沉管隧道施工工艺研究

魏瑶瑶

（商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000）

0 引言

随着隧道施工工艺的发展，隧道已可以穿越复杂地质、湖泊甚至海洋。沉管法是修建海底隧道的核心技术和主要手段。沉管法施工不仅节约了成本，提高了工作效率，也解决了施工安全等技术难题。在之后的技术发展中，每一步关键施工环节又新生了许多工艺，使沉管法逐渐走向成熟。

1 沉管法概述

沉管法起源于欧洲，荷兰鹿特丹水下隧道开创了沉管法的先河，随后，在美国底特律，人们把更多技术投入沉管隧道中，沉管法逐渐发展，并在技术上逐步突破，现如今，沉管法已经是修建水底隧道的主要施工方法，沉管法技术已经成熟，能穿越更深的河底和海底。沉管法简单说就是先在预制厂内（船台或干坞）预制管段，管段两端做隔水挡墙，然后将管段用拖轮或者起吊装置运送到指定位置，进行基础处理，然后沉放，拼接管段，防水处理，基础再处理，回填加固，随后拆除隔水挡墙使各个管段连接成一体，最终拼接成完整的隧道。水底隧道采用沉管法施工具有较多的优点，1950年以后，水底隧道施工在水下连接等关键性技术上有很多重大突破，现已被普遍采用。沉管法的施工流程见图1。

图1 沉管隧道施工流程

2 沉管隧道施工工艺

目前，沉管隧道施工工艺主要分为以下几个部分：管段制作、管段浮运和沉放、基槽开挖、基础处理、水下连接。港珠澳大桥沉管隧道就很好地运用了世界上的先进工艺，还进行了创新和突破。

2.1 管段制作施工

传统的管段制作方式可分为船台上制作和干坞中制作两大类型，其施工流程见图2。管段的横断面形状主要有：圆形、八角形、花篮形、矩形，见图3。传统干坞方法预制管节的预制质量与工作效率不高，这是因为管节的每一道工序，绑扎钢筋、架立模板、浇筑混凝土、拆模养护，都被限制在一个很有限的空间内进行。现多用管节流水化生产，解决管节长、体积大、数量多及运输距离长、工期紧的技术难关。

图2 管段制作方式

图3 沉管隧道断面形式

2.2 管段浮运和沉放

常见的管段浮运方法根据工程的建设条件以及设备的情况不同，经过经济技术必选分为绞拖、浮船坞浮运和拖轮拖运等。在沉管法发展的历史进程中，使用过很多种、很多形式的设备进行管段的浮运和沉放，常见的管段沉放方法有浮箱吊沉法和方驳杠吊法。

浮箱吊沉法是利用2 或4 个方形浮箱将管段用吊索系吊在下方，浮箱用钢桁架彼此链接，形成一个前后两组共同运送的稳定体系。当浮箱将管段浮运到位，使用浮箱上的起吊卷扬机和浮箱定位卷扬机，并用锚索前后牵拉管段，将管段精确沉放。这一沉放法的主要特点是设备简单，适用于宽度＞20m 的大、中型管段，是比较新的一种管段沉放法。

方驳杠吊法是在4 艘或2 艘方驳船之间架设钢梁，使其作为杠吊，将管段系吊在下方，进行浮运和沉放。这一方法在沉放时较平稳，且在浮运时可以用左右的方驳夹住管段以提高稳定性，常在小型管段浮运沉放时使用。

2.3 基槽开挖、基础处理

基槽开挖环节一般分为粗挖、精挖、清淤，管段沉放后再次清淤。

沉管隧道开挖阶段采用抓斗挖泥船进行精挖，使用数字控制系统进行控制，精挖完成后利用多波束技术检测水深，船舶的平面及姿态控制采用双RTK 接收器和船用姿态传感器实现，在挖泥船抓斗垂直方向上的桁架架设RTK 接收器进行高程控制。

根据基础处理与沉管沉放的先后顺序不同，目前世界各地沉管隧道基础处理方法可分为先铺法和后填法。

在穿越多种地质沉积层、地质条件较为复杂的地区时，为了确保施工质量和基础稳定，并适应沉管基础的刚度变化，在部分地段采用降水联合超载预压；在减光段和暗埋段使用降水联合超载预压和PHC桩；海岛连接段采用降水联合超载预压和高压旋喷桩装置；在沉管斜坡段设置挤密砂桩；天然地基段进行局部换填。沉管段的基础垫层施工主要是先使用整平船进行碎石铺筑和整平，再采用机械夯平块石，组成一个坚实稳定的结构体。

挤密砂桩可以增加地基强度、改善地基整体，它是由挤密砂桩与黏土联合作用，并间隔一定距离构成的复合地基。这种复合地基不仅能提高地基承载力，还可以增加地基整体的抗剪能力，防止地基产生滑动。其中密实砂桩还能起到排水作用，缩短土体的固结时间，减少工后剩余沉降。在挤密砂桩地基施工时，要根据地质条件的不同使用不同的施工技术，这是因为砂桩在松散砂土地质环境中施工时，会振动或挤压周围砂层，使其密度增加，从而起到加固作用。而在软弱黏土地基中，挤密砂桩主要起到置换软弱黏土和排水的作用，从而改善地基的强度和稳定性。总的来说，这种复合式地基能很好地改善基础质量，减少差异沉降，使基础更坚实更稳定。

2.4 水下连接

1940年以前，对于管段是钢壳的隧道，最常选用的连接方式为水下浇筑混凝土的方法拼接在一起。对于矩形钢筋混凝土管段，现常用温哥华法进行水下连接，其原理是，先布置一圈尖肋型胶垫在管段前端周围，待管段沉放下水后，巨大的水压力会作用在后端封墙上，由于力的作用前端胶垫产生压缩变形，一个水密性良好的止水接头就在连接处形成了。施工步骤可简略概括为：管段下沉到位前，先根据精度要求对准位置，然后用千斤顶或定位卷扬机，将需要对接的管段拉合，此时胶垫的尖肋略微变形。完成初步止水后，排出被胶垫封闭在两节管段封墙之间的水，并放入空气，随之巨大的水压力会将胶垫再次压缩，此时已经完全止水。最后完成拼接，拆除封墙，使已沉放的管段连通。

2.5 接头防水

沉管法隧道的接头防水技术至关重要，常见的接头防水方式有GINA 止水带和OMEGA 止水带。港珠澳大桥沉管隧道分为管节接头与节段接头防水。管节接头防水主要由GINA 止水带和OMEGA 止水带组成，节段接头防水由喷涂型聚脲防水涂料、中埋式可注浆止水带、OMEGA 止水带、遇水膨胀橡胶条联合构成的柔性结构承担。

2.5.1 GINA 止水带

GINA 止水带受到很大的静水压力而产生弹性变形，达到接头止水，然后在内部做永久性接头。压力与压缩变形特性根据管节接头所承受的水压及可能产生的最大变形量所确定。

由于管节之间承水压区别，在此条件下，GINA 止水带要控制压缩量，所以需在管节接头采用同一尺寸断面、不同硬度的橡胶。由于管节接头处的端钢壳采用的是单道端板的形式，端板与混凝土之间有一道接缝并且端板另一面的端部暴露在海水之中，这样会使端板受到海水的双面腐蚀，所以需要在接头端部涂布环氧重型防腐材料，一方面可以遮蔽端板与混凝土的接缝，另一方面可以遮蔽迎海水面的端板端部。与此同时，端板与混凝土的接缝中设置了遇水膨胀止水胶、止水钢片及预埋式注浆管，进一步加强端钢壳与混凝土的接缝防水。

GINA 止水带的安装为整环一次安装到位，按照顶板角部—顶板—底板角部—侧墙—底板的顺序进行安装。管节浮运前，顶板以及水面以下1m 范围内的GINA 橡胶止水带应设置临时性保护罩，防止水上非固定物对GINA 止水带的破坏。

2.5.2 OMEGA 止水带

OMEGA 型橡胶止水带是管节接头止水的第二道防线，受水压后其形状与拉力线形状相吻合。管节接头采用的是丁苯橡胶OMEGA 止水带，它的断面尺寸、形式、适应变形能力的要求由管节接头所承受的水压、三向位移的估算值、抗老化等要求决定。OMEGA 止水带断面构造如图4 所示，OMEGA 止水带的固定方式采用杠杆式构造，见图4。

图4 OMEGA 止水带示意图

OMEGA 止水带运到现场后，最终的接头在安装接近尾声的时候才进行连接，所以需要对最后的接头进行预加工处理。在管节沉放和安装OMEGA 橡胶止水带后，按设计要求注水加压检漏（在管节底板接头承受的水压基础上再人为加上5m 水头）。

OMEGA 止水带节段接头与管节接头设置的OMEGA 止水带较为类似，采用的OMEGA 止水带材质为丁苯橡胶，底板与OMEGA 止水带配套预埋的角钢上设置牺牲阳极块。现场安装后，同样需要进行注水加压检漏。预埋角钢与混凝土接缝之间设置预埋式注浆管与遇水膨胀止水胶形成双道防水线，因遇水膨胀止水胶施工质量良莠不齐，现场采用止水钢片代替了遇水膨胀止水胶。

2.6 最终接头

早期沉管隧道的最终接头是做成一个刚度较大的结构段，然后浇筑水下混凝土来进行止水处理，因为最终接头是圆形钢壳结构，所以存在很多弊病。目前止水板法在沉管隧道最终接头施工中应用广泛，为了防止管节水压消失后GINA 橡胶止水带回弹，在最终接头结构内设置若干钢支撑，然后使用钢封板密封最终接头外侧，抽干密封空间内的水后，连通管节，形成一个与隧道刚度相等的结构段，此方法在矩形结构的沉管隧道中经常采用。日本利用侧向静水压力压缩橡胶进行最终接头的止水，最终接头被制成最终块结构，然后从岸上推入管节之中。随后日本又开发出V 型楔块法，止水橡胶会受到竖向水压力与负浮力压缩而起到止水作用。

3 结语

沉管法具有工期短、造价低、不受水深限制，且能极大地保证施工质量和施工安全，因此被广泛地应用于水下隧道建设。通过对传统沉管法施工工艺的不断创新，代表着我国最高修建水准与技术的港珠澳大桥圆满建成，这标志着我国的沉管法施工技术已经和西方发达国家接轨，对我国的隧道建设发展具有划时代的意义，同时也为今后的水下隧道施工提供技术借鉴。