沉管隧道的发展.doc

沉管隧道的发展
张长弓
资环学院 交通工程09
摘要: 沉管隧道工法为水下隧道建设的主要工法之一,其关键工序包括管节预制、浮运、沉放对接和基础处理等。近几十年来建成的大型混凝土沉管隧道工程,进一步发展并突破高水压、复杂水流和复杂地质条件的工程技术,能够跨越更深和更宽阔的河口、海峡水道。
关键字:沉管隧道
Development of Immersed Tube Tunnel
Abstract: Immersed tube method is a major construction method for underwater tunnels, of which the key techniques include p refabrication, towing, immersion and connection of tube elements, as well as foundation treatment. The immersed tube tunneling techniques have been so much developed to cross deeper and wider rivers/harbors with comp lexwater flows and difficult ground conditions.
沉管隧道的发展
自1910年美国底特律河建成世界上第一座水下沉管隧道以来，水下沉管隧道技术经历了不断发展完善的过程。截至2001年，世界上有近20多个国家采用沉管隧道技术修建了130多座水下隧道[1]。著名的沉管隧道有美国旧金山海湾水下隧道、连接欧亚两大洲的博斯普鲁斯海峡沉管隧道以及连接丹麦与瑞典的厄勒海峡沉管隧道。我国香港地区于1972年建成了跨越维多利亚港的城市道路海底隧道，1993年底建成通车的广州黄沙至芳村珠江水下隧道，成为我国大陆首次用沉管工法建成的第一座大型道路与地下铁道共管设置的水下隧道。以后相继建成了宁波甬江沉管隧道、澳门澳凼隧道、上海外环隧道，正在建设的沉管隧道还有广州珠江仓头岛一生物岛沉管隧道，这些隧道的相继建成，大大推动了我国在这一技术领域的发展。笔者结合美国密执根州Detroit河铁路隧道﹑荷兰Maas隧道﹑土尔其Bosphorus海峡隧道等对沉管法修建水下隧道的关键问题进行探讨和归纳。
1 沉管隧道工法
穿越美国密执根州Detroit河铁路隧道是世界上第一座沉管隧道,采用钢壳式沉管隧道技术,于1910年建成,其后在北美洲陆续建造了几十座钢沉管隧道。直至1942年建成了穿越荷兰鹿特丹Maas河的公路隧道,揭开了混凝土沉管隧道建设的序幕,也形成了沉管工法的2种主要类型,即钢壳式沉管和混凝土沉管隧道。混凝土沉管隧道结构可采用多箱室矩形断面形式,最大限度地利用内部空满足公路铁路或公铁两用交通净空,又可满足通风、逃生和管线要求。混凝土沉管隧道技术在欧洲和亚洲地区得到了广泛的应用,至今全球已经建成超过50座大型混凝土沉管隧道,其设计和施工技术也得到极大的发展[ 2 ] 。钢壳沉管隧道是单圆形或双圆形断面的钢壳与混凝土复合结构,钢板焊接而成的钢壳起到外防水层作用，后浇筑的混凝土起到镇载抗浮作用。通常选择隧址附近的临水船坞焊接拼装钢壳管节,然后将钢壳管节下水并浮运到隧址附近,在浮态下分段分块平衡浇筑混凝土而形成钢混管节,再依次沉放到预先敷设刮平的砾石基槽,实施水力对接,采用导管灌注水下混凝土,封闭管节间的接头和回填基础。混凝土沉管隧道是矩形断面(或其他断面形式)的普通钢筋混凝土或预应力混凝土钢壳与混凝土结构,通常在干坞内分批预制混凝土管节,采用防止混凝土早龄期裂缝、控制预制尺寸精度等技术,达到管节自防水和目标干舷高度。管节预制完成后,坞内入水至内外水位平衡、开启坞门起浮和拖运管节到隧址,依次沉放到预先浚挖的基槽,实现水力对接并形成柔性接头,再而实施后灌砂基础和基础回填。钢壳沉管工法和混凝土沉管工法,都涵盖了管节预制、管节浮运、基槽浚挖、管节沉放和水力连接、管节
基础处理和回填等关键工序。然而,两种工法除了管节预制工艺技术不同,其水上工法和基础处理也各具特色。近几十年来,越来越多的沉管隧道跨越更宽阔、
更深的水道,进一步突破高水压、复杂水流和复杂地质条件,发展、融合和丰富了钢壳沉管和混凝土沉管的工序和技术。以下结合已建成的代表性工程,着重讨论
混凝土沉管的技术发展。
2 荷兰Maas隧道(1937—1942)
Maas隧道跨越鹿特丹市Nieuwe Maas河,是荷兰的首座沉管隧道,建于1937—1942年,开创了混凝土沉管工法的先河。该隧道原设计方案是以北美广泛采用的钢壳沉管工法为基础,即设计为双圆管双层钢壳沉管断面。但丹麦承包商Christiani & Nielsen公司提出了极具创新的替代方案和沉管工法,取代了原设计方案,从此奠定了混凝土沉管工法的基础,并在荷兰等欧洲地区得到进一步的发展和应用。
如图1所示,Maas隧道最终采用矩形混凝土结构断面,宽24. 77m高8. 39m,紧凑地布置了双向二车道、自行车道和人行道的交通空间,还灵活地设置了横向通风道。
沉管隧道总长584m,共分9管节,管节长61. 35m,在一个旧Heyse港口干坞内分3批浇筑管节,每批3个管节。其工程特点还包括:
1)在干坞内只浇筑管节的底板、墙体和端封门,然后向干坞灌水,无顶板的管节起浮拖出干坞,在漂浮状态下再浇筑顶板形成封闭的完整管节。
2)采用了6 mm 厚的钢板作为管节的外包防水层。
3)采用起重船吊挂沉放管节,管节两侧还设置了浮筒以提供正浮力。图2 为管节沉放时的施工情形[ 3 ] 。
4)首次采用了后喷砂基础,即在已沉放就位的管节上方设立移动式的钢门架,将3根管子延伸到管节底与基槽之间约1m的间隙,泵送砂水混合物,通过中间大管喷射到管节底部空隙,同时两侧小管抽吸水,从而形成管节底喷砂过程中水的流动,使砂颗粒沉淀以填充管节底部,形成密实的砂基础。

图1　Maas沉管隧道横断面

图2　Maas沉管隧道管节沉放
3 土尔其Bosphorus海峡隧道(2004—2008)
博斯普鲁斯(Bosphorus) 海峡连接马尔马拉海(Marmara)和黑海(Black Sea) ,将伊斯坦布尔分隔为欧亚两大陆。名为Marmaray项目是土尔其通勤铁路系统升级的大型基础设施项目,连通欧洲侧Halkali与亚洲侧Gebze的铁路全长达76 km (图3) 。工程包括兴建跨越博斯普鲁斯海峡长达13. 6 km新的铁路隧道, 采用混凝土沉管隧道工法穿越博斯普鲁斯海峽[ 4] ,成为连接欧亚两大洲唯一的海底铁路通道。隧道底部最大水深约60m,是世界上最深的海底沉管隧道,堪称最具挑战性的沉管隧道工程。

图3　Marmaray项目和博斯普鲁斯海峽隧道项目平面示意
博斯普鲁斯海峽隧道沉管段全长1. 387 km,共分11个管节每个管节长98. 5～135m (图4) 。
图4　博斯普鲁斯海峽沉管隧道平面和纵断面
隧道断面宽15. 3m,高8. 6m,为双向双管铁路隧道。除了超深水外,沉管隧道工程还需面对复杂水流、海洋生态、强地震区(地震矩规模达7. 5)等困难的建设条件[5]。其工程特点和技术创新包括:
　　1)在距离隧址约40 km的Tuzla设置干坞,采用管节分部预制和浮态浇筑技术。在Tuzla设置1号和2号2座浅干坞,在干坞一次浇筑下半截面混凝土,成为
半管节。然后将半管节浮运出坞并系泊在临时码头,在浮态下浇筑管节上半截面, 形成完整的管节(图5) 。设计要求管节为自防水混凝土结构,作为预制管节的模板和辅助外防水层,管节底板和侧墙加设了7mm厚的钢板,顶板设塑料防水板。图6示意了Tu zla 2座浅干坞和临时码头预制管节的平面布置[6]。

图5　博斯普鲁斯海峽沉管隧道横截面

图6　Tuzla浅干坞和临时码头预制管节
2)海床的地质条件复杂,隧道基础地层包括人工填土、第四亚代沉积物、第四亚代沉积岩和古生代沉积岩,局部采取了地层改良,管节基础采用了先铺法碎石基础,以满足在地震工况下隧道基础的稳定性,并且在与岸侧盾构隧道连接处设置了抗震接头。
3)穿越海床深槽的的沉管段,基础回填后还设置防护石,以确保海峡深槽的长期稳定性。
4)隧址处上下层海流相向流动,海面流朝南流速高5节,而海底流朝北流速达2节。由于河流淡水流入黑海,产生了博斯普鲁斯海峽面流从黑海流向马尔马拉海,而深层的咸海水则由马尔马拉海流向黑海的复杂层流态, 而且变化急剧。再者, 从金角水域(Golden Horn)直接涌入的侧流(图4) ,更加剧了隧址深槽区的流态变化。在如此复杂海流的深水环境下沉放对接管节,是一项前所未有的工程技术挑战。沉放管节时,密切监测海流气象条件,严格制定驳船锚定、管节下沉、定位和分离等关键工序的安全操作时间窗口,综合采用了GPS定位、高精度多波束探测技术和超声波监测技术,高精度定位管节的沉放和对接[7]。
5)实现了盾构机与沉管隧道管节直接连接。沉管隧道施工完成后,与陆域两岸的盾构隧道连接方式,采用与香港地铁过海隧道类似的工法,盾构机直接与预装于岸侧沉管管节端的接收套筒连接,图7示意了前行盾构进入接收区前地层预加固、盾构进入套筒和止水围幕、盾构隧道管片衬砌与沉管隧道结构连接等工序。

(a)

(b)

(c)
图7　盾构机与沉管隧道节直接连接工序示意
沉管施工的优点[8]
1 对地质水文适应能力强
1）因在基槽中开挖较浅，基槽开挖和基础处理的施工技术比较简单
2）因沉管受到水的浮力，作用于地基的荷载较小
3）因管段采用先预制再浮运沉放的施工工艺，避免了难度较大的水下作业，故可在深水施工，且对潮差和水流速的适应能力强
2 可浅埋与两岸道路衔接容易
与埋深较大的盾构隧道相比，沉管隧道路面标高可抬高，与岸上道路隧道很容易衔接
3 防水性能好
每节预制管段很长，一般约100m,而盾构隧道预制管片环宽仅为1m，因而沉管隧道接缝数量少
4 沉管隧道施工工期短
由于每节预制管段较长，一条沉管隧道只用几节预制管段就可完成，预制管段和基槽开挖可同时进行，且预制管段不在隧址，施工干扰时间短
5 沉管隧道造价低
水底挖基槽土方量少，比地下挖土单价低管段预制与盾构相比，所需费用低。
6 沉管可作成大断面多车道
一个隧道横断面可同时容纳4～8条车道。而结构尺寸不限。对盾构受尺寸限制，一般只能双车道
结束语
沉管隧道工法为水下隧道建设的主要工法之一,其关键工序包括管节预制、浮运、沉放对接和基础处理等。近几十年来建成的大型混凝土沉管隧道工程,进一步发展了在高水压、复杂水流和复杂地质条件下的施工技术,能够跨越更深和更宽阔的河口、海峡水道。随着技术的不断发展，沉管隧道将会变得更加普遍，更好的为人类服务。
参考文献：
[1] 崔之鉴编著，交通隧道规划与设计，西南交通大学出版社，2006年
[2] 　王兴铎. 水下沉管隧道的发展和施工技术[ J ]. 中国铁路, 2001 (5) : 48- 50.
[3] 　W. P. S. Janssen, F. F. M. de Graaf. Immersed concretetunnels inperspective [ C ] / / Reclaiming the UndergroundSpace: Proceedings of the ITA World Tunnelling Congress2003. Amsterdam, The Netherlands, 2003: 313 - 319
[4] 　L. C. F. Ingerslev. Considerations and strategies behind thedesign and construction requirements of the Istanbul Straitimmersed tunnel [ J ]. Tunnelling and Underground SpaceTechnology, 2005, 20 (6) : 604 – 608
[5] 杨文武,毛儒, 曾楚坚,等. 香港海底沉管隧道工程发展概述[ J ]. 现代隧道技术, 2008 (增刊) : 41 – 46
[6] 周裕新，蔡国强，李国钰编，技术经济学，华南理工大学出版社，1998年第9期。
[7] 管敏鑫等，隧道沉埋管段的起浮与抗浮，隧道及地下工程，1993年，第1期。
[8] 王守仁，国外沉埋管段的施工，隧道与地下工程，2001年第1期。

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