世界交通沉管隧道工程建造情况与我国沉管科技发展现状

刘凌锋，林巍，尹海卿，刘亚平，邹威，许思妍，纪宇诺

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京100088；2.中交第三航务工程局有限公司，上海200032；3.中交第一航务工程局有限公司，天津300461；4.北京师范大学珠海分校，广东 珠海519087）

1 概述

从1910年的底特律河沉管隧道建成至今，世界交通沉管隧道已有超过110 a历史，建成的隧道总数也已超过200条[1]。国外方面，国际隧道协会（ITA）总结并整理出了1997年及以前的世界沉管隧道档案[2]，文献[3]将该档案时间扩充到了2011年，日本沿岸开发技术研究所梳理了2002年及以前日本和国际上知名的沉管隧道信息[4]，文献[5]整理了2003年及以前荷兰知名沉管隧道建设的情况；国内方面，文献[6]对沉管隧道理论研究和试验研究进展进行了综述，文献[7]对混凝土沉管管节的预制方法特点及典型工程案例进行了总结，文献[8]对沉管工法的工程设计理论与方法及施工技术进行了系统梳理和详尽剖析，文献[9]全面介绍了沉管法隧道的防水设计要点，文献[10]摘录了我国2017年及以前建成的沉管隧道信息，文献[11]讨论了沉管隧道规划的方法与原则，文献[12]综合论述了高流动性混凝土的历史、发展驱动力、材料特性、机理以及配合比设计与试验检验方案。

本文基于国内外出版物、专利、论文及维基百科、百度百科、搜狗百科等网络可达渠道，全面获取世界交通沉管隧道信息，从沉管隧道工程的建造数量、建造长度、建设效率、建设难度及科技创新程度等方面，对世界交通沉管隧道工程的建造情况与国内沉管隧道科技发展现状进行了分析讨论。

2 世界沉管隧道工程建造情况

梳理世界范围内143条已建或在建知名交通沉管隧道的有关信息，包括：1）所在地的国家；2）沉管段长度（不是隧道洞门到洞门的长度，也即不包括现浇暗埋段长度）；3）管节数量（也即预制段数量，决定了该沉管项目的最小浮运安装次数）；4）典型管节尺寸（长×宽×高）；5）开工和竣工年份；6）水深（从平均水面到沉管隧道结构底部的垂向距离）；7）沉管最大埋深（沉管隧道顶面上覆的回填和回淤土的最大厚度）；8）管体结构形式；9）车道数量；10）隧道类型（公路隧道、铁路隧道或公铁两用隧道）；11）断面形状。

从以上多个维度对数据进行透视分析，展示世界沉管隧道工程的建造情况。

2.1 累积数量与累积长度

143条交通沉管隧道中，荷兰建造有29条、日本30条、美国26条、中国22条（大陆地区有15条）。图1为已建和在建沉管隧道数量的累积图，图2为长度累积图。

图1 世界各国沉管隧道数量累积图Fig.1 Cumulative number of immersed tunnels in the world

图2 世界各国沉管隧道长度累积图Fig.2 Cumulative length of immersed tunnels in the world

可见：美国最早发展沉管隧道，且其沉管隧道累积长度一直位于其他国家之上，但进入新世纪以来，美国几乎未建新沉管隧道；荷兰和日本尽管地域小，但也是沉管大国，其累积数量和累积长度的发展趋势较接近。我国大陆地区在20世纪80年代末开始建造沉管隧道，直到21世纪初，才展现出较快发展势头：有两次“跳跃”，第一次是2010年港珠澳大桥岛隧工程开工，第二次是2017年深中通道开工（同年，港珠澳大桥岛隧工程沉管贯通）。总体而言，随着港珠澳大桥岛隧工程的开工和建成，我国沉管隧道长度累积曲线呈现出“指数增长”的趋势，展现“后来居上”的态势。

近些年，人们对沉管的信心越来越强，国内外一系列大型沉管隧道开建，最为典型的是2020年开工的长达17.6 km的费马恩通道，给世界沉管隧道累积曲线带来了“飞跃式”增长，也是欧洲大陆在疫情时代“重建美好家园”的关键工程。

2.2 建设速度

图3是不同年代建成的沉管隧道项目的建设速度散点图，并通过图例区分了不同国家的建造。建设速度指的是沉管段的长度除以建设总年份（由于大部分沉管隧道的信息只能精确地统计到年，这里不可避免地存在一定程度的偏差，但总体趋势正确）；图4类似图3，但其建设速度指的是沉管段长度与其断面宽度和高度的乘积除以隧道建设总年份。由图3和图4可见：世界4个“沉管隧道大国”中，无论是沉管长度还是沉管体量建设速度，中国和美国均靠前，荷兰和日本均靠后。从沉管长度建设速度来看，排在前三位的分别是旧金山海湾地铁沉管、釜山-巨济沉管和港珠澳大桥岛隧工程；从沉管体量建设速度来看，排在前三位的是港珠澳大桥岛隧工程、釜山-巨济沉管和厄勒隧道。值得一提的是，厄勒隧道和港珠澳大桥岛隧工程沉管都是采用工厂法流水线预制沉管的项目。

图3 世界各国沉管隧道年均建设长度-竣工年散点图Fig.3 Scatter plots of annual-averaged constructed length-year of completion of the world immersed tunnel

图4 世界各国沉管隧道年均建设体量-竣工年散点图Fig.4 Scatter plots of annual-averaged constructed volume-year of completion of the world immersed tunnels

图5、图6分别对应图3、图4，按不同沉管管节结构形式分类，分为钢壳结构、钢筋混凝土结构以及钢混钢三明治复合结构（以下统称复合结构）。可见，钢壳结构形式沉管的年均长度建设速度最快。这也许是由于钢壳结构沉管隧道一般断面尺寸较小。从沉管体量的年均建设速度来看不难发现，钢壳的建设速度反而最低。混凝土交通沉管的体量较大，建设速度最快。过去复合结构沉管的施工速度较慢，主要原因是早期复合结构施工工艺较复杂，具体分析详见文献[13]。

图5 世界沉管隧道长度建设速度图（按管体结构分）Fig.5 Length-construction speed map of immersed tunnels in the world(Classification by tube structure)

图6 世界沉管隧道体量建设速度图（按管体结构分）Fig.6 Volumn-construction speed map of immersed tunnels in the world(Classification by tube structure)

由图5、图6还可见，近十年的混凝土结构及复合结构沉管隧道建设速度均较以前有较大提升。沉管长度建设速度排前5的是2条钢壳和3条混凝土沉管隧道；沉管体量建设速度排前5的是1条钢壳和4条混凝土沉管隧道。

混凝土预制方法可进一步分为干坞法和工厂法。后者只有厄勒隧道和港珠澳大桥岛隧工程，已在图中示出，可见混凝土工厂法的建造速度是其它建造方法的3～6倍。

图7为我国沉管隧道建设速度图。港珠澳大桥岛隧工程的长度建设速度和体量建设速度均最快。值得一提的是，港珠澳大桥沉管段长5.664 km，大部分结构采用混凝土结构，仅约10 m的合龙段，也即最终接头的主体结构采用复合结构[14]。目前在建的深中通道沉管段全部采用复合结构，且相比图3、图4所示的日本复合结构，若能如期完工，建设速度将有大幅提升。深圳沿江高速下沉隧道的预计建设效率也很高，也即将采用前述的工厂法预制，且在如何进一步提升工厂法预制速度方面有一些思考和研究[15]。

图7 中国沉管隧道建设速度图Fig.7 Construction speed of immersed tunnels in China

港珠澳大桥岛隧工程的顺利建成给中国沉管建造带来信心的同时，其工艺创新和施工经验也为我国后续沉管隧道建设效率迈上新的台阶打好基础。

图8是世界一些著名沉管项目的建设速度，我国港珠澳大桥岛隧工程也名列前茅。

图8 世界著名沉管隧道建设速度图Fig.8 Construction speed of world-famous immersed tunnels

2.3 建设难度

从沉管隧道的管节体量、管节数量、水深和埋深4个方面对沉管隧道的建设难度进行综合评价，各项评价指标具体解释如下：

1）管节体量。标准管节的长×宽×高，管节体量标示单次管节施工的难度，体量越大，运输及安装操控难度越大，单次浇筑混凝土方量可能越大，所需施工设备规格越大，所需场地单位面积越大。

2）管节数量。管节数量等同于安装次数（如果没有返工）。同等风险管控能力和水平下，管节安装的次数越多，发生事故的概率越大。

3）水深。水深意味着水下施工的不确定性和风险性，水深越大，操作难度和风险均越大。

4）埋深。埋深标示管节的负荷，埋深越大，管节结构和水密风险越大。

通过对30位经验丰富的沉管隧道工程师或沉管相关从业人员进行问卷咨询，参加问卷的人员均与沉管隧道工程相关，包括4类：总工级别人员（5位）、设计人员（8位）、施工人员（10位）和有沉管隧道项目工作经验的其他非技术人员（7位）。经统计，上述4类人员中，总工人员认为水深指标最重要，埋深指标最次要；设计人员和施工人员均认为水深指标最重要，管节数量指标最次要；其他人员认为埋深指标最重要，管节数量指标最次要。

根据各类沉管隧道相关从业人员对沉管隧道建设难度4项指标的评价排名，假定第一名获得4分，第二名3分，第三名2分，第四名1分，则可得到各类人员对4项评价指标的综合打分情况见表1。表1中，根据各类人员的理论知识水平、工程经验丰富程度及从事岗位与技术的关联度等因素，设定了加权系数，并对其打分情况进行加权求和。最终，利用各项指标的加权得分除以4项指标的总加权分得到沉管隧道建设难度评价指标的综合加权系数。

表1 沉管隧道建设难度评价指标综合排名及加权系数Table 1 Comprehensive ranking and weighting coefficient of construction difficulty evaluation index of immersed tunnels

选择10条世界著名的沉管隧道，统计其管节体量、管节数量、水深和埋深，并以港珠澳大桥岛隧工程作为参照项目（也即将其它沉管项目的各项值除以港珠澳大桥岛隧工程的）实现各项指标的无量纲化。将无量纲化后的各项指标乘以表1中的综合加权系数后再求和，得到各沉管隧道的建设难度系数，见图9。图中可见排名前三的是港珠澳大桥岛隧工程、旧金山海湾地铁沉管和釜山-巨济沉管。

图9 世界著名沉管隧道建设难度系数Fig.9 Construction difficulty coefficients of world-famous immersed tunnels

图9中，假设沉管隧道建设难度系数为C，其与无量纲化后的管节体量V、管节数量N、水深D及埋深B的关系如下：

值得一提的是，沉管隧道所处的海域环境（如外海、河口、内河等）、建设条件（水文、气象、泥沙等）、管体结构（如钢壳、混凝土、复合结构等）、是否在某领域某国度首次建设等因素，都是评价其建设难度的重要指标，但限于数据缺乏及文章篇幅，仅讨论前4种所提及可量化的评价指标。

3 国内沉管科技发展现状

从沉管隧道专著数量、专利数量、论文数量3个角度剖析评价国内沉管隧道工程的科技创新程度。其中，专著和专利仅限于中文，论文包含中英文。

以当当网（http：//www.dangdang.com/）、淘宝网（https://www.taobao.com/）、孔夫子旧书网（https://www.kongfz.com/）为数据库，搜索“沉管隧道”、“沉管”等关键词，并对结果人工筛选，获得55本沉管隧道相关专著。以出版时间为横轴，绘制国内沉管隧道相关专著数量及其累积数量曲线，见图10。

图10 国内沉管隧道相关专著数量及其累积数量曲线Fig.10 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related monographs

以知网（CNKI）为数据库，搜索沉管隧道相关国内专利。经尝试，发现当搜索关键词为“沉管or沉管隧道or沉埋or沉埋隧道not桩not沉井not基坑not管道not盾构”时，可最大程度获得所需结果，共1 181项。再剔除一些无关主题的专利，如“建筑施工”、“井壁管”、“配合使用”、“锂云母”、“电源线”等，配合人工筛查，得到最终精确搜索结果868条。以专利的公开时间为横轴，绘制出国内沉管隧道相关专利数量及其累积数量曲线，如图11所示。

图11 国内沉管隧道相关专利数量及其累积数量曲线Fig.11 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related patents

以知网（CNKI）为数据库，搜索沉管隧道相关国内外论文，搜索方式为中英文拓展。经尝试，当搜索关键词为“沉管or沉管隧道or沉埋or沉埋隧道not桩not CFG not振动沉管not软基not建筑not黄土”时，可最大程度获得想要搜索结果，共3 626条；从中剔除“石油天然气工业”、“动力工程”、“中等教育”、“无机化工”、“有机化工”、“航空航天科学与工程”、“人物传记”、“中国文学”等无关学科，结果剩余3 161条；此时观察搜索结果的主要主题，均为相关主题；再从中剔除“盾构法”、“盾构隧道”、“盾构机”等无关次要主题，结果剩余1 385条；最后，从搜索结果中人工筛选删除无关内容，可获得精确搜索结果，共1 367条。以论文的发表时间为横轴，绘制出国内沉管隧道相关论文数量及其累积数量曲线，如图12所示。

图12 国内沉管隧道相关论文数量及其累积数量曲线（基于CNKI数据库）Fig.12 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related papers(Based on CNKI database)

为进行对照，以Scopus为数据库，搜索关键词为“‘immersed tunnel’or‘immersed tube’or‘sunken tube’or‘immersed tunnelling’”，得到搜索结果937条，绘制论文数量及其累积数量曲线见图13。

由图10～图13可见：无论是专著、专利还是论文数量，均在2010年左右开始呈现出“爆发式”增长，这得益于2010年港珠澳大桥岛隧工程的开工。港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道于2010年开工，2017年贯通，全长6.7 km，沉管段长度5 664 m，是世界上最长的公路沉管隧道，也是国内首条外海沉管隧道。港珠澳大桥岛隧工程在国内首次采用工厂法流水线预制沉管，为克服超深埋、大回淤等困难，采用世界首创的半刚性沉管管节结构，并使用钢壳-高流动性混凝土三明治结构为主体的可逆式主动止水最终接头，实现了1 d之内完成沉管隧道最终段的合龙。港珠澳大桥岛隧工程的顺利建成，实现了我国外海沉管隧道从0到1的突破，使我国从沉管隧道的相对小国，成为沉管隧道的国际领军国家之一，也为我国后续沉管隧道的建设打下了良好基础。在搜集的国内沉管隧道相关专著、专利和论文中，港珠澳大桥岛隧工程相关的占比分别为61%、44%和25%（图14），可见，港珠澳大桥岛隧工程的科技创新程度较高，对我国沉管隧道工程建设有较强的科技引领作用。

图13 国内沉管隧道相关论文数量及其累积数量曲线（基于Scopus数据库）Fig.13 Quantity curve and cumulative quantity curve of domestic immersed tunnel related papers(Based on Scopus database)

图14 国内沉管隧道相关专著、专利、论文中岛隧工程相关数量占比图Fig.14 Proportion of the number of island and tunnel engineering in domestic immersed tunnel related monographs,patents and papers

4 结语

本文对世界沉管隧道工程建造情况进行了分析，剖析并评价了国内沉管隧道科技发展现状。结论如下：1）从沉管隧道累积数量与累积长度看，美国、日本、荷兰是老牌沉管隧道大国，中国是新兴沉管隧道大国，港珠澳大桥岛隧工程的开工与贯通均给我国沉管隧道累积长度带来了“跳跃”；2）从已建沉管的长度和体量建设速度看，中国和美国均排在前列，钢壳结构沉管长度建设速度较快，混凝土结构沉管体量建设速度较快，采用工厂法的厄勒隧道和港珠澳大桥岛隧工程建设速度均位于世界前列；3）建立了以管节体量、管节数量、水深和埋深为指标的沉管隧道建设难度评价公式，世界已建沉管隧道中，港珠澳大桥岛隧工程建设难度最大；4）从国内沉管隧道相关专著、专利及论文数量看，港珠澳大桥岛隧工程的建设为我国沉管隧道科技发展作出了较大贡献，为推动我国沉管隧道工程科技创新起到较强的引擎作用。

值得指出天气、海况和地质条件也是沉管隧道建造的关键参数，由于这方面公开信息较少，尚无法形成同等数据规模的“大数据分析”，该部分可作为将来研究的进一步延伸。