内河沉管隧道干坞选择形式的探讨

2020-06-05范国刚贺维国沈永芳

中外公路 2020年2期

范国刚，贺维国，沈永芳

(1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津市 300133；2.上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司)

中国江河众多，水系发达，内陆河流总长达43万km，长度在1 000 km以上的河流20多条。中国国内人口超过100万的城市超过100座，其中98%以上都是依江而建，靠河而兴，但河流也将城市分割，使得江河两岸道路骨架不连，一定程度上制约了城市整体交通路网的形成和经济快速发展。水下隧道具有全天候、大运量、交通快捷、对航运及环境影响小的特点，是有效连通城市两岸道路的主要方式之一。水下隧道工法主要有矿山法、盾构法、沉管法等。沉管法隧道是将预制好的管段通过浮运、沉放、水下对接后贯通形成整个隧道，其顶部覆土浅、隧道长度短、与水域两岸道路衔接更灵活，可大大节约中心城区土地资源，是城市修建内河水下隧道的主要方法之一。

世界上第一座沉管隧道是1910年建于美国底特律河的水下双线铁路隧道。中国大陆于1993年建成了第一座沉管隧道，截至目前已建和在建的沉管隧道近20座，另有10多座内陆城市计划建设沉管隧道。沉管隧道干坞是用于管段预制的场地，管段需在干坞内预制、存放、舾装，然后浮运至指定位置对接。虽然干坞属于临时结构，但其形式、规模和位置也直接影响工程造价、管段浮运方式，甚至决定隧道方案是否可行，故选择合适的干坞形式对沉管隧道工程意义重大。

1 内河沉管隧道特点

国内外已建沉管隧道基本都位于海湾或江河入海口等海洋环境。相比海洋环境，城市内河修建沉管隧道具有如下主要特点： ① 河道窄、水深浅、径向流速大、航运密集、水位落差大;② 已建成连接城市两岸道路的跨河桥梁密集，河道通航尺度有限，从而限制了大型水上作业设备在管段浮运和沉放施工中的使用;③ 城市核心区河道两岸土地资源紧缺，高大建构筑物密集，而沉管管段体积庞大，合适的批量管段预制场地(干坞)选择困难。

上述复杂的环境条件都制约着沉管隧道干坞在城市内河的形式。

2 干坞类型、选择原则与坞底标高

2.1 干坞类型

根据管段预制场地和预制方式的不同，可把沉管隧道干坞分为固定干坞、移动干坞和工厂化干坞3类。

固定干坞通常是在陆地上开挖大型基坑，在基坑内进行管段预制，可兼用于舾装、起浮、系泊。根据干坞与隧道的位置关系，又可分为轴线干坞、旁建干坞和独立干坞。独立干坞根据大基坑内预制管节的小基坑数量又可分单子坞和双(多)子坞。

移动干坞是利用码头作为隧道工区用地，在大型半潜驳船上进行的管段预制，后期驳船也兼做管段浮运、舾装的载体。

工厂化干坞是在室内固定位置完成钢筋绑扎与移动、模板支立、混凝土浇筑与养护等工序，通过对达到一定强度的节段顶推平移实现下一个增量匹配节段的循环作业，多次循环，完成一节管段制作。虽然工厂化干坞也在陆地预制管段，但它的设计理念、设计方法与常规的固定干坞有本质区别，因此，该文沿用传统的分类方法，把工厂化干坞作为单独的一种干坞类型。

2.2 干坞选择原则

(1) 干坞位置、规模及类型应结合工程周边地面环境(建构筑物、交通与材料来源等)、地质和航道条件、工程造价、管段预制工艺等综合确定。

(2) 干坞设计使用年限应根据工程筹划确定，并满足管段预制、浮运工期需求。

(3) 干坞坞顶防洪标高、基坑边坡稳定等应符合现行国家或行业标准的规定。

(4) 干坞应具有良好的外部施工条件。

2.3 干坞底标高

固定干坞坞底标高决定干坞基坑深度，影响工程造价，与管段高度、干舷高度、管段安全浮运需求有关。移动干坞管段应在下潜区进行检漏，下潜区尺寸应满足驳船所需的平面操作空间及水深要求。

(1) 固定干坞坞底标高Ha可按式(1)确定：

Ha=H0-H+hg-Hs

(1)

式中：H0为管节出坞设计水位或标高(m)；H为管节外包高度(m)；hg为管节干舷高度(m)；Hs为管节底部至坞底的起浮安全距离(m)，不宜小于0.5 m。

(2) 移动干坞下潜区底标高Ha可按式(2)确定：

Ha≤Hh-H+hg-Hs-H1

(2)

式中：Hh为管节脱离驳船时设计水位或标高(m)；Hs为管节底部至驳船甲板面的起浮安全距离(m)，不宜小于0.5 m；H1为驳船船体高度(m)；H、hg意义同前。

3 内河沉管隧道干坞选择实例

3.1 轴线干坞

轴线干坞是将隧道岸上明挖段主体结构基坑与干坞基坑共用，管段预制完成后，沿隧道轴线浮运出坞进入基槽沉放。此种干坞优点：管段数量较少时，能节省临时用地、降低工程造价；无需单独为管段浮运疏浚航道。缺点：管段浮运出坞后才能进行岸上主体结构施工，当管段数量较多时，影响岸上段施工工期。

广州官洲隧道起于生物岛，下穿宽约190 m的官洲河后到达大学城，水深2.15～7.40 m，远期规划航道宽80 m，深6 m，枯水期水面最低标高3.45 m。隧道沉管段宽23 m，高8.7 m，E1管段长94 m、E2管段长116 m、E3管段长4 m，3节管段总长214 m。

隧址处河道窄，水深浅，长距离管段浮运临时航道的疏浚工程量巨大，隧道周边又无合适地块作为干坞场地，故该工程采用轴线干坞，坞址设在生物岛侧，坞底纵向长度260 m，横向宽度47 m，坞底标高-5.6 m，干坞内一次预制所有管段。

与单独设置干坞方案相比，该隧道轴线干坞无需为管段浮运疏浚航道，管段数量少，明挖段主体结构与临时干坞共用，缩短工期约5个月，减小临时占地面积3.4万m2。

3.2 旁建干坞

旁建干坞是将干坞选址在隧道岸上段主体结构旁，并与隧道岸上段主体结构共用基坑围护结构和基坑止水体系。此种干坞优点：基坑共享围护结构，能减小临时占地面积，节省工程投资；干坞内预制管段的区域与岸上主体结构基坑不完全重叠，可实现管段预制与岸上段主体结构的平行作业，从而加快施工速度，节省工期；对管段数量较多的沉管隧道也适用。缺点：主体结构基坑与干坞基坑并排设置，整体场地面积要求高；管段浮运至沉放位置需根据水深情况考虑临时航道疏浚。

佛山东平隧道北侧起于佛山市禅城区，南侧与东平新城相接，下穿东平水道，隧址处水面宽200～300 m,河流中心水深8～11 m,常年水流速度2.7～3.0 m/s，枯水期水面最低标高0.4 m。隧道沉管段宽39.9 m，高9.0 m，E1 、E2管段长均为115 m、E3管段长105 m、E4管段长110 m，4节管段总长445 m。

沉管隧道管段浮运理想的水流速度为1 m/s以下，东平水道流速不利于独立干坞管段长距离浮运；隧址附近单独设置大型干坞需拆迁大面积房屋；中、小型干坞工期不能满足需求；移动干坞无合适的驳船，故该隧道采用旁建干坞，干坞选址在东平新城端隧道东侧，占地面积61 000 m2，坞底标高-9.1 m，一次同时预制4节管段。

东平隧道采用旁建干坞比轴线干坞节约工期约12个月，比独立干坞减少拆迁6 300余m2。

3.3 独立干坞

独立干坞是在隧址范围以外另外选择干坞位置。此干坞优点：选址范围灵活，江河上下游岸边地块都可作为备选场地；可实现沉管隧道水下基槽开挖、两岸明挖段施工、管段预制多方面的平行作业，加快工期；根据管段总数量，可采用单个、两个或多个相对独立的干坞体系。管段数量很多时，多子坞同时具备独立的管段预制及出坞条件，能灵活应对内河水位季节性的变化，缩短工期、降低造价。缺点：管段远距离浮运可能会带来较大的航道临时疏浚量；沿线桥梁等建筑物通航尺度、季节性水位变化差等外界条件控制干坞选址和管段浮运。

南昌红谷隧道位于八一大桥与南昌大桥之间，下穿赣江后，连接南昌市西岸红谷滩新区与东岸老城区。隧址处水面宽度约1 400 m，最低水位9. 80 m，枯水期与丰水期水位最大高差超过12 m。隧道沉管段宽30 m，高8.3 m，E1～E9管段长均为115 m、E10管段长96.5 m、E11管段长107.5 m、E12管段长90 m，12节管段总长1 329 m。

隧址附近两岸建筑物密集，轴线干坞和旁建干坞在工期和用地上不能满足需求。经沿岸考察，干坞选址在隧址下游约8.5 km，周边空旷、无房屋拆迁的沙滩上。

由于赣江水位差季节变化大，若在最低水位浮运，航道疏浚量极大，故选择丰水期集中浮运，管段在隧址附近临时寄放，枯水期集中沉放方案。管段出坞水位标高不低于12.65 m，场地标高17～22 m，坞底标高4.0 m，干坞的开挖平均深度约16 m，总长516 m，总宽257 m，占地面积13.3万m2。

结合沉管段数量，采用并排的双子坞平行作业，每个子坞内一次预制3节管段，分2批预制完成。

与一次预制12节管段的大型干坞相比，双子坞方案可节约工期4个月，并可避开枯水期对管段浮运的影响，实现管段预制与浮运沉放的流水化作业。

3.4 移动干坞

当隧道两岸房屋密集，在隧址附近征拆固定干坞场地困难，同时河道水深浅，采用独立干坞疏浚费用庞大时，可考虑采用移动干坞制作管段。移动干坞优点：利用既有驳船作为管节预制场地，节省固定干坞修建时间；不需要占用大面积施工场地，减小了对环境的破坏和影响；半潜驳吃水深度比管段浮运所需水深浅3～4 m，对航道要求低，能有效降低管段运输的疏浚工程量；移动干坞可重复使用，减小隧道临时工程规模，节约工程造价。缺点：管段的规模受半潜驳平面尺寸和承载能力制约；半潜驳一次预制一节管段，只适用于管段数量不多的工程；移动干坞需要在隧址附近找到合适的下潜港池，进行管段从驳船到河中的入水转换；半潜驳预制需要建造临时码头，且浮运路线受桥梁通航净高影响；中国既有半潜驳数量较少，要找到与工程相匹配的半潜驳难度较大。目前中国典型大型半潜驳、浮船坞统计见表1。

广州市仑头隧道线路北端起于海珠区，下穿宽280 m的仑头海后到达生物岛，仑头海水深6～8 m，远期规划航道宽60 m，深6 m，枯水期水面最低标高3.45 m。隧道沉管段宽23 m，高8.7 m，E1管段长55 m、E2管段长67 m、E3管段长4 m，E4管段长71.5 m，E5管段长77 m ，5节管段总长277 m(包括水下最终接头2.5 m)，单节管段最大重量约1.5万t。

表1 中国典型大型半潜驳、浮船坞统计

工程受正在建设地块、既有房屋及生态保护区影响，在隧址附近无固定干坞所需的场地，独立干坞航道疏浚极大，结合生物岛沿线码头和中国国内既有半潜驳情况，最终采用“重任1601号”驳船作为移动干坞，船体长度122.5 m×31.6 m，载重1.6万t，最大下潜深度不小于9 m，下潜港池底面积为150 m(长)×31.6 m(宽)，底标高-13.25 m，浮运距离13.5 km。

与固定干坞相比，仑头隧道采用移动干坞避免了房屋征拆，减少工期4个月，减少土方开挖7.4万m3。