【科普好文】穿梭于江河海底的“蛟龙”——沉管隧道

由于江、河、湖、海等天然水体的存在,陆地的连续性被破坏,被分割成不同区域,阻碍了人们正常的文化交流与经济往来。修建沉管隧道既可以穿越较大跨度,直接连通水域两岸,又可以降低隧道在运营过程中因气象条件变化造成的影响,保持连续通行。沉管隧道就像一条穿梭于江河海底的“蛟龙”,为促进水域两岸的文化、经济交流发挥其特有的纽带作用。

 

“沉管法”即预制管段沉放法的简称,是在水底建筑隧道的一种施工方法。隧道很长,尤其是跨海沉管隧道,当然不可能一下子做个整体出来,一般都是一节一节预制好,然后再浮运到海底进行水下对接。以港珠澳大桥海底隧道为例,它先把8个22.5m长的小段(称为“节段”)拼接为180m的大段(称之为“管节”),在工厂里把一个管节中的8个节段用预应力钢筋串起来形成一个整体,然后拖到海面上预定的位置让它沉放下去。最终三十多个管节在海底连成整体,港珠澳沉管隧道也就完成了。

 

隧道沉管法具体的施工工艺可分为五个部分:干坞修筑、基槽开挖与航道疏浚、管段浮运与沉放、管段水下连接、基础处理及回填,分别介绍如下:

 

一、干坞修筑

干坞是为预制管段而专门修筑的临时性工作土坑,它的任务主要是预制沉管管段。干坞是修建矩形沉管隧道的必需场所,通常是在隧址区附近开挖一块低洼场地,场地的底部(坞底)低于水面,所以干坞看起来就像是一个大水池,如图1所示。

 

图1  修筑干坞

 

那干坞为什么建成大水池模样呢?因为它跟水池一样需要注水。我们仍以港珠澳大桥海底隧道为例,一节沉管长达180米,重量高达上万吨,即使预制出来,也没有合适的机械去运输这些管节,所以采取的办法是把沉管两端堵住(图2),然后往坞中放水,这样就可以运输到隧址指定地点了(图3)。

 

图2  封堵管节两端

 

图3  完成干坞注水

 

在干坞内进行管段制作时,必须严格控制浇筑混凝土的质量,须保证干舷(管节浮起时露出水面的高度)10-15cm;同时须保证管节有良好的防水性能。前面介绍了沉管管节都是由一个个刚性的阶段组成的,它们拼接在一起都是硬碰硬地接触的,在受到弯矩时会张开,一旦张开沉管隧道就会漏水。那如何保证整个隧道的防水性能呢?解决方案是在两个节段硬碰硬的地方垫上一层橡胶,这一层我们称之为“止水带”。不过,只有止水带是不行的,必须保证节段紧紧贴在一起。我们用很多预应力钢筋把八个节段串起来(图4),然后把钢筋张拉得很紧,这样相邻的两个节段就紧密挤在一起,它们之间的橡胶也压得很紧了。

 

图4  管节节段连接

 

节段与节段结合组成管节,管节组合到一起才形成整个沉管隧道。最重要的还是管节和管节之间的接触,这是沉管隧道防水须重点关注的部分。管节和管节接触的地方采用了一种更大的橡胶止水带:GINA止水带。这个橡胶就比较大了,压缩后的变形也很大,如图5所示。完成这个操作后,就可以保证整个沉管隧道不漏水啦。

 

图5  管节接头防水

 

二、基槽开挖与航道疏浚

1.基槽开挖

基槽就好比管节的“床”,浮运过去的一个个管节就在基槽中进行拼接安装,因此在浮运管节之前就必须先把管节的“床”铺好,这个过程就叫做基槽开挖。基槽的断面尺寸应该根据管段的断面尺寸和所处的地质条件确定。一般来说开挖基槽的底部宽度比管节底部宽度要长约4-10米。基槽的深度取决于三个因素:管顶覆土厚度、管段高度、基础处理所需超挖深度,如图6所示。基槽的纵断面形状应与沉管段的隧道纵断面一致,这样才能保证管节对接取得较好效果。

 

图6  基槽横断面

 

由于水底特别是海底表层都是淤泥,沉管管段在沉放之前必须把基础做好,用专业设备把表层的淤泥处理干净,开挖的方式一般需分层、分段进行。在基槽断面上,分成二层或三层,逐层开挖;在平面沿隧道纵轴的方向,事先划成若干段,分段分批次进行开挖。基槽开挖的设备一般有链斗式、绞吸式、抓斗式挖泥船三种,一般根据泥土的类型选用不同的挖泥船(图7)。

 

 

图7  水下清淤挖泥船种类

 

2.航道疏浚

航道疏浚主要包括两个内容:临时航道疏浚和管段浮运航道疏浚。顾名思义,临时航道疏浚是为了保证施工期间航道上正常的安全运输,这个过程必须在基槽开挖之前完成。浮运航道是专门为运输管段的,是为管段从干坞到隧址浮运时设置的,因此管段在出坞托运之前,浮运航道必须疏浚好。应该注意到,浮运航道必须要有足够的水深,不然那么大体积、重量的管段是无法保证托运安全的。

 

三、管段浮运与沉放

1.管段出坞

首先是进行管段出坞,在管段浮升之后用锚在地上的钢绳固定住,然后再由放置在干坞坞顶的绞车逐节牵引出坞,当完成管节出坞后在坞口系泊。分批预制管段时,也可在临时拖运航道边选一个具备条件的水域临时抛锚系泊。

 

图8  沉管管节出坞

 

2.管段向隧址浮运

管段的浮运可采用拖轮拖运或岸上绞车拖运。但是要拖运的管段需要几个拖轮、拖轮大小等应该如何确定呢?这些都是要根据管段的几何尺寸、拖航速度及航运条件(航道形状、水流速度等)共同决定。

 

图9  沉管管节浮运

 

图10  沉管系泊

 

3.管段沉放

当把管段运至隧址区指定地点后,就开始管段的沉放工作,也就是把管段沉放到水底指定位置处。根据沉放方法的不同分为吊沉法和拉沉法,一般吊沉法使用最多,分为起重船吊沉法,浮箱吊沉法,自升式平台吊沉法和船组杠沉法。在管段下沉的过程中如何确保两节沉管的精准对接,是沉管隧道施工过程中难度非常大的一个环节,往往要采用各种高精度的监测设备进行实时监测。

 

图11  安装水下监测摄像头

 

图12  工作人员操纵管节沉放

 

管段下沉一般分为三个步骤:初步下沉、靠拢下沉、着地下沉。管段的下沉应在潮位退到低潮平潮之前的1~2小时开始,因为此时的水流速度最小,能够保证管段安全就位。首先是初步下沉,当管段下沉到底部离设计高程4~5米时该阶段结束。然后是靠拢下沉,也就是下沉的管段要向之前已经安置好的管段方向靠拢:这个靠拢当然包括水平和竖直两个方向的靠拢,在将管段向前节既设管段方向平移至距前节管段2~2.5米时,再将管段下沉到管段底部离设计高程0.5~1.0米处,再次校正管段位置。最后是着地下沉,也就是更精细的校正管段的位置,控制管段下沉的速度非常缓慢,并随时校正管段位置。

 

图13  管节下沉作业

 

四、管段水下连接

早期的管段水下连接多采用水下混凝土连接法,这种方法作业工艺复杂,且潜水工作量大,目前只在最终接头连接时使用。现如今,管段水下连接一般采用水力压接法,这种方法原理非常简单,如图14所示,在对接前,新沉放的管节两侧都有水压力,在对接时候,抽掉两节管节中间的水,这样产生巨大的水压力就会使安装在管段前断面的胶垫发生巨大的压缩变形,从而形成一个水密性非常好的管段接头。

 

图14  管段水下对接示意图

 

五、基础处理及回填

基础处理的目的不是为了对付地基土的沉降,而是为了垫平基槽底部。如果基槽开挖不平整,会使槽底表面与沉管地面之间存在很多不规则的空隙,这样自然会造成地基受力不均,引起地基不均匀沉降,从而导致沉管结构局部部位受力过大而发生开裂,因此在沉管隧道施工过程中必须进行基础处理,使得管段底面与地基间的空隙填充密实,相互直接接触均匀。常用的方法有刮铺、喷砂、压注与桩基法。

 

图15  挤密砂桩施工

 

覆土回填是沉管隧道施工的最终工序,它包括沉管侧面与管顶压石的回填,下半段一般采用砂砾、碎石等材料回填,上半段可用普通砂土回填。进行覆土回填的目的是为了确保沉管隧道的永久稳定,而且回填应做到均匀回填,而且不能投入过量造成航道障碍。

 

通过上面的介绍,我们对这条“蛟龙”有了更清楚的认识。穿梭于江河海底的这一条条“蛟龙”的诞生离不开隧道工程师的智慧和辛劳。沉管隧道的建成一方面消灭了阻挡公路贯通的“拦路虎”,促进了各地区的互联互通,另一方面也是公路隧道行业技术发展进步的有力见证。

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