沉管隧道（水下通道）

沉管隧道

水下通道

沉管隧道是将隧道管段分段预制，每段两端设置临时止水头部，然后浮运至隧道轴线处，沉放在预先挖好的地槽(基槽)内，完成管段间的水下连接，移去临时止水头部，回填基槽保护沉管，铺设隧道内部设施，从而形成一个完整的水下通道。

示例

日本修建沉管隧道已有50年的历史，但直到更近，还未受到过强烈地震的影响。过去几十年，日本为了改善TRANBBS交通网络，设计和建造了不少沉管隧道。日本位于世界上最活跃的地震带上，无论从那种观点看，因沉管隧道不同于陆地上隧道结构的动力特性，故对沉管隧道应进行抗震能力检查。

为了确定合理的沉管隧道抗震设计方法，1971年日本土木工程协会(JSCE）成立了一个专门委员会。1988年JSCE用英语发表了该委员会的"沉管隧道抗震设计规范"同时，还在继续进行这个问题的调查研究与检测工作。

日本第一座沉管隧道是1944年为大坂地铁网修建的。至1994年11月，共修建了18座沉管隧道。已建和拟建沉管隧道的地点、尺寸、工期见表1。多摩川隧道（东京）、川崎航道隧道、大坂南港隧道及新旧港公路隧道目前正在TRANBBS施工，神户、衣浦、横滨和那霸沉管隧道正在TRANBBS规划之中。

衣浦港隧道

四车道的衣浦港公路隧道位于日本知多半岛高速公路上，穿过衣浦港。隧道长1018．6m，采用浚挖槽沟法修建，两端有通风塔，隧道是直线。

6节80m长的管段在船坞内预制，用9mm厚的钢壳防水，用特殊的排水法改善周围软粘土，用沉箱法修建通风塔并安置在密实砂层上。

衣浦港隧道采用的地震形变法曾用于旧会山（加利福尼亚州）海湾区快速交通网（BART）的跨海沉管隧道中，为进一步证实还做了模型试验。根据模型试验和强震观测结果，改进了衣浦港隧道的地震设计方法（青木和圆山，1972）。在建成后进行的现场观测，还未发现有任何强烈的地震活动。因该隧道交通十分拥挤，在傍边又规划了一座沉管隧道。

川崎港隧道

川崎港隧道位于东京湾，穿过京滨运河。连接Chidri-Cho和Ohgishima人工岛。隧道长840m，采用浚挖槽沟法建造，有8节管段。因隧道建在软弱粘土层上，设计时考虑了不均匀沉择。因此在Ohgishima岛上的陆地段用钢管桩支承。

抗震设计采用了多个质量弹簧模型的动力反应法（滨四，1984）。输入1968年观测十滕一冲强地震记录到的八户波数据进行计算。根据计算结果，两端的通风塔建在两岸，与隧道分开。

每节管段都采用钢壳法修建。在船坞中造好钢壳，拖运到海上，安装好钢筋后，再在海上灌筑混凝土。为了使纵向钢筋承受地震产生的轴向力，采用了51mm的钢筋。管段采用刚性连接。从1980年建成后，进行了各种观测，包括地震响应量测。观测结果详见第9节。

此外，还监测了沉管隧道的沉降，通风塔和隧道管段间相对位移，航道下面隧道管段上的复盖层的变化。

特点

(1)沉管隧道因其能够设置在只要不妨碍通航的深度下，故隧道全长可以缩短；

(2)隧道管段是预制的，质量好，水密性高；

(3)因有浮力作用在隧道上，所以视比重小，要求的地层承载力不大，故也适用于软弱地层；

(4)断面形状无特殊限制，可按用途自由选择，特别适应较宽的断面形式；

(5)沉管的沉放，虽然需要时间，但基本上可在1～3天内完成，对航运的限制较小；

(6)不需要沉箱法和盾构法的压缩空气作业，在水相当深的条件下，能安全施工；

(7)因采用预制方式施工，效率高、工期短。

施工技术

1.基糟开挖：可选用戽斗式挖泥机、带切泥头的吸泥机或挖泥机、带爪斗的起重机等设备。切泥头挖泥机是对要浚挖的泥土进行混搅成浆后吸走。如使用浮放管路排泥时，这种挖泥机的垂直运输和水平运输都是封闭的，对环境的影响就比较小。戽斗式挖泥机、带抓斗的起重机在垂直运输泥土时，以及当泥土卸进驳船中供水平运走时产生的溢出都会对环境造成污染。

2、基础施工：现有3种不同的基础，欧洲普遍使用喷砂和注砂基础，美国普遍使用样板刮平的砾石基础。

（1）样板刮平的砾石基础：一般用于北美的钢壳管段隧道。地槽挖好后，接着便在地槽底上铺一层粗砂或砾石。砾石和砂的粒度级配必须与水力条件相适应。这层厚度约0.7m。

砾石基础的刮平度要求为±3cm，这取决于当地条件、砂或砾石的级配以及使用的设备。刮平是用一块样板来进行的，样板从滑架上的绞盘车悬挂下来，滑架沿支承在两个浮筒上的轨道移动。这套设备锚定在要刮平处的水面上，样板的悬挂高度可以调节，以补偿潮汛水位的变化。也可采用按半潜水的原则制成的特殊设备。这种方法允许样板直接连到锚墩上。

（2）喷砂基础：建造杉基础的第一个系统用的是C&N法（Christiani&Nielson法），即使用在隧道管段上滚动的钢门架，与门架相连的3根毗邻的管子，这3根管子被引入到隧道管段底部与地槽之间的空间。最大的管子在中间，通过这根管子，砂水混合物被泵送到隧道管段下面。

位于大管子两侧的两根管子又将水吸回去，从而形成一种流动作用，使砂在隧道管段下面以一种良好的限定和良好的控制的型样沉淀下来。门架位于隧道管段上面，并可使管子绕垂直轴转动，这样就可以达到隧道管段下面的整个空间以便移动管子。砂的平均粒径约为0.5mm。砂水混合物的浓度和排出速度与喷出形成的砂饼的直径有直接关系，必须很好地控制。

（3）注砂基础：这种方法像喷砂法一样把砂水混合物泵送到管段下面的空间里。只不过不是使用可移动的门架系统，而是在隧道管段底板上开许多孔口，这些孔口在管段里面相连。当管道从岸上经过隧道通到这些孔口处进行充填砂基时，不会影响航运。砂水混合物通过在隧道管段内的孔口泵泵出，去填充隧道管段下面的空间，直到砂堆接触到隧道管段的底部为止。

这样在隧道管段下面形成一个扩大的砂饼。砂饼内部的水压超过了预先指定的最大值时，打开下一个孔口，同时将前一个孔口关闭。这种方法速度快，能在24小时内填满一个隧道管段下面的整个空间，这样就能避免管段放置后产生淤积的危险。

3、管段制作：

（1）管节的制作：管节制作是大型沉管隧道的主要工序，它的工期和质量不仅直接影响沉管的浮运和沉放，而且关系到隧道运营的成败。制作工艺的关键技术是控制砼的容量和管节（结构）尺寸精度，以及控制钢筋砼解决够的裂缝，以实现结构的自身防水。

（2）制造管段的场地：对钢壳式管段，在隧址附近的船坞制作，然后拖到隧道施工现场附近进行舣装，再拖至施工现场灌注镇载砼。对砼管段，在隧址附近的干船坞中浇制砼管段，管段造好后浮运至施工现场沉放。在丹麦和瑞典的斯热桑得隧道在干船坞里还建造有一条砼管节生产的流水线的工厂，管造好后在干船坞里连接成管段。

4、接头的设计及处理技术：接头设计和处理技术是沉管隧道的关键技术之一。接头的设计应能承受温度变化、地震力以及其他作用，并保证具有良好的水密性。沉管隧道的每一个管段都是一个预制件，在管段之间和管段与通风塔之间存在接头。

接头有2种形式：刚性接头，接头具有与其连接管段相似的断面刚度和强度；柔性接头，接头允许在3个主轴方向上有相对位移。在某些情况下，沉管隧道的所有接头都采用同一种形式，在另外一些情况下，两种形式都可能采用。接头的位置、间距和形式应按照土壤条件、基础形式、抗震以及可加工性俩决定。同时，还应考虑接头的强度、变形特性、防水、材料以及细部构造。

发展

沉管隧道以其埋深浅、防水性能好、地基适应性强等特点在世界范围内有着广泛的应用。特别是随着沿海地区的经济发展，沉管隧道在跨江、跨海通道工程中越来越多的采用。

参考资料

1.沉管隧道节段接头剪力键作用机理与构造性能研究·中国知网