水下隧道沉管法设计与施工关键技术

水下隧道沉管法设计与施工关键技术

宋志广

（中铁十八局集团有限公司，天津，300350）

【摘要】随着国外水下隧道工程中选用沉管法的顺利施工，我国开始对水下隧道沉管施工的摸索，水下隧道沉管施工促进了我国水下隧道施工的快速发展。但是水下隧道沉管施工难度系数较多，需要控制的因素较多，其中管段制作、管节浮运、沉放、水下对接和基础是施工的难点，需要提高对这些难点的重视，确保水下隧道沉管施工的顺利开展。

【关键词】水下隧道；沉管施工；焊接质量

引言

水下隧道沉管施工法自1910年的美国底特律河隧道建设到今天已经经历了近一个世纪的发展，水下沉管隧道施工技术得到了提升。据不完全统计，到21世纪初期，世界上有约20多个国家采用水下沉管技术修建了130座水下隧道。例如，美国的旧金山海峡隧道、博斯普鲁斯海峡水下隧道、厄勒海峡沉管隧道等。我国对水下隧道沉管施工技术的探索较晚，在上世纪70年代初期，香港修建了维多利亚港水下隧道，它是我国第一次尝试采用水下隧道沉管施工技术，并且它是我国第一座地下铁路与道路共管设置的水下隧道。随后水下隧道沉管施工技术在我国得到了迅速的发展，到目前为止，已经建成了水下隧道采用沉管施工技术有宁波甬江沉管隧道、上海外环隧道、澳门澳隧道，这些水下隧道的建设促进了我国对水下隧道沉管施工技术的发展。

1．水下隧道沉管设计的关键点

对于水下隧道沉管法施工技术而言，防水设计是水下沉管施工的难点之一。研究发现，沉管隧道的防水设计主要可以分为管段的防水与沉管接头密封防水。而管段结构的形式有矩形钢筋混凝土和圆形钢壳式。钢筋混凝土管段的防水分为管段混凝土结构防水与接缝防水，但隧道防水的根本是隧道自防水，而对于混凝土管段而言，防水主要是避免裂缝的发展。所以，对于混凝土管段在提高结构强度等级的同时，还要选用低水化热的水泥，并且在混凝土浇筑时严格控制温度变化，确保混凝土管段的结构收缩裂缝与干缩裂缝控制在允许的范围内。钢壳管节的防水层主要是钢壳，它的防水性能主要是由钢壳拼装的焊缝质量，在管节焊缝施工完毕后，为了确保焊缝的施工质量，需要对焊缝的焊接质量进行检验。

沉管的防水不仅局限于自防水，还可以通过对管段外防水提高沉管的防水性能，可以在管段外周围均匀涂抹一层很薄的外防水涂料。此外，在管段防水中，不可忽视细小裂缝的危害。根据对厄勒海峡管段中0.2mm裂缝进行运行期间的渗水量统计发现，在100年的总渗水量可达9000000t，由此可见细小的裂缝对管段危害严重性。

在混凝土管节浇筑时，多分成几段进行预制浇筑，且在浇筑混凝土时按照底板、侧墙、顶板的顺序进行浇筑混凝土，这样在管道中存在水平施工缝和垂直施工缝，为了提高施工缝的防水性能，需要在接缝处预埋遇水膨胀止水条和中埋式橡胶止水带双重防水带。此外，还可以在管段外表面的水平和垂直施工缝均匀涂上一层环氧聚氨酯外防水涂料。

2．隧道沉管施工中的常见的问题

（1）缺乏沉管施工质量保障监督体系，缺乏对沉管施工质量管理。由于水下沉管施工的特殊性，若不严格按照一定的施工流程，则会造成严重的安全事故，因此需要在沉管施工中制定有效地安全保障措施，减少安全事故的发生。

（2）管道焊缝焊接质量不达标。由于沉管施工对管道焊缝的要求较高，若焊缝质量不满足设计要求，在后期隧道运营使用过程中，发生渗水现象时，可能影响隧道的正常使用。因此，需要对沉管焊接工人进行上岗前的检查，并进行岗前培训考核，符合要求的人员才可以持证上岗。

（3）管道质量检验不全面。在沉管安装前，需要对每根沉管进行质量检验，但是在沉管施工中，为了加快施工进度，未对全部沉管进行性能检验，则开始进行沉管施工，造成沉管接头的焊缝焊结质量不达标。

3．沉管隧道施工的关键技术

水下沉管隧道施工的主要流程：预制场准备、管节制作安装、沉管基槽开挖、临时制作及地锚设置、管段沉放、水下对接、基础处理、覆土回填、管段接头施工、内部装修及机电设备安装、竣工验收。

在沉管隧道施工中，管段制作、管节浮运、沉放、水下对接和基础是施工的关键点，它们是决定沉管隧道施工顺利与否的关键工序。

3.1管段制作

（1）管段容重控制。若管段质量较重，则无法正常起浮，因此，混凝土管段的容重大小决定了管段质量，为了确保管段在运输过程中的安全性与稳定性，需要对混凝土管段的容重加以控制，例如优化混凝土配合比、选用轻型骨料等

（2）几何尺寸控制。若管段的几何尺寸存在较大的误差，则容易在管段浮运中出现重心改变，从而很大程度上增加了管段浮运沉放的危险性。尤其是钢管的误差，它可能引起管段口对接的困难，影响接头焊接质量，对隧道防水性能产生较大的影响。因此，几何尺寸控制是管段预制施工技术关键点。研究发现，管段几何尺寸控制主要有：测量控制、钢壳控制、模板体系控制。

3.2管节浮运、沉放及水下对接

（1）管节浮运。管节浮运是指将沉管管段从预制场运输到管段沉放位置的过程，同时根据不同工程的特点，可以选取不同的浮运方式：有半潜驳船运输、拖轮拖运、岸上控制等方式。

（2）管段沉放。管段沉放施工工序主要分为3个阶段，管段初次下沉、靠拢下沉、着地下沉等。在管段沉放施工前，需要对施工现场的地质水文、气象等进行详细的监测，在保障安全后在进行沉放施工。

（3）管段对接。管段的水下对接采用水下压接方法，它主要是根据静水压力将GNA止水带进行压缩，确保管段的对接口面形成密闭的隔水性能。管段的水下对接主要分为管段对位、拉合、压接连接内部、拆除端封墙等。

（4）接头。管段的沉放施工有两种方式，一是管段从一侧岸上开始，然后按照顺序逐节沉放管段向对岸推移；二是从两岸分别开始沉放管段，想河道中间对接。

管段的沉放是水下沉管隧道施工的关键工序之一，而管段沉放对接是整个沉管隧道工程施工质量的决定因素，若管段接头焊接质量不满足设计要求，将有可能在沉管隧道后期的使用中出现浸水问题，影响隧道的正常使用。

此外，为了确保沉管隧道不同管节能够准确无误的连接，还需要建立准确的测量系统以及精准的测量设备。测量系统主要是指引导管段沉放位置与沉管正确对接控制网。可采用超声波探测装置配合陆地上的引导系统确保管段正确对接测量系统的精准性，同时还需要掌握管段的绝对位置与沉浮状态，以及正沉放管段与已沉放管段之间的相对位置(端面间距离、方向、纵横断面的倾斜等)，从而安全、正确并以最短时间实现管段的沉放与对接，避免沉放过程中管段碰撞和GINA橡胶止水带损伤等事故发生。

3.3沉管隧道基础

沉管隧道基础施工中需要确保隧道在后期运营过程中，基础不出现过大沉降。同时，还需要注意基槽开挖施工中导致基槽底部不平整，以及地基土土质分布不均匀（局部存在软弱土）。若地基土较软弱，不仅需要对基础进行垫平，还需要对地基土进行改良，以提高地基土的承载能力，避免隧道中荷载引起不均匀沉降问题。

4．结束语

综上所述，水下隧道沉管施工很大程度上推动了我国水下隧道施工的快速发展。但由于我国对水下隧道施工技术掌握不熟练，水下隧道沉管施工难度仍较多，需要控制的因素较多，例如管段制作、管节浮运、沉放、水下对接和基础是施工的难点，需要提高对这些难点的重视，确保水下隧道沉管施工的顺利开展。

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