海中沉管隧道回填防護設計的討論

林巍，張志剛

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引言

沉管隧道管節在海中安裝后，立刻在管節的四周開始回填防護作業。

沉管隧道的回填防護通常被分為幾大塊：鎖定回填（對后鋪法隧道還包括部分止漿回填）、一般回填和隧道頂部的防護回填，如圖1所示。回填的幾何形狀、尺寸及其材料的選擇應當考慮施工工藝、功能需求和海況限制等因素。

圖1 沉管隧道回填方案示意圖

為了理清回填防護設計的關鍵點與思路，本文將首先剖析回填防護在沉管隧道工程施工期和運營期中所起的作用，即回填防護設計的功能需求。由于沉管隧道的設計與施工關系密切，尤其對于回填防護的外海作業，施工方法、工期壓力等因素都有可能影響設計方案，所以文中梳理了回填防護的設計方法與思路，并討論了有關施工方面的問題。

1 沉管隧道回填防護的功能需求

1.1 運營方面

沉管隧道的使用壽命相比一般海工結構物的壽命長。因而回填防護設計需考慮在運營期間可能出現的各種情況。通常需考慮的內容包括：

1）隧道的抗浮要求。為防止安放于水中的沉管隧道失穩或浮起，需要在沉管隧道兩側和上方進行回填以提供足夠的負摩擦和重量。沉管隧道回填后的抗浮安全系數，即回填重量與隧道結構的總重量之和與隧道總浮力的比值，考慮運營期可能的種種不利因素影響，一般需達到1.15～1.25。

2）隧道結構防錨的要求。在沉管隧道上方航行的船舶如果發生落錨，或拖著錨橫跨過隧道時，需要由回填防護來保護隧道結構，防止被錨的沖擊力或錨鉤破壞[1]。

3）波浪和海流的作用力對單個塊石或塊體的穩定重量的要求。沉管隧道使用期間出現極端的海況時，組成回填材料的塊石或塊體需要有足夠的重量，以防止波流力將其推動。為達到此要求，計算或物模試驗選用的波浪、海流參數的重現期不小于沉管隧道的設計使用壽命。

4）大型船舶在隧道上方航行時，螺旋槳尾流對回填塊體（石）的穩定性影響。吃水深、功率大的萬噸級、幾十萬噸級的集裝箱船等船舶通過隧道上方時，螺旋槳尾流對回填材料的穩定性的影響不容忽視，此穩定性可基于隧道使用期間遠期船舶的預測數據來進行驗算。

5）整體穩定性要求，即回填方案設計時需確保在發生地震、長周期波浪等情況時，回填防護體不會發生整體的滑動。

6）需要選擇良好粒徑和級配的回填材料，避免地震時發生液化。

7）反濾、沖刷防護等海工構造要求。

上述前2條是針對沉管隧道的防護所提出的，后5條為回填防護中保持自身的穩定性的影響因素。

1.2 施工方面

1）不同施工設備和工藝對回填方案的影響。

2）基于有限的海上作業窗口，回填作業與前后工序的銜接對回填防護方案的影響。

3）鎖定回填是沉管隧道管節沉放對接后進行的第一步回填工作。在鎖定回填施工過程中，由于作用在管節側面的海流力，以及管節兩側的不均勻回填造成的側土壓力，存在使管節橫向移動的風險，因此要求在管節兩側對稱進行或交錯進行。該施工需要根據管節橫向推力與底面的摩擦抗力的比值來綜合確定。

4）后鋪法沉管隧道在管節的底部需要注漿。為防止漿液從管底與基礎的間隙間向兩側擴散，在注漿開始前，需要先沿管節兩側在整個縱向進行止漿回填。止漿回填的高度略高于管節與基礎間的注漿縫隙。

1.3 其它

1）降低船舶撞擊風險的設計。如果回填頂面標高比周邊的海床面高，則失事或偏航的船舶將不能在海床上擱淺，而會直接撞擊沉管隧道。不同于橋梁被船舶撞擊的經濟損失，這里的經濟損失指的是工程建筑物的修復或重建費用，不包括船舶損壞、社會的經濟損失和生命損失，橋梁被撞壞后的修復費用僅為橋梁總造價的一小部分，而沉管隧道被撞毀后幾乎無法修復，其經濟損失會大得多。進而風險評估計算公式中的撞擊后果影響系數也是成倍增加，因此對突出海床面部分的沉管隧道，船舶撞擊風險概率一般需要進行評估。當沉管隧道撞毀的風險概率超出規定值時（風險概率允許值根據不同項目重要程度和各國規范有不同的要求，目前國內有關指南要求不超過3×10-4），需要增加船舶撞擊防護來降低沉管隧道被撞毀的風險。一種被動防護方案就是加寬隧道兩側的回填寬度并適當增加兩側回填的高度，形成防撞護坦，將船舶的沖擊動能通過與回填材料的擠壓、摩擦、破碎和位置變化等能量的轉換來化解，起到阻擋和削弱船舶的沖擊力的作用[2]。

2）阻水率。厄勒海峽接線項目要求控制施工帶來的對環境的影響。靠近內陸側的波羅地海不允許因包含沉管隧道的連接線的建成所引起的物理海洋環境及生物環境的改變。這意味著施工時需要避免穿過厄勒海峽的海流的折減。阻水率被定義為流入和流出波羅地海的海流的折減值[3]。在厄勒項目采用了補償開挖等方法降低阻水率。作者認為可從回填防護方面來有效降低阻水率，即盡量縮減沉管隧道管節頂部回填層的厚度。一是通過設計分析來量化，找出頂部回填的理論允許最小厚度；二是通過施工工藝在經濟、可行的范圍內盡量縮小頂部回填的豎向施工容差，從而降低回填防護的頂面平均高程；此外在有條件時也可考慮使用重度約3.65 t/m3的鐵礦石作為隧道頂部的回填防護材料。因為隧道頂部回填材料厚度的主要影響因素是組成該材料的尺寸，而塊石的尺寸由其重量決定。如果有條件使用類似的更重的材料，也許能夠有效縮減隧道管節頂部的回填層厚度。

2 設計方法與設計思路

2.1 總體布置

回填防護的一種典型斷面布置形式如圖2所示。為減小回填材料的用量和提高施工效率，頂部回填的形狀設置為彎折形，這種形式也起到了船舶發生拖錨時避免錨爪勾住隧道結構的作用[1]。

圖中的肩寬取決于錨爪勾不到隧道結構所需的寬度，并考慮海上作業的施工偏差。同時需要滿足海工的構造要求，例如肩寬至少應大于2倍面層塊石的粒徑。當需要利用回填結構降低船舶撞毀隧道的風險時，肩寬取決于能有效減小船舶對隧道結構的撞擊力的距離，即消耗大部分船舶撞擊動能所需的距離。

圖2 港珠澳大橋沉管隧道回填防護典型斷面圖

兩側的坡角一般為回填材料施工的自然休止角。坡角的設計也應滿足整體穩定性要求。

如果要求隧道修建完成后復原成原海床面的形狀，還需要將開挖出的海床料或較好的材料回填至兩側的空間。圖3所示平鋪的回填布置也是常見的一種形式，為避免船舶發生拖錨錨爪勾住隧道結構，需要在兩側安裝由較大塊石組成的釋錨帶。

圖3 香港西區沉管隧道回填防護斷面示意圖

2.2 鎖定回填

鎖定回填是沉管隧道管節沉放后的首道回填工序，目的是盡快固定住管節，防止管節在橫向水流力作用下發生偏轉。因為要快，所以回填方量不能太多，幾何尺寸不能設計得太大；因為要穩定管節，所以相比一般回填需要選用較好的材料，提高材料的內摩擦角，從而增加鎖定回填的側向土壓力。表1為日本沉管隧道鎖定回填材料的使用情況[4]。

鎖定回填的施工工序通常是在管節的兩側對稱回填，兩側高差需控制在0.6～1.0 m以內；另一種工序是在隧道管節的兩側交錯回填，采用這種工序時需注意檢查每一步回填管節的橫向抗力是否充足：

?

式中：fbo為管節底面的摩擦力；Ppas.為鎖定回填（如果有）較少側的被動土壓力；Pstatic為鎖定回填（如果有）較多側的靜止土壓力；C為管節側面的水流力。

2.3 一般回填

一般回填作為沉管隧道回填防護的主要部分，占較大的工程量，形狀基本同2.1節的總體布置。

選擇回填料時需考慮選用防止地震液化的材料。日本已建成的沉管隧道一般回填材料使用情況見上述表1。

如果采用開底駁拋填，在新安管節一側進行大方量的拋填時，則也需要用2.2節的方法來核算管節的橫向推力和抗力。

2.4 隧道頂面回填

隧道頂面回填的主要作用是保護沉管隧道結構，并保證自身及內部的回填料在波浪、海流作用下的穩定性。

由第1節可知，頂面回填設計需要分析和驗算的內容最多。建議采用以下順序逐步驗算和確定設計方案。

2.4.1 塊石或塊體選擇

為了不被海流和波浪力推動，面層塊石重量的選擇一般取決于當地的海流和波浪特征。

當防護面層的頂面位置較高，位于或高出潮位變動區時，塊石的穩定性主要受到波浪力的影響。有時需要選用抵抗波浪力穩定系數更高的混凝土人工塊體代替天然塊石作為頂面防護材料。

面層塊石或塊體的穩定重量可通過波流物理模型試驗來確定。國內外均有基于物理模型試驗和實際應用得到的較成熟的經驗公式用于穩定重量的計算或與試驗結果比對。列出下面幾個經驗公式為例：

1）面層低于海床面的情況。這是最常見的情況，防護面層塊石的穩定重量受到波浪與海流共同影響。由Shield理論公式[5]計算：

式中：ψ為Shield參數；Uf為剪切流速，m/s；△為塊石相對密度；g為重力常數，m/s2；D為護面塊石粒徑（由該值計算塊石穩定重量）；u*為水流剪切流速，m/s；ufw為波浪剪切流速，m/s。

2）面層高出海床面的情況。波浪力的影響作用逐漸增加，除了用上述公式進行穩定性重量計算外，類似潛堤，還可用Van Der Meer公式[5]驗算：

式中：hc′為護面層頂面距海床面距離；h為水深；S為相對侵蝕面積；Ns*為波譜穩定性系數；Ns為穩定性系數；sp為波陡；Hs為有效波高，m；△為塊石（體） 相對密度；Dn為護面塊石（體） 等效立方體中值粒徑。

3）面層的位置較高甚至露出海面時，類似一般防波堤護面塊石或塊體，穩定重量可由Hudson公式[6]計算。

護面回填上方有大型船舶通航的區域，還需要驗算船舶螺旋槳尾流對面層塊石或塊體的穩定性[7]。

此外，還應全面掌握材料費用、設備匹配性、施工便利性、工效及美觀等各種因素，選取合適重量或體積的護面塊石或塊體。

2.4.2 墊層

由于一般回填材料的粒徑較小，可能直接從面層塊石的空隙中被海水淘出，因此需在面層和一般回填材料之間設置一層反濾碎石層，即墊層。墊層粒徑的大小介于一般回填和面層回填材料之間，即滿足：粒徑不能太大，防止一般回填料通過墊層碎石的空隙掏出；粒徑不能太小，防止墊層碎石從面層塊石的空隙掏出。

鋪在管節頂面的反濾層也起到了緩沖的作用，避免在隧道管節的頂面直接安放較重的塊石而破壞隧道結構。

從海上作業的便利性和工效來看，安放一層回填料比安放兩層不同的回填料更加便利。因此有條件時，可考慮用一般回填材料取代反濾層，這樣設計的前提是面層塊石或塊體能夠對一般回填料起到反濾作用；如果管節的頂板上澆筑了干舷調節素混凝土或防錨混凝土墊層，或者在管節頂部安放塊石或塊體時能保證隧道結構的安全，那么可用面層塊石或塊體取代反濾層。

2.4.3 頂面防護層的厚度

首先，隧道頂面防護層的厚度應滿足運營期沉管隧道抗浮的要求（見1.1節第1） 條），據此可計算得到抗浮所需最小安全厚度Tuplift。

其次，由確定的面層和反濾層（如果有）的材料粒徑可計算得到回填料所需的最小厚度Tmat。例如，對于大塊石面層加上反濾層的情況，最小厚度等于2倍（面層塊石至少鋪2層） 面層塊石的中值粒徑，加上碎石墊層施工能達到的最小厚度60 cm（實際施工最小厚度需結合水深和工藝、設備確定）。

再次，管節頂面回填要能有效降低落錨的沖擊力。選取落錨代表錨型，根據經驗公式[1]計算落錨作用在沉管隧道結構上的等效靜力荷載，并校核隧道結構的強度。如果不能滿足要求，則需考慮加厚管頂的回填層來減小落錨沖擊力，或者增加管節結構自身的強度來抵抗落錨，或兩者兼而有之。最終可確定減緩落錨沖擊力所必需的厚度Tanchor。

根據上述抗浮、材料構造和減緩落錨沖擊力得到的最小厚度，可知頂面防護層理論所需的最小厚度為：

在此基礎上，還應充分預留海中施工作業時施工偏差Tcon以及一些不確定因素Tunknown，以此來確定隧道頂面防護的設計厚度Tarmor。

2.5 回填防護施工

沉管隧道的回填防護有多種施工工藝，包括抓斗船拋填、抓斗船聯合帶落料管的駁船回填、開底駁拋填、皮帶船拋填等。

對于管節頂面的回填，如果需要安放較大體積、重量的塊石或塊體，需要用網兜或抓斗來安放，這種安放方式可減小塊石或塊體對隧道結構頂面的沖擊作用。

結合已有的設備、施工工效、船舶作業空間（隧道管節及周邊的障礙物）和前后工序的銜接等確定施工工藝。

2.6 相關工序

2.6.1 鎖定回填與舾裝件拆除

鎖定回填應在沉管隧道管節完成沉放對接、沉放駁或浮筒與管節脫開之后盡快進行，以穩定新安裝的管節。但是，由于沉放后需要拆除管節頂面的部分舾裝件，這需要潛水員在水下拆卸螺絲，并輔助岸上或海上的吊機吊起舾裝件，因此會占用沉管管節的部分或全部的作業面；由于潛水作業對流速的要求較嚴格，所以在海上拆除舾裝件可能需要較長的時間，這將影響鎖定回填作業，因而需合理考慮鎖定回填施工與舾裝件拆除工作的作業面和工序。

2.6.2 管節頂面回填與管內施工作業

沉管管節沉放安裝之后，管節內部的工作包括澆筑壓重混凝土和拆除臨時壓艙水箱。拆除壓艙水箱之前需首先排出壓艙水箱內的壓載水。為了保證管節的負浮力，排出壓載水的同時，需要等重量或更多的澆筑管內的壓重混凝土。因此導致工序安排復雜。如果在該管內工序之前能夠完成管節頂面的回填，由于管節頂面的回填提供了額外的壓重，則可以簡化管內壓重混凝土澆筑與壓艙水抽排的交替作業工序。

3 結語

海中沉管隧道的回填防護受到海上條件、船舶通航、現場施工條件等因素的制約，宜在全面考慮設計功能需求、施工工藝等各方面因素后，對回填方案進行分析、計算和決策。在設計階段若可全面考慮和檢查，并借鑒有關的工程經驗，就能得到較優的沉管隧道回填防護設計方案。

[1]JAN SAVEUR.Hazard Analysis[J].Tunneling and Underground Space Technology，1997，12（2）：135-144.

[2]OLE DAMGAARD LARSEN.Ship Collision with Bridges the Interaction between Vessel Traffic and Bridge Structures[M].Switzerland：IABSE-AIPC-IVBH，1993.

[3] ?RESUNDSBROKONSORTIET.The tunnel[M].Denmark：The ?resund publication，2011.

[4] 園田恵一郎.沈埋函トンネル技術マニュアル（改訂版）[M].日本：財団法人沿岸開発技術研究センター，2002.

[5]JOHNG.HOUSLEY.Coastal Engineering Manual[M].U.S.Army Corpsof Engineers，2002.

[6] JTJ298—98，防波堤設計與施工規范[S].

[7] JG BERRY.Guidelines for the Design of Armored Slopes under Open Piled Quay Walls[M].Belgium：PIANCGeneral Secretariat，1997.