大连湾海底隧道工程沉管预制干坞设计及施工技术

潘立文 ，王晓姝 ，王国成

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116083；3.天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津 300461；4.大连市建设工程质量与安全监督服务中心，辽宁 大连 116033）

0 引言

最早的沉管隧道工程是1910 年美国穿越底特律河修建的水下双线铁路隧道，其后沉管法隧道建设以美国为中心逐步发展，截止2020 年，世界上有20 多个国家采用了沉管隧道技术，已建成130 余座沉管水下隧道，其中美国、日本多采用钢壳结构，荷兰、欧洲等国家采用混凝土管段结构。我国修建沉管隧道的起步较晚，1972 年香港建造第一条跨港沉管隧道，目前已建成了上海金山恭水隧道、天津海河水底隧道、宁波甬江隧道及世界最长公路沉管隧道——港珠澳大桥。随着城市交通的日渐繁荣及城市规划的提升，沉管法隧道在国内呈现出爆发式的发展，目前深中海底隧道、海沧海底隧道、厦门地铁2 号线及3 号线海底隧道、大连湾海底隧道在陆续建设中。

沉管管段制作方式主要分为在船台和干坞中制作两种形式，目前国内绝大多数采用干坞内预制沉管[1]。大连湾海底隧道工程选择“干坞法”预制沉管，沉管段由18 个管节组成，其中直线段管节13 个，曲线段管节5 个，曲率半径1 050 m，单个标准管节长180 m，由8 个长22.5 m 的节段组成，重约6 万t。在建设施工过程中进行了多项工艺优化，提出坞口沉箱预制改原位现浇、系缆墩胸墙现浇改装配式等设计建议。在简化工序、缩短工期的同时也降低施工风险，使整个船坞的工作量大幅减少，工期得以缩短，工程质量得到有效保障，干坞投入使用后效果良好。

1 项目背景

干坞子项工程是大连湾海底隧道建设工程配套建设的沉管预制场地，位于隧道北岸主体结构的西侧，主要满足海底隧道沉管管节的预制、出运、舾装和储存，主要建设内容：1）管节预制干坞 1 座（3+3）；2） 管节舾装与储存区 1 处（“5+1”沉管存储、舾装，可同时存储6 节沉管）；3）干坞配套生产场地1 处。其中干坞主体占地面积约16.1 万m2，可同时预制6 根沉管；对称分为东、西2 个独立坞室，每个坞室主尺度为长480 m，宽135 m（北侧）及74.7 m（南侧）；施工期在坞口外侧设置斜坡堤式临时围堰，为干坞建设提供干地施工作业条件；海上新建直立式防波堤302 m，重力式舾装、系缆墩7 座。沉管预制场主要建（构）筑物平面布置如图1 所示。

图1 沉管预制场主要建（构）筑物平面布置图Fig.1 Layout of main structures in immersed tube prefabrication yard

2 设计方案选择和确定

2.1 干坞平面布局选择

干坞坞内平面布置以满足沉管预制、出运、存储及舾装功能需求为前提，系统分析施工总工期，预制顺序，钢筋、模板、混凝土、舾装、储存、出运工艺，模板临时存储场，风雨棚等方面影响，并综合考虑物料运输、工艺设备流转、周边场地受限等因素，充分利用有限场地，提出了基于整体水文地质环境、工期与主体工程相适应、经济性良好的干坞法沉管预制场平面布局。

2.2 复杂地质条件下干坞稳定性分析

干坞所在地地质自上而下主要为粉煤灰，粉质黏土，强风化、中风化白云岩，且白云岩上溶洞发育。

由于岩面起伏十分不规则，止水结构与岩面接触点高程较难事前把控，施工期漏水风险大；场地粉煤灰普遍分布，粉煤灰指标差，指标离散性强，水上、水下指标差异大，且受到扰动后指标迅速劣化。针对粉煤灰的特性，坞壁结构在开挖过程中需要时刻关注粉煤灰排水及变形情况，结合监测数据，采取分层、分坡度、多次开挖形成最终边坡。

2.3 坞壁结构设计

干坞周边留存多处敏感建筑物，不能拆迁；且工程所在地为喀斯特地貌，岩面起伏大，广泛覆盖粉煤灰。为保障干坞平面尺度充足，施工期敏感建筑结构安全，根据地质特点、岩面高程，细致划分地貌及受力特征区域，采用了斜坡式喷锚[2]、单排支护兼止水、双排支护兼止水、双排支护联合桩前土加固等多种坞壁结构形式[3]，坞壁结构典型断面图如图2 所示；在中隔岸壁设计中，根据岩面高程采用了纵向阶梯式沉箱结构形式。

图2 坞壁结构典型断面图Fig.2 Typical section of dock wall structure

2.4 止水体系设计

2.4.1 咬合桩支护及止水

根据地质条件、使用要求因地制宜采用不同形式的咬合桩，其中以支护作用为主、止水作用为辅的区域采用“荤素结合”形式；以止水作用为主的区域采用“全素”形式[4]；同时创新性地采用了塑性混凝土咬合桩结构，从“软咬合”升级为“硬咬合”。

2.4.2 坞口装配式止水体系

秉承装配式理念，采用了钢闸门+大沉箱坞门组合止水体系[5]，止水钢闸门、大沉箱、密集弹性点支座、Ω 形止水带等联合应用，有效形成装配式止水体系。海侧立面依靠干坞底板上海侧的“Ω”形止水带和钢闸门形成第一道屏障，坞侧依靠干坞底板上陆侧的“Ω”形止水带和预埋在浮坞门、坞门墩对应位置的预埋槽钢内插入钢板，钢板之间填充防水材料形成第二道屏障，以便于坞门拆装；坞门底板为减压格栅式结构，有效降低渗透压。浮坞门、 钢闸门安装效果图如图3、图4 所示。

图3 浮坞门沉箱结构剖面效果图Fig.3 Profile effect drawing of caisson structure of floating dock gate

图4 钢闸门安装效果图Fig.4 Steel gate installation effect drawing

2.5 减压排水及底板设计

干坞减压排水系统由排水暗沟、汇水管、排水暗管和无砂大孔混凝土垫层组成，通过排水层、汇水沟将底板下的渗流水汇入排水沟，统一汇入排水泵站前池，减压排水布置如图5 所示。

图5 减压排水布置Fig.5 Decompression drained arrangement

为便于沉管顺利起浮，预制台座在底板内设置预留凹槽，每个节段横向及纵向预留主凹槽及副凹槽，主槽内部浇筑无砂大孔混凝土，副槽内部回填碎石[6]。台座底板预留凹槽如图6 所示。

图6 台座底板预留凹槽Fig.6 Pedestal reserve groove

3 施工总流程

干坞施工总体划分为4 个作业区域进行施工，4 个施工作业区域分别为：临时围堰作业区、管节预制干坞作业区、管节舾装与储存作业区、干坞配套生产场地作业区。干坞施工总流程如图7所示。

图7 干坞施工总流程图Fig.7 General flow chart of dry dock construction

4 施工关键技术

4.1 止水体系施工

本工程止水体系有咬合桩、旋喷桩、钢板桩、帷幕灌浆等多种形式，各类型止水结构组结合施工，达到止水效果。施工顺序为先施工“素桩”，“素桩”顺次施工，待“素桩”塑性混凝土强度增长7 d 后，开始顺次施工“荤桩”；其中咬合桩施工“素桩”采用搓管机[7]，“荤桩”采用全回转全套管跟进入岩，极大提高了施工工效。止水体系施工工艺统计表见表1。

表1 止水体系施工工艺统计表Table 1 Construction technology statistics of water stop system

4.2 坞口浮坞门沉箱施工技术

干坞坞口区浮坞门沉箱作为干坞坞室的口门结构使用，沉箱长41.15 m×宽22.5 m×高16.5 m，共32 个大仓格，总重量7 800 t。综合考虑现场施工环境、施工工期、预制场地及出运安装条件等多方面制约因素，通过比选采用干地原位现浇工艺。沉箱顶升效果图如图8 所示。

图8 沉箱顶升效果图Fig.8 Caisson synchronous jack-up effect drawing

施工工艺为：现浇底部基础并预留顶升廊道→沉箱首层原位现浇（重约3 500 t）→原位顶升1 m→人工清理砂垫层及底模→沉箱首层回落（压缩Ω120 型止水带达到设计止水变形要求）→现浇沉箱接高层→整体成型。

5 设计优化

5.1 系缆墩现浇改预制

干坞工程系缆墩用于预制沉管起浮出坞并系缆存储，属海上独立墩。设计系缆墩共5 座，其下部基础为重力式沉箱结构，上部为胸墙结构。胸墙结构施工按传统工艺需采用方驳吊机进行海上钢筋绑扎、模板支立，采用混凝土拌和船进行海上混凝土浇筑，海上作业效率低，工期长，安全风险高，且施工成本较大。秉承“安全、文明、绿色施工”的理念，将上部胸墙由现浇结构优化为装配式结构[8]，即每个独立墩胸墙采用陆上分块预制—海上安装—接缝后浇形式，利用起重船进行胸墙安装，再进行湿接缝浇筑连成整体，大大降低了施工难度，节约了施工成本，保证了干坞投入使用的工期和质量要求。装配式系缆墩断面图如图9 所示。

图9 装配式系缆墩断面图Fig.9 Typical section of prefabricated mooring dolphin

5.2 优化减压排水

根据现场基坑开挖后坞底部分的地质和渗流情况，建议取消了原横管、纵管和暗沟，采用20 cm 厚无砂大孔混凝土排水，并取消原检查井和相应附属设计，在坞底临近坞壁部位设置暗沟。

6 干坞实施效果

6.1 结构稳定，可靠度高

排桩支护式干坞结构稳定，可靠度高，干坞整体尺度验收完全满足规范要求。通过每次灌排水周期连续观测，截至目前坞壁喷锚结构完整，基本无裂纹，坞壁结构及止水桩变形观测位移均满足设计及使用要求。

6.2 渗流量小，止水效果良好

2020 年5 月1 日，干坞作为沉管预制场正式交付使用，双坞渗流量约为3 600 m3/d（设计要求使用期双坞渗流量不大于4 000 m3/d），止水效果良好。

6.3 成功解决作业面受限问题

成功解决了受周边条件限制对预制场布置的影响问题。施工中，敏感区域全部实现了深基坑垂直开挖的效果，大大减少了预制场施工的影响范围，在有限区域内实现了整个预制场的功能布置满足沉管预制、舾装及存储等功能要求。

7 效益评估

在施工过程中，进行了多项的工艺优化、设计优化，减少、简化工序，降低工程量及施工难度，在外部阻工、拆迁滞后、用海政策调整等外部因素影响下，按期完成了沉管预制场建设，有效保障了工程进度，为沉管预制施工奠定了坚实基础。

8 结语

沉管隧道建设为城市建设范畴，考虑施工方便、降低成本，选址尽量选择在工程周边。而干坞建设涉及到深基坑开挖，在城市土地资源日趋紧张的条件下，基坑往往不具备大面积开挖的条件。本工程结构形式，能够节约土地资源，并减少大面积开挖带来的施工影响，完全适应现场不良地质条件，同时具备典型性和一般性，在大连湾海底隧道建设工程中的成功应用，对于国内外其他沉管预制场建设、干船坞建设等，具有推广示范意义，社会效益显著。