先导管盾构隧道——水下隧道构筑新方法的构想

李增军

(天津 300461)

0 引言

随着国家海洋战略的推进，在深水海域建设水下工程的需求越来越多，对跨越水深百米以上的海峡建设水下隧道的工程项目前瞻性技术要求也越来越多，但其结构和构筑方法的相关研究却较少报道。传统水下隧道结构和工法对未来建设需求的适应性研究以及如何提升和加强推广其应用十分必要。

传统的水下隧道一般采用盾构法隧道或沉管式隧道2种结构形式。

盾构法隧道施工对地质条件要求较高，常见的问题包括： 因为地层软硬不同，造成盾构姿态难控制、掘进过程中地表沉陷和掘进缓慢等问题；或因为基岩强度高，造成较大的盾构掘进成本； 还有由于盾构掘进排渣与管片拼装交替进行，制约了整体的推进速度。

而沉管式隧道施工受水深条件、管节之间止水结构和止水材料性能的限制，较难适应未来超大水深，如150～300 m水下隧道工程建设的需求。水下对接过程中，对沉管位置和姿态的测控要求高。此外，一方面，沉管管节构件体量大，预制周期较长，制约总工期；另一方面，大型构件浮运安装受气象海况影响很大，存在安全风险。

本文在传统盾构隧道和沉管隧道结构和工法特点的分析基础上，对隧道的地基基础处理、土石开挖掘进、隧道受力和防水主体结构等技术元素进行分解、分析和重新组合，提出先导管盾构隧道的构想，从盾构和沉管隧道的施工经验对其可行性进行论述，并对三者的经济指标进行对比分析。

1 问题的提出

面向未来超大水深隧道建设的需要，从持续改进的观念出发，有必要研究新的隧道构筑法。盾构隧道和沉管隧道等水下隧道传统构筑方法所存在的短板，归纳起来主要有如下方面：

1)对自然条件要求高。盾构隧道对地质条件要求较高，覆盖层太薄，土层过软、过硬或软硬不均等都会造成掘进困难或地面沉陷[1]；沉管隧道对风、浪、流和水深条件均有严格的要求，风力、浪高和流速直接影响浮运安装的施工操作和生产安全。

2)施工速度受限。盾构隧道掘进速度额定可以达到80 mm/min[2]，但由于不同地段土质变化会大大影响掘进速度，加之掘进和管片拼装交替进行、互相等待，实际平均推进速度一般只有15～25 mm/min；沉管安装周期一般为每月2个管节，但大型管节预制周期一般每月只能完成1个管节，大大限制了沉管隧道的施工速度。

3)现有沉管和盾构隧道的防水结构无法适应未来更大水深的建设需求。盾构隧道会由于管片预制质量、注浆质量、管片姿态、胶条脱落等原因造成渗水或漏水，所能适应的工作水压一般不超过0.85 MPa[3]；沉管隧道会由于管节预制质量或相邻管节不均匀沉降等原因造成渗漏问题。面对未来可能提出的150～300 m水下隧道建设需求，隧道的防水结构需要改进。

2 解决方案

基于上述分析，提出先导管盾构隧道(构筑法)解决方案[4]。以下从先导管盾构隧道(构筑法)概念、结构、方法和专用设备等4个方面进行说明。

2.1 概念

先在水下地基上铺设管道作为先导管，并将其端部与隧道出入口结构相连通，安装并操作水盾构由隧道出入口结构进入先导管，用以隔开先导管内的水形成干施工条件。随着水盾构在先导管内的推进拼装隧道管片，通过压力注浆填充隧道管片与先导管之间的缝隙，使先导管和隧道管片形成整体，构成隧道主体结构。这一水下隧道构筑方法，称之为先导管盾构隧道构筑法,用这种方法构筑的隧道称作先导管盾构隧道。先导管盾构隧道构筑法示意如图1所示。

2.2 隧道结构

2.2.1 主体结构组成部分及其作用

采用2.1节所述的施工方法构建的水下先导管隧道，主要包括设于水下的隧道本体，以及用于衔接隧道本体端口与隧道外部大气空间的隧道口结构。其中，隧道本体包括3层结构： 由隧道管片拼装而成的主承压管道、套设于主承压管道外的防水约束先导管，以及由填充于主承压管道与先导管之间的注浆料构成的充填加压层。实际工程中，水下先导管隧道结构还需包括用于将管道构件埋设固定于水下地基上的锚碇结构或锁固回填料。先导管盾构隧道结构剖面如图2所示。

(a) 先导管-水盾构-管片剖视图

(b) 先导管盾构施工透视图

(c) 水盾构盾尾和顶推机构示意图

(a) 先导管隧道断面及回填埋压图

(b) B-B剖面图

先导管采用抗拉管体，可承受注浆压力引起的环向拉应力以及隧道横、纵断面弯拉应力。先导管套设于主承压管道之外，形成了可靠的永久性防水层，可以从根本上解决施工缺陷造成的渗漏水问题。玻璃钢等高分子复合管道质量轻、耐腐蚀，在泥面以下的封闭环境中还具有长寿命的特点，可从整体上提高隧道工程的使用寿命和防水可靠性，是理想的先导管材料。

相邻的隧道管片之间采用螺栓连接，安装完成后的隧道管片构成主承载管道，承担环境水土压力和隧道使用荷载[5]。主承载管道的应力状态可通过施工工艺参数、施工荷载大小及其施加顺序进行调整[6]。例如，通过改变隧道管片背后注浆压力，可以借助先导管的约束作用，在管片环内产生不同水平的预压应力； 通过采取“先两侧后顶部”的顺序进行锁固回填，可利用两侧回填料的土压力和地层反力来降低管片环的弯矩[7]。

2.2.2 方案的可行性分析

先导管盾构隧道方案的可行性在于，尽管它是一种新结构和新技术，但其构成元素却是现有技术或是对现有技术的简化。其创新方向是在现有成熟技术的基础上加以简化和组合，形成新的技术方案。当然，也存在一些新技术产品有待研发。

先导管的铺设所用到的船机设备和技术与沿海火电厂冷却水取排管道铺设相似，但所铺管道的直径不同。直径4 m左右管道的海底铺设已有成熟经验，可用于设施隧道的构筑。目前尚无6 m以上大直径管道的水底铺设经验，相关工艺技术有待进一步研究。

水盾构是在现有盾构的基础上，去掉切削排渣机构简化而成。水盾构在先导管内推进，只需克服正面水压和侧壁摩阻，承受的荷载明确而稳定，其设计建造技术相对来说更加简化。管片的设计施工技术与目前盾构隧道相同。

水底基槽的开挖和隧道填埋防护技术与装备，通风竖井和桥隧转换人工岛的建设技术与装备等，均随着近年来海底沉管隧道的建设实践发展和成熟起来。

总之，先导管盾构隧道方案具有现实可行性。

2.3 施工方法

先导管盾构隧道施工流程如图3所示，水下先导管盾构隧道施工包括如下5个步骤。

图3 先导管盾构隧道施工流程图

1)施工前准备。包括隧道出入口结构施工和水底基槽开挖。隧道出入口结构将水下隧道与岸上大气空间连通(见图4)。根据需要可在水底泥面以下开挖基槽，将水下隧道埋置在适当的深度上。

图4 先导管盾构隧道结构剖面图

2)先导管铺设。将先导管沉放安装到水下地基上，将其端口分别与对应的隧道出入口结构衔接且相互贯通。先导管是1根铺放在海底的连续管道，用于给水盾构的推进提供导向，并为隧道管片背后压力注浆提供约束反力。

3)施工设备装配。在先导管的始发端管道外架设具有推进机构的水盾构(见图4)，并在水盾构内安装适配的油脂加注加压设备、注浆装置、隧道管片吊运设备和隧道管片拼装装置。安装完成后，水盾构可以沿着先导管从始发端推进至末端。

4)管片安装和充填加压层施工。隧道管片在水盾构的盾壳内拼装，构建形成主承压管道。水盾构的盾尾刷密接已拼装就位的隧道管片，以临时封闭盾尾和隧道管片的间隙[8]。启动注浆装置向隧道管片与先导管之间的缝隙中注入注浆料，形成充填加压层。隧道管片拼装装置和注浆装置分步交替完成主承压管道的拼装和充填加压层的施工，从而完成隧道本体施工。在此过程中，水盾构不断将水从隧道本体内推出，完成水下隧道的构建。

5)收尾。移除施工设备，完成水下隧道施工。

在先导管铺设过程中，应保持管道内外水体相通，使管道免受内外压差，最大限度降低对其强度和刚度的要求。铺设完成的先导管需采用锚碇结构固定于水下地基上，以抵抗水盾构经过时管道内的水被排空后产生的上浮力。锚碇结构可以采用安装于管道内部或管道外部的配重块，也可采用锁固回填料对管道进行埋压。管道内、外的配重和锁固回填料的组合施加方式和时间顺序，不但决定了管道的抗浮安全性，还决定了管道结构的应力状态是否有利。

在隧道管片和先导管之间，可采用改进的盾尾刷同时密接隧道管片和先导管管壁，以完全封闭两者的间隙，为压力注浆和提高注浆压力创造条件。注浆压力可显著高于对应的隧道施工位置的环境压力，压差可远大于盾构隧道注浆施工通常采用的限值0.1～0.2 MPa，可根据设计需要进行优选。根据需要可利用增大的注浆压力在管片内施加预压应力，以改善管道结构的整体应力状态。

2.4 专用设备

水盾构是所述技术方案所需的专用设备。水盾构组成装置主要包括： 可容纳隧道管片拼装装置的盾壳、用于连接注浆装置的注浆孔道、盾尾密封机构，以及驱动水盾构行进的推进机构。

水盾构的主要作用是排开先导管内的水，为管片拼装和压力注浆等后续施工创造干施工条件。与通常使用的盾构不同，水盾构无需掘土，故不设置刀盘和清除渣土的排渣机构。可选择装备用于清除盾身前方淤积物的清淤机构和在盾身外壁设置用于减小盾身及先导管间摩擦力的润滑结构。水盾构及其清淤和润滑装置示意如图5所示。

图5 水盾构及其清淤和润滑装置示意图

盾尾密封机构能够密接拼装就位的隧道管片和先导管内壁，以封闭先导管和隧道管片间的缝隙，在盾壳内和盾壳后侧形成干施工条件。为此，需研制和采用新型盾尾刷。

3 先导管盾构隧道方案的技术效果

1)利用管道作导向实现盾构在水体中推进，是一种具有创造性的新方法。

2)与沉管沉放对接相比，先导管在安装过程中内外水体相通，消除了内外压差，大幅降低了对管道刚度和强度的要求，减轻了其质量，降低了对大型起重设备的需求，规避了漂浮安装的施工风险，取消了压载水系统，简化了施工操作，降低了施工风险。

3)无需大型构件浮运安装，不但节省了大型浮运船舶的建造使用费和深坞区的建设运行费用，还规避了水上施工的各种风险因素，大大降低了海况气象条件对施工的影响。

4)利用先导管管壁的抗拉承载力和隧道管片的抗压抗弯能力，通过压力注浆使之成为整体，组合创新形成一种新型复合结构。该结构可在施工过程中施加预应力，达到调整应力状态、限制裂缝和提高结构寿命的目的。

5)通过简化盾构结构，创造了一种新的盾构类型——水盾构。

6)传统盾构一般需根据特定项目的具体地质条件进行专门设计，其通用性和对地质变化的适应能力较低，设备摊销费较高。相比之下，水盾构由于使用条件单一，可进行标准化设计和制造，可重复使用，从而降低设备费成本。

7)相对于盾构法隧道，先导管盾构隧道构筑法省去了盾构掘土排渣，代之以挖泥船基槽挖泥，类似于硬岩段盾构空推[9]，优势如下： ①把掘进与管片拼装的接续交替施工改成了挖泥、铺管和管片拼装的平行流水作业，可大大加快施工进度。②相比盾构，挖泥船对所挖土质变化的适应性强、敏感性低，大大降低了施工难度和对地质条件的要求；尽管挖泥量增加了，但由于挖泥船施工效率高，单方成本低，可缩短工期、降低成本。

8)不需要进行沉管等大型构件预制，预制厂建设费用可显著降低，也解除了大型构件预制的长周期对项目总工期的制约。

9)与沉管法相比，先导管盾构隧道构筑过程中取消了大型沉管管节的预制、浮运和沉放安装，代之以先导管的制作铺设和管片的预制拼装，降低了施工难度和对大型设备的依赖，提高了构件标准化程度和质量，更加符合建筑工程产业化的技术发展潮流。

4 主体结构造价对比分析

目前最大的公路隧道断面为双向8车道。以现有的8车道沉管隧道(见图6)和盾构隧道(见图7)初步设计断面为基础，拟定相同施工条件下的先导管隧道(见图8)断面，计算工程量，然后在同一价格体系中进行造价对比分析，得到先导管隧道、沉管隧道和盾构隧道相比造价的优势和特点。先导管隧道断面的拟定遵循结构等效的原则，保持其开挖边坡、顶面埋深、防护回填、地基处理和基础结构与沉管隧道相同，管片内径及配筋、隧道内部钢筋混凝土结构与盾构隧道相同。在此基础上增设先导管，并增加25%的管片混凝土用量，用于加厚管片，以克服对称同步回填过程中同步控制偏差可能造成的管片内力增大。

图6 沉管隧道典型断面图

图7 盾构隧道典型断面图

图8 先导管隧道拟定断面图

4.1 主体结构工程范围

选择构成主体所必须的结构作为造价对比的工程内容，具体如表1所示。

表1 隧道主体结构选定工程内容表

4.2 主体结构费用构成

以实际工程价格体系为参照，计算得到3种不同结构形式隧道的费用组成，如图9—11所示。需要说明的是：

1)先导管价格。由于市场上没有类似产品，故以直径4 m的玻璃钢管道的采购费用和铺设施工费用为基础进行组价，以4倍的铺设施工费用和16倍的采购费用组成直径16 m玻璃钢管道的采购铺设费用。

2)水盾构掘进费用。由于市场上没有类似产品，故以盾构隧道中盾构掘进费用和盾构租赁费为基础进行组价。考虑到盾构制造费用中，切削排渣机构的费用约占50%[10]，而水盾构无切削排渣机构，故以盾构隧道中盾构租赁费的50%计入先导管隧道的掘进费[11]。考虑到顶进开挖排土费占盾构掘进费的99%以上[12]，而先导管隧道盾构推进过程无需挖土排渣，故将盾构隧道中掘进费的1%计入先导管隧道的掘进费。

4.3 主体结构工程经济指标对比分析

将3种隧道结构的经济指标进行对比(见图12)，可明显看出先导管隧道的特点。

由图12可知：

1)同沉管隧道相比，先导管隧道主体钢筋混凝土方量减少了48%以上，完全抵消了基槽开挖和回填量增大所增加的费用，同时全额节省的沉管浮运安装费补偿了增设先导管造成的隧道防水结构费用的增加，主体结构费用总额减少了11%以上。

字母代号为表1所列隧道结构及所列结构对应工程内容； 数字为费用占比百分数。

字母代号为表1所列隧道结构及所列结构对应工程内容； 数字为费用占比百分数。

字母代号为表1所列工程隧道结构及所列结构对应内容； 数字为费用占比百分数。

2)同盾构隧道相比，先导管隧道掘进费用的减少基本补偿了所增加的地基基础和回填的费用；如不考虑增设先导管所造成的隧道防水结构费用的增加，其他部分主体结构总费用只增加了不到6%。考虑到先导管防水层所带来的防水可靠性的提高和先导管隧道对大水深应用适应能力的提高，这个代价并不算高。

图12 3种隧道经济指标对比图

3)同沉管隧道和盾构隧道相比，先导管隧道防水结构费用占比大幅增加，增幅达主体结构总费用的17%以上，体现了先导管隧道防水结构的强化。同时也说明，随着防水先导管研发工作的开展和其制造铺设成本的降低，通过优化设计和降低成本措施[13-14]，先导管隧道的总造价将有较大的下降空间。

5 结论与体会

通过比较分析，提出了先导管盾构隧道的结构、方法和专用设备方案，并论述了其技术可行性。与现有技术相比，先导管盾构隧道放宽了对地质、气象和水文条件的限制，降低了风险，简化了施工工艺，为未来超大水深隧道建设提供了一种可选方案，能大幅提高隧道的防水性。

先导管盾构隧道的概念、结构和方法还只是初步提出，由此带来了一系列需要研究的技术问题，包括水盾构的设计研发，6 m以上大直径先导管的结构、材质和制作加工技术，先导管从铺设、拼装管片、压浆到回填埋压过程中的受力转换及其临时和永久配重压载锁固结构等，需要相关行业的技术人员共同研究解决。