港珠澳大橋沉管隧道管節壓艙水系統

林巍

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

1 工程概況與特點

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區、廣東省珠海市、澳門特別行政區的大型跨海通道，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲地區環線跨越伶仃洋海域的關鍵性工程。本項目的建設條件呈現近海工程特點，沉管隧道的施工難度相比國內其它沉管隧道施工難度更高，表現在：

1） 氣象窗口嚴，沉管管節安裝作業時間有限，熱帶氣旋影響十分頻繁，且主要集中在6—10月。

2）海域流速大，抗風險要求高。該海域為不規則半日潮，實測最高潮位3.52 m，最低潮位-1.32 m，最大潮差3.58 m，最小潮差0.02 m，平均海平面0.54 m；潮流呈現往復流運動形式，具有落潮流速大于漲潮流速，中部海域潮流流速比兩邊大的特點。

3）受遠期航道規劃限制，沉管管節安放作業的最大水深達45 m，給施工設備和工藝帶來了技術挑戰[1]。

2 施工要求

管節壓艙水系統是管節安裝作業中不可或缺的一部分，通過向管節內部的水箱內加水或排水，在沉放階段及沉放后期，起到了增加或減輕管節在水中的重量、穩定管節的作用[2]。

在港珠澳大橋的工藝環節之中，壓艙水系統主要應用于管節的起浮、沉放、水力壓接以及后續拆除工序這幾個階段。

沉管隧道管節典型施工工序見圖1，涉及壓艙水系統的幾個主要階段，如圖1陰影部分所示。

圖1 沉管隧道管節典型施工工序Fig.1 Typical construction procedure of immersed tunnel element

2.1 起浮

一次舾裝作業完成之后，在干塢內灌水將沉管管節浮起。為了檢查管節的水密性，并且為了加強起浮時管節的穩定性，采用了先往壓艙水箱中加水，待塢內的水位高出管節頂面一定高度后，再逐漸排水的起浮工序，因而需使用壓艙水系統進行供水和排水。

2.2 沉放

管節起浮后，移至深塢進行二次舾裝，然后出塢、浮運至安裝現場。為了使漂浮狀態的沉管管節下沉，用壓艙水系統往管節內的水箱內加水，使管節獲得約1%～2%的負浮力。

另外，考慮沉放期間特殊情況下需要再將管節提升出水面的可能，要求管節沉放至基床后，仍能使用壓艙水系統排水來減輕管節的重量。

2.3 水力壓接

完成沉放和千斤頂初步拉合后，新沉放的管節與前一個已安裝管節間的GINA止水帶初步壓接，形成一個封閉的空間（下文簡稱結合腔）。這時使用壓艙水系統的預留管將結合腔與已安裝管節內部的大氣連通，使結合腔的壓強轉換為常態大氣壓，再排出結合腔內的殘余水。

2.4 后續作業

完成管節的測量和（必要時的）方向修正作業之后，為了保持管節在波浪或水流作用下的穩定，繼續往水箱內加水使管節獲得足夠的負浮力。在管節頂部回填或管節內壓重混凝土澆筑之前，通常需要有大于3%~5%的負浮力來維持管節的穩定。

此后，作為臨時結構的水箱排水系統將被拆除。

3 總體布置和施工工藝

3.1 總體布置

壓艙水系統的布局受到沉管管節橫斷面形式的限制。原則上，水箱的位置越靠近管節的兩端，在浮運和沉放作業期間管節的穩定性就越好。考慮管節的縱向受力，實際將水箱置于吊點的正下方，同時兼顧了管內施工運輸和測量的便利性。壓艙水泵的布置考慮了與主水管相接的方式以及電線和信號線連接的便利性。

經調研，日本東京灣臨海公路隧道管節長135 m、寬32 m、高10 m，單個管節重量約為40 000 t，壓艙水箱布置于兩側的廊道中，水箱間用鋼擋墻隔開，兩條主水管線及壓艙水泵置于行車通道內。土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道管節長約135 m、寬15.3 m、高8.6 m，單管節重約18 000 t，與東京灣臨海隧道的不同之處為主水管鄰近側的水箱壁為鋼結構，而并非利用管節的側墻作為水箱壁，起到了在管內留出施工通道和光學測量時通視的作用。

港珠澳大橋沉管包括兩個行車孔和一個中間管廊，吸取已有成功項目的長處，最終布置如圖2所示，優點在于：

1）長180 m的管節內布置6個水箱，對稱置于兩側的行車通道中。利用通道兩邊的墻體作為水箱壁，進而最大程度的利用了寬14.55 m的車道的橫向空間，并且節省了臨時水箱結構的用料。

2）一條主水管貫通中間廊道，支水管與之相連并穿墻接入水箱內。與上述調研項目的單個管節內設置的兩套供水系統相比，兩條主水管及各自的抽水泵，既降低了系統失靈的風險，又具備較好的經濟性。

圖2 港珠澳大橋沉管隧道管節壓艙水系統平面示意圖Fig.2 Plan sketch of the ballast tank system of immersed tunnel element for HZMB

3） 壓艙水泵置于管節尾端（非GINA端），從而便于管內的供電纜和信號線通過管節尾端的端封門的水下接頭穿出，并與管節外部的發電機和遠程控制設備相接。

3.2 施工工藝

由本項目的施工要求，壓艙水系統的設計為能用2種方式進水，一種是打開管節中間管廊的主水管上兩端的閥門和支水管上的閥門，通過管內外的水位差，讓外部的水通過重力自流入水箱內，如圖3所示。使用這種方式的前提條件是管外的水位需高于管內水箱的水位，在沉管隧道的施工中應用較為普遍，用于沉放開始的壓載階段以及沉放階段管節需要增加壓載的時候。

圖3 壓艙水進水示意圖（重力自流）Fig.3 Ballast water inflow （flow by gravity）

另一種方式為圖4示意的用泵進行強制進水。用于兩個施工階段：

1）干塢內剛開始灌水時，管外的水位較低無法自流進入水箱。為了防止管節過早起浮，需要先加一部分壓艙水。

2）管節對接之后，可將新沉管節與已沉管節之間的結合腔內的殘余水抽入指定的水箱內。

圖4 壓艙水進水示意圖（泵送）Fig.4 Ballast water inflow （pumping）

排水時，開啟水泵抽水箱內的壓艙水，壓艙水經過主水管由管節尾端（非GINA端）的端封門排出。

新沉放管節初步拉合完成后，水力壓接的作業方法為從已沉放管節的尾端開啟位于端封門上方的進氣管。由于新沉管節尾端的水壓以及拉合千斤頂的作用力，結合腔內的壓力大于已沉管節內的普通大氣壓，結合腔中的少量水從進氣管被擠出。然后已沉管節內的空氣從該進氣管快速進入結合腔內以平衡氣壓，至此GINA產生較大程度的壓縮，水力壓接基本完成。

4 結構設計

4.1 壓艙水箱

4.1.1 水箱的容量

壓艙水箱的容量取決于管節沉放階段以及沉放完成后維持穩定所需的重量，在本項目由以下因素計算確定：

①開始沉放時，消除管節的干舷高度所需的重量；

②為達到1%～2%負浮力所需的重量；

③沉放過程中，克服表層和底層水密度差異所需的重量；

④調整管節的縱向坡度對水箱一側的水位增高的影響；

⑤沉放過程中，水箱里的水晃蕩對水箱高度的影響；

⑥沉放完成后，為維持管節的穩定性，額外增加的重量；

鑒于精細化設計與施工的要求與目標，還進一步計算了：

⑦沉放前，由于水管管件的構造，壓艙水箱里存在無法排出的殘留水。將這部分重量計入在水箱容量之中；

⑧水力壓接階段，結合腔內排出去的水的補償重量。雖然結合腔的水能直接排入水箱內，但仍需考慮該部分的水的重量的損失或體積的轉移；

⑨沉放完成后，管頂的舾裝件將被拆除。補償舾裝件被拆除部分的重量。

上述因素組成了2個工況，一是在沉放階段，滿足管節負浮力所需的重量①+②+③+④+⑤+⑦；二是沉放后，為確保管節穩定性所需的重量①+③+④+⑥+⑦+⑧+⑨。通過具體的計算得到控制工況為后者，并得到壓艙水容量。

4.1.2 水箱結構及防水布

根據調研，博斯普魯斯海峽沉管隧道的壓艙水箱采用了鋼擋墻的結構（圖5）。該項目使用了后裝的膨脹螺栓，鉆螺栓孔時使用面層測厚儀避開了結構混凝土墻之中的鋼筋。待管節沉放安裝后，螺栓部位最終被壓重路面混凝土和鐵路兩側的站臺的混凝土所覆蓋，進而解決了在管節結構上打孔而可能導致的耐久性的問題。韓國釜山隧道采用鋼桁架加木板的結構。

圖5 土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道壓艙水箱結構Fig.5 Ballast water tank structureof immersed tunnel in the Bosporusof Turkey

考慮本項目的情況和特點，采用易于安裝且較為經濟的鋼桁架加木板的結構，結構柱腳連接部位采用能保證防腐措施的預埋鋼板加錨栓的方式（如圖6）。水壓力首先由木板承擔，再由木板傳遞至鋼立柱，鋼立柱與橫撐及斜撐共同支撐并將力較均勻地傳遞給柱腳。

圖6 HZMB管節內部行車通道的壓艙水箱結構Fig.6 Ballast water tank structure of the driveway in the tunnel of HZMB

管節結構混凝土澆筑之前先預埋鋼板和錨桿，澆筑后，一次舾裝階段將水箱的鋼結構及木板運輸至管內依次安裝。

木板的內側安裝防水布。因為水箱尺寸大，單塊防水布的重量大而無法人工搬運，所以在水箱結構安裝封閉之前，用叉車將防水布運至水箱的內部存放。待水箱結構安裝完成后，人工將防水布掛在水箱四壁的掛鉤上。安裝防水布時需特別注意對防水布進行保護，避免使用期間壓艙水泄漏。

4.2 水管

4.2.1 幾何布置

本工程水箱布置于兩側的行車道內，主水管布置于中間廊道，主水管的兩端穿過端封門與外界接通。支水管的一端通過三通管連接著主水管，另一端穿過沉管管節的中墻接入水箱的內部。為保證對新安裝的管節在中間管廊能夠進行貫通測量，主水管的位置偏向了一側，見圖7（a）。

圖7 HZMB壓艙水系統Fig.7 HZMB ballast water system

4.2.2 管徑

本項目的主送、排水管的管徑決定因素為：

1）管徑改變沉放期間壓艙水的作業時間。

管節沉放作業的計劃時間越短，則可選擇的沉放窗口越多，反之亦然，尤其對于外海施工的窗口時間較緊湊的沉管隧道，縮短作業時間，適當放寬作業窗口，對降低施工風險尤為重要。而壓艙水作業是沉放作業中占用一定量時間的一個環節，有時達1 h或更長時間。壓艙水進入管內的流速取決于管節所需的壓艙水方量、管徑、水位差和水頭損失等因素[2]，其中管徑是可以人為選擇的。而從另一方面看，管節系泊作業期間一般可同時進行壓艙水作業，因此在一定程度上壓艙水作業時間不影響管節安裝的總時間。

2） 管徑越大，則水管、閥門和閥門驅動器（如果有）的尺寸和單位重量越大，增加運輸和安裝的難度。

3）管徑越大，需要更大功率的閥門驅動器和壓艙水泵來開閉閥門和抽水，進而增加設備采購費用和供電費用。

4）管徑越大，閥門關閉瞬間導致水管強烈震動的水錘效應（water hammer effect）就越明顯。水錘效應較大時，其沖擊作用可能引起管線的破裂，甚至損壞閥門和固定件。

對于支水管，其管徑的選擇主要考慮總流量的分配，與主水管管徑相匹配，通常選擇比主水管管徑小的水管。

根據調研，韓國釜山沉管隧道采用了400 mm內徑的主水管，可在兩側同時進水，支水管內徑200~250 mm；日本沉管隧道多采用200 mm內徑的主水管配以150 mm內徑的支水管。

綜合上述因素，本項目最終選用兼顧施工便利性、進水時間與經濟性的內徑250 mm的主水管，配以200 mm內徑的支水管。

4.2.3 連接方式及分段長度

當管節數量較多時，考慮經濟性需周轉使用，即壓艙水管在已沉放的管節內使用完畢后，拆卸至后續管節內使用。為此，對水管進行分段拼裝的設計，水管的連接方式多為法蘭式或卡箍式。兩種連接方式各具優缺點：

法蘭式可較好地抵抗閥門關閉瞬時的“水錘效應”，避免管節內部在沉放階段出現接頭部位的漏水。而卡箍式較容易安裝，在一次舾裝階段安裝時效率較高。根據調研，博斯普魯斯海峽沉管隧道和日本已建沉管隧道使用法蘭連接，而韓國釜山沉管隧道采用的是卡箍連接。

考慮本項目水深大，水錘效應明顯的特點，使用了更為牢固的法蘭連接。

支水管穿過沉管的混凝土墻進入水箱內，經研究采用了預埋法蘭管的穿墻方法，如圖7（b）左上所示。其優勢在于：

1）預埋的法蘭管與混凝土牢固結合，可有效阻斷閥門關閉時的“水錘效應”震動。

2） 預埋的法蘭管不突出結構混凝土表面，對混凝土澆筑的模板沒有特殊要求。

3）除了穿墻部分法蘭管將永久埋在墻體中，其它部位的水管可拆卸并周轉使用。

此外，水箱內側鋪防水布時，法蘭盤可將防水布夾住，確保接頭部位的水密性。

4.2.4 其它

當往水箱內進水時，為了防止水流力作用于水箱底的反力對支水管的結構造成破壞，也為了保護防水布，本項目在支管的出水口下方制作了一個防護鋼板構造（見圖7（b） 右下），該鋼板通過栓接與上方的支水管相連。

5 設備選型

壓艙水系統的設備單價相比結構更加昂貴。根據沉管的不同施工方式，所需的設備種類也有差異。總體上可分為兩種，即需要進行遠程控制的“沉放安裝船法”（placing pontoon/catamaran method）和沉放時需要人員進入管內操作的“人孔測量塔-浮箱法”（tower pontoon method）。

第一種方法所需的設備較多，包括安置在管節內部的壓艙水泵、閥門、閥門驅動器、監視攝像機、控制柜以及沉放安裝船上的發電機、數據處理設備、計算機和顯示屏等。該方法的優勢是沉放時不需人員進入管內，所有的操作皆可在沉放安裝船上的指揮室完成，便于集中控制，突發事件時也能避免管內操作人員傷亡的風險。并且對于水深大，無法設置很高人孔的沉管隧道，也是不得不使用的方式。但由于需要用到較多的控制和監視設備，施工費用偏高。

對于第二種方法，由于人員可進入管內進行操作和查看，所需的設備相對少，必要的設備包括泵和閥門。比如荷蘭的第二COEN沉管隧道，進水時只需人工操作打開閥門，而排水時則通過水箱上方設置的小型吊機將潛水泵置入水箱內抽水。

本項目由于中間段管節水深大，管頂水深最大可達35 m，無法在管頂設置很長人孔，因而必須選用第一種。

5.1 壓艙水泵

選擇水泵需特別注意的問題有：

1）可靠性：管節沉放作業是決定沉管隧道施工成敗的重要環節之一。在沉放時，如果水泵失效，則意味著管節的負浮力無法被控制，產生的后果將不堪設想，尤其對于深水沉放的管節，發生故障時甚至無法將維修人員送入管內進行檢查和維修，因而必須選用高質量、高可靠度的水泵。必要時，甚至需要在管內設置備用水泵。

2）揚程：取決于沉放現場的水位與管節水箱內水位的高差，以及被抽出的水通過壓艙水管時的水頭損失，并考慮預留一定的富余量。控制工況通常為管節沉放至接近基槽底部時，為了重新將管節拉起來或為了減輕管節著床的負浮力，需要排出壓艙水箱內的水。然而由于該項目沉管管節段總長度超過5 km，從兩端洞口排水方式的便利性與效率顯然不如直接從管節尾端海水側排出的好。因而計劃在第n+2個管節安裝完成后，拆除第n個管節內的水箱時，從第n+2個管節的尾端（非GINA端）將第n個管節內的壓艙水排出（對于離洞口近的管節當然也可用其它方式排水，例如用泵車運出）。因此，確定水泵揚程時還附加了壓艙水通過2個管節長度的主水管的水頭損失。

3） 流量：流量的大小決定了抽水時間的長短，因而需要核定是否滿足施工計劃時間要求。

4） 尺寸：由于本項目管節數量達到33個之多，設備安裝的可行性、便利性和周轉使用的可能性均和尺寸有關。周轉使用的次數決定了設備采購的數量，即方案的經濟性。

5.2 閥門

不同于沉放水深較淺的管節。管頂人孔能露出水面，人員可通過人孔進出管節。港珠澳大橋沉管隧道水深達到45 m，在管節沉放期間，人員無法進入管內手動操作閥門。因此在主水管、分支水管和連接壓艙水泵的管路上分別設置了蝶閥，該蝶閥（包括壓艙水泵）可在安裝船指揮室采用電腦進行遠程遙控，實現閥門的開啟和關閉，如圖8所示。

圖8 港珠澳大橋沉管隧道閥門布置示意圖Fig.8 Valve arrangement in immersed tunnel of HZMB

5.3 閥門驅動器

除了選擇高可靠性及合適重量和尺寸的產品，閥門驅動器選擇時要特別注意一個關鍵點：驅動器在管節沉放期間供電或信號通信中斷時能夠自動將閥門關閉。

管節沉放期間，當電纜或通信纜由于某種原因斷開，或發生無法對閥門驅動器供電或下指令時，如果閥門仍處于打開狀態，則等同于沉管管節出現了一個漏洞，海水將一直灌入管節的內部。為避免風險，閥門驅動器的通信或供電被中斷時必須能夠關閉閥門。

根據調研，土耳其博斯普魯斯海峽隧道的解決方案為選用內置彈簧的閥門驅動器，供電中斷時，彈簧將自動復位關閉閥門；若通信異常，無法遠程操控關閉閥門時，則人為中斷驅動器的供電，也能及時將閥門關閉。類似的措施運用在了本項目的主管道蝶閥驅動器上。

5.4 其它設施

1）直尺、水位管、液位傳感器和監視攝像機

為了掌握每個水箱實際的水量，在分支水管上安裝透明管并標記水位刻度，以便于從中管廊進行讀數，見圖7。

在沉放期間，人員無法進入管內，于是在水箱底部安裝液位壓力傳感器，根據壓力值換算水位高度，進而計算壓艙水的方量。考慮到管節沉放時可能出現縱傾的姿態，因而將液位壓力傳感器安裝在水箱的中間部位，測量水箱的平均儲水高度。同時，在管內設置若干帶云臺的監視攝像機，讀取水位刻度與液位傳感器的數據并進行比對。攝像機也用于監視管內的漏水（包括水箱和水管等關鍵部位）和設備的運行情況。

2）壓力表和壓力計

為了監視壓載泵的工作情況，在泵的兩側可設置壓力表。同樣，為了檢查水管在管節外側是否由于回淤等原因被堵塞，或為了判斷管節對接拉合階段GINA是否已完全封閉，在管節內部靠近端封門的水管上設置壓力表。當需要在管外進行遠程監控時，可使用壓力計，通過信號線將數據傳輸至管外的指揮室。

3） 輔助設施

輔助設施包括管內臨時照明、傾斜儀（采用遠程操控時可將管節縱傾、橫傾值集合至壓艙水的監視數據中）、控制柜、將管內的電纜與信號纜接至管外的水下密封接頭等，較為常規。

6 關鍵問題

6.1 經濟性——周轉使用

本工程共有33個管節，如果每個管節都獨立安裝和使用1套壓艙水結構和設備，顯然是極大的浪費，因而壓艙水系統的周轉使用可有效節省工程費用。

水箱結構、水管（包括閥門）和壓艙水泵由于體積較大，需要在管節兩端的端封門完全封閉前運至管內進行安裝，即在一次舾裝階段進行安裝，而拆除的前提為：當前管節首端（GINA端）的端封門和相鄰管節的尾端（非GINA端）的端封門已被拆除，具備空間供施工車輛進入該管節進行拆除、運輸作業；同時還需滿足當前管節已完成路面壓重層或管頂回填施工，且管節在扣除壓艙水及壓艙水箱重量后仍具備足夠的重量來確保管節的負浮力。

對于管節內安裝的閥門驅動器、控制柜、傾斜儀、壓力計、液位傳感器和纜線等精密儀器和設備，因為體積較小，重量較輕，而費用相對昂貴，所以有條件時需考慮更多次的周轉使用，即考慮在二次舾裝階段通過管頂的人孔運輸至管內進行組裝。管節沉放后，即可拆除并通過端封門上的人孔艙門運出。

采用以上周轉方式并結合施工計劃，可計算出需要加工或采購的壓艙水系統結構和設備的數量，其中需要考慮設備有損壞時的備用數量，以節約工程成本。

6.2 供電與通信

沉管管節起浮后，除頂面外四周被海水包圍，因而管內通信與供電必須盡早考慮。對于本項目，一次舾裝時纜線通過管頂的人孔接入管內；在二次舾裝階段，沉放安裝船與管節連接后，由于浮運及后續工序的供電和控制都在安裝船上，故纜線從管節尾端的臨時鋼端封門接入管內。

在沉放期間，由于洋流作用及沉放深度較大，纜線在水流力和自重作用下可能被拉斷，或發生與管節沉放安裝所使用的鋼絲纜絞纏在一起，因此要對纜線進行加強處理，包括附加鋼絲網，增強纜線的抗拉能力，或在纜線上懸掛浮體，降低纜線自重產生的拉力。

7 結語

港珠澳大橋沉管隧道工程至2013年8月已安全沉放3節管節，上述壓艙水系統已經得到了實際應用，效果良好。今后隨著工程的推進，該壓艙水系統將得到進一步完善。

[1]劉曉東．港珠澳大橋總體設計與技術挑戰[C]//第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集．北京：中交公路規劃設計院有限公司，2011．LIU Xiao-dong.Overall design of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge and technical challenges[C]//The 15th China ocean（shore） engineering academic symposium proceeding.Beijing：CCCCHighway Consultancy Co.，Ltd.，2011.

[2] 田惠一郎.沈埋函トンネル技術マニュアル [M].改訂版.東京：財団法人沿岸開発技術研究センター，2002．SONODA KEIITIROU.Immersed tube tunnel technical manual[M].Revised version.Tokyo：Juridical Foundation Coast Development Technical Study Centre，2002.

[3] 李煒．水力計算手冊[M]．第二版.北京：中國水利水電出版社，2006．LIWei.Hydraulic calculation manual[M].Second edition.Beijing：China WaterPower Press，2006.