海上沉管隧道浮運沉放施工技術芻議

楊寶元

摘 要：海上沉管隧道工程涉及多種類型的施工技術，在保證技術手段合理運用的情況下，能建設一條海底交通隧道，完善構建城市交通系統。本文主要針對海上沉管隧道浮運沉放施工技術進行研究，為了解決潮汐、海浪對隧道施工產生的影響問題，應選擇恰當的管段浮運沉放方法，綜合考慮水力壓接和回填等問題，確保海上隧道施工作業的順利展開。

關鍵詞：沉管法;海上隧道;浮運施工;沉放施工

改革開放以來，我國在海上沉管隧道施工方面取得良好發展，逐漸建成了廣州珠江沉管隧道、寧波甬江口常洪隧道等，積累了大量施工經驗。目前關于海上沉管隧道的理論文獻較多，針對沉管隧道的管段浮運沉放施工手段進行總結分析，為之后的隧道施工提供了借鑒，能保證海底隧道修建中各項技術的有效利用。

一、海上沉管隧道施工基本問題

在進行海上沉管隧道施工時，要注意以下問題：一是起浮和抗浮問題。沉管管段自重較大，它能否正常起浮是施工中主要考慮內容，需要選擇適合的施工技術，保障施工質量及安全性。在管段起浮后，通常采取鋼質端封門使管段兩側密封，調整管段重心在中線軸上，之后在干塢內加水讓管段起浮，將管段起浮后超出水面的高度稱為干舷值[1]。這一數值過小時，容易產生起浮障礙。因此需要加大對干舷值的控制，根據國外施工經驗，通常將管段干舷值設計在150-250mm范圍內。干舷值大小和鋼筋配筋率、混凝土容重、空腔面積比、起浮水容重以及施工附加重等因素有關，這些因素是不斷變化的，因此加大了干舷值計算難度。在施工實踐中，計算結果往往比實際值要小，以免阻礙管段的起浮。二是隧道防水和接頭問題。防水是海上沉管隧道施工中面臨的重要難題，尤其在部件接頭部位，要采用防水技術。如在鋼殼管段防水處理上，應注重管段間連接部位的防水處理，在接縫對準后采用混凝土灌注法，完全包圍住接縫。另外考慮到混凝土表面會出現裂縫，當發生滲漏問題時會造成鋼筋銹蝕，因此還要做好管段防水工作。通常采用自防水、接頭防水和施工縫防水方式，確保防水有效性。三是管段浮運沉放定位和水下壓接問題[2]。將管段沉放到水中后，將其拖運至沉放標注點來進行之后的施工操作。管段浮運沉放共分成管段起浮、浮運、沉放和水下壓接等環節。其中管段定位和水下壓接是施工關鍵階段。

二、海上沉管隧道管段浮運沉放施工技術分析

（一）管段浮運技術

管段浮運是在管段周圍捆綁駁船，通過推船和拖船等，將管段拖運到相應位置，由于管段自重和航道的限制，導致管段浮運過程中的操作難度大，需要統籌考慮拖船數量、布局等因素。管段預制施工完成后，施工人員按照施工要求安裝浮運沉放施工設備，向干塢內注水，使管段起浮直至干舷值達到設定標準為止，這時打開塢門讓管段出塢。將管段拖運到施工地點并開始沉放定位。一般選用岸上絞車或拖輪拖運管段。由于管段自重和體積較大，會造成定位不準確，需要認真考慮拖輪布局、數量和種類。在運輸管段時，要注意航行水道中可利用的控制、管道特性、拖船能力和種類等條件，確保管道浮運施工順利進行。

浮運方式主要受浮運距離、水文條件、航道情況等因素限制，一般選擇絞車拖運或拖輪浮運方案。實際拖運中，拖輪布置方式包括以下幾種：一是四輪拖運。一種方式是指設計兩艘拖輪在隧道管段前面領拖，其余兩艘拖輪在管段后面調整轉向。另一種是前面一艘拖輪領航，管段兩側分配一艘輔助拖輪，后面設計一艘拖輪制動轉向。二是三船拖運管段[3]。一種方式是兩艘拖輪在前面領拖，一艘在管段后面反拖，另一種方式是設計一艘主拖輪在前面拖運，兩艘拖輪在隧道管段后面兩端制動導向。三是岸上絞車拖運方法。若航道較窄，則可優先選擇絞車拖運法。例如甬江水下沉管隧道浮運時，考慮到水流速度大、江面較窄，可采取絞車拖運的方式過江。實踐證明上述施工手段是可行的。大型隧道管段浮運施工中，由于管段自重大，受到的水下阻力較大，因此要提供足夠的拖曳力來控制管段起動。如日本東京港隧道施工中，要使管段拖運較長距離，根據水阻力、管段自身慣性來計算拖輪制動力和拖曳力，最終確定主拖輪300HP，確保拖曳力足夠大。

（二）管段沉放技術

當前沉管隧道施工中常見的管段沉放技術包括浮船法、頂升平臺法、起重船吊掛方法等，沉放方式的選擇與水流速度、管段尺寸大小有關。因為管段往往是箱型結構物，體積大且定位精度要求高，實際進行沉放施工時要考慮多種因素。一方面要分析水流速度，是決定管段沉放技術的主要因素之一，另一方面，應考慮潮汐對沉放施工的影響。不同海上隧道所處地質情況和水文條件不同，工程運行中施工技術的選擇要結合以往經驗，并通過實驗來確定。

管段沉放施工環節存在較大風險，同時水下施工加大了操作難度，實際施工中會受到河流速度、航道條件、施工設備的影響。管段沉放技術的選擇和結構計算、沉放時的受力分析以及抗浮能力等有著一定關聯性[4]。為了降低施工難度，在沉放過程中要盡可能借助水本身的自然能力，將管段沉放到指定位置。沉放方法要結合河流條件、管段自重和尺寸大小來確定，隨著海上沉管隧道工程建設經驗的積累，逐漸發展出多種沉放技術。一是分吊法。一種形式是在管段預制中提前設計3-4個吊點，準備2-4搜200t左右的浮箱，將其和吊點連接在一起，隨著浮箱的下沉將隧道管段放至規定位置。另一種形式是浮箱吊沉法，是目前使用較頻繁的沉放技術，具有設備簡單、操作性強的優點。該方法需要利用四個150t左右的浮箱，使之和管段相連，施工技術的進步，逐漸采用駁船替代浮箱，簡化了施工作業。二是杠吊法。包括雙駁杠吊法和四駁杠吊法[5]。其中雙駁杠吊法是利用兩艘方駁船來拖運管段;四駁杠吊法是使用四艘方駁，組成穩定性較好的沉放船組。上述施工方法在大型管段沉放施工時應用效果較好，保證兩艘方駁對稱布置，使其功能對稱發揮，能保證管段在水中的平衡性。如日本的多摩川隧道，便是采用杠吊法施工的。但應注重該方法不能用于惡劣的水域環境中，以免造成航道堵塞。三是騎吊法。這一方法主要設備為水上作業平臺，達到指定位后向浮箱內注水，將鋼腿插入海底，移動時排出箱內的水，沉放過程中將管段放在作業平臺下方，使管段緩慢吊放至規定位置。該施工方法的定位精度高，作業時對航道的影響小，適用于水上交通量大的施工地點。

在選用管段沉放技術時要遵循以下原則：一是安全原則。從歷史資料來看，海上沉管隧道管段沉放施工成功率較高，但是要想靈活控制大型管段的下沉過程，要將施工安全放在首位，充分考察施工環境、水流速度和潮汐周期等因素，保證沉降設備在控制管段沉降時有足夠的調整空間，提高施工可靠性;二是效率原則。施工效率是管段沉放施工效果的主要評價標準，為了減少外部因素對沉放施工的影響，要在規定時間內完成沉放作業[6]。因為管段自重大，在水流作用下攬繩承受的力明顯增大，因此需要保證纜繩布置的合理性;三是環境影響最小原則。沉放施工中勢必會對當地水域環境產生影響，應盡量縮短施工時間，平衡好工程建設和水域環境保護間的關系。

三、案例分析

為了具體了解海上沉管隧道施工中浮運、沉放技術的運用要求，本文以上海某一海上隧道工程為例，討論浮運沉放方法的選擇和實施。該隧道位經過河道水位時，水深為3-6m，水面寬400-500m，為了確保施工期間不影響船只正常通行，在隧道施工范圍內開挖一條臨時航道。對施工地點水文環境進行監測，可了解到部分時段河流水位線較高。在浮運沉放施工方案設計中，結合調查研究結果，確定了管段安裝順序，并要求起浮期間，干舷值要超過5.4m。浮運過程中，水流速度要控制在0.618m/s內，最佳浮運時間為從漲潮前至平潮后的過程，這時水流速度穩定方便施工。另外，結合水域環境、水流速度和管段尺寸等，計算沉放施工需要的浮力為200-400t。在整個沉管隧道施工設計指導下，確定施工設施性能和各個構件安裝時允許的誤差值。其中管節頂面標高誤差約為5cm，橫向允許誤差為2cm，縱向允許誤差為2cm。

在浮運方案設計方面，考慮到浮運方式主要受浮運距離、航道條件、氣候條件等因素的制約，制定了以下兩種可行性施工方案。一是拖輪浮運。利用大型拖輪提供主動力，其他四艘拖輪用來調整管節方向，這一形式體現出易控制、安全可靠的優點。但是拖輪和管段共占據200m的水域空間，而本次浮運距離為400m，相對來講拖運設備利用率低。二是絞車拖運方式。該方法原理為在管段接頭前連接一艘方型駁船，安裝一臺絞車提供拖運動力，岸上的其余兩臺絞車可提供制動力，在三者同時作用下，將管段沉放在設計位置。這一浮運方案施工時間短，工序簡單，對比上述浮運設計方案有著明顯優勢。

另外，沉放施工技術的選擇和管道結構、抗浮系數以及管段受力情況等有著緊密聯系，主要設計了以下沉放方案。首先是雙駁船吊掛的沉放方式，在施工中將駁船安裝在管段兩側，兩艘駁船之間設置大型鋼梁為承力梁;其次采用自臺式沉放方式，利用管段頂部平臺延伸出的懸臂梁為承力梁，該方案操作簡單、受力明確;最后，可采用起重船沉放方法。運用原理為將方駁作為起重船固定的根基，將起重船雙溝和管段連接在一起，可進行沉放施工。該方法工序簡單、成本低，但要求配備性能良好的起重設備。對比上述沉放方案，前兩種大多運用在水流速度大、水深的施工地點中，第二種方案實施時管段浮運過程中會受到干舷值影響，只適用于管段較長的浮運沉放施工中。而最后一種方案在水速不大、水深淺的地區體現出較好適用性。從經濟層面看，利用起重船的沉放方式，工程施工成本如下：沉放設備購置費占總成本的15%;浮運沉放作業費用占比65%;技術改造費用占比15%，由此可知該方法在設備投資上費用運用較少，能有效控制施工成本。因此，根據隧道施工地點的水上交通情況、管段尺寸、管段結構和水文條件等，可優先選擇起重船沉放方法，具體選擇500噸起重船和2000噸方駁船進行沉放作業，能保證沉管隧道浮運沉放施工計劃的有序落實，最終達到預期的隧道施工效果。

結論：綜上所述，海底沉管隧道是重要的工程項目之一，在工程開展過程中，需要做好管段浮運和沉放施工作業。對于技術人員來說，需要結合工程實際，明確施工方法、施工時間，加大對施工流程的控制。本文重點研究了海上沉管隧道浮運沉放施工手段的運用，總結先進的隧道修建技術，促進國內沉管隧道工程的良好發展，為我國海上交通領域的不斷拓展提供條件。

參考文獻：

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[3]李英，漢斯·德維特.港珠澳大橋沉管隧道技術難點和創新[J].南方能源建設，2017，4（02）：1-16.

[4]劉言峰. 沉管隧道工程關鍵技術研究與分析[D].西南交通大學，2017.

[5]鄧建林.沈家門港海底沉管隧道浮運、沉放施工控制技術[J].隧道建設，2015，35（09）：914-919.

[6]王朝輝.內河沉管隧道浮運沉放施工技術[J].施工技術，2012，41（18）：117-120.