沉管隧道管节线形控制方法

马宗豪，孙健，管泽旭

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266001）

沉管隧道管节线形控制方法

马宗豪，孙健，管泽旭

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266001）

沉管隧道管节线形控制是沉管安装施工的一个重要工序。综合世界上具有标志意义的沉管隧道管节调位方法进行分类和比较，较完整地阐述世界各大沉管隧道的管节线形调整工艺，对沉管隧道管节线形控制具有一定借鉴意义。

沉管隧道；线形控制；沉管安装；管节调位

0 引言

根据国际沉管隧道施工惯例，沉管隧道施工顺序一般先进行两端安装，最后在中间段或暗埋段处合龙，即最终接头施工。沉管安装过程需要严格控制管节线形及平面误差，确保隧道施工质量。管节线形控制不仅包含安装前的线形调整，还包括安装后的管节调位，沉管安装过程的定位包含鼻托导向或导向杆定位，沉管安装后的管节调位从施工环境上划分为体外调整和体内调整。本文从沉管线形调位方面研究了世界几个具有标志性的沉管隧道进行系统研究，对管节平面轴线的控制和调整方法进行了阐述。

影响管节沉放后尾端偏差的主要因素有：钢端壳平整度、导向装置的安装精度。钢端壳的平整度受管节预制精度影响，导向装置的安装精度取决于管节二次舾装件的特征点标定精度。如果预制过程中钢端壳的平整度过大导致管节尾端偏差超过设计值，需要进行管节调位来确保管节安装后的平面误差，此外也可以通过提前进行管节导向装置调整或通过管节错牙的方式保证沉管隧道线形。

1 安装前调整

当前一管节安装完，尾端的轴线偏差通过贯通测量值获得，下一管节沉放前，需要对管节的特征点进行标定，通过 CAD 等专业软件能准确计算出管节的尾端偏差范围。在尽量减少管节体位调整的前提下，可以通过调整导向杆与导向托架之间的间隙来满足施工精度，如果尾端偏差较大，可先调整导向装置间的缝隙，后通过管节错牙的方式，保证沉管安装的精度。这一方法在上海外环沉管隧道[1-2]和港珠澳大桥沉管隧道中得到应用，且效果显著。调整管节对接端横向错位时尽量不要过大，否则会影响管节的施工质量。

2 安装后调整

世界上大多数沉管隧道在做好施工前管节预制及舾装件标定精度的前提下，沉管安装后采取了不同类型的管节平面调整方案。内部调整的案例主要有千斤顶调整和楔形块调整，外部调整的案例主要有 EPS体外调整和尾端调整。

2.1 日本多摩川沉管隧道

多摩川沉管隧道全长 1 549.5 m，由 12 个管节组成，单个管节长 128.6 m，宽 39.9 m，最大沉放水深 28.8 m，隧道基础采用后铺法，管节纵坡采用尾端的竖向千斤顶调整[3]。沉管沉放到位后，如果尾端偏差大于设计值，在新安装管节结合腔内两竖向侧墙安装油压千斤顶，一侧为反力支撑千斤顶，一侧为修正千斤顶，上一管节结合腔内安装限位千斤顶。内部千斤顶顶推的调整量必须经过设计计算，主要取决于水力压接时的 GINA压缩量、蠕变变形量、可防水的压缩量、地震拉伸量和温度变形量等。

期间，E5 管节安装后尾端偏离轴线 8 cm，采用内部千斤顶调位的方式，尾端修正最大顶推力3 600 t，顶推距离 1.1 cm，尾端调整 2.2 cm。

管节调位方式如图1所示。

图1 多摩川沉管隧道管节调位示意图Fig.1 Sketch of Tamagawa immersed tunnel alignment

2.2 厄勒海峡沉管隧道

厄勒海峡沉管隧道全长 4 000 m，其中沉管段长 3 510 m， 由 20 个 管 节 组 成 ， 单 管 节 长 175.5 m，宽度 39.75 m，高度 8.7 m，重约 55 000 t，最大沉放水深 22 m。隧道基础首次采用先铺法即碎石基床机械刮平工艺，有别于常见的填砂法[4]。考虑到沉管预制时钢端壳的平面误差及安装误差，管节预制期间对接端预留液压千斤顶孔洞，事先将千斤顶放置在预留的外墙孔洞中，沉管安装后尾端轴线偏差大于设计值时，进行体内千斤顶调位处理。首先降低管节压载量以减小沉管与基床的摩擦力，提升管节的竖向吊力，以满足千斤顶的顶推要求。

该工程采用安装在外墙内的 3 个 500 t千斤顶，精调施工后沉管轴线允许偏差为±25 mm，管节安装断面间相对允许误差为±10 mm，精调完成后锁住千斤顶，当压载混凝土和回填完成后，拆除精调设备。

该系统运输及操作灵活，不受外界干扰，施工相对便捷，但是受预留的影响，设备投入量较大，维护工作量大。

体内调位方式如图2所示。

图2 厄勒海峡沉管隧道体内调位示意图Fig.2 Sketch of Oresund Strait immersed tunnel internal alignment

2.3 上海外环沉管隧道

上 海 外 环 隧 道 全 长 2 880 m， 其 中 沉 管 段 长736 m，由 7 个管节组成，单管节长 100～108 m，宽度 43 m，高度 9.55 m，最大沉放水深 33 m。隧道基础采用后铺法，管节尾端侧墙上预留两台竖向千斤顶，支撑在临时钢管桩桩帽上，通过竖向调整管节纵坡。管节轴线调整采用内置千斤顶“顶头摆尾”的方式，即在沉管结合腔内设置一定数量的千斤顶，纠偏后利用临时钢支撑代替千斤顶，等到管段回填覆盖结束后再拆除临时钢支撑，顶推距离及千斤顶吨位通过初始计算获得。

期间，E3 管节安装后尾端轴线偏差 131 mm，尾 端 调 整 时 最 大 顶 推 力 3 600 t， 尾 端 调 整 26 mm，如图3所示。后续管节沉放过程采用错位对接调整的方式，逐渐消除较大的尾端轴线偏差，以满足施工要求。

2.4 韩国釜山—巨济沉管隧道

韩国釜山—巨济沉管隧道全长 3 700 m，其中沉管段长 3 240 m，由 18 个管节组成，标准管节长 180 m，宽度 26.46 m，高度 9.97 m，重约 48 000t，最大沉放水深 49 m，隧道基础采用先铺法施工工艺[5]。

图3 上海外环沉管隧道管节调位示意图Fig.3 Sketch of immersed tunnel alignment on Shanghai outer ring road

针对管节水下精确调位系统，专门开发了体外调整系统 EPS，该系统由 2 套 EPS 钢结构构成，单 套 EPS 宽 42.15 m， 高 度 9 m， 重 约 1 400 t，分别横跨在沉管首端和尾端，该系统底部共配置4 台 800 t的竖向千斤顶和 8 台 200 t的水平千斤顶，竖向千斤顶将管节提升，脱离基床；水平千斤顶将提升的管节进行水平方向的微调，以满足管节线形控制的精度要求。

该系统安装过程繁琐，系统精度高，自动化程度高，能够适应深水条件，但是系统与管节相对固定，拆卸及操作不够灵活。

EPS体外调整如图 4所示。

图4 EPS管节体外调整示意图Fig.4 Sketch of Busan-Geoje crossing immersed tunnel external alignment

2.5 土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道

博 斯 普 鲁 斯 海 峡 沉 管 隧 道 全 长 1 387 m， 由11 个管节组成，其中 135 m 长的管节 8 个，110 m 管节 1 个，98.5 m 的管节 2 个，最大沉放水深约 60 m。隧道基础采用后铺法，沉管沉放时尾部安装2台竖向千斤顶，进行管节纵坡调位，水平方向安装专门设计的尾端调整系统[6]。

针对工程施工特点，专门研发了一套沉管尾端调位系统，该系统由2台水平向千斤顶组成，沉管出坞前采用浮吊船将钢结构安装在沉管尾端并固定，随着沉管一起浮运、沉放，千斤顶可调行程为 20 cm，最大顶推力为 200 t。

该系统设备独立，安装简单，使用快捷，拆卸、运输需要一定时间，能够满足沉管体外调整的需求。

体外尾端调整系统如图5所示。

图5 博斯普鲁斯海峡沉管隧道体外精调系统Fig.5 Sketch of Bosporus Strait immersed tunnel external alignment

2.6 港珠澳大桥沉管隧道

港珠澳大桥岛隧工程全长 6 000 m，其中沉管隧道长 5 664 m，由 33 节沉管组成，标准管节长180 m， 宽 37.95 m， 高 11.4 m， 重 约 80 000 t，最大沉放水深约 45 m。隧道基础采用先铺法。针对管节调位，开发了体内精调系统。沉管安装后进行贯通测量，测得尾端轴线偏差大于设计值时，需要进行沉管精调。通过在沉管对接端结合腔的已安沉管和待安沉管侧墙上设置顶推千斤顶和限位千斤顶，启动液压顶推系统顶推待安管节侧墙，使得待安沉管尾端实现调整。系统采用高精度传感器和集成化控制系统完成千斤顶的顶推作业，最大顶推力 5 500 t，能够满足水深 45 m 以上的沉管体内精调作业。如图6所示。

期间，E5 管节沉放后管节尾端偏差 6.4 cm，进行了体内精调，系统顶推 1.5 cm，调整后的管节尾端偏差为 26.5 mm。

2.7 楔形块调整

楔形块调位是一项日本专利，该系统是在沉管外侧墙上安装楔形块设备，设备连接竖向千斤顶，当管节对接后需要尾端偏位时，启动一侧油缸，新安管节侧的楔形块在千斤顶的推力作用下与已安管节的楔形块呈现接触并相互挤压的状态，管节一侧的位置相对张开，以达到管节尾端调位的目的。楔形块向下挤压时对接端张开的距离与新安管节尾端调整的距离有一定的几何关系，需要通过计算获得数据。楔形块调整如图7所示。

图6 港珠澳大桥沉管隧道体内精调示意图Fig.6 Sketch of HZMB immersed tunnel internal alignment

图7 楔形块调整示意图Fig.7 Sketch of immersed tunnel wedge block alignment

3 结语

为了确保沉管隧道的线形控制要求，管节预制的精度尤其是钢端壳的平整度控制指标是至关重要的，高精度的测量手段能够提高管节的预制精度，有效降低管节安装后的调位风险；导向结构的调位能够通过管节对接端的错牙调整控制管节尾端的轴线偏差。沉管安装是高风险的施工，一套安全有效的管节调位系统能够降低施工风险，确保沉管隧道工程的工期和质量。

[1] 潘永仁，杨我清.沉管隧道平面轴线控制与调整方法探讨[J].现代隧道技术，2004（3）：62-65. PAN Yong-ren,YANG Wo-qing.Discussion on the horizontal alignment of immersed tube tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2004(3):62-65.

[2] 朱家祥，陈彬.外环沉管隧道工程[M]. 上海：上海科学技术出版社，2005. ZHU Jia-xiang,CHEN Bin.Immersed tunnel technology on outer ring road[M].Shanghai:Shanghai Scientific and Technical Publishers,2005.

[3] 高木武康.日本多摩川隧道的设计与施工[J]. 世界隧道，1995（5）：52-75. TAKAGI Takeyasu.Designment and Construction of JAPAN Tamagawa immersed tunnel[J].World Tunnel,1995(5):52-57.

[4] 兰利敏，王华.厄勒海峡沉管隧道会议论文集[C].成都：中铁西南科学研究院，2003. LAN Li-min,WANG Hua.Oresund Strait immersed tunneling congress conference proceeding[C].Chengdu:China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Co.,Ltd.,2003.

[5]COWI.Busan-Geojo Fixed Link Project[R].2009.

[6]ADMIRAAL J B M.Execution of immersed tunnel and relevant examples[M]//ITA/AITES-Training Course Tunnel Engineering. Istanbul,2005.

Linear control method of immersed tube tunnels

MA Zong-hao,SUN Jian,GUAN Ze-xu
（No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266001,China）

The linear control of immersed tunnel is very important process in the immersed tube tunnel installing.The alignment methods of landmark meaning immersed tube tunnels all over the world were classified and compared in this paper.It expounds the process of linear alignment of immersed tube tunnel,which has significant to control the linear for immersed tunnels. Key words：immersed tunnel;linear control;immersed tube tunnel installing;the alignment of tube

U455.46

：A文献标志码：2095-7874（2014）11-0012-04

10.7640/zggwjs201411004

2014-06-26

马宗豪 （1983 — ），男，山东烟台市人，硕士，工程师，从事港口与航道工程。E-mail：penguinhao 2003@163.com