城市核心區沉管隧道結構類型及預制方案研究
——以廣州市琶洲西隧道工程為例

郭建民，單聯君

(廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060)

0 引言

沉管隧道源于美國，興盛于歐洲與日本，發展于中國。沉管隧道管節按結構類型可分為鋼筋混凝土(含預應力)與鋼殼混凝土組合結構2類，在國際上均有不少應用案例[1-3]。鋼殼混凝土組合結構是在雙層鋼板間充填自密實混凝土，鋼與混凝土共同作用的一種組合結構型式。沉管隧道管節選擇何種結構型式，主要取決于國家及地區習慣以及經驗、施工裝備、材料供給、工程地質條件、預制廠條件、水深條件、作用荷載等因素[4-5]。林鳴等[6]從原理剖析入手，提出了沉管隧道結構選型的思考。宋神友等[7]進行了隔艙式雙鋼板-混凝土組合沉管隧道結構的大比例縮尺試驗，并進一步結合深中通道項目[8-9]分析鋼板混凝土組合結構的優勢。另一方面，王曉東等[10]從預制平面、預制工藝及管節入水方式等方面對鋼筋混凝土沉管管節預制方式的差異性進行分析。林巍等[11]對比分析了整體管節工廠預制方法與傳統工廠預制法的優缺點。查閱相關文獻發現，現有研究在分析結構選型與預制方案時，往往將二者分別進行分析對比，而沒有將結構選型與預制方案結合起來進行綜合比選。

為了選擇適用于城市核心區的沉管隧道結構類型和預制方案，本文以廣州市琶洲西隧道工程為例，對沉管隧道結構類型及預制方案進行綜合比選分析，分別對比鋼殼組合結構(二次澆筑混凝土)、鋼殼組合結構(一次澆筑混凝土)、鋼筋混凝土結構(新建干塢)、鋼筋混凝土結構(移動干塢)4種方案的優缺點，綜合考慮以確定能更好適用于城市核心區的管節結構型式及預制方案，以期本文比選過程及結果供同類工程參考。

1 隧道總體方案及建設條件

琶洲西隧道位于廣州市中心城區(見圖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，路線長約1.3 km。其中，沉管段長390 m，采用4節97.5 m沉管管節，見圖2。道路等級為城市次干路，設計車速為40 km/h，雙向4車道，為小客車通行標準，凈高為3.5 m。本項目是天河區與海珠區跨區域交通的一條重要走廊，打通了琶洲互聯網創新集聚區、國際金融城、珠江新城組成的黃金三角區之間的交通轉換。

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，潮流為往復流，流速約為1.3 m/s。現狀航道尺度為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，航道規劃為通行1 000 t級海輪航道，尺度為5.15 m×96 m×720 m，設計最低通航水位為3.69 m(廣州城建高程)，規劃航道底標高-1.46 m。

圖4 珠江前航道通航凈高圖

2 沉管的結構型式及預制方案

2.1 沉管結構型式

琶洲西隧道采用雙向4車道小客車專用通道標準，凈高3.5 m，可采用鋼筋混凝土沉管(橫斷面見圖5)和鋼殼混凝土沉管(橫斷面見圖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種沉管結構類型技術上都可行。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；而鋼筋混凝土結構為滿足浮運時的干舷要求，需要額外增加凈高，采用8.7 m的總高會造成多出的空間浪費、隧道長度增加、基槽開挖量大、疏浚費用大、臨時工程費用大。

2.2 沉管預制方案

目前常用的沉管管節預制方式[10]分為3種：1)在臨時干塢內預制，即固定干塢(又可分為軸線干塢、旁建干塢和獨立干塢)，條件是隧址附近用地寬松。2)在浮動的半潛駁上預制，即移動干塢，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)在工廠內預制[11]，即工廠化干塢，適用于沉管段總長度較大且管段數目較多、工期緊張的情況，通過工廠預制管節的形式可批量化、高效率地建造沉管管節，在管節數目較多的情況下可縮短工期并降低成本。經調研，統計了國內建成和在建的沉管隧道的預制方式[12-13]，如表1所示。由表1可知，國內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制鋼筋混凝土沉管，而深中通道工程采用了工廠預制鋼殼混凝土沉管。

表1 國內沉管隧道預制方式類型統計

2.3 鋼筋混凝土沉管隧道預制方式

本項目僅4節管節，排除預制工廠方式，考慮采用固定干塢或移動干塢形式。

1)若采用固定干塢預制管節，由于本項目地處廣州市城市核心區，北岸為臨江大道臨江綠地，南岸為琶洲電商總部區，建設條件復雜，用地緊張?？捎米鞲蓧]的用地位于4.9 km以外既有車陂路隧道干塢附近。

2)若采用移動干塢預制管節，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 鋼殼混凝土組合結構沉管隧道預制方式

鋼殼混凝土組合結構沉管的鋼殼制作加工可利用船廠或鋼結構加工廠進行，鋼殼內混凝土根據運輸距離、河道水深情況可選擇陸地澆筑、半浮態澆筑或全浮態澆筑[14]。國內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(見表2)、第3條采用浮態澆筑的沉管隧道[15]。

表2 國內外鋼殼混凝土沉管隧道統計

鋼殼混凝土組合結構沉管隧道具有以下優勢：

1)預制場地靈活。綜合考慮建設地區鋼殼制作場地選擇和工程實際情況，鋼殼可利用珠江口眾多船廠及鋼結構加工廠進行異地或同地加工，施工質量和時間易于保證。

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

3)浮運航道疏浚少，對周邊影響小。本工程如采用鋼筋混凝土預制方式，管節浮運拖航距離長，管節吃水深，全澆筑完成吃水可達到8.6 m左右，內河大部分航路水深在3.1～4.6 m，涉及大面積疏浚，影響內河航道通航，航路管制難度大，對周邊橋梁影響較大。如采用鋼殼混凝土組合結構沉管+半浮態澆筑，首期澆筑底板和外側墻，管節吃水深度約為4.6 m，采用淺吃水拖航方案，內河航道水深基本滿足情況，僅需在二次澆筑平臺附近進行局部疏浚完成二次澆筑。

4)工期可控。本項目鋼殼管節數量少，占用船廠造船時間少，可利用珠江口造船加工廠區多且鋼殼管節自密實混凝土澆筑工效快的優勢，確保管節施工工期可控。

綜上，從結構型式上看，相對于鋼筋混凝土沉管，鋼殼混凝土組合結構沉管自重更輕、截面尺寸更小，可減少基槽開挖量、疏浚量及基槽回填量，減少臨時工程費用，更適用于管節預制場地離隧址較遠、需要長距離運輸管節的情況。而對于沉管預制方式，固定干塢適用于隧址或其附近用地寬松的情況；移動干塢則需建半潛駁?？康膶Ｓ么a頭，工期較長。工廠化預制方式則一般在管節數目較多情況下才具有工期和成本優勢。

3 結構型式及預制方案綜合比選

3.1 4種結構型式及預制方案

根據沉管管節結構類型及預制方式的不同，有以下4種方案。

3.1.1 方案1：鋼殼組合結構(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、側墻等部分混凝土，然后拖運至隧址附近的二次舾裝平臺浮態澆筑剩余混凝土，之后再拖運至隧址沉放對接。管節浮運吃水4.6 m，后航道水較深，不需要疏浚，僅需對前航道的7 km航道進行少量疏浚。

圖7 鋼殼沉管拖航平面圖(二次澆筑)

二次舾裝平臺鳥瞰圖如圖8所示。二次澆筑平臺選址在隧址北岸西側岸邊，水上搭設鋼平臺作為浮態澆筑場地，平臺尺寸為342 m×25 m(長×寬)，一次可停靠3節管節，實現浮態澆筑、二次舾裝、沉放前停靠流水作業。

圖8 二次舾裝平臺鳥瞰圖

3.1.2 方案2：鋼殼組合結構(一次澆筑混凝土)

鋼殼沉管拖航平面圖(一次澆筑、半潛駁運輸)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管節到隧址對接沉放。管節浮運吃水6.0 m，需要對航道進行較大的疏浚，可在隧道附近開挖一個大型下潛港池。

圖9 鋼殼沉管拖航平面圖(一次澆筑、半潛駁運輸)

3.1.3 方案3：鋼筋混凝土結構(新建干塢)

經摸查調研，隧址北岸為核心區臨江綠地公園，南岸為閱江路，無論從地塊規模還是征地協調難度，都無法新建干塢，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(見圖10)。本方案管節浮運吃水8.6 m，浮運距離約4.9 km，需要對航道進行大量疏浚。

圖10 新建干塢拖航平面圖

3.1.4 方案4：鋼筋混凝土結構(移動干塢)

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到隧址附近下潛，使管段浮出，進行管段的沉放安裝作業。經摸查調研，前航道附近均無條件停放半潛駁，只能在后航道尋找碼頭或地塊作為?？看a頭及施工場地(見圖11)。本方案管節浮運吃水6.0 m，浮運距離約30 km，需要對航道進行大量疏浚。預制完成后，通過前航道運送至隧道附近下潛港池，分離沉管并浮運至隧道位置沉放。

圖11 半潛駁預制沉管拖航平面圖

3.2 方案比選

對4種預制方式進行綜合比選，見表3。

表3 沉管預制方案比選表

1)適應性。本工程地處核心區，用地緊張，航道水域有水深淺的特征，鋼殼沉管(二次澆筑)方案在船廠預制，高干舷浮運，水中浮態澆筑，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)疏浚及對航道影響。鋼殼沉管(二次澆筑)只需要疏浚二次澆筑平臺到隧址的短距離航道，疏浚量??；新建干塢疏浚量超過188萬m3，疏浚時間長，費用高，對航道及珠江環境影響大；半潛駁方案由于要挖下潛港池，總疏浚量也超過121萬m3。在疏浚及對航道環境的影響上，鋼殼沉管均有較大優勢。

4)造價。4個方案沉管相關造價差值在10%以內。鋼殼沉管的投資主要花在結構上，其他方案的投資集中在疏浚等臨時措施上。

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

4 結論與討論

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

1)從結構型式上看，相對于鋼筋混凝土沉管，鋼殼混凝土組合結構沉管自重及截面尺寸更小，可減少基槽開挖量、疏浚量及基槽回填量，更適用于管節預制場地離隧址較遠、需要長距離運輸管節的情況。

2)對于沉管預制方式，固定干塢適用于隧址或其附近用地寬松情況，移動干塢需建半潛駁?？康膶Ｓ么a頭，工廠化預制方式則一般在管節數目較多情況下才具有工期和成本優勢。

3)采用中小截面雙層鋼殼混凝土沉管隧道的結構型式，結合長距離高干舷運輸、二次浮態澆筑混凝土等先進施工工藝，可以有效地解決城市核心區域沉管隧道建設工程中干塢用地緊張等困難，同時有工期短、河道疏浚少、工程質量可靠、環保等優勢，在內河沉管隧道中會有廣泛的應用前景。

目前，國內采用鋼殼混凝土組合結構的沉管隧道項目較少，難以從工程實踐經驗角度對其他不同結構選型與預制方案進行對比分析。后續研究中，可進一步從結構受力機制、最終接頭型式、防火保護、迎水側腐蝕與防護等方面對沉管結構類型與預制方案進行更系統全面的對比分析。