世界交通沉管隧道工程建造情況與我國沉管科技發展現狀

劉凌鋒，林巍，尹海卿，劉亞平，鄒威，許思妍，紀宇諾

（1.中交公路規劃設計院有限公司，北京100088；2.中交第三航務工程局有限公司，上海200032；3.中交第一航務工程局有限公司，天津300461；4.北京師范大學珠海分校，廣東 珠海519087）

1 概述

從1910年的底特律河沉管隧道建成至今，世界交通沉管隧道已有超過110 a歷史，建成的隧道總數也已超過200條[1]。國外方面，國際隧道協會（ITA）總結并整理出了1997年及以前的世界沉管隧道檔案[2]，文獻[3]將該檔案時間擴充到了2011年，日本沿岸開發技術研究所梳理了2002年及以前日本和國際上知名的沉管隧道信息[4]，文獻[5]整理了2003年及以前荷蘭知名沉管隧道建設的情況；國內方面，文獻[6]對沉管隧道理論研究和試驗研究進展進行了綜述，文獻[7]對混凝土沉管管節的預制方法特點及典型工程案例進行了總結，文獻[8]對沉管工法的工程設計理論與方法及施工技術進行了系統梳理和詳盡剖析，文獻[9]全面介紹了沉管法隧道的防水設計要點，文獻[10]摘錄了我國2017年及以前建成的沉管隧道信息，文獻[11]討論了沉管隧道規劃的方法與原則，文獻[12]綜合論述了高流動性混凝土的歷史、發展驅動力、材料特性、機理以及配合比設計與試驗檢驗方案。

本文基于國內外出版物、專利、論文及維基百科、百度百科、搜狗百科等網絡可達渠道，全面獲取世界交通沉管隧道信息，從沉管隧道工程的建造數量、建造長度、建設效率、建設難度及科技創新程度等方面，對世界交通沉管隧道工程的建造情況與國內沉管隧道科技發展現狀進行了分析討論。

2 世界沉管隧道工程建造情況

梳理世界范圍內143條已建或在建知名交通沉管隧道的有關信息，包括：1）所在地的國家；2）沉管段長度（不是隧道洞門到洞門的長度，也即不包括現澆暗埋段長度）；3）管節數量（也即預制段數量，決定了該沉管項目的最小浮運安裝次數）；4）典型管節尺寸（長×寬×高）；5）開工和竣工年份；6）水深（從平均水面到沉管隧道結構底部的垂向距離）；7）沉管最大埋深（沉管隧道頂面上覆的回填和回淤土的最大厚度）；8）管體結構形式；9）車道數量；10）隧道類型（公路隧道、鐵路隧道或公鐵兩用隧道）；11）斷面形狀。

從以上多個維度對數據進行透視分析，展示世界沉管隧道工程的建造情況。

2.1 累積數量與累積長度

143條交通沉管隧道中，荷蘭建造有29條、日本30條、美國26條、中國22條（大陸地區有15條）。圖1為已建和在建沉管隧道數量的累積圖，圖2為長度累積圖。

圖1 世界各國沉管隧道數量累積圖Fig.1 Cumulative number of immersed tunnels in the world

圖2 世界各國沉管隧道長度累積圖Fig.2 Cumulative length of immersed tunnels in the world

可見：美國最早發展沉管隧道，且其沉管隧道累積長度一直位于其他國家之上，但進入新世紀以來，美國幾乎未建新沉管隧道；荷蘭和日本盡管地域小，但也是沉管大國，其累積數量和累積長度的發展趨勢較接近。我國大陸地區在20世紀80年代末開始建造沉管隧道，直到21世紀初，才展現出較快發展勢頭：有兩次“跳躍”，第一次是2010年港珠澳大橋島隧工程開工，第二次是2017年深中通道開工（同年，港珠澳大橋島隧工程沉管貫通）。總體而言，隨著港珠澳大橋島隧工程的開工和建成，我國沉管隧道長度累積曲線呈現出“指數增長”的趨勢，展現“后來居上”的態勢。

近些年，人們對沉管的信心越來越強，國內外一系列大型沉管隧道開建，最為典型的是2020年開工的長達17.6 km的費馬恩通道，給世界沉管隧道累積曲線帶來了“飛躍式”增長，也是歐洲大陸在疫情時代“重建美好家園”的關鍵工程。

2.2 建設速度

圖3是不同年代建成的沉管隧道項目的建設速度散點圖，并通過圖例區分了不同國家的建造。建設速度指的是沉管段的長度除以建設總年份（由于大部分沉管隧道的信息只能精確地統計到年，這里不可避免地存在一定程度的偏差，但總體趨勢正確）；圖4類似圖3，但其建設速度指的是沉管段長度與其斷面寬度和高度的乘積除以隧道建設總年份。由圖3和圖4可見：世界4個“沉管隧道大國”中，無論是沉管長度還是沉管體量建設速度，中國和美國均靠前，荷蘭和日本均靠后。從沉管長度建設速度來看，排在前三位的分別是舊金山海灣地鐵沉管、釜山-巨濟沉管和港珠澳大橋島隧工程；從沉管體量建設速度來看，排在前三位的是港珠澳大橋島隧工程、釜山-巨濟沉管和厄勒隧道。值得一提的是，厄勒隧道和港珠澳大橋島隧工程沉管都是采用工廠法流水線預制沉管的項目。

圖3 世界各國沉管隧道年均建設長度-竣工年散點圖Fig.3 Scatter plots of annual-averaged constructed length-year of completion of the world immersed tunnel

圖4 世界各國沉管隧道年均建設體量-竣工年散點圖Fig.4 Scatter plots of annual-averaged constructed volume-year of completion of the world immersed tunnels

圖5、圖6分別對應圖3、圖4，按不同沉管管節結構形式分類，分為鋼殼結構、鋼筋混凝土結構以及鋼混鋼三明治復合結構（以下統稱復合結構）。可見，鋼殼結構形式沉管的年均長度建設速度最快。這也許是由于鋼殼結構沉管隧道一般斷面尺寸較小。從沉管體量的年均建設速度來看不難發現，鋼殼的建設速度反而最低。混凝土交通沉管的體量較大，建設速度最快。過去復合結構沉管的施工速度較慢，主要原因是早期復合結構施工工藝較復雜，具體分析詳見文獻[13]。

圖5 世界沉管隧道長度建設速度圖（按管體結構分）Fig.5 Length-construction speed map of immersed tunnels in the world(Classification by tube structure)

圖6 世界沉管隧道體量建設速度圖（按管體結構分）Fig.6 Volumn-construction speed map of immersed tunnels in the world(Classification by tube structure)

由圖5、圖6還可見，近十年的混凝土結構及復合結構沉管隧道建設速度均較以前有較大提升。沉管長度建設速度排前5的是2條鋼殼和3條混凝土沉管隧道；沉管體量建設速度排前5的是1條鋼殼和4條混凝土沉管隧道。

混凝土預制方法可進一步分為干塢法和工廠法。后者只有厄勒隧道和港珠澳大橋島隧工程，已在圖中示出，可見混凝土工廠法的建造速度是其它建造方法的3～6倍。

圖7為我國沉管隧道建設速度圖。港珠澳大橋島隧工程的長度建設速度和體量建設速度均最快。值得一提的是，港珠澳大橋沉管段長5.664 km，大部分結構采用混凝土結構，僅約10 m的合龍段，也即最終接頭的主體結構采用復合結構[14]。目前在建的深中通道沉管段全部采用復合結構，且相比圖3、圖4所示的日本復合結構，若能如期完工，建設速度將有大幅提升。深圳沿江高速下沉隧道的預計建設效率也很高，也即將采用前述的工廠法預制，且在如何進一步提升工廠法預制速度方面有一些思考和研究[15]。

圖7 中國沉管隧道建設速度圖Fig.7 Construction speed of immersed tunnels in China

港珠澳大橋島隧工程的順利建成給中國沉管建造帶來信心的同時，其工藝創新和施工經驗也為我國后續沉管隧道建設效率邁上新的臺階打好基礎。

圖8是世界一些著名沉管項目的建設速度，我國港珠澳大橋島隧工程也名列前茅。

圖8 世界著名沉管隧道建設速度圖Fig.8 Construction speed of world-famous immersed tunnels

2.3 建設難度

從沉管隧道的管節體量、管節數量、水深和埋深4個方面對沉管隧道的建設難度進行綜合評價，各項評價指標具體解釋如下：

1）管節體量。標準管節的長×寬×高，管節體量標示單次管節施工的難度，體量越大，運輸及安裝操控難度越大，單次澆筑混凝土方量可能越大，所需施工設備規格越大，所需場地單位面積越大。

2）管節數量。管節數量等同于安裝次數（如果沒有返工）。同等風險管控能力和水平下，管節安裝的次數越多，發生事故的概率越大。

3）水深。水深意味著水下施工的不確定性和風險性，水深越大，操作難度和風險均越大。

4）埋深。埋深標示管節的負荷，埋深越大，管節結構和水密風險越大。

通過對30位經驗豐富的沉管隧道工程師或沉管相關從業人員進行問卷咨詢，參加問卷的人員均與沉管隧道工程相關，包括4類：總工級別人員（5位）、設計人員（8位）、施工人員（10位）和有沉管隧道項目工作經驗的其他非技術人員（7位）。經統計，上述4類人員中，總工人員認為水深指標最重要，埋深指標最次要；設計人員和施工人員均認為水深指標最重要，管節數量指標最次要；其他人員認為埋深指標最重要，管節數量指標最次要。

根據各類沉管隧道相關從業人員對沉管隧道建設難度4項指標的評價排名，假定第一名獲得4分，第二名3分，第三名2分，第四名1分，則可得到各類人員對4項評價指標的綜合打分情況見表1。表1中，根據各類人員的理論知識水平、工程經驗豐富程度及從事崗位與技術的關聯度等因素，設定了加權系數，并對其打分情況進行加權求和。最終，利用各項指標的加權得分除以4項指標的總加權分得到沉管隧道建設難度評價指標的綜合加權系數。

表1 沉管隧道建設難度評價指標綜合排名及加權系數Table 1 Comprehensive ranking and weighting coefficient of construction difficulty evaluation index of immersed tunnels

選擇10條世界著名的沉管隧道，統計其管節體量、管節數量、水深和埋深，并以港珠澳大橋島隧工程作為參照項目（也即將其它沉管項目的各項值除以港珠澳大橋島隧工程的）實現各項指標的無量綱化。將無量綱化后的各項指標乘以表1中的綜合加權系數后再求和，得到各沉管隧道的建設難度系數，見圖9。圖中可見排名前三的是港珠澳大橋島隧工程、舊金山海灣地鐵沉管和釜山-巨濟沉管。

圖9 世界著名沉管隧道建設難度系數Fig.9 Construction difficulty coefficients of world-famous immersed tunnels

圖9中，假設沉管隧道建設難度系數為C，其與無量綱化后的管節體量V、管節數量N、水深D及埋深B的關系如下：

值得一提的是，沉管隧道所處的海域環境（如外海、河口、內河等）、建設條件（水文、氣象、泥沙等）、管體結構（如鋼殼、混凝土、復合結構等）、是否在某領域某國度首次建設等因素，都是評價其建設難度的重要指標，但限于數據缺乏及文章篇幅，僅討論前4種所提及可量化的評價指標。

3 國內沉管科技發展現狀

從沉管隧道專著數量、專利數量、論文數量3個角度剖析評價國內沉管隧道工程的科技創新程度。其中，專著和專利僅限于中文，論文包含中英文。

以當當網（http：//www.dangdang.com/）、淘寶網（https://www.taobao.com/）、孔夫子舊書網（https://www.kongfz.com/）為數據庫，搜索“沉管隧道”、“沉管”等關鍵詞，并對結果人工篩選，獲得55本沉管隧道相關專著。以出版時間為橫軸，繪制國內沉管隧道相關專著數量及其累積數量曲線，見圖10。

圖10 國內沉管隧道相關專著數量及其累積數量曲線Fig.10 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related monographs

以知網（CNKI）為數據庫，搜索沉管隧道相關國內專利。經嘗試，發現當搜索關鍵詞為“沉管or沉管隧道or沉埋or沉埋隧道not樁not沉井not基坑not管道not盾構”時，可最大程度獲得所需結果，共1 181項。再剔除一些無關主題的專利，如“建筑施工”、“井壁管”、“配合使用”、“鋰云母”、“電源線”等，配合人工篩查，得到最終精確搜索結果868條。以專利的公開時間為橫軸，繪制出國內沉管隧道相關專利數量及其累積數量曲線，如圖11所示。

圖11 國內沉管隧道相關專利數量及其累積數量曲線Fig.11 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related patents

以知網（CNKI）為數據庫，搜索沉管隧道相關國內外論文，搜索方式為中英文拓展。經嘗試，當搜索關鍵詞為“沉管or沉管隧道or沉埋or沉埋隧道not樁not CFG not振動沉管not軟基not建筑not黃土”時，可最大程度獲得想要搜索結果，共3 626條；從中剔除“石油天然氣工業”、“動力工程”、“中等教育”、“無機化工”、“有機化工”、“航空航天科學與工程”、“人物傳記”、“中國文學”等無關學科，結果剩余3 161條；此時觀察搜索結果的主要主題，均為相關主題；再從中剔除“盾構法”、“盾構隧道”、“盾構機”等無關次要主題，結果剩余1 385條；最后，從搜索結果中人工篩選刪除無關內容，可獲得精確搜索結果，共1 367條。以論文的發表時間為橫軸，繪制出國內沉管隧道相關論文數量及其累積數量曲線，如圖12所示。

圖12 國內沉管隧道相關論文數量及其累積數量曲線（基于CNKI數據庫）Fig.12 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related papers(Based on CNKI database)

為進行對照，以Scopus為數據庫，搜索關鍵詞為“‘immersed tunnel’or‘immersed tube’or‘sunken tube’or‘immersed tunnelling’”，得到搜索結果937條，繪制論文數量及其累積數量曲線見圖13。

由圖10～圖13可見：無論是專著、專利還是論文數量，均在2010年左右開始呈現出“爆發式”增長，這得益于2010年港珠澳大橋島隧工程的開工。港珠澳大橋島隧工程沉管隧道于2010年開工，2017年貫通，全長6.7 km，沉管段長度5 664 m，是世界上最長的公路沉管隧道，也是國內首條外海沉管隧道。港珠澳大橋島隧工程在國內首次采用工廠法流水線預制沉管，為克服超深埋、大回淤等困難，采用世界首創的半剛性沉管管節結構，并使用鋼殼-高流動性混凝土三明治結構為主體的可逆式主動止水最終接頭，實現了1 d之內完成沉管隧道最終段的合龍。港珠澳大橋島隧工程的順利建成，實現了我國外海沉管隧道從0到1的突破，使我國從沉管隧道的相對小國，成為沉管隧道的國際領軍國家之一，也為我國后續沉管隧道的建設打下了良好基礎。在搜集的國內沉管隧道相關專著、專利和論文中，港珠澳大橋島隧工程相關的占比分別為61%、44%和25%（圖14），可見，港珠澳大橋島隧工程的科技創新程度較高，對我國沉管隧道工程建設有較強的科技引領作用。

圖13 國內沉管隧道相關論文數量及其累積數量曲線（基于Scopus數據庫）Fig.13 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related papers(Based on Scopus database)

圖14 國內沉管隧道相關專著、專利、論文中島隧工程相關數量占比圖Fig.14 Proportion of the number of island and tunnel engineering in domestic immersed tunnel related monographs,patents and papers

4 結語

本文對世界沉管隧道工程建造情況進行了分析，剖析并評價了國內沉管隧道科技發展現狀。結論如下：1）從沉管隧道累積數量與累積長度看，美國、日本、荷蘭是老牌沉管隧道大國，中國是新興沉管隧道大國，港珠澳大橋島隧工程的開工與貫通均給我國沉管隧道累積長度帶來了“跳躍”；2）從已建沉管的長度和體量建設速度看，中國和美國均排在前列，鋼殼結構沉管長度建設速度較快，混凝土結構沉管體量建設速度較快，采用工廠法的厄勒隧道和港珠澳大橋島隧工程建設速度均位于世界前列；3）建立了以管節體量、管節數量、水深和埋深為指標的沉管隧道建設難度評價公式，世界已建沉管隧道中，港珠澳大橋島隧工程建設難度最大；4）從國內沉管隧道相關專著、專利及論文數量看，港珠澳大橋島隧工程的建設為我國沉管隧道科技發展作出了較大貢獻，為推動我國沉管隧道工程科技創新起到較強的引擎作用。

值得指出天氣、海況和地質條件也是沉管隧道建造的關鍵參數，由于這方面公開信息較少，尚無法形成同等數據規模的“大數據分析”，該部分可作為將來研究的進一步延伸。