先铺法基床整平在沉管隧道中的应用及发展

马宗豪，宋江伟

0 引言

沉管隧道的基础处理在保证隧道施工期和运营期的变形稳定中非常重要。先铺法碎石基础可以解决基础沉降变形过大的问题，大大增强软弱地基的承载力，同时还能起到排水及加速下部土层的固结和沉降，有效保证地基稳定性。

从整个沉管隧道施工发展过程看，日本、前苏联和英美各国从20世纪60年代中后期就开始了沉管技术的研究。而我国沉管隧道的发展起步比较晚，从20世纪70年代中后期才开始，而且整平设备比较落后，设备的更新换代比较迟缓。但国内外沉管技术发展的方向基本都是一致的，主要集中在3个方面：改进抛石工艺和机械以提高抛石质量；研究新的水深测量和质量检测方法；研发新型水下抛石整平设备提高作业效率。

通过查阅资料可知，国内外的整平设备从结构形式上基本可分为框架式整平机、坐底式整平船、平台船式整平机、步履式整平机和平台式深水抛石整平船等，这些设备基本上都采用先铺法基床整平技术。通过对国内外已建设的上百座沉管隧道基础处理方法统计[1-2]，先铺法占已建隧道的28%，喷砂法占18%，压砂法占17%，灌砂法占16%，其他基础处理方法占21%。由此可见，先铺法占的比例最高，这也是沉管隧道基础处理方式未来发展的大趋势。

1 世界沉管隧道的发展史

沉管技术的研究始于1810年，直到1896年美国首次利用沉管法建成穿越波士顿港的运水隧道和1910年在美国建成底特律水底铁路隧道才宣告沉管法的成功诞生。荷兰于1942年首次建成位于鹿特丹的maas沉管隧道，即世界上首次采用矩形钢筋混凝土管段建成的沉管隧道。1959年，加拿大成功采用水力压接法建成Deas隧道。

随着沉管隧道关键技术的突破，沉管法很快被世界各国普遍采用。美国的FortMcHenry隧道、荷兰的Drecht隧道和中国上海外环隧道等在隧道建设史上较为突出。据统计，全世界已超过150座沉管隧道，最多的国家为美国、荷兰和日本。国内外著名的沉管隧道如表1所示。

表1 国内外典型沉管隧道一览表Table 1 List of typical immersed tunnels both at home and abroad

2 先铺法整平技术在沉管隧道中的应用案例

2.1 旧金山海底沉管隧道

美国旧金山海底隧道采用先铺法整平技术，碎石基床整平机的主体是一个框架式桁架结构，桁架采用浮筒浮于海面。桁架的轨道上安装轨道台车，台车下悬吊整平用料的分配箱，下料斗和分配箱之间用料管相连。

整平作业期间，将整平料从料斗倒入分配箱，拖曳台车带动分配箱将整平料均匀地铺设在基床顶面上，从而实现基床整平，如图1所示[3]。碎石垄高程采用激光和光电接收器进行控制，控制精度在依80 mm以内。

图1 旧金山海底隧道碎石基床整平示意图Fig.1 Leveling plan of macadam foundation for San Francisco subsea tunnel

2.2 香港地铁过海沉管隧道

1979年建设的香港地铁荃湾线尖沙咀至湾仔沉管隧道，整平的最大水深约30 m，沉管隧道长1.4 km。碎石基础整平采用先铺法，基础整平分2层施工，基础第1层预留标高300 mm，粗抛整平；第2层为精细整平，基础顶面平整度达依50 mm。

图2 基础处理和管节沉放专用工程船示意图Fig.2 Sketch map of foundation treatment and special project ship for pipe sinking

整平机械也有了质的飞跃，不再是简单的浮筒式整平结构，而是升级到了初始的船体结构（如图2所示），此时的船舶还增加了管节沉放的功能。

2.3 丹麦厄勒海峡沉管隧道

1996年开始修建的丹麦厄勒海峡大桥沉管隧道长4.05 km，基础条件较好，其施工最大水深22 m。该项目碎石基础整平采用浮式铺设平台，可在最大波高0.75 m、最大流速1 m/s的条件下实现依40 mm的基础整平精度。

基础整平的基本方式是通过管道直接将碎石输送至基槽预定位置，管道的下端配有一套刮板，刮板沿基槽横向移动，使碎石顶部在铺设时处于预定高程内。这个过程是连续的，没有二次整平。

整平设备已经开始集成化，抛石整平管也集成到了多功能船舶上，而且船舶和抛石的定位装置也和以往的不同，首次采用了GPS海上定位系统，如图3所示。

图3 浮式碎石铺设平台Fig.3 Floating macadam laying platform

2.4 韩国釜山沉管隧道

韩国釜山-巨济沉管隧道全长约3.3 km[4]，碎石垫层采用先铺法进行施工，分2层进行铺设，顶层300 mm为精平层。“KUS-ISLANG”号自升平台式深水整平船是为了沉管隧道的基础施工而开发的，该船在最大水深48 m，最大水流速度1 m/s的条件下基础整平精度达到依40 mm，如图4所示，该船一次最大整平面积为34 m伊15.6 m。

图4 KUS-ISLANG号自升平台式深水整平船Fig.4 KUS-ISLANG self elevating platform deepwater leveling ship

该船在结构上有了新的变化，集成化、自动化程度较高。抛石整平结构底部有了较大的革新，整平系统已经实现软硬件相结合的技术水平。整平方式也由人工操作转变成了数控集成操作，整平效率也有了很大的提升。

2.5 港珠澳大桥沉管隧道

港珠澳大桥沉管隧道全长5 664 m，沉管基床采用先铺法施工。“津平1号”整平船[5]采用自升式平台结构，是专为港珠澳大桥沉管隧道碎石基床铺设设计建造的专用施工船舶，最大工作水深50 m，在水流速度1.5 m/s的条件下基础整平精度达到依40 mm[6]，整平效率相比韩国釜山整平船大大提升，如图5所示，该船的铺设范围为51.2 m伊25.2 m（抛石管中心距），最大铺设面积为53 m伊27 m，单个船位铺设面积为37.4 m伊24.6 m。

我国自主研发的自升平台式深水整平船是釜山-巨济沉管隧道所用船舶的“升级版”，主要表现在船舶的结构形式、软硬件、管理系统和程序等方面，进一步提高了整平施工的一体化、自动化管理水平。该船舶在2015年进行了一次技术革新，增设了清淤设备，成为世界首艘集清淤功能于一体的整平船。

2.6 深中通道沉管隧道（待建）

深中通道是连接广东省深圳市和中山市的大桥，是世界级超大的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程。本工程沉管基床采用先铺法碎石基床施工方案，根据工程的需要参建单位拟建1艘新型自升式抛石整平船。拟建船舶主尺寸90.0 m伊66.6 m，作业水深大于50 m，单船位整平范围可达58 m伊44 m。

拟建船舶的抛石管直径加大至2 m，其升降和锁紧动作通过齿轮齿条机构实现，升降速度可以达到1.0 m/min，不需要额外的抱桩锁紧设备，机构更加紧凑，动作更加简单、快速。该机构不但能够满足抛石管总成在各种设计工况下的自由升降和锁紧，并且有缓冲机构，能够缓冲设备各种作业过程中的振动。行走大车和行走小车的速度最高可达0.1~5 m/min，采用变频电机无级调速驱动。

此船舶建成后将成为世界上迄今为止最大、最先进的自升式碎石整平船舶。

3 结语与展望

从先铺法整平技术的发展历程看，整平船的抛石工艺和装备不断革新，测控系统和质量检测方法也在不断改良，整平装备的集成化、自动化程度、作业效率和作业精度不断提高。

综上，随着先铺法整平工法的不断革新，整平装备必将向着“集成化、模块化、智能化、无人化”的方向发展。

[1]唐健.沉管隧道基础处理方法浅析[J].铁道勘测与设计，2004（3）：67-69.TANG Jian.Analysis of foundation treatment method for immersed tube tunnel[J].Railway Survey and Design,2004(3):67-69.

[2] 张庆贺，高卫平.水域沉管隧道基础处理方法的对比分析[J].岩土力学，2003（S2）：349-352.ZHANG Qing-he,GAO Wei-ping.Comparison analysis on treat原ment methods of pipe-sinking tunnels[J].Rock and Soil Mechanics,2003(S2):349-352.

[3] 李增军，王立峰，刘学勇，等.抛石整平技术及装备研发的典型案例[J].中国港湾建设，2010（S1）：142-147.LI Zeng-jun,WANG Li-feng,LIU Xue-yong,et al.Typical instance of development of leveling technology and equipment[J].China Harbour Engineering,2010(S1):142-147.

[4] 张学俊，魏红波，张建军.韩国釜山沉管隧道基础铺设整平施工关键技术[J].水运工程，2013（6）：177-182.ZHANG Xue-jun,WEI Hong-bo,ZHANG Jian-jun.Paving and leveling construction technology of immersed tube tunnel founda原tion from Pusan,South Korea[J].Port&Waterway Engineering,2013(6):177-182.

[5] 杨秀礼，邵曼华，徐杰.港珠澳大桥沉管碎石垫层铺设船（平台）抛石整平总体方案选型[J].施工技术，2014（11）：17-19.YANG Xiu-li,SHAO Man-hua,XU Jie.The overall scheme selec原tion of rubble leveling for gravel cushion laying shop on Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Construction Technology,2014(11):17-19.

[6] 王学军，王乐，尹刚.深水碎石整平平台整平精度分析[J].船舶工程，2013（S2）：54-57.WANG Xue-jun,WANG Le,YIN Gang.Leveling accuracy analysis of deepwater macadam leveling platform[J].Ship Engineering,2013(S2):54-57.