沉管隧道整體管節工廠預制方法

林巍，林鳴，梁杰忠，田英輝，陳偉彬，劉凌鋒，鄒威

（1.中交公路規劃設計院有限公司，北京，100088；2.中國交通建設集團有限公司，北京 100088；3.中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510290；4.天津大學，天津 300072）

0 引言

針對擬建沉管項目前期研究提出的工期需求與挑戰，基于經典的工廠法沉管預制，提出一種“改良”方法。該法可實現整體管節的平行流水預制，起到減少施工步驟、節約工期、減少占地的效果，有利于節能環保和綠色施工技術的發展。

1 已有工程與技術現狀

1.1 已有工程

沉管隧道采用鋼殼預制歷史最久遠。第一條鋼殼預制的公路沉管是1910 年底特律河隧道，施工方法是將鋼殼（內部帶有鋼筋）沉入河底，并在水下向鋼殼內澆筑混凝土[1]。在其之后的鋼殼沉管隧道預制方法是多種多樣的[2]。

1937—1943 年，荷蘭馬斯隧道是第一條混凝土沉管隧道，管節（預制段）在干塢內澆筑和預制，之后干塢灌水，管節起浮，逐個運輸[3-4]。該預制方法國內最新案例是大連灣海底隧道[5]。

1988 年以后日本研發了不需振搗的高流動性混凝土，并預制了幾座鋼混三明治沉管[6-7]，例如那霸港和神戶港海底隧道。港珠澳大橋島隧工程沉管的最終接頭主體結構也采用該方法預制[8]。最新大規模案例是深中通道。

工廠法預制沉管源自厄勒海峽通道[9-10]，第二例是港珠澳大橋島隧工程[11-13]，將來的應用包括深圳沿江通道、德國瑞典費馬恩通道[14]等。

1.2 工廠法及管節頂推技術現狀

表1 歸納了已經或即將采用工廠法預制沉管的項目的主要數據。其中，深中通道是將預制好的鋼殼在流水線上澆筑。

表1 在流水線上頂推管節的沉管項目Table 1 Projects that(will)launch element on a production line

1.3 傳統工廠法要點

以80 m 整體管節，分3 個節段為預制對象。若采用港珠澳大橋島隧工程的沉管工廠法，一個管節的預制工藝流程如圖1。特點是：

1） 生產線從右往左，總體劃分為3 個功能區，鋼筋綁扎區、混凝土澆筑區和舾裝區。前兩區需在封閉的廠房內，進而不受外界環境影響。

2） 節段鋼筋籠在流水線上進一步劃分為底板、墻體和頂板的鋼筋綁扎區。

3） 設置鋼筋胎架，方便綁扎工作和控制變形；這些胎架在混凝土澆筑前需要拆除，并周轉給后面的節段鋼筋綁扎使用。

首先，鋼筋籠套入針形梁（圖2（a））中；然后，收縮（折疊）狀態的內模支撐在針形梁上，滑入鋼筋籠。在滑入之前，鋼筋胎架需要拆除，為了控制頂板鋼筋的變形，需要設置臨時的懸吊體系（圖2（b））。

混凝土澆筑后，內模需要額外的養護空間。

節段頂推等關鍵技術見文獻[15]~文獻[16]。

圖1 用傳統工廠法預制帶3 個節段的沉管管節Fig.1 Using conventional factory method to prefabricate immersed tunnel element that consists of three segments

圖2 港珠澳大橋島隧工程沉管工廠法預制Fig.2 Prefabrication of immersed tube by factory method for HZMB island and tunnel project

2 沉管隧道工廠法預制新方法

2.1 總體

某項目處于研究階段，隧道沉管段長約2.3 km，預制場地可用面積長346 m、寬123 m，擬采用工廠法建設，設2 條生產線，承包商傾向于采用80 m 整體管節。該項目預見到沉管預制的兩大挑戰是：1）工期緊，預制廠每月需要生產3 個管節；2）預制場地受限。

針對項目特點，本文提出一種不同以往的沉管工廠預制方法，并與上述的傳統方法進行了分析比較。

圖3 為管節預制系統與子件。特點是：

1）底模與管節等長（80 m），固定在澆筑區。

2）內模與管節等長。內模是可折疊的，以適應底板與墻體鋼筋進入、混凝土澆筑與硬化后自身可退出以及針形梁（圖3（b））的行走。為匹配節段澆筑模數，內模按照3 或3 的整數倍來分節，例如 6×13.33 m、12×6.67 m 或 24×3.33 m。

3）每個管節廊道設置1 個針形梁，每個針形梁設置12 條腿，分別布置在3 個節段的4 個角點部位（圖3（c））。

4）側模與節段等長（圖3（d）），且可移動（圖3（e）），用于澆筑節段。為平衡混凝土側向壓力，設置對拉螺桿，連接側模與預制段的外墻鋼筋靠內的主筋。否則就需設置反力墻，導致橫向空間擁擠。

圖3 預制系統與子件Fig.3 Prefabrication system and sub-units

圖4 是總平布置與功能分區：1）物資通道需要預留足夠寬，以確保預制的效率和便利性。2）為避免預制流水線的堵塞，管節一旦完成舾裝，必須立刻運出安裝，或另找地方寄存；有條件時可準備1~2 艘半潛駁用來寄存管節。除此之外，鋼筋、端鋼殼、舾裝預埋件等構件的運輸重量大。對于空間受限的廠房，應最小化叉車、汽車吊等陸上移動吊裝設施的使用，這些工作需要專人，而且增加調度、協調和組織的復雜程度。用小型天車更佳，因為：1）物資從空中吊運，不堵塞地面通道；2）天車軌道易設置在既有廠房梁上；3）工人經培訓和取證，可自行操作天車，經由幾個管節預制的學習，即可達到最高效率。圖5 為設想的物料運輸與天車布置。

圖4 總平面布置與功能分區Fig.4 Plane layouts and functions

圖5 廠房內物料運輸概念Fig.5 Material transport concept inside factory plant

上述方法用于整體管節預制，相比傳統方法，優點是工序少、用地更緊湊，以及管節預制周期更快。

2.2 工作步驟

圖6 詳述了預制一個管節的步驟和方法。若用2 條流水線預制28 個管節，圖6 所示的工作在每條流水線上就需重復14 次。舾裝工作見文獻[17]~文獻[18]，不在圖中示出。

將圖6（a）定義為“起始步”。

管節底板鋼筋與墻體鋼筋綁扎，并分成3 個節段先后進入內模（圖6（b）~圖6（h））。為了讓鋼筋進入，針形梁腿需要變換各種姿勢組合，原則是管節范圍內的2/3 長度的腿支撐，以確保內模和針形梁站立的穩定性，1/3 長度的腿抬起來，讓鋼筋通過。而且，內模需呈折疊狀態。

頂板鋼筋綁扎與混凝土澆筑的平行流水作業（圖6（i）~圖6（m））。

管節混凝土養護強度達到要求后，運輸到舾裝區，與內模分離（圖6（m）~圖6（o））。在這之后，工作回到了最初的“起始步”，1 個80 m 整體管節的預制完成了一輪循環。

由此可見，在“起始步”，模板的養護（清理）作業是十分便利的。

圖6 左側的舾裝作業也可與鋼筋綁扎和混凝土澆筑作業實現平行流水作業。

圖6 本文提出的新工廠法解決方案Fig.6 The solution of new factory method proposed in this paper

值得一提的是，底板和墻體鋼筋首先綁扎成一個整體（圖6（a）），此時節段間的縱向鋼筋可采用機械接頭，預先連接好，再以節段為單位拆開運輸（圖6（b）~圖6（h）），到澆筑位置后，縱向鋼筋再接上，也即同槽預制[19]。

上述施工步驟與傳統工廠法比較，節省了工作量：1） 每個管節預制只移動了1 次內模；2）將內模作為頂板鋼筋綁扎的支撐和平臺，省去了鋼筋胎架和懸吊體系；3）模板的維護以管節為單位，而非傳統法的以節段為單位，施工界面大幅簡化，與相鄰作業不打架。

2.3 占地

圖7 是傳統方法與本文方法在一條流水線上的縱向占地的最小面積比較（鋼筋儲存和加工空間不必要布置在生產線上，因此未計入和比較）。由圖可見，本文方法所需空間相對較小。主要原因是：1）取消了模板專用的養護空間；2）鋼筋綁扎不再分為3 個子區間，而是一個整體，路面的橫向物資通道取消了，采用前述房梁上小型天車的“空運”替代。

圖7 占地分析Fig.7 Analysis of land occupation

2.4 時間估算與關鍵線路

為定量分析單管節預制周轉時間，假設如下：

1）1 個節段的底板、墻體或頂板的鋼筋綁扎時間均為4 d。

2）模板維護時間為3 d。

3）傳統法1 個節段的鋼筋籠進入模板的時間為1 d。

4）本方法1 個管節的底板和墻體鋼筋進入模板時間2 d。

5）節段混凝土澆筑1 d，養護3 d。

6）舾裝工作不在關鍵線路上；有關優化探討見文獻[20]。

將以上假設分別代入圖1 和圖6，得到傳統工廠法和本文方法的甘特圖與關鍵線路，如圖8所示。

圖8 甘特圖與關鍵線路Fig.8 Gantt-chart and critical path

對于傳統工廠法，關鍵線路是鋼筋綁扎與端鋼殼和端模的安裝，以及節段混凝土的澆筑與養護；1 個80 m 整體管節的預制周期為25 d。

對于本文方法，關鍵線路是頂板鋼筋綁扎與混凝土澆筑和模板養護的交替；1 個80 m 整體管節的預制周期為19 d。

可預見本文方法速度更快，主要原因是頂板的鋼筋綁扎與混凝土澆筑，與底板和墻體的鋼筋綁扎也實現了平行流水的作業。

2.5 其它可能

本方法的一個缺點是，內模長度是傳統方法的3 倍；傳統方法的內模長度就等于節段長度，因而內模花費更高的代價，必須由上述優點補償。圖9 列出了3 種長度的內模方案與比較：三節段內模，較單節段或雙節段內模，盡管模板造價有所增加，但工作步驟減少了，管理組織更容易，施工效率更高，對于多管節預制的效果尤其明顯。而且雙節段內模方案還需額外的模板維護空間。

圖9 3 種節段長度的內模方案Fig.9 Inner form schemes with three different segmented lengths

3 結語

本文基于港珠澳島隧工程沉管預制工廠法等經驗，提出了整體管節工廠預制方法，通過固定式管節底模、通長內模、多腳針形梁和可移動節段側模的組合，實現了頂、底板和墻體節段鋼筋綁扎與節段混凝土澆筑的高達4~5 個工作面的平行流水作業，并實現了內模與底模以1 個管節預制為周期的高效與便捷的清理與維護（傳統方法以節段為周期）。本方法較傳統方法應用于整體管節，缺點是模板造價較高，優點是節省工序、時間和場地，隨著沉管隧道長度增加，管節數量增多，本文方法的優勢將愈發明顯。

為了確保總工序的平行流水作業和綠色高效施工，還有其它需要深入研究的課題，包括沉管舾裝件優化和主結構優化等。