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沉管隧道规划综述

2017-02-10林鸣刘晓东林巍孙亮

中国港湾建设 2017年1期
关键词:管节工法隧道

林鸣,刘晓东,林巍,孙亮

(1.中国交通建设集团有限公司,北京 100088;2.中交公路规划设计院有限公司,北京 100088;3.NCC设计咨询公司,日本 东京)

沉管隧道规划综述

林鸣1,刘晓东2,林巍2,孙亮3

(1.中国交通建设集团有限公司,北京 100088;2.中交公路规划设计院有限公司,北京 100088;3.NCC设计咨询公司,日本 东京)

文中讨论了沉管隧道规划的方法与原则。以实现工程价值为目标,以保证安全、工期及投资为导向,从项目调查、方案比选及实施模式3个方面展开论述。方案比选中着重讨论了比选目的、技术评价、经济评价及复合评价体系,并提出了适应可持续发展需求的全社会成本评价体系的初步思考。对于沉管隧道项目,选择适宜的实施模式有利于激发创新方案,降低风险。期望文章能够为沉管隧道项目或类似项目的规划提供有益的借鉴。

沉管隧道;总体规划;方案比选;实施模式

1 概要

沉管隧道具有投资大、建设风险大的特点,因此立项时的总体规划研究至关重要。

沉管隧道规划包括调查、选择工法、确定总体性方案、预制方案,还需要考虑工程实施方式[1]。

沉管隧道规划的挑战主要来自3个方面:

1)专业面广。涉及社会、经济、环境,以及水(海)工工程、隧道工程、结构工程、公路工程、机电工程等多领域、多专业[1]。

2)沉管工法具有可供选择的方案及其组合形式多样的优势[1-2]。但是对于沉管隧道规划而言,该优势可能会成为挑战。因为沉管工法的总体方案与未来工程实施主体的能力、经验甚至技术喜好关联度极高[1-2],在沉管规划阶段,实施主体信息不完全,极易导致认知缺失问题[3]。

3)各种因素交错影响(interlinked)[1]。为应对上述挑战,作者回顾已有文献,结合工作体会,归纳并提出了沉管隧道规划内容及原则的思考。

首先,需要掌握项目环境及特点,要进行广泛的工程调查,第2节将论述调查内容及目的。

其次,为了确保沉管隧道的最终成品与期望一致,对一些方案需进行选择;同时,为了保证安全、工期及造价可控,对一部分关键的工法与构造需进行具体考量。因而在第3节讨论比选原则,第4节具体讨论几个主要方案的比较。

最后,为获得优化建设方案、降低项目风险,得到创新性方案是关键,因而需根据项目特点营造创造性的工作环境。第5节针对沉管隧道项目讨论了传统设计-合同-施工模式与设计施工总承包模式在沉管隧道工程应用中的优劣比较,以及应如何引导设计方案。

本文未讨论工程建设的必要性及经济性等方面的问题。

2 调查

与一般工程一样,调查是沉管隧道规划的基础性工作,调查成果不仅对于沉管隧道的规划、设计、施工十分重要,对于沉管隧道完成后的维护运营管理也十分重要。

调查内容主要包括社会环境、自然条件、环境保护以及预制场、渣土处理、原材料等方面[2]。

2.1 社会环境

2.1.1 水道

主要包括河床、海床现标高及演变趋势、回淤规律;现在的航道,未来的规划航道;锚地;以及沉管施工可使用的临时水域、临时航道条件。

2.1.2 航运

沉管隧道规划水域内存在航道时,需要对航行船舶进行实际状态调查,包括航行目的地、船型、通航时间段、通行船舶数量、航迹图及系泊状况。

2.1.3 交通

沉管隧道用于道路交通时,需要对机动车情况,步行、自行车交通,兼用管廊,危险品运输需求,有无收费站等进行调查。

2.1.4 法规限制

需要进行相关城市规划法规调查,掌握土地、水利、渔业、文物等限制条件。

2.1.5 障碍物

调查沉管隧道规划区域的上下水道,电力、通信、煤气等地下管线,以及管线尺寸、位置、材质、老化程度;是否有废弃的旧构筑物及其基础、护壁、沉船;可能存在爆炸物时,要进行爆炸物调查。

2.1.6 防灾

调查规划沉管隧道与周边区域的联动防灾的条件和需求。

2.2 自然条件

2.2.1 气象

气象条件调查包括气温、风向、风速及降雨量等。对于沉管隧道规划而言,气温用于分析沉管隧道结构的温度应力及变形;风向和风速用于评估海上作业可用的窗口和尾气的扩散计算;降雨量用于排水设计。

2.2.2 水文

水文调查包括流量(径流),流速、流向及其分布特征,水位(潮位),海水密度、温度,波浪及其特征。对于沉管隧道,这些因素影响沉管的设计与施工,决定沉管的重量平衡设计[4-5]、压舱水箱设计[6]、拖航及沉放作业效率[5]。

需注意,海水的密度会随着季节、水温的变化而变动(图1)。

图1 海水比重随月份的变化Fig.1 Changes of seawater specific gravity with month

2.2.3 地质

需要查明规划沉管区域的地层构成、土质性状,重点关注基础沉降和基槽开挖难易度。与陆上结构物不同的是沉管隧道通常不存在地基支持力的问题,但是如果存在地基和基础的压密沉降,需要特别注意不均匀沉降问题。如果规划隧道轴线的地层构成变化剧烈或者土质条件变化显著,地震条件下会使得沉管结构承受巨大应力,因此在规划沉管隧道轴线时应予以重视。

沉管隧道地质调查应从规划的初期开始,参考表1。

2.2.4 地震

地震调查可参考文献[2]。

表1 沉管隧道地基调查概要表Table 1 Geology survey summary of immersed tunnel

2.3 环境保护

2.3.1 水质

在沉管隧道施工期可设定浮游悬浮物浓度以及pH值等环境控制指标,用以评估疏浚、回填施工对水质的影响。在隧道运营期需考虑隧道路面排水和清扫用水,对水质环境影响进行评估。

2.3.2 大气

公路沉管隧道需要进行大气背景调查,包括隧道周边的风向、风速、温度及日照,使用这些数据评估预测从隧道口及通风塔排出的机动车尾气污染物质,包括CO2、NOx、SOx等及烟尘对沉管隧道周边环境的影响。

2.3.3 噪音与震动

在城市人群密集地区规划建设沉管隧道,需要进行工程噪音及震动影响调查。要特别关注相关的地方性规定的调查。

2.3.4 地下水及其影响

沉管隧道陆上段开挖施工一般都需要进行地基降水,地基降水及其地下水位变化控制不当会引发周边地基沉降,因此需要进行隧道建设地下水位的变化影响调查。同时对于地下水水质以及地下流的影响也需关注。

2.3.5 砂石料与工程弃土

沉管隧道施工需要大量优质的砂石料,需对来源进行调查。

沉管隧道施工会产生大量弃土,需要对弃土土质、特别是有机物污染等进行确认,对其再利用及其处理方法做好调查。

2.4 预制场

2.4.1 预制场地

沉管隧道构件超大,预制场地规划十分受限。通常仅可考虑采用既有船坞、专用干坞(包括工厂法)、浮坞(半潜船)、岸壁制作场等作为预制场地。

利用既有船坞需结合场地规模、吃水、地基承载力等综合判断是否适用。

专用干船坞(包括工厂法)应尽可能在规划沉管隧道的沿岸区域选择,对于软弱地基需要考虑地基处理的额外投入和工程风险。

对于浮船坞(半潜船),需调查甲板尺度、承载能力,评估预制工效。

岸壁制作场仅适用于小规模的沉管隧道项目,需要利用滑道或浮吊辅助下水。

2.4.2 舾装场地

舾装作业包括在预制完成的沉管上安装沉放所用各种设备,完成沉放准备等。舾装场地需选择在水面平静、水深足够、水域宽阔、拖航方便与临时放置场地联动便利的区域。为了便于舾装场地的选址,需要对规划区域的气象、海况、航道以及陆地支持条件进行充分调查。

需要浮态进行混凝土浇筑时,钢壳沉管系泊和浇筑条件是调查重点。

2.4.3 临时放置场地

沉管临时放置可选择漂浮系泊方式或者坐底方式。

选择漂浮系泊时需调查潮流、波浪等气象及海象条件,评估安全风险。

坐底方式通常需要将沉管管节沉放在海底人工碎石垄上,需要对海床承载能力、冲刷稳定等进行调查。

选择临时放置场地同样需进行水深、海况、预制场地及舾装场地的距离等进行调查。

3 比选原则

3.1 技术评价

对于沉管隧道,在规划阶段通常需要对总体方案的各个方面做出决策,包括:

1)结构形式。例如,用钢壳还是混凝土[1];2)建造位置[2];3)预制场及位置[2];4)平、纵线形[1-2];5)中隔墙数量[4],或横断面布置[2];6)管节长度[2];7)维护方法[2];8)通风方案[1]及通风塔[2]。

这是为了尽早向可实施方案靠近[7],缩小可选方案的范围,以利于方案深化。在规划阶段确定的总体方案应该趋向于提高项目安全、质量,更好地控制工期及造价。反之,如果规划阶段的选择并不能或清晰地达成上述目标,则应该考虑将选择放在下阶段,以便获得更加全面的信息,进而得到更优的决策。例如,图2说明隧道内司机与乘客的安全与横断面管廊划分的联系[1,8],可看出,对成品期望的描述越具体,越易缩小可选方案的范围。

图2 人员安全度期望与横断面布置形式的关联示意图Fig.2 The link between the expectation of personnel safety degree and the layout of cross-section

沉管隧道方案的因素间相互影响[1],方案比选通常是一个反复的过程。例如,沉管管节横截面布置影响管节漂浮时的吃水深度[5],同时影响沉管基槽的开挖量及通风方案[1],管节吃水深度影响管节拖运时可达的地点,管节可达的地点影响可供选择的预制场位置,预制场的特点影响结构选型[9],而结构选型又会影响横截面布置。

沉管方案比选涉及多因素,且与工法紧密联系。以管节长度方案评价为例,长管节的优势是:

1)接头数量较少,管节接头的制造费用较低。管节接头包括临时止水端封门及预埋件及橡胶止水带[10]。

2)管节数量少,安装总的次数较少[1,10],有可能减少浮运及沉放的施工费用。

3)对于海上作业,浮运、沉放通常被认为是沉管施工的主要风险[10],厄勒沉管管节安装期间发生过端封门破损的事故[11],管节数量少,作业次数少,对作业风险控制较为有利[1,10]。

长管节的劣势是:

1)增加单次施工的费用[10]。

2)预制场地的空间要求较大[1]。

3)对基础不均匀沉降更敏感,因此结构设计可能偏不经济。

4)长管节对水动力荷载更敏感[2],参考图3,因此可能增加运输时的风险。

图3 浮运时沉管管节纵向受力示意图Fig.3 Sketch of longitudinal action on tunnel element during transportation

5)对于混凝土隧道,由于弯曲裂缝受纵向预应力控制[12],管节越长,预应力费用将增加[10]。

6)当沉管管节位于曲线上,长管节将导致横向尺寸增加,如图4示意。

图4 曲线管节长度与宽度的关系平面示意图Fig.4 Plane sketch describing the relation between the width and the length of curve tunnel element

综上,沉管隧道规划阶段的方案比选与决策时应注意因素多、因素交错、与工法联系紧密,同时需要反复比较,当目标优势不明显时,为获得较优的方案,可将决策留到下个阶段。

3.2 经济评价

经济评价的常见方法是经济性比较[2]。由于沉管隧道专业项目多,且早期会受到施工信息不完整的限制,全面的经济性评价较难在前期阶段进行。沉管隧道较高费用的项目(仅列出用于进行总体经济比较的项目[1])包括:结构混凝土,m3;压舱混凝土,m3;钢结构,t;钢筋,t;临时预应力,t;可注浆止水带,m;外包防水,m2;模板,m2;疏浚,m3;回填,m3;浇筑场地;舾装场地;安装作业次数。

3.3 复合评价体系

工程建设通常有4个目标[13]:安全、价值、时间、费用。复合评价体系是一种基于上述目标进行综合方案比较的体系,其原理是首先对目标权重进行识别,或确定优先级别,然后比选决策;优先顺序也可考虑段首所述的目标排列顺序,因为,没有安全保证的工程就没有建设的意义,没有价值工程的建设就是社会资源的浪费,不能如期建成的项目会造成社会经济损失,投资失控是工程管理的瑕疵和失败。由于工程建设的不可复制性及与建设环境的密切关联性,也有大幅度超出预算仍被认为是有价值的工程案例[13]。

3.4 全社会成本评价体系的思考

对于工程方案的比选,习惯的方法是技术与经济评价方法,近来也采用工程全寿命周期成本评价方法,还有前文提到的复合评价的方法。随着社会发展,工程建设要求越来越高,限制越来越严,规模越来越宏大,影响和风险也越来越大。社会发展需要与长期的工程实践让我们日益感觉到需要探索融入气候变化、能源消耗、材料使用、土地使用、水资源、文化遗产、生物多样性、噪音与粉尘、震动、美观、就业与经济、施工造价、维护费用及延期费用等因素[14],建立以碳排放量(t)等全社会成本为基准的评价方法可能是更科学、更能适应未来社会的工程评价方法。介于篇幅,对全社会成本评价体系的思考将另文讨论。

4 主要方案的比较

4.1 与桥梁的比较

作为沉管隧道的替代方案,首先是桥梁。与桥梁进行比较时,横跨水域的规模不同,比较结果也不同。

大型船舶航行的航道宽度一般在200~400 m,桥梁多为大型桥梁,多采用桁架桥、斜拉桥、悬索桥等桥梁形式。而与大型桥梁相比,沉管隧道不受航道宽度制约,而且即使设置深度较深时,由于沉管管体需要一定的重量以抵抗浮力,且结构本身就需要具有一定的厚度,所以对应大水深在应力方面并没有什么问题。

考虑大型船舶通航时,需要的空间大约为水面上方50 m、水深12~15 m以上。考虑到桥梁的梁高、沉管隧道的覆土厚度以及内空高度,桥梁需要从水面向上约55 m,沉管隧道需要从水面向下约30 m,二者相差25 m左右。因此,如果采用大型桥梁需要很长的引桥,从而增加了很多占地,而且纵坡区间过长,也不利于交通;采用沉管隧道,航道内没有桥墩等障碍物,利于船舶航行。但是沉管隧道施工过程中对航运影响大,航行安全风险较大。

对于中小型水路通道,如果没有很高的空间要求,采用桥梁形式建设方便,工程费低。但是当受到周边布局条件限制时,采用沉管隧道有时会更有优势。

4.2 与其他隧道工法的比较

对于水底隧道,还有盾构工法、沉箱工法、隔水明挖工法等施工方法。其中,隔水明挖工法对于水深较浅的工程,经济性较好。对于长度较短但水深较深的工程,国外偶尔有采用沉箱工法的案例。对于长度长,水深较深的工程,只有盾构工法可与沉管工法进行比较。

盾构工法与沉管工法的最大不同点在于,盾构工法为了防止隧道上浮以及盾构机的稳定掘进,需要比沉管隧道大得多的覆土厚度,这就会造成隧道长度加长。但是,采用盾构工法的优点是施工过程中对水域、船舶航行没有影响,弃土量少。

4.3 平面、纵断面线形

4.3.1 沉管隧道起始点

需在沉管规划的最初阶段确定沉管区间以及沉管隧道的起始点位置。确定起始点位置应综合考虑以下因素。

1)沉管隧道顶部的水下位置以及深度。

2)考虑隧道与护岸线的位置关系,护岸处理、荷载对隧道的影响。

3)两侧暗埋隧道的施工便利。

4)当需要设置通风竖井时,可将其作为沉管隧道端部。

5)如果隧道端部设置了变截面段,规划隧道起点时,要充分考虑变截面隧道段的施工便利。

4.3.2 平面线形

直线沉管隧道预制安装比较容易,所以直线沉管居大多数。局部采用平面曲线对沉管施工也不会构成很大的制约,如果平面曲线和纵断面曲线组合出现,沉管的外形尺寸会变得非常复杂,规划时应尽量避免。

4.3.3 覆土厚度及纵断面曲线

规划沉管隧道的纵断面曲线关系到隧道的整体规划以及经济性。

沉管覆土的厚度是规划纵断面曲线的控制因素之一。沉管隧道完成后,其自身的重量就可以抵抗浮力,但为了保护管体以及防止冲刷,需要进行基槽回填,覆土厚度一般在0.5~2.0 m范围,具体覆土厚度根据通航控制船型下锚的嵌入深度与锚重等因素决定[15]。

确保航道的未来规划水深,是规划沉管隧道纵曲线的另一个控制因素。

4.3.4 管节长度

沉管管节长度通常在100 m左右,最近已有超过200 m方案的报道。

确定沉管管节长度,施工方面需要考虑航道、沉放条件、通航安全、工期等因素。设计方面需要考虑沉管结构形式,沉管基础、接头、纵向设计等限制条件。

4.4 隧道截面

4.4.1 内空截面

内空截面是沉管隧道截面规划的依据,构成要素除行车道、人行步道等在内的建筑限界,还包括了管理通道、避难通道、风道及风扇等设备的放置空间、管廊、设施(照明、通信、其他设施)及交通标志等设置空间、内装及耐火板设置空间、压载空间,平面、纵曲线设置造成的截面扩大空间、考虑施工误差设置的富裕空间等。

4.4.2 隧道截面规划

沉管截面大体可分为长方形和圆形两类,在此基础上又衍生出八角形、眼镜形等。从沉管的发展历史看,美国多采用圆形的钢壳方式,欧洲和日本多采用长方形的混凝土方式。对于双车道公路沉管这类内空截面较小的隧道,采用圆形或者眼镜形截面,构造上较为有利;对于三车道以上的宽幅道路等,长方形截面比圆形截面的高度低,相对有利。

截面大小需根据结构厚度满足应力要求;沉管重量与浮力满足平衡要求,沉管可以稳定上浮;沉管完成后满足干舷压载量最优要求。

5 实施模式

沉管隧道设计与施工的高度关联性和高风险性,要求应选择适宜的合同模式,营造有利于激发工程师创新能力的环境,作为工程规划的重要工作。

沉管隧道文献中讨论最多的合同模式[8,12,14,16]见图5[8,10]。由于方案与工法相关性高,方式一容易处理不可见风险[8,10]。方式二在设计阶段不易理解施工信息,因而对施工问题认知缺失会成为工程的障碍与问题[3],造成设计工作盲目性。方式一利于创新,尤其在细节设计与临时工程设计方面,施工方决定工法,进而有利于降低工程风险,增加费用、工期的可控性[8,12,16]。例如,厄勒海峡沉管隧道承包商首次提出了工厂法[14,17],并变更了管节长度,用锚定的方式解决了岸上段上浮的风险[17]。另外方式一的设计与施工可同时进行,相比方式二对工期更为有利[8]。

方式一的缺点是工程招标时可能对最终产品的描述不够清晰[8]。为此应该谨慎进行沉管隧道规划,一方面尽可能详细明确最终产品建设工程目标[18],另一方面对设计要求应立足于功能,要留给设计方案尽可能多的自由度[8,18]。

图5 两种合同模式示意图Fig.5 Sketch of two types of contract

6 结语

沉管工法与施工联系特别密切,所以在规划阶段的方案选择要考虑到施工信息的充分性。一方面根据已有信息缩小方案范围,在信息不充分时延后决策,这样可能在下阶段获得更优的方案。

创新为项目降低风险、减少费用、缩短工期提供了可能,前提是具备鼓励创新的环境,例如施工设计总承包模式。同时需注意在制定设计指导准则时清晰地阐明对成品的期望。

随着对环境问题的日益重视,作者提出以碳排放量(t)等指标为依据的全社会成本评价体系的思考,具体将在另一篇文章中专门论述。

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General discussion on the planning of immersed tunnel project

LIN Ming1,LIU Xiao-dong2,LIN Wei2,SUN Liang3
(1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;3.NCC Company,Tokyo,Japan)

We discussed the method and principle of the immersed tunnel project planning in this paper.With the goal of engineering value and with the guidance of ensuring safety,time and investment,we presented a discussion in respect of investigation,scheme comparison and selection,and work modes.Concerning scheme comparison and selection,we focused on the aim,technical evaluation,cost evaluation,and overall criteria evaluation system,and presented the initial thinking of overall-social cost evaluation system,which is to meet the needs of sustainable development.For immersed tunnel project,the appropriate selection of work mode gives benefit to the inspiration of innovations and reducing the risks.We hoped that the paper can provide a useful reference to the planning of immersed tunnel project or similar projects.

immersed tunnel;general planning;scheme selection and comparison;work mode

U655.53;U459.5

A

2095-7874(2017)01-0001-07

10.7640/zggwjs201701001

2016-12-05

林鸣(1957— ),男,江苏南京市人,总工程师,教授级高级工程师,从事水工及路桥施工技术管理。E-mail:linming1004@sohu.com

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