港珠澳工程沉管隧道施工技术介绍

　　摘　要：沉管法因其施工方式先进，可操作性强，已逐渐成为修建水下大型隧道的一种成熟的施工工法。概要介绍了我国沉管隧道的现状与发展过程；以港珠澳工程沉管隧道施工为例，详细介绍了基槽开挖、基础处理、超大管节预制及浮运沉放的施工技术；对沉管隧道所应用的新工法、新材料、新机具、新工艺等关键技术进行了分析。
　　关键词：沉管隧道；港珠澳工程；基槽开挖；基础处理；管节预制；浮运沉放

　　1沉管隧道概述
　　沉管法是在20世纪初发展起来的一种修建水下隧道的方法。根据国际隧道协会(ITA)沉管隧道和悬浮隧道工作组1993年报告，一种当今普遍被认可的沉管隧道定义为：沉管隧道是由若干预制的管节，分别浮运到现场，一个接一个的沉放安装，在水下将其相互连接并正确定位在已经开挖的水下沟槽内，其后辅以相关工程施工，使这些管节组合体成为连接水体两端陆上的隧道型载体。
　　沉管法隧道对地基承载力要求较低，特别适用于软基、河床或海床易于用水上疏浚设施进行基槽开挖的工程地点。由于其埋深小，包括连接段在内的隧道线路总长较矿山法和盾构法隧道显著缩短：沉管断面形状圆方皆可，选择灵活；基槽开挖、管段预制、浮运沉放和内部铺装等各工序可平行作业，彼此干扰较少；管段预制质量易于控制。随着沉管法隧道设计和施工中关键技术问题的逐步解决和日趋完善，沉管隧道已得到广泛的应用。
　　2我国沉管隧道的现状与发展
　　2.1沉管隧道现状据资料统计，截至2013年，我国已建/在建沉管隧道达到17条（见表1）。其中大陆地区11条，香港地区5条，台湾地区1条。
　　2.2我国沉管隧道的发展
　　我国沉管隧道的发展具有以下几个特点：1)管节制造材料的变化：逐渐由钢筋混凝土取代纯钢材。
　　2)管节截面形式的变化：逐渐由空间利用率更高的方形取代圆形。
　　3)管节规模的变化：随着钢筋混凝土预制质量控制（特别是混凝土长大、贯穿裂缝的控制）技术的不断提高以及纵向预应力措施和钢（化学）纤维的引入，沉管隧道管节的长度越来越长。
　　4)适用范围的变化：早期沉管隧道一般用于内河，随着设计施工技术的发展，其适用范围也在不断扩大。目前，沉管隧道不但可以修建在较坚硬的河床、海床上，还出现了不少深埋类的工程案例。
　　港珠澳工程沉管隧道作为目前中国乃至世界上屈指可数的大型跨海隧道，其设计施工均采用最新的技术。该工程超大管节的预制、复杂海洋条件工管节的浮运和沉放、高水压条件下管节的对接及接头的水密性及耐久性、隧道软土地基不均匀沉降控制等技术均达到了世界最高水准。
　　2.3港珠澳工程沉管隧道施工中新技术的运用
　　2.3.1基槽开挖
　　基槽开挖包括粗挖、精挖及清淤。
　　1)粗挖是指开挖自然泥面至离设计底标高约2m间的泥层，工程选用2条10000m3以上耙吸船承担粗挖施工，耙吸船具有动力定位和动力跟踪的功能。
　　2)精挖是指开挖粗挖完成后至设计底标高间的泥层。工程基槽精挖采用1艘斗容量25m3，以上、具有定深和平挖功能的大型抓斗挖泥船进行基槽精挖。基槽精挖按垂直基槽分条施工，每条宽为20m，分层开挖，分层厚度控制在0.6～0.8m．依据疏浚监控系统显示的施工船位和抓斗平面位置控制前移和横向排斗。定深平挖抓斗与传统抓斗作业对比见图1。

　　3)清淤是指清除粗挖结束后至精挖前基槽淤积的泥沙及精挖后基槽底和基床面回淤的浮泥层。选用专用清淤船进行清淤，确保沉放时水容重的变化在要求范围之内。
　　2.3.2基础处理
　　沉管隧道基础处理的目的是消除不规则的空隙。其方法分为先铺法和后填法两类。前者是在管节沉设之前，先铺好砂、石垫层；后者是先将管节沉设在预置于沟槽底上的临时支座上，随后再补填垫实。
　　1)后填法一般为砂流法和喷砂法。该工法有以下几个不利之处：
　　(1)地震情况下，砂层可能被液化；
　　(2)砂流法铺设的砂层在波浪、海流流速达到临界值后容易受到冲刷的影响；
　　(3)需要较长的时间完成填砂，而同时管节支撑在支座上，还没有锁定回填，如果此时气象条件变坏，将造成巨大的施工风险。
　　港珠澳工程基础处理采用碎石整平法，是先铺法中碎石刮铺法的另一种形式。整平碎石层的铺设精度可控制在+20mm似内，以免对底板产生过大的附加弯矩。
　　碎石刮铺船依靠4根管桩打人海底，作为固定；凭借船上的桁车移动和填料刮铺筒进行碎石刮铺施工。刮铺船使用GPS定位，定位精度和刮铺施工的精度都很高。其填料刮铺筒出料口前后有超声波探测装置，可及时了解到碎石刮铺状态及产生的偏差。刮铺筒的填料口可以根据船体标高灵活调整，刮铺筒的深度也可根据不同需要灵活调整（见图2）。
　　2)碎石整平法的优点：
　　(1)在相对较大的波浪和水流情况下仍能适用； 　　(2)基础垫层和管节沉放施工速度较快；
　　(3)管节沉放连接后能快速形成管节的稳定；
　　(4)采用的设备可用于回填的施工；
　　(5)管节沉放前，与隧道接触的垫层顶面能进行可视化检查。
　　2.3.3超大管节预制
　　为了克服和解决施工精度要求高、施工难度大、施工工期紧张等诸多工程问题，整个隧道管段采用工厂化生产制作。
　　工厂化生产管段的干坞主要是由厂房内的生产线不间断地生产管节段，待管节段初步养护到位后，向前顶进；然后继续施工后续管节段。工厂化干坞可以更好地控制管段的浇筑质量。工厂化生产制作在世界上首次应用于厄勒松连接线，在中国则首次应用于港珠澳工程（见图3）。
　　工厂化生产干坞建设分为生产厂房、管段滑行区、管段临时寄放区3大部分（见图4）。
　　1)生产厂房用于将预制钢筋网片的拼装和管节段浇筑、养护。
　　2)管段滑行区用于将已制作完成的节段推进滑行。节段下方设置滑行梁，滑行梁下部采用桩基础，上部采用多点千斤顶系统和减摩垫层，控制差异沉降量，减少摩擦阻力，确保节段滑行时结构不产生有害裂缝。
　　3)管段临时寄放区用于临时寄放已经宪成养护并完成一次舾装的管段。该区域建于干坞出海口，可减少干坞开挖工作量。
　　2.3.4管节的浮运、沉放安装
　　管节的浮运、沉放安装在整个沉管隧道施工过程中是十分重要的工序。沉放施工直接影响到整个沉管隧道的施工质量和进度。
　　管节的浮运采用拖轮拖带的方式。可结合工程水域和隧道基槽水深的实际情况，采用纵拖和横拖相结合的浮运方案。
　　目前广泛使用的管节沉放方法有多种，这些方法适用于不同的自然条件、航道条件、隧道规模以及设备条件。经国内外调研，对多种沉放方案进行比选，发现双驳扛吊法是稳定性和可控性较好的管节沉放安装方式。
　　在港珠澳工程中，为了承担沉放过程中隧道管节所需的负浮力，管节沉放驳系统由2个双体船沉放驳构成。这2个沉放驳系统将安装在管节两端，通过吊索与管节相连。
　　沉放作业所需的所有设备均安装在沉放驳甲板上，作业人员也在沉放驳上工作。为减少沉放施工过程中的风险，除必需的潜水作业外，沉放作业由工作人员在沉放驳甲板上操纵远程控制系统完成。
　　沉放驳为双体船式结构，由两侧沉放驳和顶部横梁3个部分组成。双体船沉放驳自重和管节沉放所需的负浮力由两侧的浮箱共同承担，这两个浮箱由横跨管节的横梁相连接。横梁上设置工作平台，用来安装绞车和滑轮模组，用于控制管节沉放的缆索作业。在管节沉放期间沉放驳将承担管节浮力2%-3%的负浮力以及所有缆索的张力。
　　3结语
　　近几年，沉管法隧道无论从设计方法、施工工序、配套工程的处理等方面都取得了长足的进步：同时，因其施工方式先进，可操作性强，已经逐渐成为修建水下大型隧道的一种成熟的施工工法。随着沉管技术的发展及各个工程难题的克服，沉管隧道适用范围已得到较大的拓宽。
　　港珠澳跨海隧道工程的顺利实施，证明我国已掌握了沉管隧道应用新材料、新机具、新工艺等关键技术，并积累了许多宝贵的经验。