沉管隧道与人工岛技术发展及展望

林 巍， 梁杰忠， 刘凌锋， 邹 威， 林 鸣

(1. 中交公路规划设计院有限公司， 北京 100088； 2.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510290； 3. 中国交通建设股份有限公司， 北京 100088)

0 引言

随着人们环保理念和环保意识的增强，水下隧道因其独特的优势，已成为当今跨越江河湖海的重要选择[1]。1965年第一条水下隧道——打浦路隧道修建以来，截至2020年底，我国共修建245条水下隧道，其中沉管隧道23条[1]，占比接近10%。跨海隧道修建技术需求日益显著[2-3]，超长沉管隧道的设计与施工关键技术尚需重点攻克[2]。目前工程技术在工程勘察、设备性能、隧道运维等诸多方面还难以完全满足建设需要[4]。世界隧道工程技术发展的主流趋势是安全、经济、绿色和艺术，我国隧道工程可由量变转为质变，通过节能、减排设计，创造效益[5]。水下隧道的若干种建造方法中，沉管隧道从极其小众，到近些年数量明显增长占据了一席之地。已有沉管隧道和人工岛技术发展的报道详见文献[6-9]。

港珠澳大桥岛隧工程[10-11](简称“岛隧”)建成了继厄勒海峡通道之后世界第2例沉管隧道流水线室内预制工厂[12]，研发了我国外海沉管隧道安装成套技术[13]。沉管隧道与人工岛有4项原创技术——深插钢圆筒与副格筑岛[14]、主动止水可折叠的新式最终接头[15]、半刚性沉管隧道结构新体系[16-18]、组合基床与复合地基沉降控制新理念与方法[9,11,19]。

厄勒海峡沉管隧道首创了工厂法，在2条流水线上预制了22节质量约45 000 t的沉管管节[20]。港珠澳大桥岛隧预制了33节质量约76 000 t的沉管管节。典型沉管管节长180 m，分成8个22.5 m节段；工厂布置因地制宜地提出L形，并研发沉管管节多点顶推新技术[21]。

图1统计了世界范围已建沉管隧道的年均体量建造速度(沉管隧道断面高×宽×全长/建造时间)。由图可见，工厂法效率优势较明显，其他优势包括标准化、高质量、不受外界天气环境影响[20]。

图1 世界范围内已建沉管隧道的年均体量建造速度

已经开始建设的最长交通沉管隧道费马恩通道(约18 km)将是第3例采用工厂法施工的隧道。沉管隧道预制全断面大型液压模板台车在我国已有设计与应用方面的研究[22]。岛隧沉管隧道完成1节180 m沉管管节预制平均需1个月。待建设的深圳沿江项目1个月需平均完成3节80 m沉管管节预制，工期挑战大，即2条流水线，每条流水线每20 d完成1节80 m沉管管节。如果仍采用岛隧流水线方法，至少需要25 d，时间不够，定量推导过程详见文献[23]。

现代钢筋混凝土沉管隧道通常设计成可以自浮的，并带有5～30 cm干舷[24]。国际隧协第11工作组报告及国外沉管隧道专著均要求沉管管节必须能自浮且带有足够的干舷[6,25]。我国一些规范也做出了这方面的定量要求[26-27]。起浮前，首先需要在沉管管节内组装压载系统(包括水箱、水管和水泵)，然后才能安装沉管管节两头的临时止水封门[28]。沉放阶段需要通过压载系统消除沉管管节的干舷，并达到一定的负浮力[29]。自航式双体船已研发专门用于沉管管节的安装[30]。事实上，随着海工装备的发展和科技的进步，负干舷(本文定义“负干舷”沉管管节为在水中浮力为负、无法自浮的沉管管节)沉管隧道有其独特的优势[31]。

沉管隧道水下最终接头多采用止水板法。不同于一般沉管管节的首尾连接，最终接头需要与其两头的沉管管节(或岸边段)连接。文献[32]描述了最终接头发展历史。最终接头传统工法是止水板法[6,8]：潜水员辅助吊车在水下安装模板并止水，再从管内浇筑混凝土。日本发展了V楔形块、Key沉管管节和端部块体3种新方法[30]，较适用于大断面沉管管节最终接头。岛隧发明了主动止水可折叠最终接头，将海上安装时间缩短到1 d，并实现了对接逆向操作[15]。

传统筑岛方法的不利面是软土易压缩，深插钢圆筒与副格筑岛法巧借水下50 m厚软土易插入、不透水的有利面，将成岛时间从3年缩短到6个月，减少了水下挖泥量[14]。该筑岛方法与岛隧项目位于中华白海豚保护区的环保要求更匹配。如果岛隧重建1次，能否提出更好的构想?

基于国内外沉管技术发展趋势以及我国水下隧道和超长跨海通道技术发展需求，本文依托2018—2021年岛隧技术进行总结，系统研讨已有技术的创新理念，并进一步提出沉管隧道与人工岛建造的改良提案。

1 快速绿色新流水线预制方法

在沉管隧道预制流水线上，工作从开始到结束，被分解成节段钢筋绑扎、混凝土浇筑养护和沉管管节舾装。其中，节段钢筋绑扎进一步分解为底板、墙体和顶板3个区间。从钢筋组装到混凝土浇筑需要体系转换，主要工序是： 在钢筋笼的顶板设置临时悬吊体系，控制其变形；然后，拆除钢筋笼内部的临时支撑；接着，内模进入钢筋笼；最后，拆除悬吊体系，混凝土浇筑。完成浇筑后，节段内模需要清理和养护。

管节预制施工流水线涉及较为繁琐的体系转换工作，而频繁的体系转换对于沉管预制效率及施工安全影响较大。图2示出一个单孔断面沉管管节在1条流水线上的预制分区。由此易扩展到多孔多断面的沉管管节和多流水线预制多个沉管管节。流水线上采用80 m整体移动式内模和80 m固定底模，工作分成3个区： 区域1绑扎沉管管节底板和墙体钢筋；区域2整体式内模接收区域1绑好的钢筋，并绑扎顶板钢筋，免去了传统流水线相对繁琐的体系转换操作，侧模做成可移动的、1个节段的长度(80 m沉管管节有3个节段)，混凝土浇筑时的压力通过对拉螺栓传递；区域3用来舾装。图2的内模和针形梁通过互相支撑和滑动实现在流水线上的纵向行走。

图2 沉管隧道工厂法新流水线预制体系示意图

钢筋绑扎和混凝土浇筑养护的步骤见图3。由图可见： 沉管管节内模可集中进行一次性的养护清理，简化了传统流水线按节段养护清理模板的工序。该方法利于更多工作平行开展，预制80 m沉管管节工期是19 d，且用地更省、工序更少。定量分析比较详见文献[23]。

2 负干舷沉管管节设计与施工

现代交通沉管隧道管节均设计成施工阶段可以自浮。随着科技的进步以及海工技术装备的发展，采用负干舷沉管隧道在设计和施工方面均能带来诸多优势。

深圳沿江通道沉管隧道段长约2.3 km，当前推荐方案分成28个80 m沉管管节预制和安装。预制场址在珠海牛头岛，距离隧址约55 km，沉管管节的浮运不采用拖运，而是采用半潜驳运输。该运输过程是助浮的，并且管节沉放也是助浮的(因其负浮力与安装船提供的吊力平衡)。因此，只要确保沉管管节从浮运到沉放的体系转换过程的助浮，就能实现安装全过程的助浮。沉管管节可设计成负干舷、不自浮，其负浮力等同于自重的2%～5%，而不是设计成5～30 cm的正干舷，其正浮力等同于自重的1%～3%。

图4介绍了从半潜驳运输到安装船沉放的体系转换的助浮方案。若采用沉管管节浮运安装一体船，该工序也可省去。负干舷管节可以通过智能台车或轨道顶推系统从码头平移上半潜驳。

(a) 模板养护清理

(c) 节段2钢筋移位，针形梁抬放腿让其进入内模

(e) 节段3顶板钢筋绑扎；下一个沉管管节底板钢筋绑扎

(g) 节段3混凝土浇筑；下一个沉管管节持续底板墙体钢筋绑扎

(i) 沉管管节混凝土养护完成并向前移位其自身约2/3长度

(k) 内模回退1/3沉管管节长度，过程中针形梁抬放腿配合

(m) 内模继续回退1/3沉管管节长度，过程中针形梁抬放腿配合

(a) 运输到沉放位置附近

(c) 安装船跨上沉管隧道

(e) 连接竖缆、安装测量塔

负干舷沉管隧道在设计方面的优势包括降低一半隧道内路面压重混凝土厚度和用量、降低隧道断面高度、抬高隧道纵向线位、减少水下基槽开挖量、减少1%主体结构钢筋混凝土用量等。定量比较详见文献[23]。

图5对比了负干舷助浮方案和正干舷自浮方案在施工方面的优缺点。前者较后者的优点是： 1)沉管管节舾装工作更容易、更快，端封门可提前封闭(见图5(a))。2)沉放准备工作更快，因为取消了需要若干小时的管内压载作业(见图5(b))，并且压载水系统的取消或弱化降低了沉管隧道安装作业总风险。3)由于没有压载水箱的阻碍，隧道内工作更容易，如隧道内行走较方便；不需设置水箱爬梯；贯通测量视线阻碍少；而且，隧道内路面压载混凝土的浇筑不必与压载水和水箱的移除交替进行(见图5(c))(对于正干舷方案，如果有条件先施工回填来提供给沉管管节足够的抗浮安全系数，也不必交替进行)。缺点是： 负干舷助浮方案需要额外的半潜驳运输沉管管节，且较正干舷自浮方案多出了体系转换的步骤。

综上可见： 1)负干舷方案较适用于长距离运输的沉管隧道，通过半潜驳降低沉管管节运输的风险，从保险公司的视角看，是把特殊的浮运作业变成较一般的船运作业。2)负干舷方案对包含多个管节的长沉管隧道更具有吸引力，决策者需要思考的问题是，取消全部管节压载水系统采购、安装、调试、拆除工作以及降低隧道主结构与路面混凝土和隧道基槽疏浚工程量的负干舷(助浮)方案，与少租用和维护1～2艘半潜驳的正干舷(自浮)方案相比，哪个方案对于工期和工程风险的控制更有利，哪个方案是更可持续的？

(c) 路面铺设阶段： 为确保1.06的最小抗浮安全系数[25]，正干舷自浮方案的压载水卸载、水箱拆除工作需要与路面压载混凝土施工交替进行；负干舷助浮方案工序可简化，且路面压重层更薄，隧道内释放的水化热较少

3 主动止水可折叠最终接头与沉管管节的一体化

最终接头离岸远，安装阶段只能通过卫星和水下声呐等手段定位，精度cm级。通过先完成对接，在隧道内用尺或全站仪测量接头错边，获得mm级精度反馈，如果偏差大，就依据该值，回缩最终接头两头内嵌的滑移框架(可折叠)，结合腔重新充满水，将最终接头从海床底微起吊，调整位置，重新对接。事实上，岛隧最终接头进行了1次这样的逆向操作： 用1 d完成了安装并测量；第2天根据测量数据脱开进行重对接，但由于最终接头端封门上施工临时水密门发生了意外漏水，尚未完成姿态调节就复原；第3天再次脱开重对接，最终精度达mm级。

该方法有2个缺点： 1)需要使用大型浮吊，岛隧最终接头起吊质量超过6 000 t，大型浮吊并非所有项目可用，吃水深，横向受流宽度达300 m，气象窗口限制较严； 2)最终接头排水体积小，对地基的平均压力是相邻沉管管节的30～50倍，安装后需要特殊的密闭腔压浆工艺来确保该部位的沉降协调[33]。

优化方法是： 将最终接头主结构的长度做到与一般沉管管节一样长，从而实现安装阶段同等质量平衡(正干舷或负干舷)和着床后的同等地基压力。获得的好处是，最终接头可当作一般沉管管节进行预制和安装，唯一增加工作是在最终接头的两头安装可伸缩的框架。

图6示出最终接头改良方案的主要工序和构造。如果需要增加沉管管节安装工作面，可以考虑预制多个最终接头，配合多套沉放用的安装船和运输用的半潜驳。

(a) 下沉

(c) 测量

4 装配式人工岛

图7示出3种筑岛方法。图7(a)为传统方法，面对软土地层，不仅需要大量水下作业，而且岛体形成后，为了施工岛上的现浇隧道段和岛上建筑，还需施工深基坑和支护,风险相对大。图7(b)为深插钢圆筒和副格筑岛方法，钢圆筒和副格打入不透水层，围成1圈不透水的岛壁，再在岛内大超载比预压，快速完成岛内地基固结沉降，不需在人工岛内做额外地基处理。钢圆筒和副格本身也作为支撑结构，免除了岛上隧道段施工时的临时地下连续墙支护。图7(c)为装配式人工岛新提案，能够适应更一般的地质(软、硬、透水或不透水地层)。类比交通沉管隧道大型化预制和模块化安装技术，将人工岛模块在岸边干坞预制，再浮运至现场安装，具有减少水下地基处理、低噪音、绿色、海上模块化施工的优势。

(a) 传统筑岛方法

(b) 深插钢圆筒和副格筑岛

(c) 装配式人工岛

图8示出装配式人工岛的建造步骤。图8(a)为岛体单模块预制，岛体中部是功能廊道，两侧是隔舱，用于施工期的加载和运营期的调载。图8(b)为人工岛模块舾装，类比沉管隧道，包括端部端封门和U形GINA止水带，后者较沉管管节接头的封闭型止水带，对接作业更加可视和可控。图8(c)为浮运。图8(d)为对接。图8(e)为岛上路面等永久荷载施加时两侧同步减载，进而将地基应力始终保持在较低水平。图8(f)为在人工岛模块安装期间，一头沉管隧道和另一头桥梁同步施工。

(a) 预制

(c) 浮运

(e) 施加永久荷载

5 结论与体会

5.1 沉管隧道的技术发展趋势是简单最好

以主结构形式演变为例，最初美国沉管隧道的双钢壳结构是内外侧钢壳加钢筋混凝土，施工复杂，之后多采用单钢壳，取消了内侧钢壳。日本发展了钢混钢三明治结构，取消了混凝土中的钢筋且混凝土不再振捣。荷兰发展了混凝土结构，取消了外钢壳结构。混凝土结构从整体式发展到节段式，通过1次浇筑取消了施工缝和外包防水。岛隧发展了半刚性，取消了预应力剪断和频现的节段接头后注浆补漏。上述技术发展体现在沉管隧道的舾装、水下基础处理、浮运安装、接头，甚至人工岛的建造。表1总结了一些沉管隧道技术演变的趋势。

面对复杂的海上环境，通过简化构造、优化工序、清晰化结构机制、缩短并控制时间，达到复杂问题变简单、降低造价、降低工程总体风险的目地。简单的方案需要创造性的工作： 制定新计划、发展新试验与研究以及论证工作；实施过程是探索未知的过程，需要新方法和勇气。

表1 举例介绍沉管隧道技术演变趋势

5.2 未来烟台—大连超长通道建造探索

我国计划建造从大连到烟台的100 km跨海通道[34]。其中一个方案中20 km区段水深达70 m，可采用沉管隧道穿越。已建成的博斯普鲁斯海峡马尔马雷通道沉管隧道达到同等量级水深[35]。如果采用本文研究的提案建设这一段沉管隧道，给出如下初步探索：

1)采用3条新工厂法流水线，岸边占地面积约185 m×350 m。

2)总共需要预制20 000/100=200个沉管管节；包括1个或2个带有可折叠小梁兼顾最终接头的管节。

3)每个管节长100 m，分成33.3 m长的3节预制。每个管节预制周期19 d，总预制时间为200×19/3/30≈42个月，约3.5年。

4)管节采用5%负干舷方案，节省200次压载水系统的安装拆除和维护。

5)通过2～3艘半潜驳和2套安装船用于沉管管节的临时存放、二次舾装和运输，进而和沉管管节预制速度匹配。

6)可使用或改装已有沉管隧道的安装船，或通过在2艘海运驳船上焊接桁架梁和绞车改装而成，使用完成后再恢复成一般用途的驳船。

7)隧道两头与桥梁连接部位的人工岛位置水深较浅，经论证后可采用装配式人工岛方案。

工厂法的管节预制和安装是平行交替进行的，隧道内部工作是独立的工作面，因而略滞后，类比之前工程经验，最终接头可能多花几个月时间，再加上装饰工作，这样一来，20 km桥岛隧段的总工期预计在4～4.5年。关键路径有望转移到其余80 km桥梁段上去了。