起浮、舾裝完成后，通過拖輪運到隧道區，沉放、對接形成海底隧道。標準節段混凝土方量為3400m3，鋼筋約900 t，沉管隧道橫斷面示意圖見圖4。

港珠澳大橋作為具有空前影響力的跨海通道工程，其工程規模大，工期緊，難度高，技術含量高。為滿足沉管120 a設計使用壽命的要求，實現對大體積混凝土的控裂技術，國內首次采用沉管管節全斷面一次澆筑工藝，沉管預制施工工藝的選擇將對工程質量、后期建設和運營產生極其重要的影響。

考慮沉管預制的擬選塢址、平面布置、工藝技術、質量要求、沉管寄放、工程造價、工期要求和工程風險等方面因素，干塢法和工廠法均為合理、可行的管節預制備選方案，下面對此兩種工法進行進一步的比選研究。

2.1 沉管預制廠平面布置

經過前期多方面研究論證，確定了珠海市桂山牛頭島為最佳干塢建造地址。根據干塢法和工廠法的要求，分別進行了總平面布置規劃，并進行了優化。

2.1.1 干塢法平面布置

干塢法平面布置為兩個塢“3+3”塢前寄放干塢型布置，廠區共分九大功能區：預制干塢區（1號、2號干塢區）、鋼筋加工區、鋼結構及預埋件加工區、混凝土生產區、碎石加工區、材料碼頭運輸區、沉管寄放區、生活及辦公區等設施。干塢法總平面布置見圖5。

2.1.2 工廠法平面布置

工廠法平面布置為淺塢加深塢“2＋4”的布置方案，包括生產線廠房、淺塢區、深塢區、鋼結構及預埋件加工區、混凝土生產區、碎石加工區、材料碼頭運輸區、沉管寄放區、生活及辦公區等設施。總平面布置見圖6。

2.2 工藝設計

根據港珠澳大橋沉管預制工程量、工期要求、工效分析及總平面布置，分別對干塢法和工廠法進行了工藝設計。

2.2.1 干塢法預制工藝

管節分批次在干塢內進行預制，每批次為3節管節，左右兩個干塢共分11批次輪流出塢。管節在塢內預制完成并進行一次舾裝及試漏后，利用在干塢布設的錨點和絞車等設備，將管節絞移出干塢，使管節在塢前寄放區內臨時系泊寄放和二次舾裝。

沉管模板分為側模、側模門架、內模結構、內模支架及導梁五部分組成。預制場共配置6套模板（6套外模、6套內模），即每個臺座設置1套模板系統。

干塢法主要包括三大關鍵工藝：鋼筋綁扎工藝、模板裝拆工藝、全斷面澆筑混凝土工藝。

2.2.2 工廠法預制工藝

沉管工廠化預制是指按照流水式預制生產線進行工藝布置，所有預制作業在廠房內連續進行，每個節段在澆筑臺座上全斷面澆筑、養護，達到強度后向前頂推22.5m，空出澆筑臺座，下一節段與剛頂出的節段相鄰匹配預制，直至完成8個節段，整體頂推至淺塢進行臨時預應力索張拉形成管節整體，再進行舾裝、試漏、出塢作業。

工廠化流水施工工藝設置2條生產線，每條由3個鋼筋綁扎臺座、1個混凝土澆筑臺座、1套鋼筋綁扎模架、1套固定底模、1套內模、1套外模及4個鋼筋籠滑移臺車組成。

沉管寄放在深塢區，共分17批次出塢。

工廠法主要包括四大關鍵工藝：鋼筋綁扎工藝、模板裝拆工藝、全斷面澆筑混凝土工藝、管段頂推工藝。

2.3 工法比選

與干塢法相比，工廠法的優點主要有以下方面：

1）在總平布置方面，由于工廠法分為深塢和淺塢，充分利用了桂山牛頭島階梯形地勢，大大減少了土石方開挖量。

2）在工藝流程方面，工廠法預制施工都以管段為單位進行，容易形成流水施工。

3）在施工組織方面，所有管段在工廠內預制，不受天氣影響，真正實現了連續作業，勞動力需求保持均衡。管段的鋼筋籠全部“離線”預加工，處于預制工作主流程之外，加快了施工速度。沉管起浮時不會淹沒鋼筋預制區、模板加工區及混凝土澆注區等主要功能區，提高了施工效率。有文獻對厄勒海峽沉管隧道傳統干塢法和工廠法的效率進行了統計比較，認為其工效有了很大提高。

4）在施工質量方面，所有鋼筋加工綁扎、模板安裝、混凝土澆筑養護以及孔道灌漿等工作均在室內進行，條件可控，施工質量好，為提高工程質量創造了條件。

5）在施工成本方面，盡管工廠法在頂推系統、混凝土輸送系統等專用設備的資金投入上加大了，但是工廠法更流暢的施工組織卻減少了管節預制的時間，勞動力成本更低，同時免除了澆注過程中混凝土人工冷卻，允許使用長鋼筋和機械加工，極大地降低了鋼筋用量，減少了氣候對工程建設的影響，工程的總體造價相對減少了。

6）工廠法預制縮短了混凝土的輸送距離，可以達到小于150m，無需使用混凝土運輸車。

工廠法也有一定的缺點：新澆筑的管段在短時間的養護后就要被頂推，管節在下水前要運送250m左右的距離。該方法在國內尚無先例，在國外也僅在厄勒海峽沉管隧道應用過，屬于新技術，存在一定的技術風險。但是只要在施工前期進行一定的研究，解決管段混凝土早期的裂縫控制和頂推系統等關鍵技術，技術風險也是可控的。

結合沉管預制干塢法和工廠法的平面布置，綜合沉管預制的技術要求、質量控制、沉管寄放安全、工程造價、工期要求、工程風險等方面因素進行深入研究比較，兩種工法主要指標如表1所示。

表1 沉管預制干塢法和工廠法主要指標比較

3 結語

本文通過對國內、國外多個典型沉管隧道管節預制實例的調研，總結、分析了大干塢內一次預制、干塢內分批預制、工廠化分批預制、水上浮動預制等4種沉管管節預制方式的特點和適用范圍。針對港珠澳大橋沉管隧道的工程特點，經初步分析，沉管預制采用干塢法和工廠法兩種工法均是合理和可行的，各具優劣。最后重點對這兩種工法在干塢基礎設施建設成本、機械投入、施工質量控制、關鍵技術的可靠性、工期保障和沉節寄放安全等方面進行了深入比選，建議港珠澳大橋沉管預制優先選擇工廠法進行施工。

[1] 陳韶章.沉管隧道設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 傅瓊閣.沉管隧道的發展與展望[J].中國港灣建設，2004（5）：53-58.

[3] 楊文武.沉管隧道工程技術的發展[J].隧道建設，2009，29（4）：397-404.

[4] 曹利民.寧波甬江水底沉管隧道土塢的設計回顧[J].現代隧道技術，2005，42（1）：16-19.

[5] 劉應海，任孝思，胡瓊初，等.珠江沉管隧道管節預制技術[J].現代隧道技術，1996，42（6）：22-26.

[6] 楊文軍，陳東生，張永強.移動干塢預制沉管隧道管段技術的研究[C]//救撈專業委員會.學術交流會論文集2005.