公路沉管隧道的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)

張志剛，劉洪洲

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，交通和運(yùn)輸系統(tǒng)形式不斷完善，由此引發(fā)了土木工程師們對(duì)采用水下隧道方式跨越江河和海灣(峽)的思考與實(shí)踐。與橋梁方案相比，水下隧道可實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)營，對(duì)航運(yùn)、航空無干擾，人防能力強(qiáng)，同時(shí)也能很好地保護(hù)原有生態(tài)與自然環(huán)境。

目前修建水下隧道的主要工法有鉆爆法(礦山法)、全斷面掘進(jìn)機(jī)法(TBM法和盾構(gòu)法)、沉管法與圍堰法4種。在大型水下隧道工程中，軟土地質(zhì)通常采用盾構(gòu)法或沉管法，巖石地層采用礦山法或TBM法。由于水下地層以沉積或沖積土層居多，故世界范圍內(nèi)建成數(shù)量多、技術(shù)難度大的隧道大多采用盾構(gòu)法與沉管法。盾構(gòu)法始于英國，興于日本，已有170多年歷史，除應(yīng)用于水下隧道修筑外，也廣泛地應(yīng)用于城市地鐵中，國內(nèi)外均積累了較豐富的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。沉管法始于美國，興于歐洲，只適用于水下隧道，結(jié)構(gòu)型式、斷面布置、地基基礎(chǔ)和管節(jié)接頭連接等形式多樣。

沉管法又稱沉埋法。施工時(shí)，要先在隧址附近修建的臨時(shí)干塢內(nèi)預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)，預(yù)制的管節(jié)用臨時(shí)端門封閉起來浮運(yùn)到隧址，此時(shí)已于隧址處預(yù)先挖好一個(gè)水底基槽，并提前完成基礎(chǔ)處理;待管節(jié)定位后，向管節(jié)內(nèi)灌水壓載，使其下沉到設(shè)計(jì)位置，將此管節(jié)與相鄰管節(jié)在水下連接起來，完成回填覆土;最后完成隧道內(nèi)部鋪裝，從而形成一個(gè)完整的水底隧道。采用沉管法施工的水底隧道稱為沉管隧道，與圓形盾構(gòu)隧道相比，沉管隧道的主要優(yōu)點(diǎn)有:1)斷面形狀設(shè)計(jì)靈活，利用率高;2)埋置深度淺，隧道長度短;3)對(duì)基底的地層性能要求低;4)可多工點(diǎn)平行作業(yè)，工期短; 5)經(jīng)濟(jì)性好;6)施工風(fēng)險(xiǎn)?。?］。

沉管隧道已廣泛地應(yīng)用于公路、鐵路、地鐵、人行通道及下水道等工程，其中，公路沉管隧道的工程事例占絕大多數(shù)。從公路隧道建設(shè)中隧道埋深、兩端接線條件、通行車道數(shù)量及斷面布置型式、工期、風(fēng)險(xiǎn)等方面綜合考慮與比較，沉管法在公路水下隧道建設(shè)中具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

我國大陸應(yīng)用沉管法修建水底公路隧道的起步相對(duì)較晚。1993年在廣州珠江建成了第1條沉管隧道(公鐵合用)，后又陸續(xù)建成寧波甬江、寧波常洪、上海外環(huán)路、廣州侖頭至生物島、廣州生物島至大學(xué)城、廣州洲頭咀和天津海河7條沉管隧道。近年來，公路水下隧道的建設(shè)步伐有所加快，在建或規(guī)劃的有港珠澳跨海通道工程、大連灣跨海工程和深圳至中山通道工程等，再加上一些項(xiàng)目在工程可行性研究階段需要進(jìn)行橋梁與隧道方案的同深度比較;為此，隧道工程建設(shè)者們應(yīng)對(duì)沉管隧道工法的歷史、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展等有更全面的認(rèn)識(shí)與了解，以便作出較科學(xué)合理的判斷。

本文按照建設(shè)時(shí)序、地域和主要技術(shù)特點(diǎn)等因素對(duì)世界范圍內(nèi)沉管隧道的既有事例進(jìn)行分析梳理，著重論述了公路沉管隧道的發(fā)展歷史及其設(shè)計(jì)中所面臨的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 公路沉管隧道的發(fā)展

公路沉管隧道的起步可追溯到20世紀(jì)20年代末，比第1條水下鐵路沉管隧道滯后近20年。目前世界范圍內(nèi)建成的公路沉管隧道總量近百座，圖1為不同年代建成公路沉管隧道的數(shù)量對(duì)比［2］。

圖1 不同年代公路沉管隧道的數(shù)量Fig.1 Number of immersed highway tunnels constructed in different years

通過對(duì)世界范圍內(nèi)所有已建成的公路沉管隧道進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，公路沉管隧道可大致分為3個(gè)主要發(fā)展階段，下面將按各隧道建成的先后時(shí)間順序及類型進(jìn)行詳細(xì)敘述。

立足當(dāng)前、放眼長遠(yuǎn)。天脊集團(tuán)發(fā)出了“再領(lǐng)風(fēng)騷30年”的動(dòng)員令，這是天脊集團(tuán)謀略所在、站位所在、實(shí)力所在。

1.1 第1代公路沉管隧道

第1代公路沉管隧道成型于20世紀(jì)20—40年代，其典型特征是:1)鋼殼(單層/雙層)結(jié)構(gòu);2)單個(gè)行車孔內(nèi)不超過2個(gè)車道;3)刮鋪碎石的基礎(chǔ)墊層。

采用沉管法修建的第1條水底公路隧道為美國加利福尼亞州的奧克蘭與阿拉梅達(dá)之間的Posey隧道，建成于1928年，沉管段總長約742 m，使用12段61.9 m長的管節(jié)，為鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu)。該隧道采用單孔雙向2車道型式，全橫向通風(fēng)，是美國后續(xù)應(yīng)用沉管法建造水下隧道的楷模，也開啟了世界范圍內(nèi)水底隧道建設(shè)的新篇章。隨后，美國與日本又陸續(xù)建成了幾座類似的沉管隧道，如表1所示。

1.2 第2代公路沉管隧道

第2代公路沉管隧道成型于20世紀(jì)40—60年代，其典型特征是:1)鋼筋(或預(yù)應(yīng)力)混凝土結(jié)構(gòu); 2)矩形橫斷面;3)單個(gè)行車孔內(nèi)至少設(shè)2個(gè)行車道; 4)柔性管節(jié)接頭;5)后填法墊層。

第2代公路沉管隧道以普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，在車道布置型式上更加靈活，滿足了道路通行的基本要求，解決了交通擁擠的問題。自1959年初加拿大Deas Island隧道開始，水下連接技術(shù)取得了重大突破，開始采用水力壓接法與柔性管節(jié)接頭，至此，沉管法開始被廣泛采用并隨之較快發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中較第1代沉管隧道已有令人矚目的技術(shù)進(jìn)步。

1943年，荷蘭鹿特丹建成了歐洲第1條公路沉管隧道——Mass隧道，該隧道的建成標(biāo)志著第2代公路沉管隧道的誕生。該隧道采用鋼筋混凝土矩形斷面，雙向4車道，沉管段總長584 m，管節(jié)總寬24.77 m，高8.39 m，由9段管節(jié)組成，采用橫向通風(fēng)。古巴首都Havana Harbour隧道和加拿大溫哥華Deas Island隧道、德國Rendsburg隧道和丹麥Limfiords隧道等一大批4車道和6車道公路沉管隧道在這一時(shí)期相繼建成。第2代公路沉管隧道的典型代表如表2所示。

1.3 第3代公路沉管隧道

第3代公路沉管隧道成型于20世紀(jì)80年代后期，其典型特征是:1)節(jié)段式管節(jié);2)混凝土結(jié)構(gòu)自防水;3)帶壟溝碎石整平層;4)縱向通風(fēng)方式。

第3代公路水底隧道建設(shè)中最大的技術(shù)進(jìn)步當(dāng)屬混凝土結(jié)構(gòu)自防水能力的提高。自20世紀(jì)80年代末以來，歐洲已將混凝土沉管隧道的防水重點(diǎn)放在加強(qiáng)混凝土裂縫控制方面。通過采用節(jié)段式管節(jié)和整體式澆注，盡可能地減少溫度裂紋的出現(xiàn)，使混凝土自身成為永久的防水屏障，不再使用外包材料進(jìn)行輔助防水，而且可以根據(jù)浮運(yùn)條件與設(shè)備能力制作較長的沉管隧道管節(jié)，如已被多條沉管隧道采用的長度約為180 m的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)或者更長管節(jié)［6］。第3代公路沉管隧道的典型代表如表3所示。

縱觀公路沉管隧道發(fā)展的3個(gè)階段，后一階段均能很好地繼承前一階段突破性的重要技術(shù)成果，但并不完全表明前一階段的技術(shù)已被淘汰，因各國及各地區(qū)所掌握的施工技術(shù)、設(shè)備制造能力以及所具備的經(jīng)驗(yàn)與習(xí)慣不同，有時(shí)工程師們會(huì)更愿意沿用早期業(yè)內(nèi)已成熟的技術(shù)，如最早使用的鋼殼沉管隧道結(jié)構(gòu)，目前在美國和日本仍被推崇［5］。既便如此，目前世界上許多國家在水底公路隧道建設(shè)中一般會(huì)采用比較簡潔的第2代或第3代沉管隧道，殊有例外。

2 公路沉管隧道關(guān)鍵技術(shù)

2.1 縱斷面設(shè)計(jì)

沉管隧道的縱斷面設(shè)計(jì)關(guān)系到工程的建設(shè)難度及規(guī)模，受最大縱坡、通航尺度、水底沖淤狀況及兩岸接線等因素控制，縱斷面呈兩端陡、中間平緩之勢。通航尺度與兩岸接線作為縱斷面設(shè)計(jì)的邊界條件易于把控，而最大縱坡在現(xiàn)行規(guī)范中沒有專門具體的規(guī)定。對(duì)于公路沉管隧道總體方案設(shè)計(jì)中兩側(cè)洞口最大縱坡的取值，應(yīng)合理平衡行車安全舒適與節(jié)省工程投資的關(guān)系，既不一味推崇短小縱坡，也不貿(mào)然采用長大縱坡。如果條件受限，隧道內(nèi)縱坡可適當(dāng)增大，應(yīng)參考國內(nèi)外成熟經(jīng)驗(yàn)，完善交通工程設(shè)施和交通管控手段，并經(jīng)過專項(xiàng)系統(tǒng)論證后，以隧道內(nèi)行車速度不要降低太多、盡量避免在隧道內(nèi)設(shè)爬坡車道為原則，最大縱坡可取至5%。同時(shí)，沉管隧道的縱斷面設(shè)計(jì)也應(yīng)兼顧最終接頭布置方案，在保證工期的前提下，應(yīng)盡可能采用技術(shù)難度小的方式。

2.2 橫斷面設(shè)計(jì)

橫斷面設(shè)計(jì)包括橫斷面布置及橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2項(xiàng)內(nèi)容，二者相互關(guān)聯(lián)。橫斷面設(shè)計(jì)與隧道通行能力、公路交通組織、救援疏散水平、工程造價(jià)和施工難易程度等密切相關(guān)。

從目前已建成公路沉管隧道的橫斷面型式布置及運(yùn)營管理情況來看，公路沉管隧道宜按單向行車道數(shù)確定管廊組成，3車道宜選用2孔單管廊斷面，4車道宜選用3孔2管廊斷面。通常情況下，兩行車孔間設(shè)置獨(dú)立管廊作為安全通道、部分機(jī)械設(shè)備放置場地和排煙道等用，發(fā)生災(zāi)害時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)橫向與縱向同時(shí)逃生。

橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先采用鋼筋混凝土矩形斷面，為減少大體積混凝土澆筑過程中裂紋的產(chǎn)生，管節(jié)頂?shù)装搴穸葢?yīng)適當(dāng)控制。管節(jié)在滿足強(qiáng)度與剛度要求的前提下，還應(yīng)滿足浮運(yùn)與沉放階段的要求，結(jié)構(gòu)需經(jīng)過反復(fù)的迭代計(jì)算確定(含尺度、材料及附屬件)。

2.3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

盡管沉管隧道對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性好，地基基礎(chǔ)所需承受的荷載通常也較低，但由于在采用抓斗或者耙吸開挖基槽過程中，槽底表面不會(huì)太平整，槽底表面與沉管底面之間必將存在很多不規(guī)則的空隙，導(dǎo)致地基土受力不均勻而局部破壞，從而引起不均勻沉降，使沉管結(jié)構(gòu)受到局部應(yīng)力而開裂，故必須進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)填平)，這屬于第1類問題。除此之外，由于沉管隧道兩端埋置深度淺，接陸上段回填防護(hù)荷載大，一般需要進(jìn)行地基改良或采用其他基礎(chǔ)型式，這屬于第2類問題。第1類問題可通過先鋪的碎石墊層或后鋪的砂料層得以解決，必要時(shí)也可壓漿，已建成的多數(shù)公路沉管隧道均采用了此法。第2類問題需要根據(jù)地層和荷載條件選擇采用復(fù)合地基、換填和樁基礎(chǔ)等形式，如韓國已建成的Busan沉管隧道采用了深層水泥攪拌樁與擠密砂樁改良原始軟弱土層的處理方案，香港西區(qū)沉管隧道采用了換填砂的地基處理方案［8］。

2.4 接頭設(shè)計(jì)

沉管隧道接頭是保證隧道運(yùn)營安全的關(guān)鍵，接頭設(shè)計(jì)除滿足隧道不利工況下結(jié)構(gòu)的受力要求，保證不同水壓下接頭具有良好的防水性能和可靠的水密性外，還應(yīng)確保施工便利、質(zhì)量易于控制，各構(gòu)件功能明確、造價(jià)合理。

柔性接頭是最典型的沉管隧道管節(jié)接頭型式，在確保管節(jié)接頭水密性的前提下，允許接頭適應(yīng)較大的變形。柔性接頭中，GINA止水帶除了在水力壓接過程中扮演重要角色外，還和Ω止水帶一起承擔(dān)永久運(yùn)營階段管節(jié)柔性接頭的防水功能。管節(jié)接頭處的防水設(shè)計(jì)構(gòu)造如圖2所示。

圖2 管節(jié)接頭防水構(gòu)造示意圖Fig.2 Sketch of waterproofing structure of tube element joints

為減小地震或地層不均勻沉降而產(chǎn)生的垂直及水平位移，使其接頭不超過水密性要求的允許值，或?yàn)榉乐笹INA及OMEGA橡膠止水帶產(chǎn)生過大的剪切變形，需要在接頭處設(shè)置鋼或鋼筋混凝土剪力鍵。剪力鍵的安裝時(shí)機(jī)需要對(duì)施工過程的監(jiān)測成果進(jìn)行分析后確定。

3 工程實(shí)例

港珠澳大橋位于珠江口外伶仃洋海域，是香港、澳門和珠海之間最快捷的陸路通道，是國家高速公路網(wǎng)的關(guān)鍵工程。大橋香港側(cè)登陸點(diǎn)為香港大嶼山石散石灣，向西跨粵港分界線，以沉管隧道方式穿過銅鼓航道與伶仃西航道，跨海到達(dá)澳門與珠海拱北附近的口岸人工島填海區(qū)。為實(shí)現(xiàn)與相鄰橋梁的合理銜接，在隧道兩端的出入口填筑了2個(gè)海中人工島。

隧道址區(qū)屬于外海，海浪流條件復(fù)雜;航運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)高，依據(jù)通航要求，2個(gè)人工島間最小通航寬度為4 100 m，隧道區(qū)滿足30萬t級(jí)油輪安全通航的寬度應(yīng)不小于2 810 m;隧道縱向穿越淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土及砂土5種具有不同物理力學(xué)特性的地層。根據(jù)交通量預(yù)測結(jié)果，隧道設(shè)計(jì)采用雙向6車道高速公路，設(shè)計(jì)速度100 km/h，是目前世界上難度最大的沉管隧道之一。

基于以上建設(shè)條件，設(shè)計(jì)隧道全長約6 km，經(jīng)論證隧道進(jìn)出口段的最大縱坡設(shè)置為2.98%，縱斷面按W形布置。沉管段隧道采用節(jié)段式管節(jié)型式，沿縱向劃分為33段管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)分別長180 m和112.5 m。管節(jié)橫截面采用2孔1管廊、矩形橫斷面型式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬37.95 m、高11.4 m，采用GINA+ OMEGA組合的柔性管節(jié)接頭，管節(jié)橫截面布置方案見圖3。中管廊上部空間為縱向排煙通道，屬于典型的第3代公路沉管隧道。

圖3 沉管隧道橫截面布置Fig.3 Cross-section of Hong Kong-Zhuhai-Macao immersed tunnel

由于隧道埋深大，設(shè)計(jì)采用了Y形中墻、增大上部外側(cè)倒角的措施，在不改變結(jié)構(gòu)總寬度的前提下調(diào)整結(jié)構(gòu)頂板跨度，使頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布趨于合理，大幅降低控制斷面結(jié)構(gòu)彎矩。

隧道基礎(chǔ)位于隧道結(jié)構(gòu)下方，主要承受隧道結(jié)構(gòu)、回填、管頂防護(hù)層以及回淤和行車等荷載，為隧道結(jié)構(gòu)提供均勻可靠的剛度支撐，并控制基礎(chǔ)總沉降與不均勻沉降，滿足隧道沉管段、暗埋段及人工島間的協(xié)調(diào)變形，使隧道結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下因地基變形引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可承受的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。沉管隧道基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)橫截面布置如圖4所示。

圖4 沉管隧道地基與結(jié)構(gòu)橫截面圖Fig.4 Cross-section of Hong Kong-Zhuhai-Macao immersed tunnel and its foundation

沿隧道縱向，島上段采用剛性樁復(fù)合地基，中間段采用先鋪碎石墊層，島外斜坡段采用擠密砂樁聯(lián)合堆載預(yù)壓的地基改良方案。依據(jù)地質(zhì)與荷載的不同，選擇不同的地基及基礎(chǔ)方案，從而實(shí)現(xiàn)隧道縱向的協(xié)調(diào)過渡。

隧道沉管段共設(shè)34個(gè)管節(jié)接頭，每個(gè)管節(jié)接頭主要包括止水構(gòu)造、鋼端殼與剪力鍵。止水帶根據(jù)耐久性年限要求、管節(jié)中心水深、管節(jié)橫截面積及水容重等條件定制荷蘭Trelleborg公司生產(chǎn)的GINA及OMEGA成品。隧道采用節(jié)段式管節(jié)，除大的管節(jié)接頭外，還包括250多個(gè)小節(jié)段接頭，防水體系由OMEGA橡膠止水帶、中埋式鋼邊止水帶、外貼式止水條或止水鋼板等構(gòu)成。隧道結(jié)構(gòu)采用無外包鋼板或涂料等輔助的防水措施和自防水混凝土+全斷面澆筑的聯(lián)合方案。

4 結(jié)論與體會(huì)

公路沉管隧道可根據(jù)時(shí)序及重大技術(shù)革新劃分為3個(gè)主要階段(或3代)。每一代沉管隧道的形成及其廣泛應(yīng)用均是對(duì)一種新技術(shù)的肯定與推廣，同時(shí)，每一代沉管隧道均有其特定的適用條件與生命力，它不會(huì)因時(shí)間的推移而完全消失。

公路沉管隧道修建技術(shù)發(fā)展至今，矩形結(jié)構(gòu)型式、水力壓接柔性接頭和分節(jié)段全斷面澆筑3大技術(shù)應(yīng)作為里程碑式的技術(shù)進(jìn)步載入史冊(cè)。沉管隧道建設(shè)者們應(yīng)積極、開放地吸收其他相關(guān)領(lǐng)域的高新技術(shù)成果，如高性能橡膠及混凝土材料、高精度水下探測設(shè)備和水文氣象預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)等，從而促進(jìn)行業(yè)的持續(xù)、健康發(fā)展。

從我國現(xiàn)已建成的沉管隧道來看，除珠江隧道采用剛性接頭外，其他均采用柔性接頭，屬于第2代沉管隧道。港珠澳沉管隧道工程的建設(shè)規(guī)模及技術(shù)難度前所未有，創(chuàng)造性地在我國首次采用第3代公路沉管隧道建造技術(shù)，在建造規(guī)模、斷面型式、地基基礎(chǔ)及隧道接頭等方面均有突破，對(duì)我國今后公路沉管隧道工程有著重要的推動(dòng)作用與借鑒意義。

［1］ 管敏鑫.沉管隧道在越江工程中的地位以及有關(guān)的新認(rèn)識(shí)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41(1):4－7，12.(GUAN Minxin.The role of the tunneling by immersed tunnel method in the river-crossing engineering and some related new cognitions［J］.Modern Tunnelling Technology，2004，41 (1):4－7，12.(in Chinese))

［2］ International Tunnelling Association Working Group.“Immers-ed and floating tunnels”state-of-the-art report［J］.Tunnelling and Undergroup Space Technology，1997，12(2): 1－81.

［3］ A Gursoy.Immersed steel tube tunnels:An american experience［J］.Tunnelling and Undergroud Space Technology，1995，10(4):439－453.

［4］ Jos van der Schot.Tunnels in the netherlands，a new generation［M］.The Ministry of Transport，2003.

［5］ 傅瓊閣.沉管隧道的發(fā)展與展望［J］.中國港灣建設(shè)，2004 (5):57－62.(FU Qiongge.Development and prospect of immersed tunnels［J］.China Harbour Engineering，2004 (5):57－62.(in Chinese))

［6］ 陳越.從廣州地區(qū)沉管隧道建設(shè)談沉管隧道的建造設(shè)想［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008(1):13－18.(CHEN Yue.On the construction of immersed tube tunnels from the experience of immersed tube tunnel pratice in Guangzhou region［J］.Modern Tunnelling Techonlogy，2008(1):13－18.(in Chinese))

［7］ Joseph Y C lo，C K Tsang.The state-of-art technology for immersed tube tunnel in Hong Kong and Korea［J］.The State-of-the-art Technology and Experience on Geotechnical Engineering in Korea and Hong Kong，2008(3):45－59.

［8］ 張志剛，劉洪洲，付佰勇.沉管隧道地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)選型［C］//公路隧道安全設(shè)計(jì)與運(yùn)營管理暨水下隧道建設(shè)技術(shù)國際會(huì)議論文集.廈門:廈門路橋建設(shè)有限公司，2011:500－510.