沉管隧道施工技术研究
中铁第十三工程局第四工程处
【摘 要】 通过对沉管隧道的干坞修筑、管段预制、基础施工、浮运沉放、回填覆盖等工序施工方法的分析研究，对沉管隧道施工全过程施工工艺确定、质量控制等进行了较详细论述，为此类工程施工提供参考。
【关键词】 沉管隧道 施工技术 研究
1、 世界沉管隧道发展概况
自1910年美国用沉管法修建第一条水下隧道以来，至今已有90多年的历史。截止1998年，世界上共修建107座沉管隧道，其中美国、荷兰、日本等国修建的数量较多，中国共修建9座沉管隧道，其中内地修建2座（879延米），香港修建6座（7562.5延米），台湾修建1座（720延米），共计9161.5延米。
2、 沉管隧道工程简介
2.1.用管段沉放法修建水下隧道是一种重要的越江手段,是集水运、公路、桥梁、地下建筑、房建、钢结构、通讯、照明、消防、给排水、监控等综合技术的交通枢纽工程。至今，仍没有较科学系统的设计施工规范和标准。沉管隧道工程从其项目的确立到其设计、施工都要根据不同的水文、地质、航运及使用功能等方面的需要，建立大量的相应试验模型和数据库，并进行技术分析论证，确保各项技术指标的科学合理。同时，各专项试验贯穿施工全过程，利用试验确定的参数和现场勘测的数据，科学指导施工。沉管隧道施工技术含量高，难度大，多学科技术综合运用集中。
2.2.沉管隧道工程通过在岸上修建一干船坞，在干坞内预制管段，管段封闭，干坞内注水，管段起浮。利用经加工的特殊驳船，浮运至隧道位置，测量校正，管段内注水沉放。根据江河的流量和回淤量，确定基槽开挖时间，待开挖至设计高程并经基底处理后，以最短时间注水将管段沉入基槽内。利用千斤顶或其它方法进行管段的初步联接，采用水力压接法进行最终联接和接头封闭，最后回填覆盖。
2.3.沉管隧道的特点和类型 2.3.1.沉埋混凝土管段隧道
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沉埋混凝土管段隧道的特点是隧道的管段由钢筋混凝土制成，钢筋混凝土用于结构构造和作为镇载物，隧道外部防水一般采用钢板或沥青防水薄膜。
绝大多数混凝土管段隧道由多个节段用柔性接缝连在一起组成。因为每一管段是一个整体结构，更易控制混凝土的灌注和限制管段内的结构力。
2.3.2.钢壳管段隧道
钢壳隧道管段是钢壳与混凝土的复合结构，钢壳可作为防水层并在结构上有明显的作用。混凝土主要承受压力和作为镇载物，并且也有助于结构上的需要。
钢壳管段具有弹性特点，钢壳管道隧道是一个具有柔性的整体结构。 2.3.3.混凝土管段隧道技术与钢壳管段隧道技术的比较 2.3.3.1.管段制造技术比较
钢壳管段的制造：先制造全部或部分钢壳，再在此结构中添加浇注龙骨混凝土以增加其稳定性和刚度，然后下水。管段可通过使用平衡导向结构（绞盘、千斤顶、链条等）侧向下水或端头下水。管段浮在水上后，如有必要，可将其拖到一个舣装码头对钢结构进行最后装备，然后灌注全部或剩余混凝土，另外还安设一些水上作业特殊需要的装置，如临时性的挡头板、接缝结构和进入竖井。沉放前在管段上铺设附加的镇载——混凝土或砾石。这种管段制造技术可用于造船、造船台以及轮船升降机、船坞或临时性船坞渠。
混凝土管段制造是修筑干坞船或利用现有的船坞（经过局部改造）来建造。通过降水处理加固坞底、修筑防排水系统、管段模板设计加工、管段砼施工工序、工艺设计及控制等、完成管段制造。封闭管段、注水起浮、锚泊存放，下沉连接、回填覆盖等完成隧道施工。
2.3.3.2.沉放技术比较
钢壳管段的沉放采用混凝土或砾石做为镇载。
混凝土管段的沉放采用管段内注排水来控制管段的沉浮。 2.3.3.3.成本比较
因沉管隧道设计施工的复杂程度较高，控制因素较多，故不能简单地对成本进行科学合理的比较。
2.3.3.4.混凝土管段隧道及钢壳钢段隧道在质量、防水性、寿命、可靠性、维修等方面的最终结果是一致的。
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2.3.4.悬浮隧道：悬浮隧道的锚固系统已取代了浚挖作业，对浮力的假设与沉埋隧道完全不同。虽说目前还未建成一座悬浮隧道，但其数据收集和对环境影响的判断以及采取的技术革新与一般沉管隧道是基本相一致的。
2.4.沉管隧道的优点：可缩短施工期，减少时间超出和费用超支的风险，时间上的延误可以通过加快某些作业或者通过采取增加设备和相应的补救措施来弥补。
3、 沉管隧道施工准备
3.1.技术准备
3.1.1.外部情况和环境条件的调查、分析、判断 3.1.1.1.水力情况
3.1.1.1.1.数据收集与方法的选用
数据收集取决于工程当地的条件、工程特定的要求和可以获得的信息。长期信息（即经过5~10年时间收集的数据）是最为可取的。同时，判别选定关键的、重要的、可利用的信息、处理信息的方法及在未预见情况判定上，可通过熟练的专家对相关条件和情况进行评价，达到避免其发生的目的。
3.1.1.1.2.水流的速度及方向、水深、水流的性质和流量，分散和悬浮特征
收集水流速度及方向的长期数据，并建立数据库，测量水流速度、方向、潮汐情况，做好实测记录，与收集的数据进行比较分析，来规划拖船的能力、沉放设备、管段内的设施和拖运、沉放时间，科学合理地确定施工工序。有必要建立水上作业时测量记录流速及流向的系统。
3.1.1.1.3.水的比重、水中各层的有氧和缺氧状态
由于沉管隧道的设计与施工与浮力原理有直接关系，因此必须准确了解水的比重。水的比重在一段时间内可能随地点、深度、沉积和温度的不同而不同，而气象与水力条件之间的相互关系，对水的比重也有影响。根据沉管隧道位置，划定合理区域，按不同时间、温度、深度进行水的比重测量，并做好记录，是必要的。水的比重范围为0.9850~1.003。
3.1.1.1.4.潮汐
潮汐会引起水流速度及水位的变化，对管段制造场地的选择和设计、管段的水上运输和沉放、沉放地段的长度都有影响。通过详细的调查、分析，
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判断最适合水上作业或所需环境的“潮汐窗口”时期，以确保施工安全及施工精度。
3.1.1.1.5.波浪、大海浪和击岸波
波浪、大海浪的作用对管段的运输和沉放作业影响较大，击岸波对沉埋的排水也有影响。同时，隧道管段本身的频率与风、海上条件和/或航运行船引起的波浪或大海浪的可能频率之间的相对关系，对停泊在舣装码头上的隧道管段有巨大的影响。因此，对波浪、大海浪及击岸波要建立监测系统，收集相对准确的数据资料，做为管段运输、沉放、停泊施工方案设计的依据。
3.1.1.1.6.沉积
形成沉积的主要原因： （1）基槽处流速的突然降低。
（2）当与海水混合时，悬浮在淡水中的沉积物絮凝并沉到底部，形成薄薄的一层泥。而以后的潮汐作用在其上形成多次沉积并可能产生固结。
（3）在大流量和高流速水道中，可能存在着沿河底携带输送的材料（砂、卵石），这些材料很容易在已浚挖好的基槽中沉积。
（4）在某些条件下，为工程进行的一些活动或在工程附近的作业都可能增加沉积量。
沉积对基槽的维修、基础的质量和安装的镇载系统的质量、数量有影响。对不同流速下的沉积速度等状况的调查是必须的。
3.1.1.1.7.河流/海洋的其它特点及障碍
主要是指涉及结冰（冰块）、海藻和贝壳（或鱼）以及浚挖基槽位置上出现的沉船一类障碍的情况等。
3.1.1.1.8.水力模型
在上述数据的测量记录基础上，建立相关水力试验模型，对拖运沉放作业方案和操作方法的科学制定，有着非常重要的指导意义。
水作用于管段上的力的计算： F= 0.5·A·ｒ·V2·Cd
式中：A—垂直于水流的管段暴露的表面积；
ｒ—水的比重；
Cd—摩擦系数（拖运系数）；
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V—相对速度，即管段速度与水流速度之差。
摩擦系数Cd随特定工程的环境不同而不同，受隧道管段形状、河流状态、基槽布局、位于水中的管段尺寸和在河流中管段阻塞因素的影响，是由试验室试验得出。实践证明，试验得出的摩擦系数与实际值相吻合。因此建立水力模型是必须的。
3.1.1.2.气象方面
3.1.1.2.1.数据的收集和方法的选择
收集长期气候信息，建立现场气候监测和预报台，对预先了解各种作业时的气候条件，以采取相应的合理作业方案，是必须的，也是提前确定气候“窗口”（即指气候条件适宜于拖运和沉放作业的时间段）的必要依据。
3.1.1.2.2.建立风、温度、能见度、雨、雪气象情况的监测系统及数据资料库，并对数据进行分析、判定和处理，及时进行气象情况的预报工作，是保证工期、安全及尽可能地降低费用的必要手段。
3.1.1.3.航运/航海
主要进行航运量的调查，与航运部门和有关人员针对沉管隧道施工对航运的影响、封航时间等进行协商，以确定施工方案。同时，调查分析轮船运行对已沉放隧道管段的吸力及对系留在舣装码头的隧道管段产生的影响，提出轮船运行的限定标准和锚定或系留隧道管段缆索的质量要求。
3.1.1.4.土壤调查
收集该地区的地质历史，曾进行过的工程及对土壤的影响、岩层分布等方面的资料，做基槽浚挖边坡稳定性试验，实地勘测基槽中土壤的矿物成份、粒度成份、密实度、强度、粘度、固结程度、刚性材料的成份分布、污浊物的性质和污染程度，有机物的含量，粗碎屑的气体含量和化学性质等方面的数据，并结合工程特点，进行沉陷分析及预测。
3.1.1.5.对现场及受现场活动影响地区的生态条件的调查
物理条件：温度、光的强度和穿透度、沉积特点、掩蔽区/掩藏的地方、水流和波浪的能量。
化学条件：含盐量、氧气密度、养分、有毒物质、絮凝作用。 生物条件：食物关系、伴生物种。
3.1.1.6.地震方面：主要了解地震裂度，发生频率、周期等。
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