海上沉管隧道浮运沉放施工技术刍议

杨宝元

摘 要：海上沉管隧道工程涉及多种类型的施工技术，在保证技术手段合理运用的情况下，能建设一条海底交通隧道，完善构建城市交通系统。本文主要针对海上沉管隧道浮运沉放施工技术进行研究，为了解决潮汐、海浪对隧道施工产生的影响问题，应选择恰当的管段浮运沉放方法，综合考虑水力压接和回填等问题，确保海上隧道施工作业的顺利展开。

关键词：沉管法;海上隧道;浮运施工;沉放施工

改革开放以来，我国在海上沉管隧道施工方面取得良好发展，逐渐建成了广州珠江沉管隧道、宁波甬江口常洪隧道等，积累了大量施工经验。目前关于海上沉管隧道的理论文献较多，针对沉管隧道的管段浮运沉放施工手段进行总结分析，为之后的隧道施工提供了借鉴，能保证海底隧道修建中各项技术的有效利用。

一、海上沉管隧道施工基本问题

在进行海上沉管隧道施工时，要注意以下问题：一是起浮和抗浮问题。沉管管段自重较大，它能否正常起浮是施工中主要考虑内容，需要选择适合的施工技术，保障施工质量及安全性。在管段起浮后，通常采取钢质端封门使管段两侧密封，调整管段重心在中线轴上，之后在干坞内加水让管段起浮，将管段起浮后超出水面的高度称为干舷值[1]。这一数值过小时，容易产生起浮障碍。因此需要加大对干舷值的控制，根据国外施工经验，通常将管段干舷值设计在150-250mm范围内。干舷值大小和钢筋配筋率、混凝土容重、空腔面积比、起浮水容重以及施工附加重等因素有关，这些因素是不断变化的，因此加大了干舷值计算难度。在施工实践中，计算结果往往比实际值要小，以免阻碍管段的起浮。二是隧道防水和接头问题。防水是海上沉管隧道施工中面临的重要难题，尤其在部件接头部位，要采用防水技术。如在钢壳管段防水处理上，应注重管段间连接部位的防水处理，在接缝对准后采用混凝土灌注法，完全包围住接缝。另外考虑到混凝土表面会出现裂缝，当发生渗漏问题时会造成钢筋锈蚀，因此还要做好管段防水工作。通常采用自防水、接头防水和施工缝防水方式，确保防水有效性。三是管段浮运沉放定位和水下压接问题[2]。将管段沉放到水中后，将其拖运至沉放标注点来进行之后的施工操作。管段浮运沉放共分成管段起浮、浮运、沉放和水下压接等环节。其中管段定位和水下压接是施工关键阶段。

二、海上沉管隧道管段浮运沉放施工技术分析

（一）管段浮运技术

管段浮运是在管段周围捆绑驳船，通过推船和拖船等，将管段拖运到相应位置，由于管段自重和航道的限制，导致管段浮运过程中的操作难度大，需要统筹考虑拖船数量、布局等因素。管段预制施工完成后，施工人员按照施工要求安装浮运沉放施工设备，向干坞内注水，使管段起浮直至干舷值达到设定标准为止，这时打开坞门让管段出坞。将管段拖运到施工地点并开始沉放定位。一般选用岸上绞车或拖轮拖运管段。由于管段自重和体积较大，会造成定位不准确，需要认真考虑拖轮布局、数量和种类。在运输管段时，要注意航行水道中可利用的控制、管道特性、拖船能力和种类等条件，确保管道浮运施工顺利进行。

浮运方式主要受浮运距离、水文条件、航道情况等因素限制，一般选择绞车拖运或拖轮浮运方案。实际拖运中，拖轮布置方式包括以下几种：一是四轮拖运。一种方式是指设计两艘拖轮在隧道管段前面领拖，其余两艘拖轮在管段后面调整转向。另一种是前面一艘拖轮领航，管段两侧分配一艘辅助拖轮，后面设计一艘拖轮制动转向。二是三船拖运管段[3]。一种方式是两艘拖轮在前面领拖，一艘在管段后面反拖，另一种方式是设计一艘主拖轮在前面拖运，两艘拖轮在隧道管段后面两端制动导向。三是岸上绞车拖运方法。若航道较窄，则可优先选择绞车拖运法。例如甬江水下沉管隧道浮运时，考虑到水流速度大、江面较窄，可采取绞车拖运的方式过江。实践证明上述施工手段是可行的。大型隧道管段浮运施工中，由于管段自重大，受到的水下阻力较大，因此要提供足够的拖曳力来控制管段起动。如日本东京港隧道施工中，要使管段拖运较长距离，根据水阻力、管段自身惯性来计算拖轮制动力和拖曳力，最终确定主拖轮300HP，确保拖曳力足够大。

（二）管段沉放技术

当前沉管隧道施工中常见的管段沉放技术包括浮船法、顶升平台法、起重船吊挂方法等，沉放方式的选择与水流速度、管段尺寸大小有关。因为管段往往是箱型结构物，体积大且定位精度要求高，实际进行沉放施工时要考虑多种因素。一方面要分析水流速度，是决定管段沉放技术的主要因素之一，另一方面，应考虑潮汐对沉放施工的影响。不同海上隧道所处地质情况和水文条件不同，工程运行中施工技术的选择要结合以往经验，并通过实验来确定。

管段沉放施工环节存在较大风险，同时水下施工加大了操作难度，实际施工中会受到河流速度、航道条件、施工设备的影响。管段沉放技术的选择和结构计算、沉放时的受力分析以及抗浮能力等有着一定关联性[4]。为了降低施工难度，在沉放过程中要尽可能借助水本身的自然能力，将管段沉放到指定位置。沉放方法要结合河流条件、管段自重和尺寸大小来确定，随着海上沉管隧道工程建设经验的积累，逐渐发展出多种沉放技术。一是分吊法。一种形式是在管段预制中提前設计3-4个吊点，准备2-4搜200t左右的浮箱，将其和吊点连接在一起，随着浮箱的下沉将隧道管段放至规定位置。另一种形式是浮箱吊沉法，是目前使用较频繁的沉放技术，具有设备简单、操作性强的优点。该方法需要利用四个150t左右的浮箱，使之和管段相连，施工技术的进步，逐渐采用驳船替代浮箱，简化了施工作业。二是杠吊法。包括双驳杠吊法和四驳杠吊法[5]。其中双驳杠吊法是利用两艘方驳船来拖运管段;四驳杠吊法是使用四艘方驳，组成稳定性较好的沉放船组。上述施工方法在大型管段沉放施工时应用效果较好，保证两艘方驳对称布置，使其功能对称发挥，能保证管段在水中的平衡性。如日本的多摩川隧道，便是采用杠吊法施工的。但应注重该方法不能用于恶劣的水域环境中，以免造成航道堵塞。三是骑吊法。这一方法主要设备为水上作业平台，达到指定位后向浮箱内注水，将钢腿插入海底，移动时排出箱内的水，沉放过程中将管段放在作业平台下方，使管段缓慢吊放至规定位置。该施工方法的定位精度高，作业时对航道的影响小，适用于水上交通量大的施工地点。

在选用管段沉放技术时要遵循以下原则：一是安全原则。从历史资料来看，海上沉管隧道管段沉放施工成功率较高，但是要想灵活控制大型管段的下沉过程，要将施工安全放在首位，充分考察施工环境、水流速度和潮汐周期等因素，保证沉降设备在控制管段沉降时有足够的调整空间，提高施工可靠性;二是效率原则。施工效率是管段沉放施工效果的主要评价标准，为了减少外部因素对沉放施工的影响，要在规定时间内完成沉放作业[6]。因为管段自重大，在水流作用下揽绳承受的力明显增大，因此需要保证缆绳布置的合理性;三是环境影响最小原则。沉放施工中势必会对当地水域环境产生影响，应尽量缩短施工时间，平衡好工程建设和水域环境保护间的关系。

三、案例分析

为了具体了解海上沉管隧道施工中浮运、沉放技术的运用要求，本文以上海某一海上隧道工程为例，讨论浮运沉放方法的选择和实施。该隧道位经过河道水位时，水深为3-6m，水面宽400-500m，为了确保施工期间不影响船只正常通行，在隧道施工范围内开挖一条临时航道。对施工地点水文环境进行监测，可了解到部分时段河流水位线较高。在浮运沉放施工方案设计中，结合调查研究结果，确定了管段安装顺序，并要求起浮期间，干舷值要超过5.4m。浮运过程中，水流速度要控制在0.618m/s内，最佳浮运时间为从涨潮前至平潮后的过程，这时水流速度稳定方便施工。另外，结合水域环境、水流速度和管段尺寸等，计算沉放施工需要的浮力为200-400t。在整个沉管隧道施工设计指导下，确定施工设施性能和各个构件安装时允许的误差值。其中管节顶面标高误差约为5cm，横向允许误差为2cm，纵向允许误差为2cm。

在浮运方案设计方面，考虑到浮运方式主要受浮运距离、航道条件、气候条件等因素的制约，制定了以下两种可行性施工方案。一是拖轮浮运。利用大型拖轮提供主动力，其他四艘拖轮用来调整管节方向，这一形式体现出易控制、安全可靠的优点。但是拖轮和管段共占据200m的水域空间，而本次浮运距离为400m，相对来讲拖运设备利用率低。二是绞车拖运方式。该方法原理为在管段接头前连接一艘方型驳船，安装一台绞车提供拖运动力，岸上的其余两台绞车可提供制动力，在三者同时作用下，将管段沉放在设计位置。这一浮运方案施工时间短，工序简单，对比上述浮运设计方案有着明显优勢。

另外，沉放施工技术的选择和管道结构、抗浮系数以及管段受力情况等有着紧密联系，主要设计了以下沉放方案。首先是双驳船吊挂的沉放方式，在施工中将驳船安装在管段两侧，两艘驳船之间设置大型钢梁为承力梁;其次采用自台式沉放方式，利用管段顶部平台延伸出的悬臂梁为承力梁，该方案操作简单、受力明确;最后，可采用起重船沉放方法。运用原理为将方驳作为起重船固定的根基，将起重船双沟和管段连接在一起，可进行沉放施工。该方法工序简单、成本低，但要求配备性能良好的起重设备。对比上述沉放方案，前两种大多运用在水流速度大、水深的施工地点中，第二种方案实施时管段浮运过程中会受到干舷值影响，只适用于管段较长的浮运沉放施工中。而最后一种方案在水速不大、水深浅的地区体现出较好适用性。从经济层面看，利用起重船的沉放方式，工程施工成本如下：沉放设备购置费占总成本的15%;浮运沉放作业费用占比65%;技术改造费用占比15%，由此可知该方法在设备投资上费用运用较少，能有效控制施工成本。因此，根据隧道施工地点的水上交通情况、管段尺寸、管段结构和水文条件等，可优先选择起重船沉放方法，具体选择500吨起重船和2000吨方驳船进行沉放作业，能保证沉管隧道浮运沉放施工计划的有序落实，最终达到预期的隧道施工效果。

结论：综上所述，海底沉管隧道是重要的工程项目之一，在工程开展过程中，需要做好管段浮运和沉放施工作业。对于技术人员来说，需要结合工程实际，明确施工方法、施工时间，加大对施工流程的控制。本文重点研究了海上沉管隧道浮运沉放施工手段的运用，总结先进的隧道修建技术，促进国内沉管隧道工程的良好发展，为我国海上交通领域的不断拓展提供条件。

参考文献：

[1]王磊磊.海河沉管隧道浮运、沉放和对接技术研究[J].国防交通工程与技术，2018，16（06）：50-53.

[2]刘言峰，宋吉荣，廖惠，陈美灵.汾江路南延线沉管隧道浮运沉放施工技术研究[J].路基工程，2017（06）：160-164.

[3]李英，汉斯·德维特.港珠澳大桥沉管隧道技术难点和创新[J].南方能源建设，2017，4（02）：1-16.

[4]刘言峰. 沉管隧道工程关键技术研究与分析[D].西南交通大学，2017.

[5]邓建林.沈家门港海底沉管隧道浮运、沉放施工控制技术[J].隧道建设，2015，35（09）：914-919.

[6]王朝辉.内河沉管隧道浮运沉放施工技术[J].施工技术，2012，41（18）：117-120.