沉管隧道管节预制工艺比选

吴瑞大，欧政军

（中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510231）

修建大型水下隧道主要采用沉管法和盾构法[1]。沉管法是先在岸上预制管节，然后浮运到指定位置下沉对接固定，进而建成过江隧道或水下构筑物的施工方法[2]。采用沉管法施工的隧道称为沉管隧道，有钢壳管节和钢筋混凝土管节两种结构型式。早期修建的沉管隧道多为钢壳管节，随着水力压接法和管节防水等关键技术的进步，钢筋混凝土管节逐渐取代了钢壳管节，近几十年修建的沉管隧道大多以钢筋混凝土管节为主。管节是沉管隧道的最基本的组成单元，管节预制是沉管隧道工程的重要环节。本文介绍了4种不同混凝土管节预制方式及工程应用实例，结合港珠澳大桥沉管隧道工程的实际情况，重点分析了沉管预制干坞法和工厂法的各自优缺点和适用范围，通过深入地比选研究，最后提出港珠澳大桥管节预制实施方案。

1 混凝土管节预制方式

1942年钢筋混凝土管节首次成功应用于荷兰鹿特丹的Mass沉管隧道工程[3]，随着科技进步，大量施工技术难题逐渐被攻克，几十年来混凝土管节的预制方式也发生了很大的变化。根据预制场所的不同，目前混凝土管节的预制有大干坞内一次预制、干坞内分批预制、工厂化分批预制、水上浮动预制等4种方式。

1.1 大干坞一次预制方式

本方式是在一个大型的干坞内一次性完成所有水下管节的预制。它只需一次性放水进坞，而无需在坞首设置重复开合的阐门。管节出坞时，拆除坞首围堰即可将管节逐段拖运出坞。这种预制方式所需的干坞规模较大，占地多，土地使用费高，对环境和生态的影响较大。本方式只适用于隧道规模小，管节数量少，土地使用价格低，坞址地质条件较差以及不易在干坞内放水排水的工程。

我国1995年11月建成通车的宁波甬江沉管隧道就是采用这种方式进行管节预制的。该隧道全长3821.98m，为单管单孔双车道结构，水中共有五节管节E1～E5，总长420m（85m+80m+3×85m），管节全部在隧道轴线南引道处的岸边设置的干坞（图1）内一次性预制。坞底长215m，宽 85m[4]。

本工程管节之所以采用大干坞内一次预制方式，是因为坞底为流塑状软土，隧址的基槽易回淤，且管节数量少。为增强坞底地基承载力，防止地基不均匀沉降的影响，除了在管节预制基础范围的地基进行排水和换土处理外，在预制管节时还采取了如下有效措施：采取分段（分8段）浇筑、各段之间设1m长的断开段、根据各段沉降观测结果再确定浇筑断开段的时间，最后各分段连成整体形成预制管节。管节浮运出坞时，将管节平移至坞内组合基础上，用骑吊法将沉设船与管节组成组合体，管节靠压载沉没于水中，并吊在沉设船下方浮运出坞。出坞时水位必须在高平潮。

1.2 干坞分批预制方式（简称干坞法）

本方式是沉管管节在干坞内分批制造，分批出坞，坞首需设置能重复开合的阐门，以满足坞内多次放排水的要求。由于管节是分批预制的，因而干坞规模小，占地少，但建造闸门费用较高；干坞内反复灌水、抽水对干坞边坡稳定性不利；适用于地质条件好，管节数量相对较多，干坞建设用地狭窄的工程。

我国1994年1月建成通车的广州珠江沉管隧道管节就是采用这种方式预制的。该隧道全长1238m，为单管4孔结构（4线机动车道+双线地铁车道），水中预制沉管共5节（E1～E5），总长457m（105m+2×120m+90m+22 m），全部管节分4批在设于芳村岸边隧道轴线上的干坞内预制。由于隧址地方狭窄，只能设置分批预制的小规模干坞，管节预制1节，起浮出坞1节。干坞宽48m，长105 m，深8.9m，如图2所示。坞门宽33m，为钢结构，施工期间坞门须开闭3次及安装拆除1次。干坞内管节起浮后，在坞内平移至隧道轴线，同时开启坞门，利用坞门外150m处方驳上的液压绞车拖引出坞浮运[5]。

1.3 工厂化分批预制方式（简称工厂法）

工厂法采用在专设的厂房内进行管节的工业化生产，再分批推入干坞，分槽（浅水槽和深水槽）出坞的办法施工，主要适用于预制工期紧，工程质量要求高，坞址地势高低不平的工程。

已建的丹麦-瑞典穿越厄勒海峡固定联络线上的沉管隧道工程就是采用这种方法。该隧道全长3.5 km，隧道由20节预制钢筋混凝土管节组成，每个管节重55000 t（178 m×42m×8.5m），横截面为单管4孔（2孔公路+2孔铁路）结构，每节管节由8段长度为22.25m的管段组成。管节在丹麦哥本哈根北海湾附近预制，在专设的厂房内工业化生产。管节按桥梁分段灌筑的方式采用镶合浇注法浇筑，即每一个管段紧靠在前一管段的端部灌筑，并采用了先进的液压模板系统。当2节管节并行预制完成后，顶推系统将其推入工厂外的无水浅水干坞，然后关闭浅水干坞的滑动坞门与深水干坞的浮动坞门，并向干坞内注水，待干坞内的水位达海面以上10m时管节在浅水干坞浮起，再将管节绞拉至深水干坞，排水待坞内水面降到海平面后打开浮动坞门，将管节拖运至隧址沉放就位。图3是厄勒海峡沉管隧道管节预制工地的总体布置示意图。

1.4 水上浮动预制

上述3种管节预制方式均需在岸边事先建造干坞，干坞占地面积较大，开挖深度达10m以上，还需要存放大量弃泥的地方，建造干坞的费用也较高，约为沉管制造费用的20%以上。此外，在干坞内重复灌排水还会导致周围地面沉降，给环境带来危害。为了克服上述缺点，有建议采用在水上浮动预制管节。

早期的钢壳沉管隧道中就曾采用在船台上预制钢壳后，将钢壳沿滑道滑入水中成为浮体，在漂浮状态下灌筑钢筋混凝土管节。这种管节一般做成圆形，由于钢壳不拆卸，耗钢量太，费用高。

1995年，英国工程师在研究了管节在制造期间的重力和浮力的变化规律后，建议矩形管节在水上浮船上制造。该方法是先将浮船锚碇在隧址附近有一定水深（此水深大于管节漂浮后吃水深度与浮船高度之和）的水面上，然后在浮船上浇筑管节底板混凝土，再浇筑管节侧墙混凝土，此时要求浇筑侧墙升高速度比浮船下沉速度要快（即管节正浮力的增加比管节重量增加要快）。当侧墙体混凝土灌筑到一定高度时，管节本身的浮力就可以支持自身的重量而不需靠浮船提供浮力了，这时可将浮船灌水下沉到河底，但在浮船下沉之前应先在管节两头安装封头板，以使管节漂浮后不再进水。当管节漂浮后可将其拖运至隧址处，再浇筑其余侧墙和顶板混凝土，同时将浮船排水后浮升至水面、拖运至原位，准备制造下一节管节[6]。

用这种方法预制管节可以无需建造庞大的干坞，且不影响周围环境，这对于城市中心建造沉管隧道十分有利，而且费用相对较低，但是要求施工水域波浪、水流较小。

综上所述，这4种沉管管节预制方式各有优缺点，与沉管隧道的规模、管节的数量、干坞的占地面积、水深和管节浮运沉放等因素密切相关，适用于不同的工程项目。另外，管节预制方式还对管节的防水性能、结构强度以及沉管隧道的施工工期、造价、环保等很多方面影响重大。

2 港珠澳大桥沉管预制工艺比选

港珠澳大桥位于中国珠江口伶仃洋水域，连接珠江东岸香港及西岸的澳门、珠海，大桥长约35.6 km，大桥轴线自粤港分界线交点向西至珠海、澳门口岸间的主体工程主线全长29.552 km，采用桥隧组合形式，沉管隧道穿越珠江主航道，隧道两端各设东、西人工岛与两端桥梁连接。

大桥岛隧工程包括东人工岛结合部非通航孔桥、东人工岛、沉管隧道、西人工岛、西人工岛结合部非通航孔桥，全长7440.546m，其中预制沉管段长5664m，由33节管节组成。

与厄勒海峡、釜山至巨济接线等国外长大海底沉管隧道的设计理念类似，港珠澳大桥沉管采用节段式管节，标准管节长180m，由8×22.5m节段组成，通过后张预应力连接在一起，管节起浮、舾装完成后，通过拖轮运到隧道区，沉放、对接形成海底隧道。标准节段混凝土方量为3400m3，钢筋约900 t，沉管隧道横断面示意图见图4。

港珠澳大桥作为具有空前影响力的跨海通道工程，其工程规模大，工期紧，难度高，技术含量高。为满足沉管120 a设计使用寿命的要求，实现对大体积混凝土的控裂技术，国内首次采用沉管管节全断面一次浇筑工艺，沉管预制施工工艺的选择将对工程质量、后期建设和运营产生极其重要的影响。

考虑沉管预制的拟选坞址、平面布置、工艺技术、质量要求、沉管寄放、工程造价、工期要求和工程风险等方面因素，干坞法和工厂法均为合理、可行的管节预制备选方案，下面对此两种工法进行进一步的比选研究。

2.1 沉管预制厂平面布置

经过前期多方面研究论证，确定了珠海市桂山牛头岛为最佳干坞建造地址。根据干坞法和工厂法的要求，分别进行了总平面布置规划，并进行了优化。

2.1.1 干坞法平面布置

干坞法平面布置为两个坞“3+3”坞前寄放干坞型布置，厂区共分九大功能区：预制干坞区（1号、2号干坞区）、钢筋加工区、钢结构及预埋件加工区、混凝土生产区、碎石加工区、材料码头运输区、沉管寄放区、生活及办公区等设施。干坞法总平面布置见图5。

2.1.2 工厂法平面布置

工厂法平面布置为浅坞加深坞“2＋4”的布置方案，包括生产线厂房、浅坞区、深坞区、钢结构及预埋件加工区、混凝土生产区、碎石加工区、材料码头运输区、沉管寄放区、生活及办公区等设施。总平面布置见图6。

2.2 工艺设计

根据港珠澳大桥沉管预制工程量、工期要求、工效分析及总平面布置，分别对干坞法和工厂法进行了工艺设计。

2.2.1 干坞法预制工艺

管节分批次在干坞内进行预制，每批次为3节管节，左右两个干坞共分11批次轮流出坞。管节在坞内预制完成并进行一次舾装及试漏后，利用在干坞布设的锚点和绞车等设备，将管节绞移出干坞，使管节在坞前寄放区内临时系泊寄放和二次舾装。

沉管模板分为侧模、侧模门架、内模结构、内模支架及导梁五部分组成。预制场共配置6套模板（6套外模、6套内模），即每个台座设置1套模板系统。

干坞法主要包括三大关键工艺：钢筋绑扎工艺、模板装拆工艺、全断面浇筑混凝土工艺。

2.2.2 工厂法预制工艺

沉管工厂化预制是指按照流水式预制生产线进行工艺布置，所有预制作业在厂房内连续进行，每个节段在浇筑台座上全断面浇筑、养护，达到强度后向前顶推22.5m，空出浇筑台座，下一节段与刚顶出的节段相邻匹配预制，直至完成8个节段，整体顶推至浅坞进行临时预应力索张拉形成管节整体，再进行舾装、试漏、出坞作业。

工厂化流水施工工艺设置2条生产线，每条由3个钢筋绑扎台座、1个混凝土浇筑台座、1套钢筋绑扎模架、1套固定底模、1套内模、1套外模及4个钢筋笼滑移台车组成。

沉管寄放在深坞区，共分17批次出坞。

工厂法主要包括四大关键工艺：钢筋绑扎工艺、模板装拆工艺、全断面浇筑混凝土工艺、管段顶推工艺。

2.3 工法比选

与干坞法相比，工厂法的优点主要有以下方面：

1）在总平布置方面，由于工厂法分为深坞和浅坞，充分利用了桂山牛头岛阶梯形地势，大大减少了土石方开挖量。

2）在工艺流程方面，工厂法预制施工都以管段为单位进行，容易形成流水施工。

3）在施工组织方面，所有管段在工厂内预制，不受天气影响，真正实现了连续作业，劳动力需求保持均衡。管段的钢筋笼全部“离线”预加工，处于预制工作主流程之外，加快了施工速度。沉管起浮时不会淹没钢筋预制区、模板加工区及混凝土浇注区等主要功能区，提高了施工效率。有文献对厄勒海峡沉管隧道传统干坞法和工厂法的效率进行了统计比较，认为其工效有了很大提高。

4）在施工质量方面，所有钢筋加工绑扎、模板安装、混凝土浇筑养护以及孔道灌浆等工作均在室内进行，条件可控，施工质量好，为提高工程质量创造了条件。

5）在施工成本方面，尽管工厂法在顶推系统、混凝土输送系统等专用设备的资金投入上加大了，但是工厂法更流畅的施工组织却减少了管节预制的时间，劳动力成本更低，同时免除了浇注过程中混凝土人工冷却，允许使用长钢筋和机械加工，极大地降低了钢筋用量，减少了气候对工程建设的影响，工程的总体造价相对减少了。

6）工厂法预制缩短了混凝土的输送距离，可以达到小于150m，无需使用混凝土运输车。

工厂法也有一定的缺点：新浇筑的管段在短时间的养护后就要被顶推，管节在下水前要运送250m左右的距离。该方法在国内尚无先例，在国外也仅在厄勒海峡沉管隧道应用过，属于新技术，存在一定的技术风险。但是只要在施工前期进行一定的研究，解决管段混凝土早期的裂缝控制和顶推系统等关键技术，技术风险也是可控的。

结合沉管预制干坞法和工厂法的平面布置，综合沉管预制的技术要求、质量控制、沉管寄放安全、工程造价、工期要求、工程风险等方面因素进行深入研究比较，两种工法主要指标如表1所示。

表1 沉管预制干坞法和工厂法主要指标比较

3 结语

本文通过对国内、国外多个典型沉管隧道管节预制实例的调研，总结、分析了大干坞内一次预制、干坞内分批预制、工厂化分批预制、水上浮动预制等4种沉管管节预制方式的特点和适用范围。针对港珠澳大桥沉管隧道的工程特点，经初步分析，沉管预制采用干坞法和工厂法两种工法均是合理和可行的，各具优劣。最后重点对这两种工法在干坞基础设施建设成本、机械投入、施工质量控制、关键技术的可靠性、工期保障和沉节寄放安全等方面进行了深入比选，建议港珠澳大桥沉管预制优先选择工厂法进行施工。

[1] 陈韶章.沉管隧道设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 傅琼阁.沉管隧道的发展与展望[J].中国港湾建设，2004（5）：53-58.

[3] 杨文武.沉管隧道工程技术的发展[J].隧道建设，2009，29（4）：397-404.

[4] 曹利民.宁波甬江水底沉管隧道土坞的设计回顾[J].现代隧道技术，2005，42（1）：16-19.

[5] 刘应海，任孝思，胡琼初，等.珠江沉管隧道管节预制技术[J].现代隧道技术，1996，42（6）：22-26.

[6] 杨文军，陈东生，张永强.移动干坞预制沉管隧道管段技术的研究[C]//救捞专业委员会.学术交流会论文集2005.