城市核心區(qū)沉管隧道結(jié)構(gòu)類型及預(yù)制方案研究
——以廣州市琶洲西隧道工程為例

郭建民，單聯(lián)君

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060)

0 引言

沉管隧道源于美國(guó)，興盛于歐洲與日本，發(fā)展于中國(guó)。沉管隧道管節(jié)按結(jié)構(gòu)類型可分為鋼筋混凝土(含預(yù)應(yīng)力)與鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)2類，在國(guó)際上均有不少應(yīng)用案例[1-3]。鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)是在雙層鋼板間充填自密實(shí)混凝土，鋼與混凝土共同作用的一種組合結(jié)構(gòu)型式。沉管隧道管節(jié)選擇何種結(jié)構(gòu)型式，主要取決于國(guó)家及地區(qū)習(xí)慣以及經(jīng)驗(yàn)、施工裝備、材料供給、工程地質(zhì)條件、預(yù)制廠條件、水深條件、作用荷載等因素[4-5]。林鳴等[6]從原理剖析入手，提出了沉管隧道結(jié)構(gòu)選型的思考。宋神友等[7]進(jìn)行了隔艙式雙鋼板-混凝土組合沉管隧道結(jié)構(gòu)的大比例縮尺試驗(yàn)，并進(jìn)一步結(jié)合深中通道項(xiàng)目[8-9]分析鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。另一方面，王曉東等[10]從預(yù)制平面、預(yù)制工藝及管節(jié)入水方式等方面對(duì)鋼筋混凝土沉管管節(jié)預(yù)制方式的差異性進(jìn)行分析。林巍等[11]對(duì)比分析了整體管節(jié)工廠預(yù)制方法與傳統(tǒng)工廠預(yù)制法的優(yōu)缺點(diǎn)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究在分析結(jié)構(gòu)選型與預(yù)制方案時(shí)，往往將二者分別進(jìn)行分析對(duì)比，而沒(méi)有將結(jié)構(gòu)選型與預(yù)制方案結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合比選。

為了選擇適用于城市核心區(qū)的沉管隧道結(jié)構(gòu)類型和預(yù)制方案，本文以廣州市琶洲西隧道工程為例，對(duì)沉管隧道結(jié)構(gòu)類型及預(yù)制方案進(jìn)行綜合比選分析，分別對(duì)比鋼殼組合結(jié)構(gòu)(二次澆筑混凝土)、鋼殼組合結(jié)構(gòu)(一次澆筑混凝土)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(新建干塢)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(移動(dòng)干塢)4種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮以確定能更好適用于城市核心區(qū)的管節(jié)結(jié)構(gòu)型式及預(yù)制方案，以期本文比選過(guò)程及結(jié)果供同類工程參考。

1 隧道總體方案及建設(shè)條件

琶洲西隧道位于廣州市中心城區(qū)(見(jiàn)圖1)，北起臨江大道，采用沉管隧道形式下穿珠江前航道、閱江路，南至海洲路，路線長(zhǎng)約1.3 km。其中，沉管段長(zhǎng)390 m，采用4節(jié)97.5 m沉管管節(jié)，見(jiàn)圖2。道路等級(jí)為城市次干路，設(shè)計(jì)車速為40 km/h，雙向4車道，為小客車通行標(biāo)準(zhǔn)，凈高為3.5 m。本項(xiàng)目是天河區(qū)與海珠區(qū)跨區(qū)域交通的一條重要走廊，打通了琶洲互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新集聚區(qū)、國(guó)際金融城、珠江新城組成的黃金三角區(qū)之間的交通轉(zhuǎn)換。

圖1 工程地理位置圖

(a)隧道平面圖 (b)隧道縱斷面圖

隧址附近航道水深如圖3所示。擬建隧道位于珠江前航道，河段兩岸均建有堤防工程，兩岸堤防之間的河寬約為400 m，水深4.5～5.6 m(按平均潮位4.92 m考慮)。

圖3 隧址附近航道水深圖

隧道所在河段為廣州東河道，常年受潮流控制，偶受洪水影響,平均潮差約為1.5 m，潮流為往復(fù)流，流速約為1.3 m/s?，F(xiàn)狀航道尺度為2.8 m×100 m×720 m(水深×底寬×彎曲半徑)；珠江前航道通航凈高如圖4所示，航道規(guī)劃為通行1 000 t級(jí)海輪航道，尺度為5.15 m×96 m×720 m，設(shè)計(jì)最低通航水位為3.69 m(廣州城建高程)，規(guī)劃航道底標(biāo)高-1.46 m。

圖4 珠江前航道通航凈高圖

2 沉管的結(jié)構(gòu)型式及預(yù)制方案

2.1 沉管結(jié)構(gòu)型式

琶洲西隧道采用雙向4車道小客車專用通道標(biāo)準(zhǔn)，凈高3.5 m，可采用鋼筋混凝土沉管(橫斷面見(jiàn)圖5)和鋼殼混凝土沉管(橫斷面見(jiàn)圖6)2種類型。

圖5 鋼筋混凝土沉管橫斷面(單位：mm)

圖6 鋼殼混凝土沉管橫斷面(單位：mm)

2種沉管結(jié)構(gòu)類型技術(shù)上都可行。鋼殼混凝土沉管自重輕，總高6.9 m，隧道斷面利用合理，符合總體小凈高的功能需求；而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為滿足浮運(yùn)時(shí)的干舷要求，需要額外增加凈高，采用8.7 m的總高會(huì)造成多出的空間浪費(fèi)、隧道長(zhǎng)度增加、基槽開(kāi)挖量大、疏浚費(fèi)用大、臨時(shí)工程費(fèi)用大。

2.2 沉管預(yù)制方案

目前常用的沉管管節(jié)預(yù)制方式[10]分為3種：1)在臨時(shí)干塢內(nèi)預(yù)制，即固定干塢(又可分為軸線干塢、旁建干塢和獨(dú)立干塢)，條件是隧址附近用地寬松。2)在浮動(dòng)的半潛駁上預(yù)制，即移動(dòng)干塢，一般適用于選擇固定干塢地址困難、工期要求不高的隧道，但需要建專用碼頭。3)在工廠內(nèi)預(yù)制[11]，即工廠化干塢，適用于沉管段總長(zhǎng)度較大且管段數(shù)目較多、工期緊張的情況，通過(guò)工廠預(yù)制管節(jié)的形式可批量化、高效率地建造沉管管節(jié)，在管節(jié)數(shù)目較多的情況下可縮短工期并降低成本。經(jīng)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)建成和在建的沉管隧道的預(yù)制方式[12-13]，如表1所示。由表1可知，國(guó)內(nèi)大部分沉管隧道采用固定干塢。其中，港珠澳大橋工程的沉管隧道采用了工廠預(yù)制鋼筋混凝土沉管，而深中通道工程采用了工廠預(yù)制鋼殼混凝土沉管。

表1 國(guó)內(nèi)沉管隧道預(yù)制方式類型統(tǒng)計(jì)

2.3 鋼筋混凝土沉管隧道預(yù)制方式

本項(xiàng)目?jī)H4節(jié)管節(jié)，排除預(yù)制工廠方式，考慮采用固定干塢或移動(dòng)干塢形式。

1)若采用固定干塢預(yù)制管節(jié)，由于本項(xiàng)目地處廣州市城市核心區(qū)，北岸為臨江大道臨江綠地，南岸為琶洲電商總部區(qū)，建設(shè)條件復(fù)雜，用地緊張。可用作干塢的用地位于4.9 km以外既有車陂路隧道干塢附近。

2)若采用移動(dòng)干塢預(yù)制管節(jié)，最近可供?？堪霛擇g的大型碼頭位于距離隧址30 km的珠江后航道。

2.4 鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管隧道預(yù)制方式

鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管的鋼殼制作加工可利用船廠或鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行，鋼殼內(nèi)混凝土根據(jù)運(yùn)輸距離、河道水深情況可選擇陸地澆筑、半浮態(tài)澆筑或全浮態(tài)澆筑[14]。國(guó)內(nèi)的深中通道采用的是全陸域澆筑；東京臨港沉管隧道是日本第6條采用鋼殼混凝土沉管(見(jiàn)表2)、第3條采用浮態(tài)澆筑的沉管隧道[15]。

表2 國(guó)內(nèi)外鋼殼混凝土沉管隧道統(tǒng)計(jì)

鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管隧道具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)預(yù)制場(chǎng)地靈活。綜合考慮建設(shè)地區(qū)鋼殼制作場(chǎng)地選擇和工程實(shí)際情況，鋼殼可利用珠江口眾多船廠及鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行異地或同地加工，施工質(zhì)量和時(shí)間易于保證。

2)澆筑工藝靈活。鋼殼內(nèi)混凝土既可全浮態(tài)澆筑，也可半浮態(tài)澆筑，適合于內(nèi)河水深較淺的航道，可減少管節(jié)吃水，控制航道疏浚量。

3)浮運(yùn)航道疏浚少，對(duì)周邊影響小。本工程如采用鋼筋混凝土預(yù)制方式，管節(jié)浮運(yùn)拖航距離長(zhǎng)，管節(jié)吃水深，全澆筑完成吃水可達(dá)到8.6 m左右，內(nèi)河大部分航路水深在3.1～4.6 m，涉及大面積疏浚，影響內(nèi)河航道通航，航路管制難度大，對(duì)周邊橋梁影響較大。如采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管+半浮態(tài)澆筑，首期澆筑底板和外側(cè)墻，管節(jié)吃水深度約為4.6 m，采用淺吃水拖航方案，內(nèi)河航道水深基本滿足情況，僅需在二次澆筑平臺(tái)附近進(jìn)行局部疏浚完成二次澆筑。

4)工期可控。本項(xiàng)目鋼殼管節(jié)數(shù)量少，占用船廠造船時(shí)間少，可利用珠江口造船加工廠區(qū)多且鋼殼管節(jié)自密實(shí)混凝土澆筑工效快的優(yōu)勢(shì)，確保管節(jié)施工工期可控。

綜上，從結(jié)構(gòu)型式上看，相對(duì)于鋼筋混凝土沉管，鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管自重更輕、截面尺寸更小，可減少基槽開(kāi)挖量、疏浚量及基槽回填量，減少臨時(shí)工程費(fèi)用，更適用于管節(jié)預(yù)制場(chǎng)地離隧址較遠(yuǎn)、需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸管節(jié)的情況。而對(duì)于沉管預(yù)制方式，固定干塢適用于隧址或其附近用地寬松的情況；移動(dòng)干塢則需建半潛駁?？康膶Ｓ么a頭，工期較長(zhǎng)。工廠化預(yù)制方式則一般在管節(jié)數(shù)目較多情況下才具有工期和成本優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)構(gòu)型式及預(yù)制方案綜合比選

3.1 4種結(jié)構(gòu)型式及預(yù)制方案

根據(jù)沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)類型及預(yù)制方式的不同，有以下4種方案。

3.1.1 方案1：鋼殼組合結(jié)構(gòu)(二次澆筑混凝土)

鋼殼沉管拖航平面圖(二次澆筑)如圖7所示。在船廠制作沉管鋼殼，澆筑底板、側(cè)墻等部分混凝土，然后拖運(yùn)至隧址附近的二次舾裝平臺(tái)浮態(tài)澆筑剩余混凝土，之后再拖運(yùn)至隧址沉放對(duì)接。管節(jié)浮運(yùn)吃水4.6 m，后航道水較深，不需要疏浚，僅需對(duì)前航道的7 km航道進(jìn)行少量疏浚。

圖7 鋼殼沉管拖航平面圖(二次澆筑)

二次舾裝平臺(tái)鳥(niǎo)瞰圖如圖8所示。二次澆筑平臺(tái)選址在隧址北岸西側(cè)岸邊，水上搭設(shè)鋼平臺(tái)作為浮態(tài)澆筑場(chǎng)地，平臺(tái)尺寸為342 m×25 m(長(zhǎng)×寬)，一次可?？?節(jié)管節(jié)，實(shí)現(xiàn)浮態(tài)澆筑、二次舾裝、沉放前?？苛魉鳂I(yè)。

圖8 二次舾裝平臺(tái)鳥(niǎo)瞰圖

3.1.2 方案2：鋼殼組合結(jié)構(gòu)(一次澆筑混凝土)

鋼殼沉管拖航平面圖(一次澆筑、半潛駁運(yùn)輸)如圖9所示。在船廠完成鋼殼制作并澆筑全部混凝土，舾裝后利用半潛駁拖運(yùn)管節(jié)到隧址對(duì)接沉放。管節(jié)浮運(yùn)吃水6.0 m，需要對(duì)航道進(jìn)行較大的疏浚，可在隧道附近開(kāi)挖一個(gè)大型下潛港池。

圖9 鋼殼沉管拖航平面圖(一次澆筑、半潛駁運(yùn)輸)

3.1.3 方案3：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(新建干塢)

經(jīng)摸查調(diào)研，隧址北岸為核心區(qū)臨江綠地公園，南岸為閱江路，無(wú)論從地塊規(guī)模還是征地協(xié)調(diào)難度，都無(wú)法新建干塢，只有在4.9 km外的既有車陂路隧道干塢附近有條件新建干塢(見(jiàn)圖10)。本方案管節(jié)浮運(yùn)吃水8.6 m，浮運(yùn)距離約4.9 km，需要對(duì)航道進(jìn)行大量疏浚。

圖10 新建干塢拖航平面圖

3.1.4 方案4：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(移動(dòng)干塢)

在合適的半潛駁上制造沉管管段，制造完成后將半潛駁拖運(yùn)到隧址附近下潛，使管段浮出，進(jìn)行管段的沉放安裝作業(yè)。經(jīng)摸查調(diào)研，前航道附近均無(wú)條件停放半潛駁，只能在后航道尋找碼頭或地塊作為?？看a頭及施工場(chǎng)地(見(jiàn)圖11)。本方案管節(jié)浮運(yùn)吃水6.0 m，浮運(yùn)距離約30 km，需要對(duì)航道進(jìn)行大量疏浚。預(yù)制完成后，通過(guò)前航道運(yùn)送至隧道附近下潛港池，分離沉管并浮運(yùn)至隧道位置沉放。

圖11 半潛駁預(yù)制沉管拖航平面圖

3.2 方案比選

對(duì)4種預(yù)制方式進(jìn)行綜合比選，見(jiàn)表3。

表3 沉管預(yù)制方案比選表

1)適應(yīng)性。本工程地處核心區(qū)，用地緊張，航道水域有水深淺的特征，鋼殼沉管(二次澆筑)方案在船廠預(yù)制，高干舷浮運(yùn)，水中浮態(tài)澆筑，疏浚量小，占用少量岸上用地。

2)工期。鋼殼沉管(二次澆筑)方案工期最短。

3)疏浚及對(duì)航道影響。鋼殼沉管(二次澆筑)只需要疏浚二次澆筑平臺(tái)到隧址的短距離航道，疏浚量小；新建干塢疏浚量超過(guò)188萬(wàn)m3，疏浚時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，對(duì)航道及珠江環(huán)境影響大；半潛駁方案由于要挖下潛港池，總疏浚量也超過(guò)121萬(wàn)m3。在疏浚及對(duì)航道環(huán)境的影響上，鋼殼沉管均有較大優(yōu)勢(shì)。

4)造價(jià)。4個(gè)方案沉管相關(guān)造價(jià)差值在10%以內(nèi)。鋼殼沉管的投資主要花在結(jié)構(gòu)上，其他方案的投資集中在疏浚等臨時(shí)措施上。

本工程地處城市核心區(qū)，存在用地緊張、航道水深淺的特點(diǎn)，結(jié)合總體小凈高的功能需求，宜采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管二次澆筑方案。

4 結(jié)論與討論

為了選擇適用于城市核心區(qū)的沉管隧道結(jié)構(gòu)類型和預(yù)制方案，本文以廣州市琶洲西隧道工程為例，對(duì)4種不同的沉管隧道結(jié)構(gòu)類型及預(yù)制方案進(jìn)行綜合比選，最終選擇了鋼殼組合結(jié)構(gòu)(二次澆筑混凝土)方案，得到結(jié)論如下：

1)從結(jié)構(gòu)型式上看，相對(duì)于鋼筋混凝土沉管，鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管自重及截面尺寸更小，可減少基槽開(kāi)挖量、疏浚量及基槽回填量，更適用于管節(jié)預(yù)制場(chǎng)地離隧址較遠(yuǎn)、需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸管節(jié)的情況。

2)對(duì)于沉管預(yù)制方式，固定干塢適用于隧址或其附近用地寬松情況，移動(dòng)干塢需建半潛駁?？康膶Ｓ么a頭，工廠化預(yù)制方式則一般在管節(jié)數(shù)目較多情況下才具有工期和成本優(yōu)勢(shì)。

3)采用中小截面雙層鋼殼混凝土沉管隧道的結(jié)構(gòu)型式，結(jié)合長(zhǎng)距離高干舷運(yùn)輸、二次浮態(tài)澆筑混凝土等先進(jìn)施工工藝，可以有效地解決城市核心區(qū)域沉管隧道建設(shè)工程中干塢用地緊張等困難，同時(shí)有工期短、河道疏浚少、工程質(zhì)量可靠、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在內(nèi)河沉管隧道中會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)的沉管隧道項(xiàng)目較少，難以從工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)角度對(duì)其他不同結(jié)構(gòu)選型與預(yù)制方案進(jìn)行對(duì)比分析。后續(xù)研究中，可進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)受力機(jī)制、最終接頭型式、防火保護(hù)、迎水側(cè)腐蝕與防護(hù)等方面對(duì)沉管結(jié)構(gòu)類型與預(yù)制方案進(jìn)行更系統(tǒng)全面的對(duì)比分析。