沉管隧道的发展综述及琼州海峡沉管隧道方案

1沉管隧道的发展
1.1国内外越海隧道工程建设和研究现状
世界上由于海峡存在，陆地被分割，在不同条件下形成两个区域，并造成交通障碍及文化差异。连接海峡两岸主要有三种方式：轮渡、修建桥梁和修建隧道。轮渡受气象条件的影响较大，并且不能直接连通，造成人员物资转运十分麻烦。修建桥梁往往受跨度、水深的影响，且建成运营后也同样受气象条件的影响。而修建海峡隧道既可以穿越较大跨度直接连通海峡两岸，又可以在运营后很少手气象条件影响，能保持连续通行。
世界上已建成了许多海峡隧道,许多正在研究中。
日本关门海峡在本世纪40年代即用隧道连接，以后又建了桥梁，是世界是上最早的海峡隧道。经过艰苦努力，日本于1988年建成了青函隧道，使本州——北海道之间实现了铁路运输。
英法海峡隧道从拿破仑时代（1800年）以来就曾两次开挖，但都停了下来。1993年隧道全部贯通，投入运营。
1996年，丹麦大海峡隧道竣工，它把丹麦和欧洲本上连接起来，实现把瑞典和德国连成一体的计划，从而使欧洲范围内几乎都能陆路相通。
直布罗陀海峡通道从七十年代开始调查，西班牙及摩洛哥交换了协议，分别设立勘察机构，依靠自身力量和日本、英、法等协作进行勘察设计。最初有桥梁及隧道两个方案，原定1990年内确立其中一个，由于种种原因而未能如愿。海峡水深300 m（从摩洛哥的丹吉尔向北的海上距离约28km，桥梁方案在技术上十分困难，还有政治因素。现在方案初步确定为桥梁和隧道的组合方案，即在航道下用隧道，其余部分架浮桥通过。这个海峡通道和仅是两个国家间的英法海峡通道相比，它将连接欧亚及非州两片大陆，而具有划时代的意义。
在亚洲，计划的有日韩对马海峡隧道、台湾海峡隧道、马六甲海峡隧道、爪哇岛与苏门答腊岛之间的巽他海峡隧道、宗谷海峡、间宫海峡通道。日韩隧道经过约十年的勘察及方案设计，至今日本侧佐贺县的呼子长400m左右的试验斜井已经开挖，对地质地形状况有了很好的了解，但和韩国侧的资料在精度上有差别，出现一个界面。该通道被构想作为亚洲高速公路的一部分，现有多个方案正在比选之中，这还和韩国政治形势有关，但总要逐步集中到某一方案。
台湾海峡隧道目前由清华大学进行可行性研究。鉴于两岸的政治形势和技术条件，初步估计最早要到2030年才可能修建。
关于马六甲海峡，从该地区发展需要来看，是引人注目的通道。
巽他海峡隧道正在日本及法国的帮助下进行调查。海峡原为火山岩屑堆积体，海底深部状况不明，水深100m左右，中间有岛屿，施工比较方便（将由地质状况来决定合适的施工方法）。
关于宗谷海峡，间宫海峡通道，因眼下考虑的仅是输送西伯利亚、萨哈林的石油与天然气资源的需要，故至今未进行勘察。
至于白令海峡，曾有筑坝发电之说，撇开其长度，由于水深不太大，如果选用合适的方案，作为运输通道也是可能的，它的实现将把亚欧大陆和美洲连接起来。
随着经济的发展和技术的进步，特别是许多越水隧道成功的建成运行的事实使得人们的观念发生了变化，人们已意识到“遇水架桥”不再是唯一的选择，在许多情况下以水下沟通两岸比建桥更为优越。到目前为止，我国大陆已建成的水（海）底隧道已超过10座。在上海的黄浦江先后修建 了打浦路、延安东路和延安东路复线三座城市道路隧道；1999年初，又建成了两条上海地铁二号线黄浦江区间隧道。计划中的轨道交通明珠线还采将建成4条黄浦江隧道。已建成的黄浦江隧道均采用盾构施工。黄浦江吴淞口隧道拟采用沉管法。90年代以来，我国大陆除建成了众所周知的多条黄浦江隧道外，还建成了广州珠江沉管隧道和宁波甬江沉管隧道。值得注意的是，这两座水底隧道都是由国内的技术力量设计和施工的，其运营情况和防水效果都十分良好。京沪高速铁路穿越长江的南京上元门隧道已由铁道部第四勘察设计院完成初步设计。该隧道采用沉管隧道方案，沉埋段长1930m，全长5765m。由铁道部第四勘察设计院承担编制的武汉长江水底隧道（含地铁）的预可行性研究报告也已于1999年6月完成，该隧道也拟采用沉管隧道方案，沉埋段长约1300m，全长约3.2km。正在规划研究的水底隧道工程还有：连接辽东半岛和胶东半岛的渤海海底隧道，长约57km；连接上海和南通的长江水底隧道，长度约7km；上海至宁波的杭州湾水底隧道，最长的隧道方案长约约52km，隧道建成后沪甬两地的运输距离较经杭州钱塘江大桥缩短约250km；另外还有其它穿越长江的水底隧道。台湾海峡隧道目前由清华大学进行可行性研究。
此外，我国香港已建成5座越海隧道，它们全部采用沉管隧道的型式。我国台湾也修建了高雄港跨港隧道和新店溪河隧道。广州救捞局参与了香港西区的两条隧道的沉放工作。
1.2国内外沉管隧道发展现状
自1894年美国在波斯顿修建世界第一座沉管隧道以来，到现在世界上已经修建了一百多座沉管隧道。我国大陆、香港和台湾高雄已修建了8座沉管隧道。
沉管隧道结构型式的发展:沉管隧道主要有两种基本类型：一种是钢壳管段隧道；一种是混凝土管段隧道。
第一座钢壳管段沉管隧道是在二十世纪初在北美建成的。钢壳管段沉管隧道是钢壳与混凝土的组合结构。钢壳可作为防水层并在结构上有明显作用。混凝土主要承受压力和作为镇载物，并且也有助于结构上的需要。由于钢壳具有弹性特点，因此，完工的钢壳管段沉管隧道成为一个具有柔性的整体结构。全世界修建的钢壳管段沉管隧道大多在北美，日本也修建了几座，欧洲采用得不多。
沉管混凝土隧道最早出现在欧洲。半个世纪以前，在荷兰的鹿特丹建成了第一座欧洲的沉管隧道。此后，这种施工方法得到了极大的简化和优化。现今全世界约建成了四十多座混凝土管段沉管隧道。混凝土管段沉管隧道大多数在欧洲，其中约有一半在荷兰。亚洲的日本、中国也修建了几座混凝土管段沉管隧道。
混凝土管段沉管隧道的主要特点是隧道的管段由钢筋混凝土制成，钢筋混凝土用于结构构造和作为镇载物。尽管大多数新近建造的混凝土管段沉管隧道没有防水薄膜，但老的使用了混凝土管段的沉管隧道一般都使用了钢板或沥青防水薄膜。大多数完工的混凝土管段由多个节段组成，管节长约20～25m，用柔性接缝将其连在一起。因为每一管节是一个整体结构，更易控制混凝土的灌注和限制管节内的结构力。只有极少数的混凝土管段沉管隧道有刚性的隧道接缝。
除了管段制造中使用各种不同技术外，钢壳管段沉管隧道和混凝土管段沉管隧道的水上施工技术也不同，这些与不同管段不同材料的本来性能有关，也与承包人的技术有关，这种技术是在不同的环境下各自开发出来的。每一种实施方法都对工程进度、引道斜坡的施工、浇注场地等有不同影响。例如，对私人投资的工程来讲，时间很重要，可能导致有更高的直接投资。至于成本，不能简单说成是混凝土管段沉管隧道比钢壳管段沉管隧道要昂贵些。例如，由于环境要求，建造一个专门制造混凝土隧道管段的灌注场地的费用增高，这就很可能改而选择钢壳管段沉管隧道方案。钢壳管段沉管隧道的沉埋深度可能会比混凝土管段沉管隧道的沉埋深度深一些，这样就增长了现场引道斜坡的长度。
美国和欧洲的方法不同，有其科学和政治发展的根源。但是，总的来讲，历史已证明最终结果——即在质量、防水性能、寿命、可靠性及维修等方面的最终结果并不存在不同之处。
基槽开挖方法: 对开挖来说，人们所熟悉的技术例如戽斗式挖泥机、带切泥头或吸泥头的吸泥机或挖泥机和带抓斗的起重机都是可以选择的。切泥头挖泥机是对要浚挖的泥土进行混搅成浆后吸走。如使用浮放管路排泥时，这种挖泥机的垂直运输是封闭的，而且最后的水平运输也是封闭的。这样对环境的影响就比较小。戽斗式挖泥机在垂直运输泥土时，以及当泥土卸进驳船中供水平运走时产生的溢出都会对环境造成污染。与戽斗式挖泥机一样，带抓斗的起重机对环境也有同样不利的影响。
基础施工方法:现有三种不同的基础，欧洲普遍使用喷砂和注砂基础，美国普遍使用样板刮平的砾石基础。
(1)样板刮平的砾石基础
一般用于北美的钢壳管段隧道。地槽浚瓦好后，接着便在地槽底上铺一层粗砂或砾石。砾石和砂的粒度级配必须与水力条件相适应：即水流越大级配越高。这层厚度约0.7mm。必须注意砾石基础的刮平度。要求的平顺精度为±3cm，这取决于当地条件、砂或砾石的级配以及使用的设备。刮平是用一块样板来进行的，样板从滑架上的绞盘车上悬挂下来，滑架沿支承在两个浮筒上的轨道滚动。这套设备锚定在要刮平处的水面上，样板的的悬挂高度可以调节以补偿潮汐水位的变化。为了尽可能排除来自水面的影响，可以采用按半潜水的原则制成的特殊设备。这种方法允许样板直接连到锚墩上。
(2)喷砂基础
建造砂基础的第一个系统用的是C&N法（ChrisTIAni & Nielson 法），即使用在隧道管段上方滚动的钢门架，与门架相连的为三根毗邻的管子，这三根管子被引入到隧道管段底部与地槽之间的空间。最大的管子在中间，通过这根管子，砂水混合物被泵送到隧道管段下面。位于大管子两侧的两根管子又将水吸回去，从而形成一种流动作用，使砂在隧道管段下面以一种良好限定和良好控制的型样沉淀下来。门架位于隧道管段上面并可使管子绕一垂直轴转动，这样就可以做到隧道管段下面的整个空间都可以达到。隧道管段下面需有约1m的空间以便移动管子。砂必须是干净的，砂的平均粒径约为0.5mm。砂水混合物的浓度和排除口速度与喷出形成的砂饼的直径有直接关系，必须很好地控制。
(3)注砂基础
为了避免使用门架（因门架可能妨碍航运交通），以及为了在更深的隧道下面铺设基础，开发出砂流注砂法。这种方法像喷砂法一样把砂水混合物泵送到管段下面的空间里。只不过不是使用可移动的系统，而是在隧道管段底板上开许多孔口，这些孔口与放在管段里面相连。当管道从岸上经过隧道通到这些孔口处进行充填砂基时，不会影响航运。砂水混合物通过在隧道管段内的孔口泵出，去填充隧道管段下面的空间直到砂堆接触到隧道管段的底部为止。这样就在隧道管段下面形成一个扩大的砂饼。直到砂饼内部的水压超过了预先指定的最大值，然后才打开下一个孔口，同时将前一个孔口关闭。这种方法速度快，能在24小时内填满一个隧道管段下面的整个空间，这样就能避免管段放置后产生淤积的危险。
沉管隧道的管段制作技术研究
(1)管节制作
管节制作是大型沉管隧道的主要工序，它的工期和质量不仅直接影响沉管的浮运和沉放，而且关系到隧道运营的成败。制作工艺的关键技术是控制混凝土的容重和管节体形（结构）尺寸精度，以及控制钢筋混凝土结构的裂缝来实现结构的自身防水。
(2)、制造管段的场地
现在制作钢壳管段主要是在隧址附近的船坞制作钢壳，然后拖到隧道施工现场附近进行舣装，在拖至施工现场后灌注镇载混凝土。制作混凝土管段主要采用干船坞的方式，即在隧址附近的岸边修建大型的干船坞，在干船坞中浇制混凝土管段，管段造好后浮运至施工现场沉放。干船坞在排水后继续制作下一批管段。在丹麦和瑞典的斯热桑得隧道在干船坞里还建造有一条混凝土管节生产的流水线的工厂，管节造好后在干船坞里连接成管段。
1.2.5沉管隧道的管段浮运沉放技术研究
(1)隧道管段的浮运
浮运方式受航道条件、浮运距离、水文和气象等多种因素控制，主要有以下两种施工方案：（1）拖轮浮运方案；（2）绞车拖运、拖轮顶推方式。在运输隧道管段时，应注意以下条件：（1）将遇到的情况；（2）在现场的特定条件下的隧道管段的特性；（3）在航行水道中可资利用的空间；（4）拖船的种类和能力；（5）定位系统和将这些结果提交给作业指挥者的方式。
(2)隧道管段的沉放
隧道管段的沉放是这种工程任务中最危险的部分。或许是因为参加这项工作的人们已知道其危险，所以尽管到目前为止已沉放了数百节的隧道管段，却很少发生事故或失败。巨型隧道管段的沉放是在相对困难的条件下进行的，因为那里的大多数作业是在无法直接观察的情况下完成的。因此，作业的关键是尽可能使作业简单，尽量多地利用水的自然能力。
沉放方法的选定与管节的结构计算、在施工状态下的受力状况、着力点的布置、干舷及抗浮系数都有着密切的关系。主要有以下三种方案：（1）双驳船吊挂沉放方法；（2）自抬式吊挂沉放方法，国外称为SEP工法（Self Elevated Platform）；（3）起重船吊挂沉放方法。
沉管隧道的接头设计及处理技术研究: 接头设计和处理技术是沉管隧道的关键技术之一，接头的设计应能承受温度变化、地震力以及其它作用并保证隧道接头具有良好的水密性。
沉管隧道的每一个管段都是一个预制件，在管段之间和管段与通风塔之间存在接头。接头可分为两种形式：一种接头具有与其连接管段相似的断面刚度和强度——刚性接头；另一种接头则允许在三个主轴方向上有相对位移——柔性接头。在某些情况下，沉管隧道的所有接头都采用同一种形式，在另外一些情况下，两种形式都可能采用。
接头的位置、间距和形式应按照土壤条件、基础形式、抗震以及可加工性来决定。同时，还应考虑接头的强度、变形特性、防水、材料以及细部构造。
2琼州海峡沉管隧道方案
海南岛是我国仅次于台湾岛的第二大岛屿，资源十分丰富，素有祖国宝岛之称。海南岛独特的风土人情，山光水色，是天然旅游胜地。1998年，国务院批准建立海南省，是改革开放后最大的经济特区。海南岛资源的开发利用在海南省的经济建设中起着关键的作用。而经济要腾飞，关键是交通。但是，海南岛岛内虽有铁路、公路，却不能和大陆连通，使海南丰富的资源和祖国大陆的各种物资被海峡所隔，交通不便，交流受阻。据98年统计，每年通过旅客愈500万人次，且近年仍呈上升趋势，严重影响海南省的经济发展。目前，越海铁路有限公司已经成立，并开始着手黎——湛铁路末端湛江至徐闻段的铁路修建工作，并初步拟定轮渡方案越海。但据初步研究，认为该方案存在以下几个问题：
（1）海峡两侧需修建大型的轮渡码头，且需解决轮船与铁路连接机构随水位升、降的调节问题。
（2）码头内需配设数条调车作业线，以进行越海列车的解体与编组作业，即不能实现直通。初步估算，越海时间至少需要2～3小时，而直通仅需约15分钟，为轮渡方式的8～12倍。
（3）不能全天候运行，遇大风和暴雨天气必须中断。而在海峡地区此类天气占全年的50%，不适应紧急时期的需要。
因此，采用直通方式连接海峡两岸交通已迫在眉睫，必须提到日程上来，这是时代的需要和历史的责任。做好直接沟通琼州海峡两岸的前期规划，已刻不容缓。在开始决定修建直接越海通道前，作好各种越海方案的可行性研究，以供决策者参考，是完全有必要的。
目前，海峡通道主要由轮渡、桥梁、隧道、桥隧组合四种形式。轮渡受气象条件的影响最大，不能直接连通，效率较低，人员与物资的转运十分困难和麻烦。修建桥梁是一种常见的方式，但从战备效益来看，跨海大桥的安全性不如越海隧道，科索沃战争中，多瑙河南联盟段的所有桥梁都受到轰炸攻击，另外跨海大桥的技术难度也很高，同样受到跨度、水深和地质等条件的影响，建成运营后受气候变化的影响也始终存在。因此，海峡通道选择修建海峡隧道是一种较好的方式，既可以穿越大跨度的海域，直接连通海峡两岸，又可以在运营后避免气候条件的影响，保持连续通行。
就海峡隧道来讲，目前主要有深埋海底隧道、沉管隧道、悬浮隧道等几种方案。深埋隧道的特点是埋深大、隧道长，从而投资较大、工期较长。长距离深埋海底隧道为了缩短工期，通常采用掘进速度较快的TBM施工，但对于我们国家来讲，TBM机械还不能自己研制，需要从国外引进，因此将增加许多额外的投资。对于悬浮隧道来说，至今为止世界上尚无建成实例，有关方案的研究则有不少成果，但因无实际工程经验，因此尚有待于进一步摸索。
沉管隧道具有许多优点。首先，从对地层条件的适应性来看，沉管隧道不怕软弱地层，基本上不受地质条件的限制，对地基允许承载力的要求也很低，一般5N/cm2左右即可。第二，沉管隧道的埋深很浅，一般1m即够，甚至与海床齐平或超出海床。而深埋隧道至少要10m以上。青函隧道最浅埋深100m，地层条件较好的英法海峡隧道的最浅埋深也有40m。这样，沉管隧道的长度就比较短，造价也因而降低。第三，沉管隧道的断面既可做成圆形，也可做成矩形或其它形状，十分灵活。矩形断面利用率高，埋深也相对较浅。第四，沉管隧道的主要工序，如基槽开挖、管段预制、管段浮运沉放和内部装修等可平行作业。因而沉管隧道各工序间干扰少，施工质量可提高，且工期可缩短。第五，由于沉管隧道接头数量少，且其水力压接采用了先进的Gina防水带，在加上管段整体预制可保证管段良好的自防水性，通常还采用外加防水膜，这样，沉管隧道的防水性能十分优良，能做到滴水不漏。第六、具有很强的抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力。在战争条件下，一颗精制导弹或巡航导弹就足能摧毁一座坚固的大桥，不仅桥梁自身的交通中断，且阻塞江河海港航道，难以疏通。海湾战争第一天，幼发拉底河所有的桥梁全部被炸毁，水下隧道却安然无恙。此外，隧道的防震、防核效应的能力是桥梁的几倍，甚至几十倍。第七，国外的沉管隧道技术都比较成熟，国内也进行了大量的研究，已经修建了广州珠江沉管隧道和宁波甬江沉管隧道，初步具备了独立设计、独立施工的能力。当然，沉管隧道在施工时，将受气象、水文条件的制约，一定程度上影响航运。但总体说来，在琼州海峡采用沉管隧道方案具有较高的可行性。
3结语
沉管隧道建成的实例目前为止已有100多座。从1894年——1969年七十多年间，世界上仅修建了四十座长沉管式隧道，而1970年——1995年二十五年间就修建隧道六十余座，仅1990年——1995年就高达二十座，沉管隧道的发展举世瞩目。最长的沉管隧道是1970年完成的美国加利福尼亚、旧金山海湾地区快速交通隧道，总沉埋长度5825m，到结构底部的深度40.5m。琼州海峡的宽度在18.2～35km之间，水深80～160m。尽管目前尚没有如此规模的沉管隧道实例，但国外已有这方面的研究成果和可行性方案。例如，1985年10月提出的英吉利海峡联络线方案，由高架桥和沉管管道组成，沉管公路隧道管段部分总长为20.7km。英国建筑公司（B.S.C.）提出的一座沉管隧道方案，铁路隧道部分穿越海峡全宽，双车道的公路隧道部分穿越海峡中心11km的宽度。拟建的日韩海底沉管隧道，将穿越日本壹岐海峡22km，最大水深60m；穿越东对马海峡49km，水深120m；穿越西对马海峡49km，水深 200m。因此，虽然琼州海峡的宽度较大，水深较深，但基于当前的技术研究情况来看，建设沉管隧道仍然是一种推荐的可行性方案。
1993年8月我国大陆第一条六车道公、铁路合一的大型水下隧道——珠江隧道胜利建成通车（如图1）。这是我国工程界经过三十多年攻关，首次采用沉管法施工的结晶，为我国沉管隧道填补了空白。1995年11月，宁波甬江隧道也顺利建成。世界第二、亚洲第一（按管段排水量）的上海外环线黄浦江沉管隧道也已于2000年十月开工兴建（如图2、3）。
香港的东、西区沉管隧道管段的沉放由交通部广州救捞局施工，广州珠江 沉管隧道，宁波甬江沉管隧道是由我国自行设计和施工的，说明我国已具备了沉管隧道的设计和施工能力。
关于琼州海峡隧道方案的技术观点必须解决土木工程史上尚未经历过的很深的海底问题，很多问题有待解决。在这种情况下，采用沉管隧道方案的未知因素和风险要比深埋隧道方案和悬浮隧道方案少一些。可望通过采用海底油田所发展的海上作业平台、工作船上的操作技术、造船设施等去克服采用沉管隧道方案所涉及的最大困难。钢材和水泥的大量需要将增进这些工业的发展，而大规模地生产碎石和石料也会有助于促进建筑工业的发展。