沉管隧道與人工島技術發展及展望

林 巍， 梁杰忠， 劉凌鋒， 鄒 威， 林 鳴

(1. 中交公路規劃設計院有限公司， 北京 100088； 2.中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510290； 3. 中國交通建設股份有限公司， 北京 100088)

0 引言

隨著人們環保理念和環保意識的增強，水下隧道因其獨特的優勢，已成為當今跨越江河湖海的重要選擇[1]。1965年第一條水下隧道——打浦路隧道修建以來，截至2020年底，我國共修建245條水下隧道，其中沉管隧道23條[1]，占比接近10%。跨海隧道修建技術需求日益顯著[2-3]，超長沉管隧道的設計與施工關鍵技術尚需重點攻克[2]。目前工程技術在工程勘察、設備性能、隧道運維等諸多方面還難以完全滿足建設需要[4]。世界隧道工程技術發展的主流趨勢是安全、經濟、綠色和藝術，我國隧道工程可由量變轉為質變，通過節能、減排設計，創造效益[5]。水下隧道的若干種建造方法中，沉管隧道從極其小眾，到近些年數量明顯增長占據了一席之地。已有沉管隧道和人工島技術發展的報道詳見文獻[6-9]。

港珠澳大橋島隧工程[10-11](簡稱“島隧”)建成了繼厄勒海峽通道之后世界第2例沉管隧道流水線室內預制工廠[12]，研發了我國外海沉管隧道安裝成套技術[13]。沉管隧道與人工島有4項原創技術——深插鋼圓筒與副格筑島[14]、主動止水可折疊的新式最終接頭[15]、半剛性沉管隧道結構新體系[16-18]、組合基床與復合地基沉降控制新理念與方法[9,11,19]。

厄勒海峽沉管隧道首創了工廠法，在2條流水線上預制了22節質量約45 000 t的沉管管節[20]。港珠澳大橋島隧預制了33節質量約76 000 t的沉管管節。典型沉管管節長180 m，分成8個22.5 m節段；工廠布置因地制宜地提出L形，并研發沉管管節多點頂推新技術[21]。

圖1統計了世界范圍已建沉管隧道的年均體量建造速度(沉管隧道斷面高×寬×全長/建造時間)。由圖可見，工廠法效率優勢較明顯，其他優勢包括標準化、高質量、不受外界天氣環境影響[20]。

圖1 世界范圍內已建沉管隧道的年均體量建造速度

已經開始建設的最長交通沉管隧道費馬恩通道(約18 km)將是第3例采用工廠法施工的隧道。沉管隧道預制全斷面大型液壓模板臺車在我國已有設計與應用方面的研究[22]。島隧沉管隧道完成1節180 m沉管管節預制平均需1個月。待建設的深圳沿江項目1個月需平均完成3節80 m沉管管節預制，工期挑戰大，即2條流水線，每條流水線每20 d完成1節80 m沉管管節。如果仍采用島隧流水線方法，至少需要25 d，時間不夠，定量推導過程詳見文獻[23]。

現代鋼筋混凝土沉管隧道通常設計成可以自浮的，并帶有5～30 cm干舷[24]。國際隧協第11工作組報告及國外沉管隧道專著均要求沉管管節必須能自浮且帶有足夠的干舷[6,25]。我國一些規范也做出了這方面的定量要求[26-27]。起浮前，首先需要在沉管管節內組裝壓載系統(包括水箱、水管和水泵)，然后才能安裝沉管管節兩頭的臨時止水封門[28]。沉放階段需要通過壓載系統消除沉管管節的干舷，并達到一定的負浮力[29]。自航式雙體船已研發專門用于沉管管節的安裝[30]。事實上，隨著海工裝備的發展和科技的進步，負干舷(本文定義“負干舷”沉管管節為在水中浮力為負、無法自浮的沉管管節)沉管隧道有其獨特的優勢[31]。

沉管隧道水下最終接頭多采用止水板法。不同于一般沉管管節的首尾連接，最終接頭需要與其兩頭的沉管管節(或岸邊段)連接。文獻[32]描述了最終接頭發展歷史。最終接頭傳統工法是止水板法[6,8]：潛水員輔助吊車在水下安裝模板并止水，再從管內澆筑混凝土。日本發展了V楔形塊、Key沉管管節和端部塊體3種新方法[30]，較適用于大斷面沉管管節最終接頭。島隧發明了主動止水可折疊最終接頭，將海上安裝時間縮短到1 d，并實現了對接逆向操作[15]。

傳統筑島方法的不利面是軟土易壓縮，深插鋼圓筒與副格筑島法巧借水下50 m厚軟土易插入、不透水的有利面，將成島時間從3年縮短到6個月，減少了水下挖泥量[14]。該筑島方法與島隧項目位于中華白海豚保護區的環保要求更匹配。如果島隧重建1次，能否提出更好的構想?

基于國內外沉管技術發展趨勢以及我國水下隧道和超長跨海通道技術發展需求，本文依托2018—2021年島隧技術進行總結，系統研討已有技術的創新理念，并進一步提出沉管隧道與人工島建造的改良提案。

1 快速綠色新流水線預制方法

在沉管隧道預制流水線上，工作從開始到結束，被分解成節段鋼筋綁扎、混凝土澆筑養護和沉管管節舾裝。其中，節段鋼筋綁扎進一步分解為底板、墻體和頂板3個區間。從鋼筋組裝到混凝土澆筑需要體系轉換，主要工序是： 在鋼筋籠的頂板設置臨時懸吊體系，控制其變形；然后，拆除鋼筋籠內部的臨時支撐；接著，內模進入鋼筋籠；最后，拆除懸吊體系，混凝土澆筑。完成澆筑后，節段內模需要清理和養護。

管節預制施工流水線涉及較為繁瑣的體系轉換工作，而頻繁的體系轉換對于沉管預制效率及施工安全影響較大。圖2示出一個單孔斷面沉管管節在1條流水線上的預制分區。由此易擴展到多孔多斷面的沉管管節和多流水線預制多個沉管管節。流水線上采用80 m整體移動式內模和80 m固定底模，工作分成3個區： 區域1綁扎沉管管節底板和墻體鋼筋；區域2整體式內模接收區域1綁好的鋼筋，并綁扎頂板鋼筋，免去了傳統流水線相對繁瑣的體系轉換操作，側模做成可移動的、1個節段的長度(80 m沉管管節有3個節段)，混凝土澆筑時的壓力通過對拉螺栓傳遞；區域3用來舾裝。圖2的內模和針形梁通過互相支撐和滑動實現在流水線上的縱向行走。

圖2 沉管隧道工廠法新流水線預制體系示意圖

鋼筋綁扎和混凝土澆筑養護的步驟見圖3。由圖可見： 沉管管節內模可集中進行一次性的養護清理，簡化了傳統流水線按節段養護清理模板的工序。該方法利于更多工作平行開展，預制80 m沉管管節工期是19 d，且用地更省、工序更少。定量分析比較詳見文獻[23]。

2 負干舷沉管管節設計與施工

現代交通沉管隧道管節均設計成施工階段可以自浮。隨著科技的進步以及海工技術裝備的發展，采用負干舷沉管隧道在設計和施工方面均能帶來諸多優勢。

深圳沿江通道沉管隧道段長約2.3 km，當前推薦方案分成28個80 m沉管管節預制和安裝。預制場址在珠海牛頭島，距離隧址約55 km，沉管管節的浮運不采用拖運，而是采用半潛駁運輸。該運輸過程是助浮的，并且管節沉放也是助浮的(因其負浮力與安裝船提供的吊力平衡)。因此，只要確保沉管管節從浮運到沉放的體系轉換過程的助浮，就能實現安裝全過程的助浮。沉管管節可設計成負干舷、不自浮，其負浮力等同于自重的2%～5%，而不是設計成5～30 cm的正干舷，其正浮力等同于自重的1%～3%。

圖4介紹了從半潛駁運輸到安裝船沉放的體系轉換的助浮方案。若采用沉管管節浮運安裝一體船，該工序也可省去。負干舷管節可以通過智能臺車或軌道頂推系統從碼頭平移上半潛駁。

(a) 模板養護清理

(c) 節段2鋼筋移位，針形梁抬放腿讓其進入內模

(e) 節段3頂板鋼筋綁扎；下一個沉管管節底板鋼筋綁扎

(g) 節段3混凝土澆筑；下一個沉管管節持續底板墻體鋼筋綁扎

(i) 沉管管節混凝土養護完成并向前移位其自身約2/3長度

(k) 內?；赝?/3沉管管節長度，過程中針形梁抬放腿配合

(m) 內模繼續回退1/3沉管管節長度，過程中針形梁抬放腿配合

(a) 運輸到沉放位置附近

(c) 安裝船跨上沉管隧道

(e) 連接豎纜、安裝測量塔

負干舷沉管隧道在設計方面的優勢包括降低一半隧道內路面壓重混凝土厚度和用量、降低隧道斷面高度、抬高隧道縱向線位、減少水下基槽開挖量、減少1%主體結構鋼筋混凝土用量等。定量比較詳見文獻[23]。

圖5對比了負干舷助浮方案和正干舷自浮方案在施工方面的優缺點。前者較后者的優點是： 1)沉管管節舾裝工作更容易、更快，端封門可提前封閉(見圖5(a))。2)沉放準備工作更快，因為取消了需要若干小時的管內壓載作業(見圖5(b))，并且壓載水系統的取消或弱化降低了沉管隧道安裝作業總風險。3)由于沒有壓載水箱的阻礙，隧道內工作更容易，如隧道內行走較方便；不需設置水箱爬梯；貫通測量視線阻礙少；而且，隧道內路面壓載混凝土的澆筑不必與壓載水和水箱的移除交替進行(見圖5(c))(對于正干舷方案，如果有條件先施工回填來提供給沉管管節足夠的抗浮安全系數，也不必交替進行)。缺點是： 負干舷助浮方案需要額外的半潛駁運輸沉管管節，且較正干舷自浮方案多出了體系轉換的步驟。

綜上可見： 1)負干舷方案較適用于長距離運輸的沉管隧道，通過半潛駁降低沉管管節運輸的風險，從保險公司的視角看，是把特殊的浮運作業變成較一般的船運作業。2)負干舷方案對包含多個管節的長沉管隧道更具有吸引力，決策者需要思考的問題是，取消全部管節壓載水系統采購、安裝、調試、拆除工作以及降低隧道主結構與路面混凝土和隧道基槽疏浚工程量的負干舷(助浮)方案，與少租用和維護1～2艘半潛駁的正干舷(自浮)方案相比，哪個方案對于工期和工程風險的控制更有利，哪個方案是更可持續的？

(c) 路面鋪設階段： 為確保1.06的最小抗浮安全系數[25]，正干舷自浮方案的壓載水卸載、水箱拆除工作需要與路面壓載混凝土施工交替進行；負干舷助浮方案工序可簡化，且路面壓重層更薄，隧道內釋放的水化熱較少

3 主動止水可折疊最終接頭與沉管管節的一體化

最終接頭離岸遠，安裝階段只能通過衛星和水下聲吶等手段定位，精度cm級。通過先完成對接，在隧道內用尺或全站儀測量接頭錯邊，獲得mm級精度反饋，如果偏差大，就依據該值，回縮最終接頭兩頭內嵌的滑移框架(可折疊)，結合腔重新充滿水，將最終接頭從海床底微起吊，調整位置，重新對接。事實上，島隧最終接頭進行了1次這樣的逆向操作： 用1 d完成了安裝并測量；第2天根據測量數據脫開進行重對接，但由于最終接頭端封門上施工臨時水密門發生了意外漏水，尚未完成姿態調節就復原；第3天再次脫開重對接，最終精度達mm級。

該方法有2個缺點： 1)需要使用大型浮吊，島隧最終接頭起吊質量超過6 000 t，大型浮吊并非所有項目可用，吃水深，橫向受流寬度達300 m，氣象窗口限制較嚴； 2)最終接頭排水體積小，對地基的平均壓力是相鄰沉管管節的30～50倍，安裝后需要特殊的密閉腔壓漿工藝來確保該部位的沉降協調[33]。

優化方法是： 將最終接頭主結構的長度做到與一般沉管管節一樣長，從而實現安裝階段同等質量平衡(正干舷或負干舷)和著床后的同等地基壓力。獲得的好處是，最終接頭可當作一般沉管管節進行預制和安裝，唯一增加工作是在最終接頭的兩頭安裝可伸縮的框架。

圖6示出最終接頭改良方案的主要工序和構造。如果需要增加沉管管節安裝工作面，可以考慮預制多個最終接頭，配合多套沉放用的安裝船和運輸用的半潛駁。

(a) 下沉

(c) 測量

4 裝配式人工島

圖7示出3種筑島方法。圖7(a)為傳統方法，面對軟土地層，不僅需要大量水下作業，而且島體形成后，為了施工島上的現澆隧道段和島上建筑，還需施工深基坑和支護,風險相對大。圖7(b)為深插鋼圓筒和副格筑島方法，鋼圓筒和副格打入不透水層，圍成1圈不透水的島壁，再在島內大超載比預壓，快速完成島內地基固結沉降，不需在人工島內做額外地基處理。鋼圓筒和副格本身也作為支撐結構，免除了島上隧道段施工時的臨時地下連續墻支護。圖7(c)為裝配式人工島新提案，能夠適應更一般的地質(軟、硬、透水或不透水地層)。類比交通沉管隧道大型化預制和模塊化安裝技術，將人工島模塊在岸邊干塢預制，再浮運至現場安裝，具有減少水下地基處理、低噪音、綠色、海上模塊化施工的優勢。

(a) 傳統筑島方法

(b) 深插鋼圓筒和副格筑島

(c) 裝配式人工島

圖8示出裝配式人工島的建造步驟。圖8(a)為島體單模塊預制，島體中部是功能廊道，兩側是隔艙，用于施工期的加載和運營期的調載。圖8(b)為人工島模塊舾裝，類比沉管隧道，包括端部端封門和U形GINA止水帶，后者較沉管管節接頭的封閉型止水帶，對接作業更加可視和可控。圖8(c)為浮運。圖8(d)為對接。圖8(e)為島上路面等永久荷載施加時兩側同步減載，進而將地基應力始終保持在較低水平。圖8(f)為在人工島模塊安裝期間，一頭沉管隧道和另一頭橋梁同步施工。

(a) 預制

(c) 浮運

(e) 施加永久荷載

5 結論與體會

5.1 沉管隧道的技術發展趨勢是簡單最好

以主結構形式演變為例，最初美國沉管隧道的雙鋼殼結構是內外側鋼殼加鋼筋混凝土，施工復雜，之后多采用單鋼殼，取消了內側鋼殼。日本發展了鋼混鋼三明治結構，取消了混凝土中的鋼筋且混凝土不再振搗。荷蘭發展了混凝土結構，取消了外鋼殼結構?；炷两Y構從整體式發展到節段式，通過1次澆筑取消了施工縫和外包防水。島隧發展了半剛性，取消了預應力剪斷和頻現的節段接頭后注漿補漏。上述技術發展體現在沉管隧道的舾裝、水下基礎處理、浮運安裝、接頭，甚至人工島的建造。表1總結了一些沉管隧道技術演變的趨勢。

面對復雜的海上環境，通過簡化構造、優化工序、清晰化結構機制、縮短并控制時間，達到復雜問題變簡單、降低造價、降低工程總體風險的目地。簡單的方案需要創造性的工作： 制定新計劃、發展新試驗與研究以及論證工作；實施過程是探索未知的過程，需要新方法和勇氣。

表1 舉例介紹沉管隧道技術演變趨勢

5.2 未來煙臺—大連超長通道建造探索

我國計劃建造從大連到煙臺的100 km跨海通道[34]。其中一個方案中20 km區段水深達70 m，可采用沉管隧道穿越。已建成的博斯普魯斯海峽馬爾馬雷通道沉管隧道達到同等量級水深[35]。如果采用本文研究的提案建設這一段沉管隧道，給出如下初步探索：

1)采用3條新工廠法流水線，岸邊占地面積約185 m×350 m。

2)總共需要預制20 000/100=200個沉管管節；包括1個或2個帶有可折疊小梁兼顧最終接頭的管節。

3)每個管節長100 m，分成33.3 m長的3節預制。每個管節預制周期19 d，總預制時間為200×19/3/30≈42個月，約3.5年。

4)管節采用5%負干舷方案，節省200次壓載水系統的安裝拆除和維護。

5)通過2～3艘半潛駁和2套安裝船用于沉管管節的臨時存放、二次舾裝和運輸，進而和沉管管節預制速度匹配。

6)可使用或改裝已有沉管隧道的安裝船，或通過在2艘海運駁船上焊接桁架梁和絞車改裝而成，使用完成后再恢復成一般用途的駁船。

7)隧道兩頭與橋梁連接部位的人工島位置水深較淺，經論證后可采用裝配式人工島方案。

工廠法的管節預制和安裝是平行交替進行的，隧道內部工作是獨立的工作面，因而略滯后，類比之前工程經驗，最終接頭可能多花幾個月時間，再加上裝飾工作，這樣一來，20 km橋島隧段的總工期預計在4～4.5年。關鍵路徑有望轉移到其余80 km橋梁段上去了。