水下悬浮隧道管体预制和拼装施工技术

吴泽燚， 余园园， 黄苏青， 陈海亮， 杨赢

（绍兴文理学院土木工程学院，绍兴 312000）

0 引言

悬浮隧道是一种由悬浮于水中的管体、水下基础、锚索和驳岸连接段组成新型的交通结构物。相比于传统的桥梁、隧道等跨越方式，它具有跨越能力强，全天候运行，对地形的适应性好，建造成本不随长度增加而显著增大等优点［1］，在未来跨海峡通道建设中具有极大的竞争优势和发展潜力，越来越受到国内外工程师的关注。

早在上世纪60年代，意大利在Messina海峡通道建设中就考虑了悬浮隧道方案，并进行了可行性研究。自1985年起，挪威对Hogsfjord海峡悬浮隧道也进行了全面认证，认为在跨越深水海峡时悬浮隧道方案比桥梁、沉管隧道及海底隧道要优越［2］。2001年，悬浮隧道概念首次进入中国，在舟山金塘海峡通道建设中多所高校和研究所参与了可行性研究，取得了一定研究成果。随着越来越多的研究人员的加入，中国的悬浮隧道研究发展非常迅速。

近几年，国内外针对悬浮隧道的研究以理论分析为主，研究的热点集中在波流［3-7］、车辆［8-10］、地震［11-13］、碰撞爆炸等［14-16］不同作用下管体和锚索的动力响应分析和相关的试验研究等［17-19］方面。但对施工过程研究较少。兰利敏［20］对悬浮隧道的发展和特点进行了介绍，并对悬浮隧道施工方法进行了探讨。Statens在挪威Sognefjorden［21］浮筒式悬浮隧道设计方案中，提出采用整体浮运的安装方法。魏佳奇［22］对施工过程的关键结构参数进行了研究。

在没有工程实例的情况下，沉管隧道的施工方法对悬浮隧道有很好的借鉴意义。随着港珠澳沉管隧道和深中通道的建设，我国的沉管隧道建造技术更趋成熟。然而悬浮隧道与沉管隧道运营环境不同，其面临的管体水中悬浮拼接和锚固、流线型截面制造等问题又超越了沉管隧道施工的范畴，需更深入地研究。

文中在已有研究的基础上，分析了钢筋混凝土悬浮隧道管体在预制和拼装过程中的技术难点，提出管体采用装配式钢-混组合截面的设想。针对节段拼装和节段顶推两种施工方法，分别给出了管段安装过程中定位装置和临时锚固装置的概念设计方案，以期为将来悬浮隧道施工提供参考。

1 管体预制和改进

悬浮隧道的管体通常采用钢筋混凝土制造。管段在岸上干坞中进行预制，该方法在沉管隧道中的应用已经较为成熟。处于水中的悬浮隧道管体需具有良好的流体动力特性，常采用多边形、椭圆形等流线形截面，管体的截面形式较沉管隧道的矩形截面更为复杂。此外，为保证管体具有较高的密闭性和安全性，并方便管线的布置，通常采用多层多分舱的箱形截面，图1、图2为金塘海峡和Messina海峡悬浮隧道的多边形混凝土管体截面［23］。

图1 金塘海峡悬浮隧道管体截面（单位：m）

图2 Messina海峡悬浮隧道管体截面（单位：m）

截面如此复杂的管节在预制过程中，对于混凝土浇筑质量控制、模板和预埋件的精确定位、大体积混凝土裂缝控制，全断面钢筋笼安装和变形控制等方面均提出了更高的挑战。施工过程中容易出现因管体尺寸偏差导致对接困难，及管壁出现裂缝而影响管体的密闭性和耐久性等问题。

为减小管体预制难度，保证预制的质量，文中提出一种装配式钢-混组合管体截面，如图3所示。管体外壳由混凝土与钢板共同组成，两者之间通过栓钉连接。外层混凝土对内衬钢板具有保护作用，使其免遭海水的侵蚀。钢板又能保证管体在外层混凝土开裂或遭受碰撞等事故时管体的密闭性，提高悬浮隧道的安全性能。同时，钢板又可以作为混凝土浇筑的模板。内部分隔壁全部采用预制装配方式进行施工，将预制好的钢筋混凝土板通过预埋件焊接和局部现浇湿接等方式进行组装，与整体浇筑的截面相比，可有效减小截面内部的次应力。在施工过程中，为缩短管段占用干坞的时间，在钢-混组合外壳预制完成后即可下水拼装，内部管壁的装配在管体节段下水之后进行，可以显著地提高管段预制效率，缩短工期。

图3 装配式钢-混组合截面

2 管体节段安装

当前关于悬浮隧道施工方法的主流观点有水下节段拼装法和节段顶推法两种。

2.1 节段拼装法

采用节段拼装法的管段在干坞中预制完成后，封闭管体两端，并向干坞注水使管段上浮。由拖船运送到施工区域后，通过调管体内部载荷，使管段下沉至预定深度进行拼装，如图5所示。该种方法在沉管隧道中应用较为普遍。但悬浮隧道的管段拼装在水中进行，除缆索外并无其他支撑。在海洋波浪和洋流的作用下，下沉的管段易发生漂移，给管段间精确定位和拼装造成较大的因难。参考沉管隧道施工标准，对接接头允许偏移量应不大于20mm，管段轴线偏差应不大于50mm［24］。因此，需要为管段的精确对接提供一个稳固的施工平台，使得待拼装管段和已安装的管体之间保持相对稳定。

图4 节段拼装施工法

因此，文中提出了管体拼装施工定位装置的概念设计方案，如图5所示。该装置主要由桁架导梁、液压夹持装置、水平滑轨和水平牵引装置组成。在已安装完成的管体上，通过环向固定装置安装4条桁架导梁。导梁需要保证足够的强度和刚度。当管段下沉到预定深度时，先将其一端缓慢移至4条桁架导梁中，然后通过4个方向的液压千斤顶相互夹持固定住管段，避免管段在水流扰动下发生过大的位移。当管段固定后，通过微调各千斤顶行程，使管段与已安装管体对准。最后通过水平牵引装置，带动液压千斤顶和管段一起沿着桁架导梁中的滑轨移动，实现管段的精确对接。

图5 管体拼装施工定位装置

当管段完成接头施工并锚固后，将定位装置向前移动，以进行下一段管体的对接。通过该定位装置，可减小管段受水流等扰动的影响，使其与已安装管体间保持相对静止。

2.2 节段顶推法

节段顶推法与桥梁的顶推施工类似，在管段预制完成后，通过设置的滑道运送至顶推作业区，在和已安装管体完成预应力连接后，将管段连续逐段推出下水直至对岸，如图6所示。节段顶推法的优势在于可避免水下管段对接施工，确保接头质量。

图6 节段顶推施工法

在顶推过程中，为保证处于悬臂状态的管体稳定，需要采用临时的锚固系统对其进行约束。临时锚固系统既要能对管体提供有效约束，又要适应顶推过程中管体不断前行的要求。如何设置临时锚固是节段顶推施工法的关键问题。

为此，文中在已有概念设计方案的基础上进行了改进，提出了一种可滑动的锚固装置来解决顶推作业的临时支承问题，如图7所示。

图7 可滑动的临时锚固装置

该装置主要由钢筋混凝土锚块、浮筒、滑轨及滑槽组成。当管体延伸到预定锚索位置时，将钢筋混凝土锚块置于管体之上，锚索穿过锚块预留孔道并进行张拉锚固。管体由于浮力作用存在上浮的趋势，由混凝土锚块和锚索共同作用对其进行约束。

在钢筋混凝土锚块内侧以均匀间隔安装有型钢滑轨。与之对应的，在悬浮隧道管体表面相应位置开设滑槽。型钢滑轨置于滑槽之内，确保在顶推过程中混凝土锚块可沿管体纵向滑动。为减小滑动摩擦力，可在滑槽表面进行润滑处理，如添加机油润滑剂、粘贴聚四氟乙烯薄膜等。

在顶推过程中，由于管体向前运动，不可避免地会带动临时锚固装置向前移动，使锚索倾斜。为了保证临时锚固装置的位置相对固定，在钢筋混凝土锚块的上方设置浮筒。当锚索发生倾斜时，在浮筒向上的浮力和锚索拉力水平分量的共同作用下，可使混凝土锚块复位。

该装置构造相对简单，安装方便，可有效解决顶推过程中管体和锚固装置相对运动的问题。在完成悬浮隧道管体顶推作业后，可在混凝土锚块和管体之间进行灌浆处理，或进行紧固连接限制混凝土锚块的位移，将临时锚固装置转换为永久锚固装置，有利于减少施工成本。

3 结语

文中对悬浮隧道管体节段的预制和拼装过程中的面临的问题进行了分析，针对性对截面形式、拼接和锚固装置进行了概念设计。主要结论如下：

（1） 悬浮隧道管体截面形式复杂，采用整体预制方法对其质量和精度的控制难度很大。装配式钢-混组合截面能提高管段的安全性和预制效率，减小管体次应力，保证管体施工质量。

（2） 悬浮隧道管段水中拼接易受波流等作用的扰动。文中提出的施工定位装置可为管段提供一个相对固定的施工平台，保证精准对接。

（3） 提出的可滑动锚固装置可有效解决顶推过程中管体和锚固装置相对运动的问题，为施工过程中悬臂管体提供临时锚固。