日本交通沉管隧道的發展與經驗

林 鳴，林 巍，劉曉東，花田幸生

（1.中國交通建設集團有限公司，北京100088；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京100088；3.中交港珠澳大橋島隧工程項目總經理部，珠海519015）

日本交通沉管隧道的發展與經驗

林 鳴1，林 巍2，劉曉東2，花田幸生3

（1.中國交通建設集團有限公司，北京100088；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京100088；3.中交港珠澳大橋島隧工程項目總經理部，珠海519015）

日本總共建設了約24座交通用沉管隧道，文章根據工作經驗及文獻調查，將日本的沉管隧道的發展按空間與時間分為國際交流、規模生產、因地制宜和海外建設四個部分進行回顧。討論了日本沉管項目體現的務實創新及周轉使用的工程哲學。

沉管隧道；鋼殼結構；混凝土結構；三明治結構；可持續發展；周轉使用；務實創新

日本自1935年建設了20多座交通沉管隧道，從地域上基本可劃分為東、西兩個區，參考圖1。按工法及構造大致分為以東京為中心的混凝土干塢法，以及大阪西側的造船廠鋼混組合結構。

美國1894年建成第一座沉管，采用鋼結構［1］。一戰后日本工程師赴美考察，所以早期的日本沉管可見鋼殼形式。荷蘭1942年建成了第一座混凝土沉管［1］。1970年之后日本沉管隧道完全轉向了混凝土結構。東京附近的干塢30年期間建設了10多座混凝土沉管隧道，1987年在大干塢內用13年時間連續建設了三座長隧道［2］。1990年以后，日本西區的大阪的造船廠承接了西區所有沉管隧道的鋼結構加工［3］。2000年，東京西航路沉管隧道竣工，東區的水下通道趨于飽和，大型干塢作它用。同時日本沉管技術向海外發展，2008年日本大成建設公司建設完成了世界最深的博斯普魯斯海峽沉管隧道。2000年后東區的水下沉管隧道再無建設，直到最近日本東京獲得了2020年奧運會的舉辦權，在東區需要增設一條沉管隧道，但是干塢已然不存，因而目前仍使用西區的大阪造船廠生產鋼混管節的鋼結構，再貨運至東區繼續混凝土澆筑與安裝。

下文以時間及地域為主線進行敘述，再討論。

圖1 日本沉管隧道區域劃分圖（東京區域、大阪區域）Fig.1 Sketch of Japan immersed tunnel regions（Tokyo region and the Osaka west）

1 日本沉管隧道的發展

1.1 早期建造的沉管隧道（1935～1985年）

日本早期沉管隧道概況［2］見表1。除安治川及海老取川兩座沉管隧道是公路隧道，其他均為鐵路。有關結構類型，最早的安治川隧道中使用了鋼結構與鋼筋混凝土結構；隨后建成的鋼結構隧道有3座，均為長度50 m左右的單管節；同時期的另外3座隧道為混凝土結構，建設規模稍大。1970年以后的30 a，日本東區建設的10多座沉管的工法完全轉向了使用東京附近干塢來進行混凝土沉管管節的預制，均位于圖1中指向的東京區域。

1.2 東京干塢建造的一些沉管隧道（1985～2000年）

1986年在日本東部的Ohi碼頭附近施工的大型干塢混凝土隧道預制場，面積10萬m2，能一次滿足11個130 m長的管節的預制。預制場于1987年夏完工并投入使用。表2列出的是該干塢先后生產的三座混凝土沉管隧道［4］。

多摩川隧道與川崎航路隧道均位于羽田國際

機場的接線上（圖2），因而兩座隧道同期通車是有意義的。干塢內同時預制兩座隧道，兩個批次完成。圖3中的虛線表示預制場被劃分成兩個區，左區用于生產多摩川隧道的管節，右區用于生產川崎航路隧道的管節。沉管管節預制總長度為2.7 km［2］。

完成21個管節的生產以后，大干塢又用了一個批次完成了東京西航路隧道11個管節的生產，如圖3所示。同樣地，東京西航路隧道被分成兩個區域，分別由大成建設及鹿島建設兩個承包商進行沉管管節的生產。

1.3 大阪造船廠建造的沉管隧道（1990～2010年）

1990年以后日本西區建設了5座沉管隧道［2］，從前文圖1中可見這5座隧道遠離東京的干塢。

大阪沒有類似東京的干塢沉管預制場，也無法找到適宜的場地進行混凝土管節的預制，但大阪有造船廠，日本西區需要建設的沉管隧道規模相對小，因而靈活地利用了大阪造船廠來加工鋼結構組拼成部分管節結構，也許可以說造鋼板代陸地，解決了傳統混凝土沉管工法占較多陸地的問題。具體應用方式取決于隧址距造船廠的距離，下文詳述。

西區5座沉管隧道中，有3座距造船廠較近［2］（表3）。所以，施工方案是在造船廠內加工鋼結構（模板），再將加工好的鋼結構轉運至一旁的空地，船舶建造師將做好的鋼結構交接給土木工程師，土木工程師安置必要的鋼筋并澆筑混凝土，再將成品管節進行后續的浮運與安放作業。

其他2座隧道的地址距造船廠較遠。例如那霸島上建設的沉管隧道，將管節從大阪浮運至那霸大約需要10 d。所以，施工方案是在造船廠內將鋼結構（模板）全部制造成封閉隔艙，用半潛駁運至隧址附近的碼頭，半潛駁撤離后，從碼頭往漂浮的鋼殼內充填混凝土。該工法被稱為三明治沉管。

值得注意，因為三明治鋼殼為全封閉結構，無法振搗混凝土，因而使用了日本大學于1988年剛剛研發出來的新材料，自密實（高流動性）混凝土［5］。

表1 日本早期沉管隧道Tab.1 The early immersed tunnel in Japan

表2 東京大型干塢預制的3座混凝土沉管隧道Tab.2 Three concrete immersed tunnels prefabricated by the large-size dry dock near Tokyo

圖2 多摩川隧道及川崎航路隧道平面關系示意Fig.2 Tamagawa and Kawasaki tunnels location

圖3 大型干塢沉管管節預制工作劃分平面示意圖Fig.3 Tunnel element prefabrication work division illustration in the large-size dry dock

表3 日本組合結構沉管隧道Tab.3 Japan immersed tunnels made of combined structure

隧址距造船廠較近的隧道中（表3），神戶港—港島隧道包含6個90 m長的管節，施工中進行了表5所示的3次結構變更。從安全著想，該項目遵循了當時傳統的混凝土隧道外包防水的構造，日本西部沒有東部所具備的混凝土干塢預制場，因而E1管節進行了設計調整，將永久防水層兼作混凝土澆筑模板使用；之二，加厚防水面層，并在該層與混凝土之間增設剪切連接件（如L角鋼，起到模仿鋼筋與混凝土之間的握裹作用），將混凝土邊緣的拉壓應力傳遞至加厚的防水層，進而期望防水層可與混凝土作為一體結構協同工作。該設計方法最初由1989年的大阪港隧道提出，針對項目具體的條件通過了極其大量的試驗來進行了驗證［6］并根據試驗結果來確認構造設計時應達到的安全系數［3］。

E1僅外側防水鋼板進行了上述變更，E2～E6的管節局部區域的內表面也采用了E1外側的構造。然而，一但在混凝土結構兩側均設置面板，就會產生2個矛盾：（1）如何放入箍筋。（2）如何向兩側封閉空間內澆筑混凝土。對于第一個問題，當時可能考慮便于管理，船舶建造師與土木工程師在造船廠旁的空地只進行一次工作交接，箍筋是無法在鋼結構加工的半途中被放入的，所以繼續變更結構，取消箍筋，箍筋的抗剪作用由增設的縱、橫向鋼隔板來替代。而對于無法振搗混凝土的矛盾，如前文所述，通過使用幾年前（1988年）日本大學研發的不振搗的高流動性混凝土得到了解決。可見縱、橫鋼隔板不僅要起到箍筋同等水平的抗剪能力，還需兼顧高流動性混凝土填充分倉的需求。

從表5中也可察覺到神戶港—港島隧道項目過程中對造船工人與土木工人的工作量比例再分配。局部結構的箍筋被縱橫隔板取代了，內側橫向主筋被永久的內側面板取代了，所以，土木工人的鋼筋工作量與振搗工作減少了，造船工人的縱橫隔板、剪切連接件及鋼面板的加工、焊接與整體組裝的工作量增加了。

1.4 日本沉管隧道建設的海外發展及近況

西部用造船廠建造三明治等結構隧道的日本90年代期間，Kumagai-Gumi公司參與建設了悉尼港隧道，該隧道是澳大利亞第一條公路沉管隧道，沉管段長約1 km，雙向兩車道［7］。類似日本西部（例如那霸島）悉尼周邊也找不到任何管節預制場所，但悉尼周邊水深情況及通航條件可能較好，因而在距離悉尼隧址區約100 km的Kembla港口用干塢法預制混凝土沉管管節，再將8個混凝土管節從開敞海域依次拖運100 km至悉尼港來進行安裝（選擇波高不大于3.5 m的拖運時機）［7-8］。悉尼港隧道于1992年8月通車［7］。

2 000年以后，日本境內的水下沉管通道趨于飽和，日本工程師繼續尋找海外建設沉管隧道的機會，土耳其博斯普魯斯海峽馬爾馬雷接線的沉管隧道水深最深部位達58 m，是當今世界最深的沉管隧道，防水被認為是一個關鍵問題［9］。早期研究從環保資源角度傾向于利用當地造船廠建設鋼結構沉管隧道［10］。中標的承包商Taisetsu（大成）建設公司擁有三明治結構的那霸隧道建設經驗，經權衡，主體結構采用了自防水鋼筋混凝土加外包防水的方式［11］。2008年該隧道的沉管段建設完成［2］。

日本的東京申辦2020年奧運成功，計劃再建一條沉管隧道，東京附近的管節預制干塢已作他用。所以目前仍是計劃使用大阪的造船廠，加工鋼混鋼三明治復合結構沉管管節的鋼結構部分。

表4 日本三明治結構沉管隧道Tab.4 Japan immersed tunnels made of steel-concretesteel composite sandwich structures

表5 神戶港—港島沉管管節結構形式及變更Tab.5 Kobe and Port Island immersed tunnel element structural type and modification

2 討論

從日本沉管發展中得到幾點觀察供討論。

2.1 日本沉管隧道技術的國際交流

日本沉管隧道結構的發展體現了沉管隧道工法的國際性。70年代以前日本借鑒了美國與歐洲的建設經驗，建成了若干鋼結構以及混凝土結構的沉管隧道（表1）。70年代以后直至2000年日本東區（大多數在東京附近）利用干塢法相對大規模地建設混凝土沉管隧道。而西區（大阪、那霸島等）沒有適宜的干塢預制場，但有造船廠，因而基于混凝土結構變更與創新，按照造船場與隧道安裝地址的距離，分別發展了三明治結構以及（半）三明治與混凝土的組合結構。簡單來講，通過增設鋼板以及在鋼板內澆混凝土，解決了傳統干塢法預制的混凝土澆筑用地的問題。需要指出，三明治沉管結構最早的概念是在英國被提出（雖然從未建設）［12］，因而日本通過三明治結構解決用地問題的設計思路有可能是在歐洲技術交流中獲得的啟發或指導。

2.2 日本沉管隧道技術的科研與應用

日本西區地三明治結構沉管項目對大學最新科研成果的應用很及時。

1983年日本學者觀察到混凝土振搗工人的從業人數下降，日本高校于1986年開始研究不需振搗的高流動性混凝土，1988年第一個配合研制成功［13］。而幾年之后就被用在了表4～表5涉及的三明治封閉結構體的混凝土填充工程實踐之中。

2.3 日本三明治隧道與混凝土隧道工期比較及原因分析

在日本西區無適宜地預制場地的建設條件下，發展了世界唯一的兩座全三明治結構沉管隧道。三明治隧道的施工進度比計劃延緩很多。那霸隧道沉管段全長724 m，1996年開工，計劃2004年完工［2］，實際到2011年；新若戶隧道沉管段長557 m，2000年開工，計劃2006完工［2］，實際到2012年。

此外，橫向比較不同結構工法，混凝土隧道的建設工期（表1～2）比三明治隧道建設工期（表3～4）要短很多，詳見表6。

工期差異的一部分原因可參考圖4討論。三明治沉管的管節預制工序很長一段時間都在關鍵路徑上，原因是三明治結構的工序多、高流動性混凝土質量嚴。那霸隧道每個90 m長的管節預制計劃約一年半的時間（圖4）。咲洲隧道局部采用三明治結構，每個100 m長的管節預制需要17個月［3］。

對于混凝土結構，干塢預制工作面多，管節可分為底板、墻體、頂板3個工作組同時進行鋼筋綁扎、模板轉換及澆筑等作業，日本混凝土沉管管節縱向按16 m左右劃分，每2周可完成一個結構塊的預制（剛開始工作不熟練時需要3周左右的時間），管節生產速度為8個月完成11個130 m長的管節的主體結構預制。

表6 工期比較Tab.6 Comparison of construction time

圖4 那霸沉管隧道施工進度圖（實際進度可能稍有差異）Fig.4 Schedule derived from Naha pamphlet

2.4 三明治工法與混凝土工法主體結構投資比較

不同于普通鋼筋混凝土結構，三明治結構的鋼板形成的密封空間中的混凝土無法被振搗，需要使用高流動性混凝土，該類混凝土的性能比普通混凝土更特殊，需要達到更多工序管理以及質量控制檢驗等使用方面的要求，因而管理方面的費用較高，經咨詢那霸沉管隧道預制的參與人員，高流動性混凝土在日本的投資比普通混凝土大約高出1倍。

用鋼量方面，表7將三明治結構隧道的含鋼量與項目建設規模類似的厄勒隧道進行了比較。可發現三明治構造的鋼材用量比傳統的鋼筋混凝土的鋼材用量要大很多，其中原因可能包括日本抗震設計要求更高。港珠澳大橋沉管隧道是當前世界上唯一的深埋沉管隧道（即上部覆蓋回淤）最終合攏段使用鋼混三明治結構進行建造，用鋼量約1 700 t，其中結構用鋼約800 t，其結構用鋼與鄰近的鋼筋混凝土管節的含筋率也進行了比較（表7）。

對于混凝土管節，取決于荷載的組成及量級，當結構設計需要達到規定的計算裂縫寬度時，按照混凝土結構設計規范的公式，臨海側橫向主筋的承載力不一定能用足。

對于三明治管節，如果不要求內部混凝土自防水，防水僅靠鋼板，且不考慮臨海側鋼板腐蝕問題，也忽略三明治結構尺寸效應時［15］，無需滿足計算裂縫寬度，外側鋼板的承載力有可能得到更充足的利用。在以上假定的前提下，三明治臨海側鋼面板的用鋼量，有可能小于需要計算裂縫寬度的混凝土沉管結構的橫向主筋的用鋼量，因為承載力可以利用得較足。盡管如此，由于以下因素，其用鋼量會高于鋼筋混凝土沉管。

（1）為了讓三明治兩側的鋼面板能近似混凝土的橫向主筋一樣協同混凝土工作，需要額外設置剪切連接件，如L角鋼。L角鋼用來近似等效混凝土結構中鋼筋與混凝土的握裹效果［15-16］。

（2）三明治結構需要考慮混凝土澆筑的可填充距離，因而需要設置隔艙，即在三明治內外面板中間設置橫隔板和縱隔板。橫縱隔板還需兼顧達到被取消的箍筋的同等標準的抗剪能力；再者，縱橫隔板的設置間距需兼顧令面板受壓時不發生屈曲的構造要求。相比而言混凝土的箍筋通常只為抗剪設計而設置，因而隔艙的鋼材用量理論上一定大于箍筋的鋼材用量［16］。

表7 類似項目沉管結構的每方用鋼量比較Tab.7 Comparison of structural steel consumption

（3）因為尺寸效應，混凝土的強度、剪切連接件的承載力以及縱橫隔板的抗剪能力相比較鋼筋混凝土結構存在強度折減，因而通過設計安全系數的提高來補償［15］。

（4）鋼筋混凝土結構既承擔施工臨時荷載又承擔運營荷載；而三明治結構中的鋼結構在混凝土澆筑前需要獨自承擔施工臨時荷載，例如起吊下水、長距離運輸等；并且，高流動性混凝土澆筑時也會對內、外鋼面板產生比一般混凝土更大的液體壓力。因而鋼結構可能會針對澆筑前及澆筑時的變形與受力控制進行較大程度的加固。

因為投資大，那霸沉管隧道業主采用了單個管節每年招一次標的合同模式解決了融資問題。

2.5 日本沉管隧道技術三明治工法與混凝土工法的運輸

那霸隧道需要將管節從大阪港口運輸至那霸碼頭進行浮態混凝土澆筑，運輸需要10 d左右的時間。由于未澆混凝土的鋼結構較輕，在水上漂浮時的吃水深度只有1.5 m，水上部分干舷達到8 m，因而如果直接拖運將導致管節晃動失穩，保險公司評估后認為單次管節直接拖運的風險極高，所以報出了高昂的保險費用，令承包商無法接受。因此選擇半潛駁運輸，目的是減少晃動，使運輸方案可行，保險公司重新評估風險，將管節的運輸當做貨運，管節長距離運輸的保險費降低到了可接受的程度。

比較而言混凝土隧道干舷低［17］，穩性好，如外海3.5 m波高作用下拖運100 km的悉尼港隧道［8］，但缺點是不能用半潛駁拖運，水深受限時不經疏浚也可能無法到達隧道地址。

圖5 日本承包商在土耳其博斯普魯斯沉管隧道使用已有水下超聲波定位儀Fig.5 Re-used underwater supersonic sensor in Bosporus immersed tunnel by Japan contractor

2.6 日本沉管工程的周轉使用

日本沉管建設實現了場地、設施及設備多次利用，有利于節約成本，降低遠期投資，更重要的意義在于達成了可持續發展的工程行為。

在東京附近的混凝土管節預制干塢塢址前后30 a建設了12座左右的沉管隧道；沉管管節混凝土澆筑用的模板也在不同項目、不同建設公司之間周轉，可從日本混凝土隧道橫斷面布置及尺寸的一致性上發現［2］。

不僅干塢與船塢跨項目、跨企業反復利用，關鍵電子設備也在不同項目與單位之間周轉，圖5為土耳其博斯普魯斯隧道的管節深水安裝的水下超聲波定位儀器，曾用于指導多個日本早期項目的沉放，該精密儀器造價昂貴，大成建設公司雖在土耳其建設隧道，仍從日本國內租借了該電子儀器，進行了恢復與調試，再將設備運至土耳其的沉管安裝現場。起到了不重復生產，充分利用已有資源的良好目的。

3 總結

截止目前，日本的沉管隧道大體上經歷了國際交流、規模生產、因地制宜、海外建設的發展與演變。

1970～2000年，日本東部建造的10多座沉管隧道大多數都在東京區域的干塢進行預制。1990～2010年日本西部需要建設5座平均長度700 m的沉管隧道。西部缺少干塢預制所需的陸地，針對該問題，日本工程師通過使用已有的造船廠，變更結構的設計方法與工法，用鋼板換地面，并結合幾年前大學新研發出來的高流動性混凝土，解決了該難題。

日本在其境內建設三明治結構隧道的同時，在境外的土耳其和澳大利亞獲得了兩座較長沉管隧道的建設項目。兩個項目建設條件各有特點，博斯普魯斯業主將結構類型（工法）選擇權留給了承包商，日本工程師因地制宜，考慮博斯普魯斯沉管隧道的項目特點是水深是世界之最，防水是關鍵，選擇了鋼筋混凝土結構，利用混凝土自防水，并在混凝土的外側附加了一層橡膠或鋼板的防水層；悉尼港隧道的建設條件類似那霸隧道，周邊無適宜的管節預制場地，因而從100 km開外的碼頭預制混凝土管節，經外海長距離浮運至隧址來進行安裝。

對于三明治沉管隧道（僅限日本境內），那霸隧道14 a建成（原計劃7 a［2］）；新若戶隧道12 a建成（原計劃6 a［2］）。世界上唯一的兩座三明治結構沉管隧道的工期較大程度延期，且與混凝土隧道的工期相比緩慢很多。經分析主要原因是施工工序復雜程度及質量管理的要求高。

此外需注意，日本的三明治沉管預制的施工管理（高流動性混凝土）及材料（鋼材用量）相比混凝土沉管隧道需要額外增加1～2倍的投資。

綜上兩點，日本西部建成的三明治隧道在工期及隧道結構的投資方面，較日本東部建成的混凝土隧道，不具備優勢。但是日本工程師通過工法與結構的創新，務實地解決了西部無合適預制場地的問題，且西部這5座沉管隧道的建設規模較小，平均預制長度700 m；日本西部沉管隧道的建設經驗也為世界沉管技術提供了一種新的工法與啟發。

2000年以后日本東部的沉管通道趨于飽和，經歷了建設空窗期，直至最近2020年東京奧運會申辦成功，東京正在新建一座沉管隧道。該隧道每個管節的結構形式與施工工法是否將繼續根據項目條件與科研發展而演變，拭目以待。

日本沉管隧道建設對場地、設施及儀器實現了跨項目、跨企業及跨國界的反復使用。當前我國環境問題日益明顯，日本沉管隧道相比數以百萬的橋梁工程屬于小領域工程，但沉管隧道建設中對資源的周轉利用符合可持續發展的目的。作者也在對以全社會成本為依據的工程決策方法進行一些探求與思索［18］，具體思考擬在另一篇文章中專門討論。

致謝：王曉東工程師幫助我們在稿件出版前進行了一些圖表的編排工作，在此表示感謝。

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Development and experience of immersed tunnel in Japan

LIN Ming1,LIN Wei2,LIU Xiao-dong2,Yukio Hanada3
（1.China Communication and Construction Co.Ltd.,Beijing100088,China;2.CCCC Highway Consultants Co.Ltd., Beijing100088,China;3.CCCC HZMB island and tunnel project office general office,Zhuhai519015,China）

Around 24 traffic-used immersed tunnels had been constructed in Japan.In this paper,based on working experience and literature,the development of Japan immersed tunnel was reviewed as per time and space from four aspects,such as international communication,large scale construction,appropriate work as per the circumstances,and development abroad.Discussions were made on the engineering philosophy such as innovation and reuse in Japan immersed tunnel projects.

immersed tunnel;steel-shell structure;concrete structure;sandwich structure;sustainable development;reuse;innovation as per the fact

U 455.1

A

1005-8443（2017）01-0001-07

2017-01-11；

2017-02-15

林鳴（1957-），男，江蘇南京人，教授級高工，主要從事水工及路橋施工管理。

Biography：LIN Ming（1957-），male，professor.