海上沉管隧道浮運(yùn)沉放施工技術(shù)芻議

楊寶元

摘 要：海上沉管隧道工程涉及多種類型的施工技術(shù)，在保證技術(shù)手段合理運(yùn)用的情況下，能建設(shè)一條海底交通隧道，完善構(gòu)建城市交通系統(tǒng)。本文主要針對(duì)海上沉管隧道浮運(yùn)沉放施工技術(shù)進(jìn)行研究，為了解決潮汐、海浪對(duì)隧道施工產(chǎn)生的影響問題，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)墓芏胃∵\(yùn)沉放方法，綜合考慮水力壓接和回填等問題，確保海上隧道施工作業(yè)的順利展開。

關(guān)鍵詞：沉管法;海上隧道;浮運(yùn)施工;沉放施工

改革開放以來，我國(guó)在海上沉管隧道施工方面取得良好發(fā)展，逐漸建成了廣州珠江沉管隧道、寧波甬江口常洪隧道等，積累了大量施工經(jīng)驗(yàn)。目前關(guān)于海上沉管隧道的理論文獻(xiàn)較多，針對(duì)沉管隧道的管段浮運(yùn)沉放施工手段進(jìn)行總結(jié)分析，為之后的隧道施工提供了借鑒，能保證海底隧道修建中各項(xiàng)技術(shù)的有效利用。

一、海上沉管隧道施工基本問題

在進(jìn)行海上沉管隧道施工時(shí)，要注意以下問題：一是起浮和抗浮問題。沉管管段自重較大，它能否正常起浮是施工中主要考慮內(nèi)容，需要選擇適合的施工技術(shù)，保障施工質(zhì)量及安全性。在管段起浮后，通常采取鋼質(zhì)端封門使管段兩側(cè)密封，調(diào)整管段重心在中線軸上，之后在干塢內(nèi)加水讓管段起浮，將管段起浮后超出水面的高度稱為干舷值[1]。這一數(shù)值過小時(shí)，容易產(chǎn)生起浮障礙。因此需要加大對(duì)干舷值的控制，根據(jù)國(guó)外施工經(jīng)驗(yàn)，通常將管段干舷值設(shè)計(jì)在150-250mm范圍內(nèi)。干舷值大小和鋼筋配筋率、混凝土容重、空腔面積比、起浮水容重以及施工附加重等因素有關(guān)，這些因素是不斷變化的，因此加大了干舷值計(jì)算難度。在施工實(shí)踐中，計(jì)算結(jié)果往往比實(shí)際值要小，以免阻礙管段的起浮。二是隧道防水和接頭問題。防水是海上沉管隧道施工中面臨的重要難題，尤其在部件接頭部位，要采用防水技術(shù)。如在鋼殼管段防水處理上，應(yīng)注重管段間連接部位的防水處理，在接縫對(duì)準(zhǔn)后采用混凝土灌注法，完全包圍住接縫。另外考慮到混凝土表面會(huì)出現(xiàn)裂縫，當(dāng)發(fā)生滲漏問題時(shí)會(huì)造成鋼筋銹蝕，因此還要做好管段防水工作。通常采用自防水、接頭防水和施工縫防水方式，確保防水有效性。三是管段浮運(yùn)沉放定位和水下壓接問題[2]。將管段沉放到水中后，將其拖運(yùn)至沉放標(biāo)注點(diǎn)來進(jìn)行之后的施工操作。管段浮運(yùn)沉放共分成管段起浮、浮運(yùn)、沉放和水下壓接等環(huán)節(jié)。其中管段定位和水下壓接是施工關(guān)鍵階段。

二、海上沉管隧道管段浮運(yùn)沉放施工技術(shù)分析

（一）管段浮運(yùn)技術(shù)

管段浮運(yùn)是在管段周圍捆綁駁船，通過推船和拖船等，將管段拖運(yùn)到相應(yīng)位置，由于管段自重和航道的限制，導(dǎo)致管段浮運(yùn)過程中的操作難度大，需要統(tǒng)籌考慮拖船數(shù)量、布局等因素。管段預(yù)制施工完成后，施工人員按照施工要求安裝浮運(yùn)沉放施工設(shè)備，向干塢內(nèi)注水，使管段起浮直至干舷值達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為止，這時(shí)打開塢門讓管段出塢。將管段拖運(yùn)到施工地點(diǎn)并開始沉放定位。一般選用岸上絞車或拖輪拖運(yùn)管段。由于管段自重和體積較大，會(huì)造成定位不準(zhǔn)確，需要認(rèn)真考慮拖輪布局、數(shù)量和種類。在運(yùn)輸管段時(shí)，要注意航行水道中可利用的控制、管道特性、拖船能力和種類等條件，確保管道浮運(yùn)施工順利進(jìn)行。

浮運(yùn)方式主要受浮運(yùn)距離、水文條件、航道情況等因素限制，一般選擇絞車拖運(yùn)或拖輪浮運(yùn)方案。實(shí)際拖運(yùn)中，拖輪布置方式包括以下幾種：一是四輪拖運(yùn)。一種方式是指設(shè)計(jì)兩艘拖輪在隧道管段前面領(lǐng)拖，其余兩艘拖輪在管段后面調(diào)整轉(zhuǎn)向。另一種是前面一艘拖輪領(lǐng)航，管段兩側(cè)分配一艘輔助拖輪，后面設(shè)計(jì)一艘拖輪制動(dòng)轉(zhuǎn)向。二是三船拖運(yùn)管段[3]。一種方式是兩艘拖輪在前面領(lǐng)拖，一艘在管段后面反拖，另一種方式是設(shè)計(jì)一艘主拖輪在前面拖運(yùn)，兩艘拖輪在隧道管段后面兩端制動(dòng)導(dǎo)向。三是岸上絞車拖運(yùn)方法。若航道較窄，則可優(yōu)先選擇絞車拖運(yùn)法。例如甬江水下沉管隧道浮運(yùn)時(shí)，考慮到水流速度大、江面較窄，可采取絞車拖運(yùn)的方式過江。實(shí)踐證明上述施工手段是可行的。大型隧道管段浮運(yùn)施工中，由于管段自重大，受到的水下阻力較大，因此要提供足夠的拖曳力來控制管段起動(dòng)。如日本東京港隧道施工中，要使管段拖運(yùn)較長(zhǎng)距離，根據(jù)水阻力、管段自身慣性來計(jì)算拖輪制動(dòng)力和拖曳力，最終確定主拖輪300HP，確保拖曳力足夠大。

（二）管段沉放技術(shù)

當(dāng)前沉管隧道施工中常見的管段沉放技術(shù)包括浮船法、頂升平臺(tái)法、起重船吊掛方法等，沉放方式的選擇與水流速度、管段尺寸大小有關(guān)。因?yàn)楣芏瓮窍湫徒Y(jié)構(gòu)物，體積大且定位精度要求高，實(shí)際進(jìn)行沉放施工時(shí)要考慮多種因素。一方面要分析水流速度，是決定管段沉放技術(shù)的主要因素之一，另一方面，應(yīng)考慮潮汐對(duì)沉放施工的影響。不同海上隧道所處地質(zhì)情況和水文條件不同，工程運(yùn)行中施工技術(shù)的選擇要結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)來確定。

管段沉放施工環(huán)節(jié)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)水下施工加大了操作難度，實(shí)際施工中會(huì)受到河流速度、航道條件、施工設(shè)備的影響。管段沉放技術(shù)的選擇和結(jié)構(gòu)計(jì)算、沉放時(shí)的受力分析以及抗浮能力等有著一定關(guān)聯(lián)性[4]。為了降低施工難度，在沉放過程中要盡可能借助水本身的自然能力，將管段沉放到指定位置。沉放方法要結(jié)合河流條件、管段自重和尺寸大小來確定，隨著海上沉管隧道工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的積累，逐漸發(fā)展出多種沉放技術(shù)。一是分吊法。一種形式是在管段預(yù)制中提前設(shè)計(jì)3-4個(gè)吊點(diǎn)，準(zhǔn)備2-4搜200t左右的浮箱，將其和吊點(diǎn)連接在一起，隨著浮箱的下沉將隧道管段放至規(guī)定位置。另一種形式是浮箱吊沉法，是目前使用較頻繁的沉放技術(shù)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。該方法需要利用四個(gè)150t左右的浮箱，使之和管段相連，施工技術(shù)的進(jìn)步，逐漸采用駁船替代浮箱，簡(jiǎn)化了施工作業(yè)。二是杠吊法。包括雙駁杠吊法和四駁杠吊法[5]。其中雙駁杠吊法是利用兩艘方駁船來拖運(yùn)管段;四駁杠吊法是使用四艘方駁，組成穩(wěn)定性較好的沉放船組。上述施工方法在大型管段沉放施工時(shí)應(yīng)用效果較好，保證兩艘方駁對(duì)稱布置，使其功能對(duì)稱發(fā)揮，能保證管段在水中的平衡性。如日本的多摩川隧道，便是采用杠吊法施工的。但應(yīng)注重該方法不能用于惡劣的水域環(huán)境中，以免造成航道堵塞。三是騎吊法。這一方法主要設(shè)備為水上作業(yè)平臺(tái)，達(dá)到指定位后向浮箱內(nèi)注水，將鋼腿插入海底，移動(dòng)時(shí)排出箱內(nèi)的水，沉放過程中將管段放在作業(yè)平臺(tái)下方，使管段緩慢吊放至規(guī)定位置。該施工方法的定位精度高，作業(yè)時(shí)對(duì)航道的影響小，適用于水上交通量大的施工地點(diǎn)。

在選用管段沉放技術(shù)時(shí)要遵循以下原則：一是安全原則。從歷史資料來看，海上沉管隧道管段沉放施工成功率較高，但是要想靈活控制大型管段的下沉過程，要將施工安全放在首位，充分考察施工環(huán)境、水流速度和潮汐周期等因素，保證沉降設(shè)備在控制管段沉降時(shí)有足夠的調(diào)整空間，提高施工可靠性;二是效率原則。施工效率是管段沉放施工效果的主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為了減少外部因素對(duì)沉放施工的影響，要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成沉放作業(yè)[6]。因?yàn)楣芏巫灾卮螅谒髯饔孟聰埨K承受的力明顯增大，因此需要保證纜繩布置的合理性;三是環(huán)境影響最小原則。沉放施工中勢(shì)必會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厮颦h(huán)境產(chǎn)生影響，應(yīng)盡量縮短施工時(shí)間，平衡好工程建設(shè)和水域環(huán)境保護(hù)間的關(guān)系。

三、案例分析

為了具體了解海上沉管隧道施工中浮運(yùn)、沉放技術(shù)的運(yùn)用要求，本文以上海某一海上隧道工程為例，討論浮運(yùn)沉放方法的選擇和實(shí)施。該隧道位經(jīng)過河道水位時(shí)，水深為3-6m，水面寬400-500m，為了確保施工期間不影響船只正常通行，在隧道施工范圍內(nèi)開挖一條臨時(shí)航道。對(duì)施工地點(diǎn)水文環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可了解到部分時(shí)段河流水位線較高。在浮運(yùn)沉放施工方案設(shè)計(jì)中，結(jié)合調(diào)查研究結(jié)果，確定了管段安裝順序，并要求起浮期間，干舷值要超過5.4m。浮運(yùn)過程中，水流速度要控制在0.618m/s內(nèi)，最佳浮運(yùn)時(shí)間為從漲潮前至平潮后的過程，這時(shí)水流速度穩(wěn)定方便施工。另外，結(jié)合水域環(huán)境、水流速度和管段尺寸等，計(jì)算沉放施工需要的浮力為200-400t。在整個(gè)沉管隧道施工設(shè)計(jì)指導(dǎo)下，確定施工設(shè)施性能和各個(gè)構(gòu)件安裝時(shí)允許的誤差值。其中管節(jié)頂面標(biāo)高誤差約為5cm，橫向允許誤差為2cm，縱向允許誤差為2cm。

在浮運(yùn)方案設(shè)計(jì)方面，考慮到浮運(yùn)方式主要受浮運(yùn)距離、航道條件、氣候條件等因素的制約，制定了以下兩種可行性施工方案。一是拖輪浮運(yùn)。利用大型拖輪提供主動(dòng)力，其他四艘拖輪用來調(diào)整管節(jié)方向，這一形式體現(xiàn)出易控制、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是拖輪和管段共占據(jù)200m的水域空間，而本次浮運(yùn)距離為400m，相對(duì)來講拖運(yùn)設(shè)備利用率低。二是絞車拖運(yùn)方式。該方法原理為在管段接頭前連接一艘方型駁船，安裝一臺(tái)絞車提供拖運(yùn)動(dòng)力，岸上的其余兩臺(tái)絞車可提供制動(dòng)力，在三者同時(shí)作用下，將管段沉放在設(shè)計(jì)位置。這一浮運(yùn)方案施工時(shí)間短，工序簡(jiǎn)單，對(duì)比上述浮運(yùn)設(shè)計(jì)方案有著明顯優(yōu)勢(shì)。

另外，沉放施工技術(shù)的選擇和管道結(jié)構(gòu)、抗浮系數(shù)以及管段受力情況等有著緊密聯(lián)系，主要設(shè)計(jì)了以下沉放方案。首先是雙駁船吊掛的沉放方式，在施工中將駁船安裝在管段兩側(cè)，兩艘駁船之間設(shè)置大型鋼梁為承力梁;其次采用自臺(tái)式沉放方式，利用管段頂部平臺(tái)延伸出的懸臂梁為承力梁，該方案操作簡(jiǎn)單、受力明確;最后，可采用起重船沉放方法。運(yùn)用原理為將方駁作為起重船固定的根基，將起重船雙溝和管段連接在一起，可進(jìn)行沉放施工。該方法工序簡(jiǎn)單、成本低，但要求配備性能良好的起重設(shè)備。對(duì)比上述沉放方案，前兩種大多運(yùn)用在水流速度大、水深的施工地點(diǎn)中，第二種方案實(shí)施時(shí)管段浮運(yùn)過程中會(huì)受到干舷值影響，只適用于管段較長(zhǎng)的浮運(yùn)沉放施工中。而最后一種方案在水速不大、水深淺的地區(qū)體現(xiàn)出較好適用性。從經(jīng)濟(jì)層面看，利用起重船的沉放方式，工程施工成本如下：沉放設(shè)備購置費(fèi)占總成本的15%;浮運(yùn)沉放作業(yè)費(fèi)用占比65%;技術(shù)改造費(fèi)用占比15%，由此可知該方法在設(shè)備投資上費(fèi)用運(yùn)用較少，能有效控制施工成本。因此，根據(jù)隧道施工地點(diǎn)的水上交通情況、管段尺寸、管段結(jié)構(gòu)和水文條件等，可優(yōu)先選擇起重船沉放方法，具體選擇500噸起重船和2000噸方駁船進(jìn)行沉放作業(yè)，能保證沉管隧道浮運(yùn)沉放施工計(jì)劃的有序落實(shí)，最終達(dá)到預(yù)期的隧道施工效果。

結(jié)論：綜上所述，海底沉管隧道是重要的工程項(xiàng)目之一，在工程開展過程中，需要做好管段浮運(yùn)和沉放施工作業(yè)。對(duì)于技術(shù)人員來說，需要結(jié)合工程實(shí)際，明確施工方法、施工時(shí)間，加大對(duì)施工流程的控制。本文重點(diǎn)研究了海上沉管隧道浮運(yùn)沉放施工手段的運(yùn)用，總結(jié)先進(jìn)的隧道修建技術(shù)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)沉管隧道工程的良好發(fā)展，為我國(guó)海上交通領(lǐng)域的不斷拓展提供條件。

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