跨海沉管隧道技术与发展的介绍

1　沉管隧道概述

　　沉管法是在20世纪初发展起来的一种修建水下隧道的新工法。根据国际隧道协会（ITA）沉管隧道和悬浮隧道工作组1993年提供的报告，一种当今普遍被认可的沉管隧道定义为：沉管隧道（ImmersedTunnel）是由若干预制的管节，分别浮运到现场，一个接一个的沉放安装，在水下将其相互连接并正确定位在已经开挖的水下沟槽内，其后辅以相关工程施工，使这些管节组合体成为连接水体两端陆上交通的隧道型交通运输载体。
　　19世纪末，美国首先用沉管法建成波士顿的下水道工程，随后，于1910年用此法建成底特律河水底铁路隧道，这是世界上第一条沉管建造的铁路隧道。日本是东亚第一个建成沉管隧道的国家。
　　随着沉管法隧道设计和施工中关键技术问题的逐步解决和日趋完善，随着沉管法在世界各国的广泛采用和技术上的交流，沉管隧道受到越来越多国家的重视，逐渐成为水下大型隧道工程的一种施工方法。
2　沉管隧道技术与发展
　　2.1　沉管隧道技术概述
　　沉管隧道管节制作技术自最早的钢壳隧道以来，管节制作技术经理了不断发展完善的过程。1910年建成的美国底特律河水底铁路隧道是世界上第一座沉管隧道，采用的是钢壳式沉管隧道技术，至1942年荷兰马斯河公路隧道的建成，揭开了混凝土沉管隧道建设的序幕，同时也形成了钢壳式管节和混凝土管节2种主要类型沉管隧道管节。随后日本在这两种主要管节结构的基础上进行融合，形成了一种新的管节形式——三明治式管节，并广泛运用于日本沉管隧道建设中。沉管隧道管节制作结构形式及代表工程实例如表1所示。


　　2.2　跨海沉管隧道现状

　　沉管隧道一般用于内河，长度在2km左右。纵观当今世界沉管隧道发展趋势，可以看出，随着管节制造材料逐渐由钢筋混凝土取代纯钢材，管节断面已基本上采用矩形形式。由于管节横断面空间利用率的提高，钢筋混凝土预制的质量控制特别是混凝土长大、贯穿裂缝的控制技术的不断提高以及纵向预应力措施和钢（化学）纤维的引入，沉管隧道管节的长度越来越长，每节管节中的车道数越来越多，沉管隧道对不同地基条件的适应性也越来越广。随着技术的发展，外海沉管隧道取得了突破性的进展。
　　2000年，丹麦厄勒海峡隧道贯通，该隧道为矩形混凝土公路隧道。其后，2010年底，韩国的釜山-巨济连线隧道投入运营，该隧道与厄勒海峡隧道同为矩形混凝土公路隧道。2010年4月，连接欧亚大陆的土耳博斯布鲁斯隧道贯通，该矩形复合结构铁路隧道长利用泥水盾构完成了岸边段与海中沉管隧道的对接。连接丹麦和德国之间的19km长的公铁连线费默隧道计划于2018年完成。世界跨海沉管隧道一览如表2所示。中国港珠澳沉管隧道计划于2016年完成，其设计施工均采用最新的技术。


　　2.3　新技术的发展和运用
　　随着技术的发展，超大管节的预制、复杂海洋条件下管节的浮运和沉放、高水压条件下管节的对接及接头的水密性及耐久性、隧道基础处理等跨海沉管隧道面临的各种技术难题一一被克服。
　　（1）超大管节工厂化预制技术
　　工厂化生产管节的干坞主要是由厂房内2条生产线不间断地生产管节段，待管节段初步养护到位后，向前顶进；然后继续施工后续管节段，如图1所示。工厂化干坞可以更好地控制管节的浇筑质量，建设干坞工作量较少。


　　工厂化生产干坞建设分为生产厂房、管节滑行区、管节临时寄放区3大部分。
　　生产厂房用于预制钢筋网片的拼装、钢筋绑扎和管节段浇筑、养护，如图2所示。


　　管节滑行区用于将已制作完成的节段推进滑行。节段下方设置滑行梁，滑行梁下部采用桩基础，上部采用多点千斤顶系统和减摩垫层，控制差异沉降量，减少摩擦阻力，确保节段滑行时结构不产生有害裂缝，如图3所示。


　　管节临时寄放区用于临时寄放已经完成养护并完成一次舾装的管节。该区域可建于干坞出海口，减少干坞开挖工作量，如图4所示。


　　（2）碎石整平法基础处理技术
　　沉管隧道的基础处理方法，以消灭不规则空隙为目的，可分为先铺法和后填法两类。先铺法是在管节沉设之前，先铺好砂、石垫层；后填法是先将管节沉设在预置在沟槽底上的临时支座上，随后再补填垫实。碎石整平法是通常所说的碎石刮铺法的一种变型。整平碎石层的铺设精度可控制在±15～20mm以内，以免在底板产生过大的附加弯矩。
　　碎石刮铺船依靠4根管桩打入海底，作为固定；凭借船上的桁车移动和填料刮铺筒进行碎石刮铺施工。刮铺船使用GPS定位，定位精度高，刮铺施工精度高。其填料刮铺筒出料口前后有超声波探测装置，可详细了解到碎石刮铺状态及偏差，并实时反映到中控室。刮铺筒的填料口可以根据船体标高灵活调整，刮铺筒的深度也可根据不同需要灵活调整，碎石刮铺船及碎石基床详如图5所示。
　　碎石整平法的优点：
　　·在相对较大的波浪和水流情况下仍能适用；
　　·基础垫层和管节沉放施工速度快；
　　·管节沉放连接后能快速形成保护和管节的稳定；
　　·采用的设备可用于回填的施工；
　　·管节沉放前，与隧道接触的垫层顶面可以进行可视化检查。


　　（3）体外定位系统
　　管节沉放就位后需对其平面和高程状态进行精确控制，通常采用缆索和垂直千斤顶进行姿态调整，存在如下问题：
　　·垂直千斤顶设置在管节内，结构需局部开孔，不利于整体耐久性；
　　·配套使用的垂直千斤顶垫块水下定位要求高，需要额外的潜水作业，深水条件潜水作业效率低，施工风险高；
　　·缆索进行管节位置微调时，受水流波浪影响，效率低；
　　·水力压接完成后，管节尾端出现较小误差时，难以进行精细调整。
　　针对上述问题，可使用体外定位系统，该系统由两个门型框架组成（一个安装在接头端，一个安装在尾端），框架与管节上的起重吊耳、吊索滑轮相连接，如图6所示。


　　当隧道管节放置到基础上后，体外定位系统将投入使用。当移动隧道管节时，接头端和尾端两侧体外定位系统底座将提供支撑，并保护隧道不会因为水流和波浪产生侧向位移。在轻微提升管节时，体外定位系统底座将依靠下部的碎石基础提供地基反力。通过液压千斤顶的作用，我们可以在碎石基础上提升和移动隧道管节，使其与上节管节尾端连接到位，进行水力压接。当管节被提升后，可以在减少管节底部摩擦的情况下调整管节，管节向前移动则由安装在管节顶部的拉合千斤顶控制，如图7所示；管节尾端横向位置由安装在底座上的横向千斤顶调整，如图8所示。最终定位系统的优点如下：
　　·体外定位系统，管节结构无需额外开孔；
　　·可反复使用；
　　·座底沉放和水力压接全过程消除表层水流和波浪影响，可以在沉放驳上遥控实施千斤顶伸缩，安全高效；
　　·水力压接完成后，可以对隧道管节的尾端进行精确调整定位。




3　结语
　　沉管法自从问世以来，因为施工方式先进，可操作性强，已经逐渐成为修建水下大型隧道的一种成熟施工工法，并且无论从设计方法、施工工序、配套工程的处理等方面都取得了长足的进步，有利地促成了众多大型工程的顺利完工。同时，随着技术的发展及各个难题的客服，沉管隧道已逐步从内河隧道向跨海隧道迈进。
　　沉管隧道在中国已经显示出蓬勃的生命力，随着港珠澳跨海隧道的顺利实施，我国沉管技术已与世界接轨，掌握了沉管隧道应用新材料、新机具、新工艺等关键技术，并积累了许多宝贵的经验。