海中沉管隧道回填防护设计的讨论

2013-01-21林巍张志刚

中国港湾建设 2013年5期

关键词：块石管节块体

林巍，张志刚

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

沉管隧道管节在海中安装后，立刻在管节的四周开始回填防护作业。

沉管隧道的回填防护通常被分为几大块：锁定回填（对后铺法隧道还包括部分止浆回填）、一般回填和隧道顶部的防护回填，如图1所示。回填的几何形状、尺寸及其材料的选择应当考虑施工工艺、功能需求和海况限制等因素。

图1 沉管隧道回填方案示意图

为了理清回填防护设计的关键点与思路，本文将首先剖析回填防护在沉管隧道工程施工期和运营期中所起的作用，即回填防护设计的功能需求。由于沉管隧道的设计与施工关系密切，尤其对于回填防护的外海作业，施工方法、工期压力等因素都有可能影响设计方案，所以文中梳理了回填防护的设计方法与思路，并讨论了有关施工方面的问题。

1 沉管隧道回填防护的功能需求

1.1 运营方面

沉管隧道的使用寿命相比一般海工结构物的寿命长。因而回填防护设计需考虑在运营期间可能出现的各种情况。通常需考虑的内容包括：

1）隧道的抗浮要求。为防止安放于水中的沉管隧道失稳或浮起，需要在沉管隧道两侧和上方进行回填以提供足够的负摩擦和重量。沉管隧道回填后的抗浮安全系数，即回填重量与隧道结构的总重量之和与隧道总浮力的比值，考虑运营期可能的种种不利因素影响，一般需达到1.15～1.25。

2）隧道结构防锚的要求。在沉管隧道上方航行的船舶如果发生落锚，或拖着锚横跨过隧道时，需要由回填防护来保护隧道结构，防止被锚的冲击力或锚钩破坏[1]。

3）波浪和海流的作用力对单个块石或块体的稳定重量的要求。沉管隧道使用期间出现极端的海况时，组成回填材料的块石或块体需要有足够的重量，以防止波流力将其推动。为达到此要求，计算或物模试验选用的波浪、海流参数的重现期不小于沉管隧道的设计使用寿命。

4）大型船舶在隧道上方航行时，螺旋桨尾流对回填块体（石）的稳定性影响。吃水深、功率大的万吨级、几十万吨级的集装箱船等船舶通过隧道上方时，螺旋桨尾流对回填材料的稳定性的影响不容忽视，此稳定性可基于隧道使用期间远期船舶的预测数据来进行验算。

5）整体稳定性要求，即回填方案设计时需确保在发生地震、长周期波浪等情况时，回填防护体不会发生整体的滑动。

6）需要选择良好粒径和级配的回填材料，避免地震时发生液化。

7）反滤、冲刷防护等海工构造要求。

上述前2条是针对沉管隧道的防护所提出的，后5条为回填防护中保持自身的稳定性的影响因素。

1.2 施工方面

1）不同施工设备和工艺对回填方案的影响。

2）基于有限的海上作业窗口，回填作业与前后工序的衔接对回填防护方案的影响。

3）锁定回填是沉管隧道管节沉放对接后进行的第一步回填工作。在锁定回填施工过程中，由于作用在管节侧面的海流力，以及管节两侧的不均匀回填造成的侧土压力，存在使管节横向移动的风险，因此要求在管节两侧对称进行或交错进行。该施工需要根据管节横向推力与底面的摩擦抗力的比值来综合确定。

4）后铺法沉管隧道在管节的底部需要注浆。为防止浆液从管底与基础的间隙间向两侧扩散，在注浆开始前，需要先沿管节两侧在整个纵向进行止浆回填。止浆回填的高度略高于管节与基础间的注浆缝隙。

1.3 其它

1）降低船舶撞击风险的设计。如果回填顶面标高比周边的海床面高，则失事或偏航的船舶将不能在海床上搁浅，而会直接撞击沉管隧道。不同于桥梁被船舶撞击的经济损失，这里的经济损失指的是工程建筑物的修复或重建费用，不包括船舶损坏、社会的经济损失和生命损失，桥梁被撞坏后的修复费用仅为桥梁总造价的一小部分，而沉管隧道被撞毁后几乎无法修复，其经济损失会大得多。进而风险评估计算公式中的撞击后果影响系数也是成倍增加，因此对突出海床面部分的沉管隧道，船舶撞击风险概率一般需要进行评估。当沉管隧道撞毁的风险概率超出规定值时（风险概率允许值根据不同项目重要程度和各国规范有不同的要求，目前国内有关指南要求不超过3×10-4），需要增加船舶撞击防护来降低沉管隧道被撞毁的风险。一种被动防护方案就是加宽隧道两侧的回填宽度并适当增加两侧回填的高度，形成防撞护坦，将船舶的冲击动能通过与回填材料的挤压、摩擦、破碎和位置变化等能量的转换来化解，起到阻挡和削弱船舶的冲击力的作用[2]。

2）阻水率。厄勒海峡接线项目要求控制施工带来的对环境的影响。靠近内陆侧的波罗地海不允许因包含沉管隧道的连接线的建成所引起的物理海洋环境及生物环境的改变。这意味着施工时需要避免穿过厄勒海峡的海流的折减。阻水率被定义为流入和流出波罗地海的海流的折减值[3]。在厄勒项目采用了补偿开挖等方法降低阻水率。作者认为可从回填防护方面来有效降低阻水率，即尽量缩减沉管隧道管节顶部回填层的厚度。一是通过设计分析来量化，找出顶部回填的理论允许最小厚度；二是通过施工工艺在经济、可行的范围内尽量缩小顶部回填的竖向施工容差，从而降低回填防护的顶面平均高程；此外在有条件时也可考虑使用重度约3.65 t/m3的铁矿石作为隧道顶部的回填防护材料。因为隧道顶部回填材料厚度的主要影响因素是组成该材料的尺寸，而块石的尺寸由其重量决定。如果有条件使用类似的更重的材料，也许能够有效缩减隧道管节顶部的回填层厚度。

2 设计方法与设计思路

2.1 总体布置

回填防护的一种典型断面布置形式如图2所示。为减小回填材料的用量和提高施工效率，顶部回填的形状设置为弯折形，这种形式也起到了船舶发生拖锚时避免锚爪勾住隧道结构的作用[1]。

图中的肩宽取决于锚爪勾不到隧道结构所需的宽度，并考虑海上作业的施工偏差。同时需要满足海工的构造要求，例如肩宽至少应大于2倍面层块石的粒径。当需要利用回填结构降低船舶撞毁隧道的风险时，肩宽取决于能有效减小船舶对隧道结构的撞击力的距离，即消耗大部分船舶撞击动能所需的距离。

图2 港珠澳大桥沉管隧道回填防护典型断面图

两侧的坡角一般为回填材料施工的自然休止角。坡角的设计也应满足整体稳定性要求。

如果要求隧道修建完成后复原成原海床面的形状，还需要将开挖出的海床料或较好的材料回填至两侧的空间。图3所示平铺的回填布置也是常见的一种形式，为避免船舶发生拖锚锚爪勾住隧道结构，需要在两侧安装由较大块石组成的释锚带。

图3 香港西区沉管隧道回填防护断面示意图

2.2 锁定回填

锁定回填是沉管隧道管节沉放后的首道回填工序，目的是尽快固定住管节，防止管节在横向水流力作用下发生偏转。因为要快，所以回填方量不能太多，几何尺寸不能设计得太大；因为要稳定管节，所以相比一般回填需要选用较好的材料，提高材料的内摩擦角，从而增加锁定回填的侧向土压力。表1为日本沉管隧道锁定回填材料的使用情况[4]。

锁定回填的施工工序通常是在管节的两侧对称回填，两侧高差需控制在0.6～1.0 m以内；另一种工序是在隧道管节的两侧交错回填，采用这种工序时需注意检查每一步回填管节的横向抗力是否充足：

式中：fbo为管节底面的摩擦力；Ppas.为锁定回填（如果有）较少侧的被动土压力；Pstatic为锁定回填（如果有）较多侧的静止土压力；C为管节侧面的水流力。

2.3 一般回填

一般回填作为沉管隧道回填防护的主要部分，占较大的工程量，形状基本同2.1节的总体布置。

选择回填料时需考虑选用防止地震液化的材料。日本已建成的沉管隧道一般回填材料使用情况见上述表1。

如果采用开底驳抛填，在新安管节一侧进行大方量的抛填时，则也需要用2.2节的方法来核算管节的横向推力和抗力。

2.4 隧道顶面回填

隧道顶面回填的主要作用是保护沉管隧道结构，并保证自身及内部的回填料在波浪、海流作用下的稳定性。

由第1节可知，顶面回填设计需要分析和验算的内容最多。建议采用以下顺序逐步验算和确定设计方案。

2.4.1 块石或块体选择

为了不被海流和波浪力推动，面层块石重量的选择一般取决于当地的海流和波浪特征。

当防护面层的顶面位置较高，位于或高出潮位变动区时，块石的稳定性主要受到波浪力的影响。有时需要选用抵抗波浪力稳定系数更高的混凝土人工块体代替天然块石作为顶面防护材料。

面层块石或块体的稳定重量可通过波流物理模型试验来确定。国内外均有基于物理模型试验和实际应用得到的较成熟的经验公式用于稳定重量的计算或与试验结果比对。列出下面几个经验公式为例：

1）面层低于海床面的情况。这是最常见的情况，防护面层块石的稳定重量受到波浪与海流共同影响。由Shield理论公式[5]计算：

式中：ψ为Shield参数；Uf为剪切流速，m/s；△为块石相对密度；g为重力常数，m/s2；D为护面块石粒径（由该值计算块石稳定重量）；u*为水流剪切流速，m/s；ufw为波浪剪切流速，m/s。

2）面层高出海床面的情况。波浪力的影响作用逐渐增加，除了用上述公式进行稳定性重量计算外，类似潜堤，还可用Van Der Meer公式[5]验算：

式中：hc′为护面层顶面距海床面距离；h为水深；S为相对侵蚀面积；Ns*为波谱稳定性系数；Ns为稳定性系数；sp为波陡；Hs为有效波高，m；△为块石（体）相对密度；Dn为护面块石（体）等效立方体中值粒径。

3）面层的位置较高甚至露出海面时，类似一般防波堤护面块石或块体，稳定重量可由Hudson公式[6]计算。

护面回填上方有大型船舶通航的区域，还需要验算船舶螺旋桨尾流对面层块石或块体的稳定性[7]。

此外，还应全面掌握材料费用、设备匹配性、施工便利性、工效及美观等各种因素，选取合适重量或体积的护面块石或块体。

2.4.2 垫层

由于一般回填材料的粒径较小，可能直接从面层块石的空隙中被海水淘出，因此需在面层和一般回填材料之间设置一层反滤碎石层，即垫层。垫层粒径的大小介于一般回填和面层回填材料之间，即满足：粒径不能太大，防止一般回填料通过垫层碎石的空隙掏出；粒径不能太小，防止垫层碎石从面层块石的空隙掏出。

铺在管节顶面的反滤层也起到了缓冲的作用，避免在隧道管节的顶面直接安放较重的块石而破坏隧道结构。

从海上作业的便利性和工效来看，安放一层回填料比安放两层不同的回填料更加便利。因此有条件时，可考虑用一般回填材料取代反滤层，这样设计的前提是面层块石或块体能够对一般回填料起到反滤作用；如果管节的顶板上浇筑了干舷调节素混凝土或防锚混凝土垫层，或者在管节顶部安放块石或块体时能保证隧道结构的安全，那么可用面层块石或块体取代反滤层。

2.4.3 顶面防护层的厚度

首先，隧道顶面防护层的厚度应满足运营期沉管隧道抗浮的要求（见1.1节第1）条），据此可计算得到抗浮所需最小安全厚度Tuplift。

其次，由确定的面层和反滤层（如果有）的材料粒径可计算得到回填料所需的最小厚度Tmat。例如，对于大块石面层加上反滤层的情况，最小厚度等于2倍（面层块石至少铺2层）面层块石的中值粒径，加上碎石垫层施工能达到的最小厚度60 cm（实际施工最小厚度需结合水深和工艺、设备确定）。

再次，管节顶面回填要能有效降低落锚的冲击力。选取落锚代表锚型，根据经验公式[1]计算落锚作用在沉管隧道结构上的等效静力荷载，并校核隧道结构的强度。如果不能满足要求，则需考虑加厚管顶的回填层来减小落锚冲击力，或者增加管节结构自身的强度来抵抗落锚，或两者兼而有之。最终可确定减缓落锚冲击力所必需的厚度Tanchor。

根据上述抗浮、材料构造和减缓落锚冲击力得到的最小厚度，可知顶面防护层理论所需的最小厚度为：

在此基础上，还应充分预留海中施工作业时施工偏差Tcon以及一些不确定因素Tunknown，以此来确定隧道顶面防护的设计厚度Tarmor。

2.5 回填防护施工

沉管隧道的回填防护有多种施工工艺，包括抓斗船抛填、抓斗船联合带落料管的驳船回填、开底驳抛填、皮带船抛填等。

对于管节顶面的回填，如果需要安放较大体积、重量的块石或块体，需要用网兜或抓斗来安放，这种安放方式可减小块石或块体对隧道结构顶面的冲击作用。

结合已有的设备、施工工效、船舶作业空间（隧道管节及周边的障碍物）和前后工序的衔接等确定施工工艺。

2.6 相关工序

2.6.1 锁定回填与舾装件拆除

锁定回填应在沉管隧道管节完成沉放对接、沉放驳或浮筒与管节脱开之后尽快进行，以稳定新安装的管节。但是，由于沉放后需要拆除管节顶面的部分舾装件，这需要潜水员在水下拆卸螺丝，并辅助岸上或海上的吊机吊起舾装件，因此会占用沉管管节的部分或全部的作业面；由于潜水作业对流速的要求较严格，所以在海上拆除舾装件可能需要较长的时间，这将影响锁定回填作业，因而需合理考虑锁定回填施工与舾装件拆除工作的作业面和工序。

2.6.2 管节顶面回填与管内施工作业

沉管管节沉放安装之后，管节内部的工作包括浇筑压重混凝土和拆除临时压舱水箱。拆除压舱水箱之前需首先排出压舱水箱内的压载水。为了保证管节的负浮力，排出压载水的同时，需要等重量或更多的浇筑管内的压重混凝土。因此导致工序安排复杂。如果在该管内工序之前能够完成管节顶面的回填，由于管节顶面的回填提供了额外的压重，则可以简化管内压重混凝土浇筑与压舱水抽排的交替作业工序。