淺談水下隧道的建設(shè)方法

淺談水下隧道的建設(shè)方法

1沉埋管節(jié)法水體混凝土管節(jié)沉放法為了通過(guò)河流的隔離，除了修建各種橋梁以滿足交通發(fā)展的需要外，還修建了許多連接海灣、海陸和河流的水隧道。沉埋管節(jié)法(簡(jiǎn)稱沉管法),也稱預(yù)制管節(jié)沉放法是在干船塢內(nèi)或大型駁船上先預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)或全鋼管節(jié),然后浮運(yùn)到指定的水域,再下水沉埋到設(shè)計(jì)位置固定,建成需要的過(guò)江隧道或大型水下空間。這種修建隧道的技術(shù)因其顯著的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。1.1水下隧道建設(shè)的優(yōu)缺點(diǎn)隨著全球城市化進(jìn)程的加快,人們出行必然要求交通和運(yùn)輸系統(tǒng)不斷增加和完善,由此而來(lái),引起了跨越江河和海灣(峽)的問(wèn)題。水下隧道因能很好地解決水域的跨越問(wèn)題,同時(shí)又降低了對(duì)周圍環(huán)境的影響,解決了大面積水域的航運(yùn)問(wèn)題等,使得大江大河上修建的大型水下隧道工程數(shù)量逐日增多。但水下隧道方式因?yàn)槭艿郊夹g(shù)水平的制約,一直沒(méi)有得到足夠的重視和發(fā)展。隨著修建水下隧道的一些關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破,隧道已逐漸成為了工程界普遍認(rèn)同的跨越航運(yùn)繁忙河道的第一選擇,包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家已經(jīng)掌握了建設(shè)水下隧道的全部技術(shù),加快發(fā)展水下隧道的時(shí)機(jī)趨于成熟。與橋梁方案相比,采用隧道越江(海)的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)全天候運(yùn)營(yíng)。(2)對(duì)航運(yùn)、航空無(wú)干擾。(3)隧道線路短,可快速過(guò)江(海),且兩岸拆遷少。(4)保持原有生態(tài)和自然環(huán)境不變。(5)抗地震能力好。(6)防戰(zhàn)能力強(qiáng)。(7)多用途,易維護(hù),造價(jià)相對(duì)降低。在我國(guó),越江隧道的優(yōu)越性也逐漸得到認(rèn)同,在內(nèi)河航運(yùn)水道上發(fā)展水下隧道建設(shè)可能成為一種趨勢(shì)。以橋梁或隧道跨越江河各有優(yōu)缺點(diǎn),在規(guī)劃跨越江河的通道時(shí),應(yīng)該對(duì)兩者進(jìn)行認(rèn)真的比選。隨著社會(huì)的發(fā)展,越江隧道的優(yōu)越性將會(huì)突出地表現(xiàn)出來(lái),并必將促進(jìn)大型水下隧道工程的建設(shè),從而推動(dòng)中國(guó)水下隧道建設(shè)技術(shù)的大發(fā)展。1.2結(jié)構(gòu)施工優(yōu)缺點(diǎn)目前修建水下隧道有以下幾種施工方法:礦山法、盾構(gòu)法、圍堰明挖法、沉埋管節(jié)法(簡(jiǎn)稱沉管法)、暗挖法、氣壓沉箱法、頂推法等。在大型的水下隧道工程中,沉管法和盾構(gòu)法適用范圍較廣,幾乎不受地質(zhì)條件限制,被世界各國(guó)廣泛采用。而其他幾種施工方法因要受到地質(zhì)條件限制,難以推廣使用。盾構(gòu)法和沉管法越來(lái)越受到工程界的青睞,且沉管法工期最短、隧道延長(zhǎng)最短、地質(zhì)條件制約小,雖然管節(jié)沉放時(shí)對(duì)航道有影響,但總體上優(yōu)于其它方法。沉管法與盾構(gòu)法相比存在以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):(1)沉管斷面形狀選擇自由度大,大斷面容易制作,斷面利用率高,可做到一管多用,而盾構(gòu)法大截面施工困難,而且以圓形為主。(2)沉管有利于縮短工期,防水性能優(yōu)越。(3)沉管隧道埋深淺,總長(zhǎng)短。(4)因沉管比重小,對(duì)基底地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng),不怕流砂。(5)沉管隧道抗震性能優(yōu)越。(6)沉管隧道的防水技術(shù)比較成熟,而且對(duì)施工要求并不高,同時(shí)具有良好的自防水功能。(7)沉管隧道具有較好的經(jīng)濟(jì)性,這主要得益于沉管隧道的回填覆蓋層薄,埋深淺,可以有效地縮短路線長(zhǎng)度;另外,管節(jié)的集中制作可以達(dá)到高效,節(jié)約資金。(8)隧道的施工質(zhì)量容易保證。沉管結(jié)構(gòu)和防水層的施工質(zhì)量均比其它施工方法易于作好;隧道接縫極少,漏水機(jī)會(huì)大為減少,實(shí)際施工質(zhì)量易達(dá)到完全防水。(9)隧道現(xiàn)場(chǎng)的施工期短。澆制管節(jié)大量工作均不在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,一節(jié)100～120m的管節(jié)一個(gè)月內(nèi)可以完成出塢、沉埋連續(xù)作業(yè)。(10)操作條件好?；旧蠜](méi)有地下作業(yè),水下作業(yè)也極少,因此施工較為安全,且能保證施工精度。與盾構(gòu)法相比較有以下的缺點(diǎn):占用的施工場(chǎng)地多,對(duì)通航有一定干擾,施工受氣象、水文等自然條件影響較大……。由于沉管隧道在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),并隨著沉管法隧道設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,如結(jié)構(gòu)型式、管身防水、水下基槽開(kāi)挖和地基處理、管節(jié)水下對(duì)接和接頭防水等的逐步解決和日趨完善,并隨著沉管法在世界各國(guó)的廣泛采用和技術(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)交流,沉管隧道受到越來(lái)越多國(guó)家的重視,逐漸成為了水下大型隧道工程的首選施工方法。1.3沉管隧道隧道形式和結(jié)構(gòu)沉管法修建隧道的施工方法越來(lái)越廣泛地得到應(yīng)用,我國(guó)的香港、臺(tái)灣、廣州、寧波和上海已先后建成多座沉管隧道。沉管隧道自1910年在美國(guó)首次興建以來(lái),世界各國(guó),特別是美國(guó)、荷蘭、日本等幾個(gè)國(guó)家在沉管技術(shù)領(lǐng)域已有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前世界上已建成130余座沉管水下隧道,僅美國(guó)就有30余座,日本和荷蘭均已建成20余座。根據(jù)國(guó)際隧協(xié)到1994年的統(tǒng)計(jì)資料,世界各國(guó)已建、在建或擬建的沉管隧道共有93條,其中,就沉管節(jié)制作形式而言,混凝土隧道59條,鋼殼隧道34條;從使用功能上來(lái)看,公路隧道61條,鐵路隧道26條(包括地鐵隧道),公路、鐵路兩用隧道4條,人行隧道2條;就管節(jié)橫截面形狀來(lái)說(shuō),矩形截面隧道73條,圓形(含花籃形、八角形、馬蹄形、橢圓形)截面隧道20條;從規(guī)模上看,早期的沉管隧道多為雙車道或4車道,從上世紀(jì)60年代中期,陸續(xù)建成一些6車道隧道,到目前世界已建的6/8車道隧道共有20余條。我國(guó)內(nèi)地修建沉管隧道起步較晚,已建成的有寧波甬江隧道、廣州珠江隧道和上海外環(huán)越江隧道,其中上海外環(huán)越江隧道是一條世界第二、亞洲第一的沉管越江隧道。全世界已建的沉管隧道、沉埋隧道的最大水深50m,最大海水流速3.0m/s,最大長(zhǎng)度5825m,最長(zhǎng)管節(jié)268m,最多車道8車道。2沉管隧道的開(kāi)發(fā)2.1沉管隧道rox在1810年CharlesWyatt首次在倫敦進(jìn)行了沉管隧道施工試驗(yàn),直到19世紀(jì)末期,這種工法才被加以完善實(shí)施。1885年在西特奈灣建成了自來(lái)水管;1894年美國(guó)在波士頓建成下水管線,雖然它的直徑只有2.70m,其原理與如今在沉管隧道施工中采用的一致。從那以后,1910年完工的跨越美國(guó)與加拿大之間的底特律河鐵路隧道是一個(gè)全新的起點(diǎn),這是世界上第一條沉管建造的鐵路隧道,之后美國(guó)修建了許多的沉管隧道。荷蘭的第一座沉管隧道是1937-1942年在鹿特丹修建的馬斯河隧道,這標(biāo)志歐洲開(kāi)始使用沉管隧道。隧道最初的設(shè)計(jì)選用美國(guó)方案,為近似圓形的斷面形狀和雙層鋼殼結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)為兩個(gè)相鄰的管孔。但荷蘭承包商Christani&Nielsen公司提出了一替代方案(矩形混凝土結(jié)構(gòu))后就擯棄了最初設(shè)計(jì)方案,在2×2車道交通空間及自行車道和人行道(還有橫向通風(fēng)道)范圍內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)貼合得比較緊密。從那時(shí)起,該施工方法在荷蘭得到了進(jìn)一步的運(yùn)用和發(fā)展,從而也成為許多國(guó)家采用的方法。日本于1944年在大阪安治川建成了通過(guò)立坑的電梯而穿越河底的沉埋隧道——庵治河隧道。目前世界上最長(zhǎng)的沉管隧道是美國(guó)舊金山海灣快速交通隧道,全長(zhǎng)5825m,有58節(jié)管節(jié)組成。管節(jié)最寬的隧道是比利時(shí)壓珀?duì)査淼?寬達(dá)53.1m,全長(zhǎng)336m。單節(jié)管節(jié)最長(zhǎng)的隧道是荷蘭海姆斯普爾隧道,最長(zhǎng)一節(jié)管節(jié)長(zhǎng)268m,寬21.5m,重50000kN。值得一提的還有荷蘭的德赫特隧道,有4×2車道,是迄今為止車道數(shù)最多的隧道之一;瑞典的利爾杰霍爾姆斯維肯隧道的最大水深達(dá)50m;美國(guó)紐約東63街隧道環(huán)境條件很差,海水流速非常急,達(dá)2.7m/s;比利時(shí)的斯海爾德隧道,河水流速3.0m/s,潮位差很大;以及香港東港跨港隧道,是建于繁忙海港附近的沉管隧道。沉管隧道在美國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家的成功實(shí)例,沉管隧道結(jié)構(gòu)型式、防水、基層處理、結(jié)構(gòu)抗震等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的成功解決,使隧道成為跨江、海的重要手段,使得沉管建設(shè)隧道的方法日臻完善,促進(jìn)了世界各國(guó)的沉管隧道建設(shè)。2.2混凝土澆筑技術(shù)從沉管發(fā)展史,讓人注意到這確實(shí)是一種國(guó)際性的技術(shù)進(jìn)步。從英國(guó)人最初的試驗(yàn),到美國(guó)人修建了許多實(shí)際的沉管隧道,而荷蘭人對(duì)美國(guó)技術(shù)引入時(shí)自己設(shè)計(jì)了一種新的方法,此項(xiàng)技術(shù)又由荷蘭被介紹到其它國(guó)家,使得沉管遂道技術(shù)不斷向前進(jìn)步。應(yīng)該承認(rèn),各國(guó)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)都各具特點(diǎn),設(shè)計(jì)施工的思路也迥然不同。就結(jié)構(gòu)型式而言,沉管隧道有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩大類,前者一般為圓形斷面,后者一般為矩形斷面。日本及美國(guó)修建水下隧道時(shí)卻采用帶鋼外套的鋼筋混凝土管節(jié),即在管狀或者平板狀的鋼外套內(nèi)部,澆筑隧道混凝土的壁及隧道底板。鋼外套在岸邊制作,然后放入水中,運(yùn)送到干塢,并在干船塢中進(jìn)行混凝土澆筑工作。美國(guó)海灣修建的隧道較多,海灣的水深一般深于內(nèi)河,用圓形的鋼殼或橢圓形鋼殼,從受力角度考慮比矩形有利;日本采用鋼殼沉管則與他們有良好的造船設(shè)備有關(guān);而荷蘭等西歐國(guó)家則習(xí)慣于矩形斷面的沉管,他們認(rèn)為矩形斷面有效空間的利用率優(yōu)于圓形斷面,矩形斷面隧道的高度和覆蓋層厚度都比圓形隧道小,隧道的長(zhǎng)度也相應(yīng)減少。其實(shí)選用何種形式的沉管隧道不但與所掌握的施工技術(shù)及現(xiàn)有設(shè)備有關(guān),還與習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系。在荷蘭等西歐國(guó)家修建水下隧道時(shí),一般都采用普通的鋼筋混凝土管節(jié),他們?cè)诠芄?jié)制造技術(shù)方面有獨(dú)到之處,在混凝土作業(yè)時(shí)一貫堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn),從混凝土原材料的組成、降低溫差、收縮補(bǔ)強(qiáng)、模板選擇上都采取了相應(yīng)的措施。然而,這些不同的技術(shù)并不是相互排斥的,一種好的想法常常被運(yùn)用于另一種技術(shù)中,沉管隧道工程是一項(xiàng)國(guó)際性的技術(shù),其技術(shù)往往由一個(gè)國(guó)家傳播到另一個(gè)國(guó)家。沉管技術(shù)自從問(wèn)世以來(lái),就不斷地被工程界完善,荷蘭于20世紀(jì)60年代發(fā)明了舉世聞名的吉那止水帶,使得水力壓接法更加簡(jiǎn)潔有效;日本在荷蘭吉那止水帶的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)了幾種新型的止水帶,還嘗試過(guò)采用波紋型鋼板用作二次止水帶。在基礎(chǔ)處理技術(shù)方面,丹麥于上世紀(jì)40年代發(fā)明出噴砂法;瑞典于60年代首先成功采用灌囊法;荷蘭在70年代又發(fā)明了更為先進(jìn)的壓砂法,這都是沉埋技術(shù)中的重大革新。日本在上世紀(jì)70年代推出壓注混凝土法和壓漿法,在接頭抗震方面也取得不少進(jìn)展,過(guò)去在地震區(qū)修建隧道時(shí),對(duì)地震缺乏特別的預(yù)防措施,而現(xiàn)在設(shè)計(jì)的接頭處可以有相當(dāng)?shù)膿隙群涂v向位移,在允許范圍內(nèi)對(duì)沉陷和溫度影響也采取了類似的措施。近年來(lái),隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,激光測(cè)量?jī)x、電子定位系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備已應(yīng)用于施工中,使得沉管隧道質(zhì)量更加優(yōu)良,工期也大大縮短。沉管法的兩項(xiàng)最為關(guān)鍵的技術(shù)——水力壓接法和基礎(chǔ)處理的壓注法的成功解決,水下基礎(chǔ)施工工藝過(guò)程及鋪設(shè)管節(jié)方法的合理性的不斷完善,使沉管隧道進(jìn)入了快速發(fā)展階段,從而拓展了沉管法的應(yīng)用空間。2.3沉管隧道段基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉管隧道底部埋置于經(jīng)工程處理后的地基基礎(chǔ)之上,管節(jié)之間以及管節(jié)與岸邊豎井之間用半柔半剛性接頭或柔性接頭或剛性接頭相連。因此,沉管隧道段系兩端擱置于豎井之內(nèi),埋置于回填土與回淤土之中,基底置于彈性地基基礎(chǔ)上的水下長(zhǎng)大鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法,與山嶺隧道、盾構(gòu)隧道相比有很大的差異。(1)作用于沉管隧道的荷載沉管隧道管節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各國(guó)尚無(wú)專用的設(shè)計(jì)規(guī)范,借鑒本國(guó)相近行業(yè)的規(guī)范,是世界各國(guó)的一般做法。作用于沉管隧道的荷載,大體上可分為如下多種:一期恒載、施工荷載、水壓力、拖運(yùn)力、波浪荷載、浮力、水力壓接荷載、船舶對(duì)管節(jié)的吸力、基礎(chǔ)對(duì)管節(jié)的浮托力、土壓力、壓載水荷載、二期恒載、靜活載、動(dòng)活載、溫度作用、混凝土收縮、地基基礎(chǔ)沉降、地震作用、沉船荷載、拋錨力與拖錨力等。(2)縱向縱向計(jì)算沉管隧道管節(jié)的結(jié)構(gòu)計(jì)算主要由橫向計(jì)算、縱向計(jì)算以及局部計(jì)算三大部分組成。橫向計(jì)算是在沉管隧道管節(jié)中切取單位長(zhǎng)度,將其當(dāng)成平面應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算;縱向計(jì)算是將所有管節(jié)連成一個(gè)大系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算;局部計(jì)算是根據(jù)具體情況,檢算沉管中局部的應(yīng)力或變形控制部位。(3)接頭的施工要求有對(duì)接頭設(shè)計(jì)與施工是沉管工程質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵問(wèn)題之一,需要綜合考慮以下問(wèn)題:①具有非?？煽康乃苄詥?wèn)題。除應(yīng)設(shè)置足夠而且合理的止水帶以外,還應(yīng)考慮接頭處是否存在其他區(qū)域滲漏的可能。②接頭類型與構(gòu)造的尺寸類型宜少,接頭中各部件的品種宜少,同一部件的類型宜少。③各部件的設(shè)計(jì)應(yīng)簡(jiǎn)潔、作用明確,應(yīng)給接頭中的各種部件造成良好的或較好的施工條件。由于接頭中各部件較多,接頭的寬度(隧道縱向)和深度均只有1m左右,施工范圍窄,良好的施工條件是保證各部件施工質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題,而這一關(guān)鍵問(wèn)題的解決途徑往往是由良好的設(shè)計(jì)提供的。④沉管隧道一般需要考慮抗震。⑤浮運(yùn)沉放時(shí)的結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算。⑥其他有關(guān)問(wèn)題的考慮:a.沉管隧道管節(jié)本體的外防水設(shè)計(jì)問(wèn)題;b.需考慮眾多的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);c.管節(jié)在制作階段的防裂問(wèn)題?？傊?沉管隧道的設(shè)計(jì)與計(jì)算是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程,需要考慮的具體情況也較繁多,在設(shè)計(jì)計(jì)算中,應(yīng)分門(mén)別類地進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和計(jì)算。2.4隧道管節(jié)的施工沉埋法是在疏浚好的河床或海床中挖出基槽,將在陸上預(yù)先制作的幾個(gè)沉埋箱涵或管節(jié)拖運(yùn)到敷設(shè)現(xiàn)場(chǎng),沉設(shè)在基槽中,在水中與已沉埋的節(jié)段接合之后,處理管節(jié)接頭及基礎(chǔ),最后再進(jìn)行回填而完成水下修筑隧道的方法。這種普遍采用的施工方法特點(diǎn)鮮明:(1)隧道管節(jié)是在造船臺(tái)或者干塢中良好條件下施工制成的,因此可以做成需要的形狀和很大尺度的管節(jié)。(2)全部沉放作業(yè)可以在水面上使用重型船舶、機(jī)械操作,施工容易也非常安全。(3)管節(jié)制作和沉放作業(yè)是分開(kāi)在不同地點(diǎn)進(jìn)行的,因而可以平行作業(yè),縮短工期。(4)拖航、沉放、開(kāi)挖等可采用大型機(jī)械設(shè)備,即使是非常大的隧道,也能做到安全、準(zhǔn)確、迅速的施工。2.5沉管隧道施工準(zhǔn)備(1)建造內(nèi)管節(jié)方案管節(jié)的制作方法,大致可分為船臺(tái)方案和船塢方案兩種,前者主要適用于圓形鋼殼管節(jié),后者主要適用于矩形鋼筋混凝土管節(jié)。管節(jié)制作方法要同施工條件和工期等適應(yīng)。(2)基礎(chǔ)墻開(kāi)挖在水底進(jìn)行水中作業(yè),開(kāi)挖出一條溝槽,溝底挖至隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高,開(kāi)挖與一般疏浚作業(yè)相似。(3)樁基礎(chǔ)推進(jìn)施工管節(jié)底部可用多種方法進(jìn)行基礎(chǔ)處理,因?yàn)樗巧钏紫碌淖鳂I(yè),施工準(zhǔn)確性難免有缺陷,因此應(yīng)有針對(duì)性地做進(jìn)一步的探討和研究。常用施工方式有:鋪面刮平方式、灌砂方式、樁基礎(chǔ)方式、管內(nèi)壓砂和壓漿等。采用何種基礎(chǔ)處理方式主要根據(jù)地質(zhì)、水文條件以及施工技術(shù)和設(shè)備等因素決定,其關(guān)鍵是要使沉管隧道受力均勻,盡量減少不均勻沉降以保證隧道安全運(yùn)行。(4)溝槽沉放方法把在現(xiàn)場(chǎng)附近預(yù)制好的、一定長(zhǎng)度的隧道管節(jié)浮運(yùn)至隧址,沉放在溝槽內(nèi)。沉放的方法主要有三種:①加載懸吊沉放法;②水下錨碇牽引沉放法;③切斷附加浮力懸吊沉放法。需要根據(jù)地形、航道和設(shè)備等施工條件慎重選擇。(5)灌砂或臨時(shí)承接法如果管節(jié)沉放、連接完后,采用鋪面刮平基礎(chǔ)方式時(shí),可隨即進(jìn)行回填;而采用灌砂法或臨時(shí)支承法時(shí),則要等到管節(jié)底部處理完,并落到基床上以后再回填。沉埋管節(jié)的回填方法必須考慮防止流水沖刷及航道疏浚、船舶拋錨、沉船時(shí)的防護(hù)、地震時(shí)的穩(wěn)定等因素來(lái)決定。2.6個(gè)隧道方案我國(guó)早在20世紀(jì)60年代初,就曾在上海開(kāi)展過(guò)類似沉管法工法的理論研究。1976年在杭州灣的上海金山石化工程中首次用此工法建成了一座排污水下隧道;香港地區(qū)于1972年建成了跨越維多利亞港的城市道路海底隧道。廣州市于1974年正式開(kāi)始了用此工法修建城市道路水下隧道的研究。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,廣州、寧波兩市已應(yīng)用沉管法修建城市道路水下隧道項(xiàng)目,并在此期間相繼完成了項(xiàng)目的立項(xiàng)、可行性研究報(bào)告的編制及審批、初步設(shè)計(jì),正式動(dòng)工興建。與此同時(shí),我國(guó)臺(tái)灣省于1984年亦在高雄市建成了高雄港道路沉管隧道。到了20世紀(jì)90年代初,廣州、寧波兩市的沉管隧道相繼建成通車,竣工多年來(lái)行車運(yùn)營(yíng)情況良好,其中1992年底建成通車的廣州黃沙至芳村珠江水下隧道,成為我國(guó)大陸首次用此工法建成的第一座城市道路與地下鐵道共管設(shè)置的水下隧道。廣州珠江、寧波甬江水下隧道的建成,標(biāo)志著我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。由上海隧道工程公司承建的寧波甬江口又一條常洪隧道,也是國(guó)內(nèi)采用沉管法新建的工程規(guī)模更大的水底隧道,現(xiàn)在正在全面施工。上海最近修建完成的位于吳淞口附近的外環(huán)線越江公路隧道,全長(zhǎng)約2800m,其中過(guò)江用沉管法修建的隧道長(zhǎng)700多m,寬43m,設(shè)8條機(jī)動(dòng)車道。規(guī)劃中的南京長(zhǎng)江隧道(橋隧方案比較中的隧道方案),全長(zhǎng)6180m,其中江中沉管段為2090m,由19節(jié)110m長(zhǎng)的管節(jié)組成;地基為細(xì)砂層及粉砂層,流水速度可達(dá)1.2m/s,其規(guī)模和預(yù)期的修建難度都將超過(guò)珠江和甬江隧道,這是一項(xiàng)本世紀(jì)的宏偉工程。擬建的還有武漢跨越長(zhǎng)江的城市道路與地下鐵道共管的水下隧道,無(wú)論在工程規(guī)模、技術(shù)難度和科技含量等方面都遠(yuǎn)高于珠江、甬江水下隧道。廣州過(guò)珠江隧道工程斷面為4孔箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其中兩孔各為雙車道單向運(yùn)行的機(jī)動(dòng)車道,一孔為廣州地鐵雙線區(qū)間隧道,另一孔為設(shè)備管廊。隧道的斷面尺寸為33m×7.9m,長(zhǎng)1238.5m。沉管節(jié)總長(zhǎng)為457m,分為105m、120m、120m、90m、22m五段。混凝土為C30、S8,壁厚1m,底板厚1.2m,最大段重3300t,施工前沉管在48m×150m的船塢內(nèi)預(yù)制。與世界上已建成的沉管隧道相比,該隧道在寬度上是名列前茅的。廣州珠江隧道是我國(guó)首次采用沉管法修建的大型水下隧道,為我國(guó)大型沉管工程開(kāi)創(chuàng)了成功的先例。隧道僅用了4個(gè)多月的時(shí)間就完成了全部沉放,通車后情況良好,特別是防水質(zhì)量達(dá)到了“滴水不漏”的程度。位于浙江寧波的甬江隧道全長(zhǎng)1019.53m,水中段419.56m,修建在海相沉積、飽和流塑狀的黃色淤泥質(zhì)粘土的軟弱地基上。河道淤積嚴(yán)重,實(shí)測(cè)淤?gòu)?qiáng)為16cm/d。采用拋石回填基礎(chǔ)和專用的清淤設(shè)備,順利地完成了工程,為我國(guó)在軟弱地基上修建沉管隧道積累了經(jīng)驗(yàn)。珠江和甬江這2座水下隧道的成功建成標(biāo)志著我國(guó)已具備了用管節(jié)沉放法修建水下隧道的能力,并且掌握了相關(guān)技術(shù)。最近完工的上海市外環(huán)線越江沉管隧道工程是上海外環(huán)線北段的過(guò)江咽喉,它位于吳淞口地區(qū),距長(zhǎng)江口僅2km,東起浦東三岔港,西至浦西吳淞海濱公園附近,全長(zhǎng)2880m,其中沉管節(jié)長(zhǎng)為736m,沉管高為9.55m,寬43m,設(shè)計(jì)時(shí)速80km,為雙向8車道水下公路交通隧道。該工程1999年12月28日開(kāi)工,工程總投資近12億元。以隧道的車道數(shù)、管節(jié)的寬度及重量計(jì),上海外環(huán)越江隧道規(guī)模居亞洲第一。是上海市首次采用沉管法施工的越江隧道。我國(guó)采用沉管隧道法施工的3條隧道——廣州珠江公路—鐵路合用沉管隧道,寧波甬江公路沉管隧道和上海8車道的沉管越江隧道,其質(zhì)量和防水性能都達(dá)到了較高的水平,標(biāo)志著我國(guó)在沉管隧道領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。用沉管法建設(shè)水下隧道雖在世界上已有100多年歷史,而在我國(guó)大陸開(kāi)始采用此法修建隧道則始于20世紀(jì)80年代末,建造大型沉管隧道在國(guó)內(nèi)尚屬首次。上海外環(huán)隧道相關(guān)的大型沉管隧道關(guān)鍵技術(shù)研究課題最近在上海通過(guò)了專家鑒定。大型沉管隧道關(guān)鍵技術(shù)研究針對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行了包括優(yōu)化設(shè)計(jì)、主要工程節(jié)點(diǎn)中關(guān)鍵工序的技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)在內(nèi)的11個(gè)關(guān)鍵性課題的研究。例如:通過(guò)研究,解決了河口潮汐水位變化劇烈的水文環(huán)境下管節(jié)局部高出河床的設(shè)計(jì)難題;深度超過(guò)30m、寬度達(dá)43m的臨江暗埋段基坑的干法施工;共計(jì)7節(jié)、單節(jié)重量超過(guò)4.5萬(wàn)t的大體積自防水混凝土管節(jié)制作,確保所有管節(jié)沒(méi)有出現(xiàn)一條裂縫,整個(gè)管節(jié)完全利用混凝土的自密防水性能而沒(méi)有采取常規(guī)必須的體外防水措施;首創(chuàng)超級(jí)計(jì)算機(jī)在地下工程中的三維仿真試驗(yàn)研究,取得了和運(yùn)用微機(jī)簡(jiǎn)化模型分析研究相接近的結(jié)論,證明了上海外環(huán)線沉管隧道抗震分析中利用簡(jiǎn)化模型和優(yōu)選參數(shù)進(jìn)行分析研究這一創(chuàng)新方法的有效性。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,特別是許多已建工程的事實(shí)使得人們的觀念發(fā)生了變化,人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到“遇水架橋”不再是唯一選擇,在許多情況下以水底隧道溝通兩岸比建橋更為優(yōu)越。3價(jià)格補(bǔ)充3.1國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究雖然,沉管法自從問(wèn)世以來(lái),因?yàn)槭┕し绞较冗M(jìn),可操作性強(qiáng),已經(jīng)逐漸成為修建水下大型隧道的首選,并且無(wú)論從設(shè)計(jì)方法、施工工序、配套工程的處理等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,有利地促成了眾多大型工程的順利完工,但對(duì)此法的研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)一直沒(méi)有停止過(guò)。國(guó)內(nèi)外工程界關(guān)心和研究的重點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)經(jīng)濟(jì)性能;(2)制作工藝和施工技術(shù);(3)防水技術(shù);(4)基礎(chǔ)的處理工藝;(5)環(huán)境影響新的課題。同時(shí),在隧道設(shè)計(jì)中,隧道抗震以及其他偶然作用的合理計(jì)算也成為研究的熱點(diǎn)。因?yàn)闆](méi)有相關(guān)的規(guī)范約束,在什么樣的可靠度下進(jìn)行這種偶然作用的計(jì)算,還沒(méi)有定論。而這些參數(shù)的合理選取必將影響沉管隧道在復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境下建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和安全性之間的協(xié)調(diào)。在特殊設(shè)計(jì)通行高速列車的沉管隧道時(shí),空氣動(dòng)力效應(yīng)需要考慮:隧道內(nèi)最大瞬變壓力和洞口微氣壓波。3.2隧道混凝土管節(jié)材料的發(fā)展趨勢(shì)從美、日、荷沉管隧道工程發(fā)展歷史以及中國(guó)建造沉管隧道的實(shí)踐中,大致可以看出世界沉管隧道的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì):(1)每節(jié)管節(jié)長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng),每節(jié)管節(jié)中的車道數(shù)越來(lái)越多。(2)從單一用途向多用途發(fā)展。(3)沉管隧道的地基適應(yīng)性越來(lái)越復(fù)雜。沉管隧道可修建在較堅(jiān)硬地基(河、海床)上,亦可修建在軟弱地基(河、海床)上。世界上已建成的130余座沉管隧道中,不少是修建在軟弱地基上的(見(jiàn)表1)。(4)制造管節(jié)材料逐步由鋼筋混凝土取代,并趨向于采用高性能的混凝土。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)組織力量開(kāi)展在隧道與地下工程中應(yīng)用高性能混凝土(HPC-Highperformanceconcrete)的研究,并迅速轉(zhuǎn)變觀念,從高強(qiáng)度混凝土設(shè)計(jì)向高性能混凝土設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化。中國(guó)工程院資深院士吳中偉指出:高性能混凝土將極大地影響21世紀(jì)的混凝土工程。(5)在鋼筋混凝土管節(jié)預(yù)制過(guò)程中,需采取多種控制混凝土裂縫的技術(shù)措施,以確保鋼筋混凝土管節(jié)的質(zhì)量,特別要防止貫穿裂縫的出現(xiàn)。(6)標(biāo)準(zhǔn)化的防水體系的發(fā)展。目前,國(guó)家級(jí)防水工法尚構(gòu)不成體系,不能滿足需要,因此有必要完善防水工法,使防水施工規(guī)范化。(7)沉埋管節(jié)的浮運(yùn)、沉放、連接等普遍采用可靠、簡(jiǎn)便的操作,以適應(yīng)多變的施工環(huán)境。(8)沉管設(shè)計(jì)計(jì)算逐漸趨于規(guī)范化。3.3設(shè)計(jì)前期研究工作沉管技術(shù)在中國(guó)已經(jīng)顯示出蓬勃的生命力,同時(shí)也向我們提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用新材料、新機(jī)具、新工藝,我國(guó)已掌握了用沉埋法修建水底隧道的關(guān)鍵技術(shù),為修建越長(zhǎng)江隧道積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。目前沉管隧道已引起國(guó)家和地方政府的高度重視,并已著手準(zhǔn)備在長(zhǎng)江上修建沉管隧道。如京滬高速鐵路南京長(zhǎng)江沉管隧道已進(jìn)