公路沉管隧道的發展及其關鍵技術

張志剛，劉洪洲

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

0 引言

隨著經濟的快速發展以及人們環保意識的不斷提高，交通和運輸系統形式不斷完善，由此引發了土木工程師們對采用水下隧道方式跨越江河和海灣(峽)的思考與實踐。與橋梁方案相比，水下隧道可實現全天候運營，對航運、航空無干擾，人防能力強，同時也能很好地保護原有生態與自然環境。

目前修建水下隧道的主要工法有鉆爆法(礦山法)、全斷面掘進機法(TBM法和盾構法)、沉管法與圍堰法4種。在大型水下隧道工程中，軟土地質通常采用盾構法或沉管法，巖石地層采用礦山法或TBM法。由于水下地層以沉積或沖積土層居多，故世界范圍內建成數量多、技術難度大的隧道大多采用盾構法與沉管法。盾構法始于英國，興于日本，已有170多年歷史，除應用于水下隧道修筑外，也廣泛地應用于城市地鐵中，國內外均積累了較豐富的設計與施工經驗。沉管法始于美國，興于歐洲，只適用于水下隧道，結構型式、斷面布置、地基基礎和管節接頭連接等形式多樣。

沉管法又稱沉埋法。施工時，要先在隧址附近修建的臨時干塢內預制鋼筋混凝土管節，預制的管節用臨時端門封閉起來浮運到隧址，此時已于隧址處預先挖好一個水底基槽，并提前完成基礎處理;待管節定位后，向管節內灌水壓載，使其下沉到設計位置，將此管節與相鄰管節在水下連接起來，完成回填覆土;最后完成隧道內部鋪裝，從而形成一個完整的水底隧道。采用沉管法施工的水底隧道稱為沉管隧道，與圓形盾構隧道相比，沉管隧道的主要優點有:1)斷面形狀設計靈活，利用率高;2)埋置深度淺，隧道長度短;3)對基底的地層性能要求低;4)可多工點平行作業，工期短; 5)經濟性好;6)施工風險小［1］。

沉管隧道已廣泛地應用于公路、鐵路、地鐵、人行通道及下水道等工程，其中，公路沉管隧道的工程事例占絕大多數。從公路隧道建設中隧道埋深、兩端接線條件、通行車道數量及斷面布置型式、工期、風險等方面綜合考慮與比較，沉管法在公路水下隧道建設中具有一定的應用優勢。

我國大陸應用沉管法修建水底公路隧道的起步相對較晚。1993年在廣州珠江建成了第1條沉管隧道(公鐵合用)，后又陸續建成寧波甬江、寧波常洪、上海外環路、廣州侖頭至生物島、廣州生物島至大學城、廣州洲頭咀和天津海河7條沉管隧道。近年來，公路水下隧道的建設步伐有所加快，在建或規劃的有港珠澳跨海通道工程、大連灣跨海工程和深圳至中山通道工程等，再加上一些項目在工程可行性研究階段需要進行橋梁與隧道方案的同深度比較;為此，隧道工程建設者們應對沉管隧道工法的歷史、關鍵技術及發展等有更全面的認識與了解，以便作出較科學合理的判斷。

本文按照建設時序、地域和主要技術特點等因素對世界范圍內沉管隧道的既有事例進行分析梳理，著重論述了公路沉管隧道的發展歷史及其設計中所面臨的一些關鍵技術問題。

1 公路沉管隧道的發展

公路沉管隧道的起步可追溯到20世紀20年代末，比第1條水下鐵路沉管隧道滯后近20年。目前世界范圍內建成的公路沉管隧道總量近百座，圖1為不同年代建成公路沉管隧道的數量對比［2］。

圖1 不同年代公路沉管隧道的數量Fig.1 Number of immersed highway tunnels constructed in different years

通過對世界范圍內所有已建成的公路沉管隧道進行分析發現，公路沉管隧道可大致分為3個主要發展階段，下面將按各隧道建成的先后時間順序及類型進行詳細敘述。

立足當前、放眼長遠。天脊集團發出了“再領風騷30年”的動員令，這是天脊集團謀略所在、站位所在、實力所在。

1.1 第1代公路沉管隧道

第1代公路沉管隧道成型于20世紀20—40年代，其典型特征是:1)鋼殼(單層/雙層)結構;2)單個行車孔內不超過2個車道;3)刮鋪碎石的基礎墊層。

采用沉管法修建的第1條水底公路隧道為美國加利福尼亞州的奧克蘭與阿拉梅達之間的Posey隧道，建成于1928年，沉管段總長約742 m，使用12段61.9 m長的管節，為鋼筋混凝土圓形結構。該隧道采用單孔雙向2車道型式，全橫向通風，是美國后續應用沉管法建造水下隧道的楷模，也開啟了世界范圍內水底隧道建設的新篇章。隨后，美國與日本又陸續建成了幾座類似的沉管隧道，如表1所示。

1.2 第2代公路沉管隧道

第2代公路沉管隧道成型于20世紀40—60年代，其典型特征是:1)鋼筋(或預應力)混凝土結構; 2)矩形橫斷面;3)單個行車孔內至少設2個行車道; 4)柔性管節接頭;5)后填法墊層。

第2代公路沉管隧道以普通的鋼筋混凝土結構為主，在車道布置型式上更加靈活，滿足了道路通行的基本要求，解決了交通擁擠的問題。自1959年初加拿大Deas Island隧道開始，水下連接技術取得了重大突破，開始采用水力壓接法與柔性管節接頭，至此，沉管法開始被廣泛采用并隨之較快發展，在實際應用中較第1代沉管隧道已有令人矚目的技術進步。

1943年，荷蘭鹿特丹建成了歐洲第1條公路沉管隧道——Mass隧道，該隧道的建成標志著第2代公路沉管隧道的誕生。該隧道采用鋼筋混凝土矩形斷面，雙向4車道，沉管段總長584 m，管節總寬24.77 m，高8.39 m，由9段管節組成，采用橫向通風。古巴首都Havana Harbour隧道和加拿大溫哥華Deas Island隧道、德國Rendsburg隧道和丹麥Limfiords隧道等一大批4車道和6車道公路沉管隧道在這一時期相繼建成。第2代公路沉管隧道的典型代表如表2所示。

1.3 第3代公路沉管隧道

第3代公路沉管隧道成型于20世紀80年代后期，其典型特征是:1)節段式管節;2)混凝土結構自防水;3)帶壟溝碎石整平層;4)縱向通風方式。

第3代公路水底隧道建設中最大的技術進步當屬混凝土結構自防水能力的提高。自20世紀80年代末以來，歐洲已將混凝土沉管隧道的防水重點放在加強混凝土裂縫控制方面。通過采用節段式管節和整體式澆注，盡可能地減少溫度裂紋的出現，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，而且可以根據浮運條件與設備能力制作較長的沉管隧道管節，如已被多條沉管隧道采用的長度約為180 m的標準管節或者更長管節［6］。第3代公路沉管隧道的典型代表如表3所示。

縱觀公路沉管隧道發展的3個階段，后一階段均能很好地繼承前一階段突破性的重要技術成果，但并不完全表明前一階段的技術已被淘汰，因各國及各地區所掌握的施工技術、設備制造能力以及所具備的經驗與習慣不同，有時工程師們會更愿意沿用早期業內已成熟的技術，如最早使用的鋼殼沉管隧道結構，目前在美國和日本仍被推崇［5］。既便如此，目前世界上許多國家在水底公路隧道建設中一般會采用比較簡潔的第2代或第3代沉管隧道，殊有例外。

2 公路沉管隧道關鍵技術

2.1 縱斷面設計

沉管隧道的縱斷面設計關系到工程的建設難度及規模，受最大縱坡、通航尺度、水底沖淤狀況及兩岸接線等因素控制，縱斷面呈兩端陡、中間平緩之勢。通航尺度與兩岸接線作為縱斷面設計的邊界條件易于把控，而最大縱坡在現行規范中沒有專門具體的規定。對于公路沉管隧道總體方案設計中兩側洞口最大縱坡的取值，應合理平衡行車安全舒適與節省工程投資的關系，既不一味推崇短小縱坡，也不貿然采用長大縱坡。如果條件受限，隧道內縱坡可適當增大，應參考國內外成熟經驗，完善交通工程設施和交通管控手段，并經過專項系統論證后，以隧道內行車速度不要降低太多、盡量避免在隧道內設爬坡車道為原則，最大縱坡可取至5%。同時，沉管隧道的縱斷面設計也應兼顧最終接頭布置方案，在保證工期的前提下，應盡可能采用技術難度小的方式。

2.2 橫斷面設計

橫斷面設計包括橫斷面布置及橫斷面結構設計2項內容，二者相互關聯。橫斷面設計與隧道通行能力、公路交通組織、救援疏散水平、工程造價和施工難易程度等密切相關。

從目前已建成公路沉管隧道的橫斷面型式布置及運營管理情況來看，公路沉管隧道宜按單向行車道數確定管廊組成，3車道宜選用2孔單管廊斷面，4車道宜選用3孔2管廊斷面。通常情況下，兩行車孔間設置獨立管廊作為安全通道、部分機械設備放置場地和排煙道等用，發生災害時，可以實現橫向與縱向同時逃生。

橫斷面結構設計應優先采用鋼筋混凝土矩形斷面，為減少大體積混凝土澆筑過程中裂紋的產生，管節頂底板厚度應適當控制。管節在滿足強度與剛度要求的前提下，還應滿足浮運與沉放階段的要求，結構需經過反復的迭代計算確定(含尺度、材料及附屬件)。

2.3 地基基礎設計

盡管沉管隧道對地質條件的適應性好，地基基礎所需承受的荷載通常也較低，但由于在采用抓斗或者耙吸開挖基槽過程中，槽底表面不會太平整，槽底表面與沉管底面之間必將存在很多不規則的空隙，導致地基土受力不均勻而局部破壞，從而引起不均勻沉降，使沉管結構受到局部應力而開裂，故必須進行基礎設計(基礎填平)，這屬于第1類問題。除此之外，由于沉管隧道兩端埋置深度淺，接陸上段回填防護荷載大，一般需要進行地基改良或采用其他基礎型式，這屬于第2類問題。第1類問題可通過先鋪的碎石墊層或后鋪的砂料層得以解決，必要時也可壓漿，已建成的多數公路沉管隧道均采用了此法。第2類問題需要根據地層和荷載條件選擇采用復合地基、換填和樁基礎等形式，如韓國已建成的Busan沉管隧道采用了深層水泥攪拌樁與擠密砂樁改良原始軟弱土層的處理方案，香港西區沉管隧道采用了換填砂的地基處理方案［8］。

2.4 接頭設計

沉管隧道接頭是保證隧道運營安全的關鍵，接頭設計除滿足隧道不利工況下結構的受力要求，保證不同水壓下接頭具有良好的防水性能和可靠的水密性外，還應確保施工便利、質量易于控制，各構件功能明確、造價合理。

柔性接頭是最典型的沉管隧道管節接頭型式，在確保管節接頭水密性的前提下，允許接頭適應較大的變形。柔性接頭中，GINA止水帶除了在水力壓接過程中扮演重要角色外，還和Ω止水帶一起承擔永久運營階段管節柔性接頭的防水功能。管節接頭處的防水設計構造如圖2所示。

圖2 管節接頭防水構造示意圖Fig.2 Sketch of waterproofing structure of tube element joints

為減小地震或地層不均勻沉降而產生的垂直及水平位移，使其接頭不超過水密性要求的允許值，或為防止GINA及OMEGA橡膠止水帶產生過大的剪切變形，需要在接頭處設置鋼或鋼筋混凝土剪力鍵。剪力鍵的安裝時機需要對施工過程的監測成果進行分析后確定。

3 工程實例

港珠澳大橋位于珠江口外伶仃洋海域，是香港、澳門和珠海之間最快捷的陸路通道，是國家高速公路網的關鍵工程。大橋香港側登陸點為香港大嶼山石散石灣，向西跨粵港分界線，以沉管隧道方式穿過銅鼓航道與伶仃西航道，跨海到達澳門與珠海拱北附近的口岸人工島填海區。為實現與相鄰橋梁的合理銜接，在隧道兩端的出入口填筑了2個海中人工島。

隧道址區屬于外海，海浪流條件復雜;航運標準高，依據通航要求，2個人工島間最小通航寬度為4 100 m，隧道區滿足30萬t級油輪安全通航的寬度應不小于2 810 m;隧道縱向穿越淤泥、淤泥質土、黏土、粉質黏土及砂土5種具有不同物理力學特性的地層。根據交通量預測結果，隧道設計采用雙向6車道高速公路，設計速度100 km/h，是目前世界上難度最大的沉管隧道之一。

基于以上建設條件，設計隧道全長約6 km，經論證隧道進出口段的最大縱坡設置為2.98%，縱斷面按W形布置。沉管段隧道采用節段式管節型式，沿縱向劃分為33段管節，標準管節分別長180 m和112.5 m。管節橫截面采用2孔1管廊、矩形橫斷面型式，鋼筋混凝土結構，寬37.95 m、高11.4 m，采用GINA+ OMEGA組合的柔性管節接頭，管節橫截面布置方案見圖3。中管廊上部空間為縱向排煙通道，屬于典型的第3代公路沉管隧道。

圖3 沉管隧道橫截面布置Fig.3 Cross-section of Hong Kong-Zhuhai-Macao immersed tunnel

由于隧道埋深大，設計采用了Y形中墻、增大上部外側倒角的措施，在不改變結構總寬度的前提下調整結構頂板跨度，使頂板結構內力分布趨于合理，大幅降低控制斷面結構彎矩。

隧道基礎位于隧道結構下方，主要承受隧道結構、回填、管頂防護層以及回淤和行車等荷載，為隧道結構提供均勻可靠的剛度支撐，并控制基礎總沉降與不均勻沉降，滿足隧道沉管段、暗埋段及人工島間的協調變形，使隧道結構在設計荷載作用下因地基變形引起的結構內力及變形在結構設計可承受的范圍內，滿足設計要求。沉管隧道基礎與結構橫截面布置如圖4所示。

圖4 沉管隧道地基與結構橫截面圖Fig.4 Cross-section of Hong Kong-Zhuhai-Macao immersed tunnel and its foundation

沿隧道縱向，島上段采用剛性樁復合地基，中間段采用先鋪碎石墊層，島外斜坡段采用擠密砂樁聯合堆載預壓的地基改良方案。依據地質與荷載的不同，選擇不同的地基及基礎方案，從而實現隧道縱向的協調過渡。

隧道沉管段共設34個管節接頭，每個管節接頭主要包括止水構造、鋼端殼與剪力鍵。止水帶根據耐久性年限要求、管節中心水深、管節橫截面積及水容重等條件定制荷蘭Trelleborg公司生產的GINA及OMEGA成品。隧道采用節段式管節，除大的管節接頭外，還包括250多個小節段接頭，防水體系由OMEGA橡膠止水帶、中埋式鋼邊止水帶、外貼式止水條或止水鋼板等構成。隧道結構采用無外包鋼板或涂料等輔助的防水措施和自防水混凝土+全斷面澆筑的聯合方案。

4 結論與體會

公路沉管隧道可根據時序及重大技術革新劃分為3個主要階段(或3代)。每一代沉管隧道的形成及其廣泛應用均是對一種新技術的肯定與推廣，同時，每一代沉管隧道均有其特定的適用條件與生命力，它不會因時間的推移而完全消失。

公路沉管隧道修建技術發展至今，矩形結構型式、水力壓接柔性接頭和分節段全斷面澆筑3大技術應作為里程碑式的技術進步載入史冊。沉管隧道建設者們應積極、開放地吸收其他相關領域的高新技術成果，如高性能橡膠及混凝土材料、高精度水下探測設備和水文氣象預測預報技術等，從而促進行業的持續、健康發展。

從我國現已建成的沉管隧道來看，除珠江隧道采用剛性接頭外，其他均采用柔性接頭，屬于第2代沉管隧道。港珠澳沉管隧道工程的建設規模及技術難度前所未有，創造性地在我國首次采用第3代公路沉管隧道建造技術，在建造規模、斷面型式、地基基礎及隧道接頭等方面均有突破，對我國今后公路沉管隧道工程有著重要的推動作用與借鑒意義。

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［8］ 張志剛，劉洪洲，付佰勇.沉管隧道地基與基礎的設計選型［C］//公路隧道安全設計與運營管理暨水下隧道建設技術國際會議論文集.廈門:廈門路橋建設有限公司，2011:500－510.