沉管隧道

在港珠澳大橋之前，全中國的沉管隧道工程加起來不到4公里。

港珠澳大橋沉管隧道，是我國建設(shè)的第一座外海沉管隧道，也是世界上最長的公路沉管隧道，和唯一的深埋沉管隧道，在建設(shè)過程中，林鳴和他的團隊對沉管的設(shè)計，生產(chǎn)和安裝技術(shù)進行了一些列創(chuàng)新，為世界海底隧道工程技術(shù)，提供了獨特的樣本和寶貴的經(jīng)驗。

中國全程55公里的港珠澳大橋，是世界上最長的跨海大橋，也是中國交通史上技術(shù)最復(fù)雜，建設(shè)要求及標(biāo)準(zhǔn)最高的工程之一，被英國《衛(wèi)報》譽為"新世界七大奇跡"。其中的沉管隧道，非常艱難。東南衛(wèi)視《中國正在說》節(jié)目上，港珠澳大橋島隧工程總工程師林鳴先生，向全國觀眾講述了這項超級工程、特別是其中的沉管隧道背后的故事。

港珠澳大橋一條6.7公里的海底沉管隧道，實現(xiàn)橋梁與隧道的轉(zhuǎn)換，是大橋建設(shè)技術(shù)最復(fù)雜，建設(shè)難度最大的部分，極具挑戰(zhàn)性。中國的沉管隧道建設(shè)經(jīng)驗少，而且，這是我國第一次在外海環(huán)境下建沉管隧道，可以說是從零開始從零跨越。

從釜山回來后，林鳴更加堅定一個決心:港珠澳大橋一定要找到世界上最好的，有外海沉管安裝經(jīng)驗的公司來合作。于是，他們找了當(dāng)時荷蘭的一家世界上最好的公司合作，當(dāng)時人家開了個天價:1.5億歐元!當(dāng)時差不多約合15億人民幣。

難以承受國外高額的技術(shù)咨詢費用，世界上其他國家的沉管隧道技術(shù)也無法在此照搬套用，林鳴不得不從零開始，自主攻關(guān)，待領(lǐng)團隊開始挑戰(zhàn)外海深埋沉管。

如果外海沉管有挑戰(zhàn)，那么最終一節(jié)的接頭合龍就是這個挑戰(zhàn)最困難的部分，一百多年來也沒有找到特別好的方法，最后還是中國工程師經(jīng)過4年的研究和攻關(guān)找到了辦法。

2017年5月2日早晨日出時分，最后一節(jié)沉管的安裝開始了，按照傳統(tǒng)的方法，完成這項安裝至少需要8到10個月，但在新方法的指導(dǎo)下，我們實現(xiàn)貫通，僅用一天!這是7年建設(shè)中，最令林鳴感到高興的事情。

日本修建沉管隧道已有50年的歷史，但直到更近，還未受到過強烈地震的影響。 過去幾十年，日本為了改善TRANBBS交通網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計和建造了不少沉管隧道。日本位于世界上最活躍的地震帶上，無論從那種觀點看，因沉管隧道不同于陸地上隧道結(jié)構(gòu)的動力特性，故對沉管隧道應(yīng)進行抗震能力檢查。 為了確定合理的沉管隧道抗震設(shè)計方法，1971年日本土木工程協(xié)會(JSCE)成立了一個專門委員會。1988年JSCE用英語發(fā)表了該委員會的"沉管隧道抗震設(shè)計規(guī)范"同時，還在繼續(xù)進行這個問題的調(diào)查研究與檢測工作。

日本第一座沉管隧道是1944年為大阪地鐵網(wǎng)修建的。至1994年11月，共修建了18座沉管隧道。已建和擬建沉管隧道的地點、尺寸、工期見表1。多摩川隧道(東京)、川崎航道隧道、大阪南港隧道及新舊港公路隧道目前正在TRANBBS施工，神戶、衣浦、橫濱和那霸沉管隧道正在TRANBBS規(guī)劃之中。

四車道的衣浦港公路隧道位于日本知多半島高速公路上，穿過衣浦港。隧道長1018.6m，采用浚挖槽溝法修建，兩端有通風(fēng)塔，隧道是直線。

6節(jié)80m長的管段在船塢內(nèi)預(yù)制，用9mm厚的鋼殼防水，用特殊的排水法改善周圍軟粘土，用沉箱法修建通風(fēng)塔并安置在密實砂層上。

衣浦港隧道采用的地震形變法曾用于舊會山(加利福尼亞州)海灣區(qū)快速交通網(wǎng)(BART)的跨海沉管隧道中，為進一步證實還做了模型試驗。根據(jù)模型試驗和強震觀測結(jié)果，改進了衣浦港隧道的地震設(shè)計方法(青木和圓山，1972)。在建成后進行的現(xiàn)場觀測，還未發(fā)現(xiàn)有任何強烈的地震活動。因該隧道交通十分擁擠，在傍邊又規(guī)劃了一座沉管隧道。

川崎港隧道位于東京灣，穿過京濱運河。連接Chidri-Cho和Ohgishima人工島。隧道長840m，采用浚挖槽溝法建造，有8節(jié)管段。因隧道建在軟弱粘土層上，設(shè)計時考慮了不均勻沉擇。因此在Ohgishima島上的陸地段用鋼管樁支承。

抗震設(shè)計采用了多個質(zhì)量彈簧模型的動力反應(yīng)法(濱四，1984)。輸入1968年觀測十滕一沖強地震記錄到的八戶波數(shù)據(jù)進行計算。根據(jù)計算結(jié)果，兩端的通風(fēng)塔建在兩岸，與隧道分開。

每節(jié)管段都采用鋼殼法修建。在船塢中造好鋼殼，拖運到海上，安裝好鋼筋后，再在海上灌筑混凝土。為了使縱向鋼筋承受地震產(chǎn)生的軸向力，采用了51mm的鋼筋。管段采用剛性連接。從1980年建成后，進行了各種觀測，包括地震響應(yīng)量測。觀測結(jié)果詳見第9節(jié)。

此外，還監(jiān)測了沉管隧道的沉降，通風(fēng)塔和隧道管段間相對位移，航道下面隧道管段上的覆蓋層的變化。

歐洲的沉管隧道有有一百多年歷史了，荷蘭的公司是代表。歐洲的厄勒海峽隧道就有沉管。

中國的港珠澳大橋沉管隧道，一度請荷蘭公司提供技術(shù)指導(dǎo)，但他們要價15億人民幣，談判失敗，導(dǎo)致中國林鳴和他的團隊自己探索。

韓國釜山的巨加跨海大橋，韓國一家非常厲害的公司在主持這個項目，安裝的部分，全是歐洲人提供的這方面的支持，每一節(jié)沉管安裝的時候，會有56位荷蘭專家從阿姆斯特丹飛到釜山給他們安裝。

1.基糟開挖:可選用戽斗式挖泥機、帶切泥頭的吸泥機或挖泥機、帶爪斗的起重機等設(shè)備。切泥頭挖泥機是對要浚挖的泥土進行混攪成漿后吸走。如使用浮放管路排泥時，這種挖泥機的垂直運輸和水平運輸都是封閉的，對環(huán)境的影響就比較小。戽斗式挖泥機、帶抓斗的起重機在垂直運輸泥土?xí)r，以及當(dāng)泥土卸進駁船中供水平運走時產(chǎn)生的溢出都會對環(huán)境造成污染。

2、基礎(chǔ)施工:現(xiàn)有3種不同的基礎(chǔ)，歐洲普遍使用噴砂和注砂基礎(chǔ)，美國普遍使用樣板刮平的礫石基礎(chǔ)。

(1)樣板刮平的礫石基礎(chǔ):一般用于北美的鋼殼管段隧道。地槽挖好后，接著便在地槽底上鋪一層粗砂或礫石。礫石和砂的粒度級配必須與水力條件相適應(yīng)。這層厚度約0.7m。礫石基礎(chǔ)的刮平度要求為±3cm，這取決于當(dāng)?shù)貤l件、砂或礫石的級配以及使用的設(shè)備。刮平是用一塊樣板來進行的，樣板從滑架上的絞盤車懸掛下來，滑架沿支承在兩個浮筒上的軌道移動。這套設(shè)備錨定在要刮平處的水面上，樣板的懸掛高度可以調(diào)節(jié)，以補償潮汛水位的變化。也可采用按半潛水的原則制成的特殊設(shè)備。這種方法允許樣板直接連到錨墩上。

(2)噴砂基礎(chǔ):建造杉基礎(chǔ)的第一個系統(tǒng)用的是C&N法(Christiani&Nielson法)，即使用在隧道管段上滾動的鋼門架，與門架相連的3根毗鄰的管子，這3根管子被引入到隧道管段底部與地槽之間的空間。最大的管子在中間，通過這根管子，砂水混合物被泵送到隧道管段下面。位于大管子兩側(cè)的兩根管子又將水吸回去，從而形成一種流動作用，使砂在隧道管段下面以一種良好的限定和良好的控制的型樣沉淀下來。門架位于隧道管段上面，并可使管子繞垂直軸轉(zhuǎn)動，這樣就可以達到隧道管段下面的整個空間以便移動管子。砂的平均粒徑約為0.5mm。砂水混合物的濃度和排出速度與噴出形成的砂餅的直徑有直接關(guān)系，必須很好地控制。

(3)注砂基礎(chǔ):這種方法像噴砂法一樣把砂水混合物泵送到管段下面的空間里。只不過不是使用可移動的門架系統(tǒng)，而是在隧道管段底板上開許多孔口，這些孔口在管段里面相連。當(dāng)管道從岸上經(jīng)過隧道通到這些孔口處進行充填砂基時，不會影響航運。砂水混合物通過在隧道管段內(nèi)的孔口泵泵出，去填充隧道管段下面的空間，直到砂堆接觸到隧道管段的底部為止。這樣在隧道管段下面形成一個擴大的砂餅。砂餅內(nèi)部的水壓超過了預(yù)先指定的最大值時，打開下一個孔口，同時將前一個孔口關(guān)閉。這種方法速度快，能在24小時內(nèi)填滿一個隧道管段下面的整個空間，這樣就能避免管段放置后產(chǎn)生淤積的危險。

3、管段制作:

(1)管節(jié)的制作:管節(jié)制作是大型沉管隧道的主要工序，它的工期和質(zhì)量不僅直接影響沉管的浮運和沉放，而且關(guān)系到隧道運營的成敗。制作工藝的關(guān)鍵技術(shù)是控制砼的容量和管節(jié)(結(jié)構(gòu))尺寸精度，以及控制鋼筋砼解決夠的裂縫，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自身防水。

(2)制造管段的場地:對鋼殼式管段，在隧址附近的船塢制作，然后拖到隧道施工現(xiàn)場附近進行艤裝，再拖至施工現(xiàn)場灌注鎮(zhèn)載砼。對砼管段，在隧址附近的干船塢中澆制砼管段，管段造好后浮運至施工現(xiàn)場沉放。在丹麥和瑞典的斯熱桑得隧道在干船塢里還建造有一條砼管節(jié)生產(chǎn)的流水線的工廠，管造好后在干船塢里連接成管段。

4、接頭的設(shè)計及處理技術(shù):接頭設(shè)計和處理技術(shù)是沉管隧道的關(guān)鍵技術(shù)之一。接頭的設(shè)計應(yīng)能承受溫度變化、地震力以及其他作用，并保證具有良好的水密性。沉管隧道的每一個管段都是一個預(yù)制件，在管段之間和管段與通風(fēng)塔之間存在接頭。接頭有2種形式:剛性接頭，接頭具有與其連接管段相似的斷面剛度和強度;柔性接頭，接頭允許在3個主軸方向上有相對位移。在某些情況下，沉管隧道的所有接頭都采用同一種形式，在另外一些情況下，兩種形式都可能采用。接頭的位置、間距和形式應(yīng)按照土壤條件、基礎(chǔ)形式、抗震以及可加工性倆決定。同時，還應(yīng)考慮接頭的強度、變形特性、防水、材料以及細部構(gòu)造。