先導管盾構隧道
——水下隧道構筑新方法的構想

李增軍

(天津 300461)

0 引言

隨著國家海洋戰略的推進，在深水海域建設水下工程的需求越來越多，對跨越水深百米以上的海峽建設水下隧道的工程項目前瞻性技術要求也越來越多，但其結構和構筑方法的相關研究卻較少報道。傳統水下隧道結構和工法對未來建設需求的適應性研究以及如何提升和加強推廣其應用十分必要。

傳統的水下隧道一般采用盾構法隧道或沉管式隧道2種結構形式。

盾構法隧道施工對地質條件要求較高，常見的問題包括： 因為地層軟硬不同，造成盾構姿態難控制、掘進過程中地表沉陷和掘進緩慢等問題；或因為基巖強度高，造成較大的盾構掘進成本； 還有由于盾構掘進排渣與管片拼裝交替進行，制約了整體的推進速度。

而沉管式隧道施工受水深條件、管節之間止水結構和止水材料性能的限制，較難適應未來超大水深，如150～300 m水下隧道工程建設的需求。水下對接過程中，對沉管位置和姿態的測控要求高。此外，一方面，沉管管節構件體量大，預制周期較長，制約總工期；另一方面，大型構件浮運安裝受氣象海況影響很大，存在安全風險。

本文在傳統盾構隧道和沉管隧道結構和工法特點的分析基礎上，對隧道的地基基礎處理、土石開挖掘進、隧道受力和防水主體結構等技術元素進行分解、分析和重新組合，提出先導管盾構隧道的構想，從盾構和沉管隧道的施工經驗對其可行性進行論述，并對三者的經濟指標進行對比分析。

1 問題的提出

面向未來超大水深隧道建設的需要，從持續改進的觀念出發，有必要研究新的隧道構筑法。盾構隧道和沉管隧道等水下隧道傳統構筑方法所存在的短板，歸納起來主要有如下方面：

1)對自然條件要求高。盾構隧道對地質條件要求較高，覆蓋層太薄，土層過軟、過硬或軟硬不均等都會造成掘進困難或地面沉陷[1]；沉管隧道對風、浪、流和水深條件均有嚴格的要求，風力、浪高和流速直接影響浮運安裝的施工操作和生產安全。

2)施工速度受限。盾構隧道掘進速度額定可以達到80 mm/min[2]，但由于不同地段土質變化會大大影響掘進速度，加之掘進和管片拼裝交替進行、互相等待，實際平均推進速度一般只有15～25 mm/min；沉管安裝周期一般為每月2個管節，但大型管節預制周期一般每月只能完成1個管節，大大限制了沉管隧道的施工速度。

3)現有沉管和盾構隧道的防水結構無法適應未來更大水深的建設需求。盾構隧道會由于管片預制質量、注漿質量、管片姿態、膠條脫落等原因造成滲水或漏水，所能適應的工作水壓一般不超過0.85 MPa[3]；沉管隧道會由于管節預制質量或相鄰管節不均勻沉降等原因造成滲漏問題。面對未來可能提出的150～300 m水下隧道建設需求，隧道的防水結構需要改進。

2 解決方案

基于上述分析，提出先導管盾構隧道(構筑法)解決方案[4]。以下從先導管盾構隧道(構筑法)概念、結構、方法和專用設備等4個方面進行說明。

2.1 概念

先在水下地基上鋪設管道作為先導管，并將其端部與隧道出入口結構相連通，安裝并操作水盾構由隧道出入口結構進入先導管，用以隔開先導管內的水形成干施工條件。隨著水盾構在先導管內的推進拼裝隧道管片，通過壓力注漿填充隧道管片與先導管之間的縫隙，使先導管和隧道管片形成整體，構成隧道主體結構。這一水下隧道構筑方法，稱之為先導管盾構隧道構筑法,用這種方法構筑的隧道稱作先導管盾構隧道。先導管盾構隧道構筑法示意如圖1所示。

2.2 隧道結構

2.2.1 主體結構組成部分及其作用

采用2.1節所述的施工方法構建的水下先導管隧道，主要包括設于水下的隧道本體，以及用于銜接隧道本體端口與隧道外部大氣空間的隧道口結構。其中，隧道本體包括3層結構： 由隧道管片拼裝而成的主承壓管道、套設于主承壓管道外的防水約束先導管，以及由填充于主承壓管道與先導管之間的注漿料構成的充填加壓層。實際工程中，水下先導管隧道結構還需包括用于將管道構件埋設固定于水下地基上的錨碇結構或鎖固回填料。先導管盾構隧道結構剖面如圖2所示。

(a) 先導管-水盾構-管片剖視圖

(b) 先導管盾構施工透視圖

(c) 水盾構盾尾和頂推機構示意圖

(a) 先導管隧道斷面及回填埋壓圖

(b) B-B剖面圖

先導管采用抗拉管體，可承受注漿壓力引起的環向拉應力以及隧道橫、縱斷面彎拉應力。先導管套設于主承壓管道之外，形成了可靠的永久性防水層，可以從根本上解決施工缺陷造成的滲漏水問題。玻璃鋼等高分子復合管道質量輕、耐腐蝕，在泥面以下的封閉環境中還具有長壽命的特點，可從整體上提高隧道工程的使用壽命和防水可靠性，是理想的先導管材料。

相鄰的隧道管片之間采用螺栓連接，安裝完成后的隧道管片構成主承載管道，承擔環境水土壓力和隧道使用荷載[5]。主承載管道的應力狀態可通過施工工藝參數、施工荷載大小及其施加順序進行調整[6]。例如，通過改變隧道管片背后注漿壓力，可以借助先導管的約束作用，在管片環內產生不同水平的預壓應力； 通過采取“先兩側后頂部”的順序進行鎖固回填，可利用兩側回填料的土壓力和地層反力來降低管片環的彎矩[7]。

2.2.2 方案的可行性分析

先導管盾構隧道方案的可行性在于，盡管它是一種新結構和新技術，但其構成元素卻是現有技術或是對現有技術的簡化。其創新方向是在現有成熟技術的基礎上加以簡化和組合，形成新的技術方案。當然，也存在一些新技術產品有待研發。

先導管的鋪設所用到的船機設備和技術與沿海火電廠冷卻水取排管道鋪設相似，但所鋪管道的直徑不同。直徑4 m左右管道的海底鋪設已有成熟經驗，可用于設施隧道的構筑。目前尚無6 m以上大直徑管道的水底鋪設經驗，相關工藝技術有待進一步研究。

水盾構是在現有盾構的基礎上，去掉切削排渣機構簡化而成。水盾構在先導管內推進，只需克服正面水壓和側壁摩阻，承受的荷載明確而穩定，其設計建造技術相對來說更加簡化。管片的設計施工技術與目前盾構隧道相同。

水底基槽的開挖和隧道填埋防護技術與裝備，通風豎井和橋隧轉換人工島的建設技術與裝備等，均隨著近年來海底沉管隧道的建設實踐發展和成熟起來。

總之，先導管盾構隧道方案具有現實可行性。

2.3 施工方法

先導管盾構隧道施工流程如圖3所示，水下先導管盾構隧道施工包括如下5個步驟。

圖3 先導管盾構隧道施工流程圖

1)施工前準備。包括隧道出入口結構施工和水底基槽開挖。隧道出入口結構將水下隧道與岸上大氣空間連通(見圖4)。根據需要可在水底泥面以下開挖基槽，將水下隧道埋置在適當的深度上。

圖4 先導管盾構隧道結構剖面圖

2)先導管鋪設。將先導管沉放安裝到水下地基上，將其端口分別與對應的隧道出入口結構銜接且相互貫通。先導管是1根鋪放在海底的連續管道，用于給水盾構的推進提供導向，并為隧道管片背后壓力注漿提供約束反力。

3)施工設備裝配。在先導管的始發端管道外架設具有推進機構的水盾構(見圖4)，并在水盾構內安裝適配的油脂加注加壓設備、注漿裝置、隧道管片吊運設備和隧道管片拼裝裝置。安裝完成后，水盾構可以沿著先導管從始發端推進至末端。

4)管片安裝和充填加壓層施工。隧道管片在水盾構的盾殼內拼裝，構建形成主承壓管道。水盾構的盾尾刷密接已拼裝就位的隧道管片，以臨時封閉盾尾和隧道管片的間隙[8]。啟動注漿裝置向隧道管片與先導管之間的縫隙中注入注漿料，形成充填加壓層。隧道管片拼裝裝置和注漿裝置分步交替完成主承壓管道的拼裝和充填加壓層的施工，從而完成隧道本體施工。在此過程中，水盾構不斷將水從隧道本體內推出，完成水下隧道的構建。

5)收尾。移除施工設備，完成水下隧道施工。

在先導管鋪設過程中，應保持管道內外水體相通，使管道免受內外壓差，最大限度降低對其強度和剛度的要求。鋪設完成的先導管需采用錨碇結構固定于水下地基上，以抵抗水盾構經過時管道內的水被排空后產生的上浮力。錨碇結構可以采用安裝于管道內部或管道外部的配重塊，也可采用鎖固回填料對管道進行埋壓。管道內、外的配重和鎖固回填料的組合施加方式和時間順序，不但決定了管道的抗浮安全性，還決定了管道結構的應力狀態是否有利。

在隧道管片和先導管之間，可采用改進的盾尾刷同時密接隧道管片和先導管管壁，以完全封閉兩者的間隙，為壓力注漿和提高注漿壓力創造條件。注漿壓力可顯著高于對應的隧道施工位置的環境壓力，壓差可遠大于盾構隧道注漿施工通常采用的限值0.1～0.2 MPa，可根據設計需要進行優選。根據需要可利用增大的注漿壓力在管片內施加預壓應力，以改善管道結構的整體應力狀態。

2.4 專用設備

水盾構是所述技術方案所需的專用設備。水盾構組成裝置主要包括： 可容納隧道管片拼裝裝置的盾殼、用于連接注漿裝置的注漿孔道、盾尾密封機構，以及驅動水盾構行進的推進機構。

水盾構的主要作用是排開先導管內的水，為管片拼裝和壓力注漿等后續施工創造干施工條件。與通常使用的盾構不同，水盾構無需掘土，故不設置刀盤和清除渣土的排渣機構。可選擇裝備用于清除盾身前方淤積物的清淤機構和在盾身外壁設置用于減小盾身及先導管間摩擦力的潤滑結構。水盾構及其清淤和潤滑裝置示意如圖5所示。

圖5 水盾構及其清淤和潤滑裝置示意圖

盾尾密封機構能夠密接拼裝就位的隧道管片和先導管內壁，以封閉先導管和隧道管片間的縫隙，在盾殼內和盾殼后側形成干施工條件。為此，需研制和采用新型盾尾刷。

3 先導管盾構隧道方案的技術效果

1)利用管道作導向實現盾構在水體中推進，是一種具有創造性的新方法。

2)與沉管沉放對接相比，先導管在安裝過程中內外水體相通，消除了內外壓差，大幅降低了對管道剛度和強度的要求，減輕了其質量，降低了對大型起重設備的需求，規避了漂浮安裝的施工風險，取消了壓載水系統，簡化了施工操作，降低了施工風險。

3)無需大型構件浮運安裝，不但節省了大型浮運船舶的建造使用費和深塢區的建設運行費用，還規避了水上施工的各種風險因素，大大降低了海況氣象條件對施工的影響。

4)利用先導管管壁的抗拉承載力和隧道管片的抗壓抗彎能力，通過壓力注漿使之成為整體，組合創新形成一種新型復合結構。該結構可在施工過程中施加預應力，達到調整應力狀態、限制裂縫和提高結構壽命的目的。

5)通過簡化盾構結構，創造了一種新的盾構類型——水盾構。

6)傳統盾構一般需根據特定項目的具體地質條件進行專門設計，其通用性和對地質變化的適應能力較低，設備攤銷費較高。相比之下，水盾構由于使用條件單一，可進行標準化設計和制造，可重復使用，從而降低設備費成本。

7)相對于盾構法隧道，先導管盾構隧道構筑法省去了盾構掘土排渣，代之以挖泥船基槽挖泥，類似于硬巖段盾構空推[9]，優勢如下： ①把掘進與管片拼裝的接續交替施工改成了挖泥、鋪管和管片拼裝的平行流水作業，可大大加快施工進度。②相比盾構，挖泥船對所挖土質變化的適應性強、敏感性低，大大降低了施工難度和對地質條件的要求；盡管挖泥量增加了，但由于挖泥船施工效率高，單方成本低，可縮短工期、降低成本。

8)不需要進行沉管等大型構件預制，預制廠建設費用可顯著降低，也解除了大型構件預制的長周期對項目總工期的制約。

9)與沉管法相比，先導管盾構隧道構筑過程中取消了大型沉管管節的預制、浮運和沉放安裝，代之以先導管的制作鋪設和管片的預制拼裝，降低了施工難度和對大型設備的依賴，提高了構件標準化程度和質量，更加符合建筑工程產業化的技術發展潮流。

4 主體結構造價對比分析

目前最大的公路隧道斷面為雙向8車道。以現有的8車道沉管隧道(見圖6)和盾構隧道(見圖7)初步設計斷面為基礎，擬定相同施工條件下的先導管隧道(見圖8)斷面，計算工程量，然后在同一價格體系中進行造價對比分析，得到先導管隧道、沉管隧道和盾構隧道相比造價的優勢和特點。先導管隧道斷面的擬定遵循結構等效的原則，保持其開挖邊坡、頂面埋深、防護回填、地基處理和基礎結構與沉管隧道相同，管片內徑及配筋、隧道內部鋼筋混凝土結構與盾構隧道相同。在此基礎上增設先導管，并增加25%的管片混凝土用量，用于加厚管片，以克服對稱同步回填過程中同步控制偏差可能造成的管片內力增大。

圖6 沉管隧道典型斷面圖

圖7 盾構隧道典型斷面圖

圖8 先導管隧道擬定斷面圖

4.1 主體結構工程范圍

選擇構成主體所必須的結構作為造價對比的工程內容，具體如表1所示。

表1 隧道主體結構選定工程內容表

4.2 主體結構費用構成

以實際工程價格體系為參照，計算得到3種不同結構形式隧道的費用組成，如圖9—11所示。需要說明的是：

1)先導管價格。由于市場上沒有類似產品，故以直徑4 m的玻璃鋼管道的采購費用和鋪設施工費用為基礎進行組價，以4倍的鋪設施工費用和16倍的采購費用組成直徑16 m玻璃鋼管道的采購鋪設費用。

2)水盾構掘進費用。由于市場上沒有類似產品，故以盾構隧道中盾構掘進費用和盾構租賃費為基礎進行組價。考慮到盾構制造費用中，切削排渣機構的費用約占50%[10]，而水盾構無切削排渣機構，故以盾構隧道中盾構租賃費的50%計入先導管隧道的掘進費[11]。考慮到頂進開挖排土費占盾構掘進費的99%以上[12]，而先導管隧道盾構推進過程無需挖土排渣，故將盾構隧道中掘進費的1%計入先導管隧道的掘進費。

4.3 主體結構工程經濟指標對比分析

將3種隧道結構的經濟指標進行對比(見圖12)，可明顯看出先導管隧道的特點。

由圖12可知：

1)同沉管隧道相比，先導管隧道主體鋼筋混凝土方量減少了48%以上，完全抵消了基槽開挖和回填量增大所增加的費用，同時全額節省的沉管浮運安裝費補償了增設先導管造成的隧道防水結構費用的增加，主體結構費用總額減少了11%以上。

字母代號為表1所列隧道結構及所列結構對應工程內容； 數字為費用占比百分數。

字母代號為表1所列隧道結構及所列結構對應工程內容； 數字為費用占比百分數。

字母代號為表1所列工程隧道結構及所列結構對應內容； 數字為費用占比百分數。

2)同盾構隧道相比，先導管隧道掘進費用的減少基本補償了所增加的地基基礎和回填的費用；如不考慮增設先導管所造成的隧道防水結構費用的增加，其他部分主體結構總費用只增加了不到6%。考慮到先導管防水層所帶來的防水可靠性的提高和先導管隧道對大水深應用適應能力的提高，這個代價并不算高。

圖12 3種隧道經濟指標對比圖

3)同沉管隧道和盾構隧道相比，先導管隧道防水結構費用占比大幅增加，增幅達主體結構總費用的17%以上，體現了先導管隧道防水結構的強化。同時也說明，隨著防水先導管研發工作的開展和其制造鋪設成本的降低，通過優化設計和降低成本措施[13-14]，先導管隧道的總造價將有較大的下降空間。

5 結論與體會

通過比較分析，提出了先導管盾構隧道的結構、方法和專用設備方案，并論述了其技術可行性。與現有技術相比，先導管盾構隧道放寬了對地質、氣象和水文條件的限制，降低了風險，簡化了施工工藝，為未來超大水深隧道建設提供了一種可選方案，能大幅提高隧道的防水性。

先導管盾構隧道的概念、結構和方法還只是初步提出，由此帶來了一系列需要研究的技術問題，包括水盾構的設計研發，6 m以上大直徑先導管的結構、材質和制作加工技術，先導管從鋪設、拼裝管片、壓漿到回填埋壓過程中的受力轉換及其臨時和永久配重壓載鎖固結構等，需要相關行業的技術人員共同研究解決。