超大型鋼殼沉管隧道成本控制策略

陳興春

沉管隧道又叫做沉埋管隧道，主要由兩岸上段和沉管段共同組成，應用范圍為道路、軌道和隧道等等。施工方式通常分為干塢和平臺線式兩種。顧名思義，鋼殼沉管就是采用鋼材料制作而成的外殼及殼內灌注混凝土作為沉管隧道的管節，鋼殼隧道的特點是可通過利用造船臺或者平臺線完成施工，由于鋼殼具有良好的防水性，無需做額外的防水措施，并且有較強的地質適應性及滿足異型尺寸鋼構制作等特點，所以深受業內人士喜愛。

一、案例概況

深圳至中山跨江通道沉管預制工程（以下簡稱深中通道工程）采用雙向8車道，時速100km，總長6845m，其中預制沉管段長5035m，分別由32節管節和1個最終接頭組成。工程承包方式為施工總承包，項目合同工期為64個月，2018年 3月1日—2023年7月1日。其中，預制場具備混凝土澆筑能力（即完成卸駁碼頭、卸駁區及澆筑區施工）控制節點為開工后9個月，并在開工后12個月完成預制場全部改造作業。首節管節預制完成及一次舾裝完成時間節點分別為開工后12.5個月及開工后14個月，在首節管節預制完成前應完成足尺模型試驗。最后一節管節（不包括最終接頭）管節預制完成及一次舾裝完成時間節點分別為開工后44.5個月及46.5個月。

二、鋼殼沉管基本介紹

深中通道工程鋼殼沉管共計32個管節。其中，公司承接建造的14個管節中，有8個標準管節，6個變寬管節。標準尺寸為165m×46m×10.6m，重量約11000t，標準尺寸的管節的重要區別在于兩端的角度不同，中間結構基本相似，各個變寬管節區別較大，橫向結構以發散型方式布置，縱向結構沿管節中心線布置。所有管節方方正正，變寬管節長度方向設計了一個弧度，因此標準管節和變寬管節的鋼材使用量也不一致。

三、超大型鋼殼沉管隧道成本控制策略

1. 嚴格控制鋼材物量使用

鋼材物量管控還需要從設計方案優化、板縫優化以及生產設計優化三個方面做起：

（1）設計方案優化

本工程項目有很多需要進行水密檢查之處，每一個水密位置都設置一個工藝人孔便于相關人員穿行及施工。在原設計方案中的工藝人孔為搭接形式工藝孔封板，如果按照此方式施工，將增加鋼材使用量100t左右，14個管節就會增加鋼材使用量大約1400t。同時，搭接形式工藝孔封板施工方式造成的散裝件數量龐大，散裝件管理困難，既容易丟失，還會在無形之中提高施工成本。對此，中交公路規劃設計院有限公司、上海市隧道工程軌道交通設計研究院、中交水運規劃設計院有限公司設計人員針對以上問題的出現，分別從降低施工成本和便于施工兩個方面考慮，對原設計方案進行優化，即采用埋入式代替搭接式。埋入式施工方式具有以下幾個方面的優勢：①埋入式封板在建模可以在母板上完成，封板可自動切割出坡口，便于施工現場和材料管理。②封板零件為母板上的零件，無需額外使用其他材料，大大提高了鋼材的使用效率，僅僅是對該節點的優化，管節的材料費便可結余50余萬元。優化后的工藝孔封板如圖1所示。

圖1 優化后的工藝孔封板（單位：mm）

（2）板縫優化

沉管結構主要為趾端放大的隔板結構，該結構如果能夠合理地排版接縫，也可以大大提升鋼材使用效率。

（3）生產設計優化

本工程項目所有沉管結構具有較高的相似度，如果能夠合理安排生產設計環節的人員管控和訂貨流程管控，成本管控必將事半功倍。因此，注重生產設計優化，對于保證工程項目建設質量、效率和成本控制具有極其重要的現實意義。①人員管控。人員管控指的是人員固定、施工區域固定以及施工任務固定。其中，人員固定可縮減生產設計人員，節約大量人力資源成本。在本工程項目中，如果按照建設區域劃分，做到崗位明確分工，就能快速完成自己負責區域的施工任務，進而保證節點統一和模型的準確性，后續環節鋼材用量控制容易。有理論研究證明：人員固定、施工區域固定以及施工任務固定的生產設計方式，較傳統的設計模式可節約大量人力及人工成本。②訂貨流程管控。本項目訂貨流程如下：即設計人員在完成鋼材預套料數據編制后，提交上級主管核對，主管在核對時一旦發現鋼材預套料使用不當，應立即返回設計人員重新修改套料數據，保證最終預套料使用數量達標。待完成上述工作后，設計人員再將鋼材預套料數據提交至主管進行二次核對，方可采購鋼材。圖2為鋼材預套料訂貨流程。

圖2 鋼材預套料訂貨流程

2. 注重結構優化改進

超大型鋼殼沉管隧道是一種新型的施工方式，可參考的施工經驗和資料較少，需要邊設計邊、邊總結，使其能夠更好地滿足施工需要和使用需求。所以，為更好地體現工程項目的經濟與社會效益，滿足混凝土澆筑需求，各參建單位之間應加強溝通，就鋼殼結構的內板、外板以及橫隔板的理論線面、焊接方式進行協商，通過側墻、中墻內外面板的水平縱肋設置的流水孔對底板一端增開角隅，為艙室清水工作提供便利。具體需要從以下幾個方面做起：（1）鋼殼結構的內板、外板理論線優化。將傳統的鋼殼結構的內板、外板結構面改為非結構面平齊拼接方案，合理利用FCB生產流水線進行焊接，可降低因焊接質量問題增加的施工成本。（2）隔襯板對齊。為保證項目施工進度，板厚差≤12mm施工時改為單側平齊，板厚差＞12mm施工時按照板厚居中對齊。（3）如果隔板厚度＜18mm，施工工程中應采用對稱坡口深溶和角焊縫施工方式，但為了降低焊材使用數量，減少施工人員工作量，后續施工全部改為對稱坡口深溶與焊縫施工方案。

3. 采用聯合運輸過駁

深中通道工程超大型鋼殼沉管隧道共32個管節（165m×46m×10.6m），重量約11000t，鋼殼在船廠加工完成后預制場參與第一次驗收，合格后運送至預制場，制作單位卸駁上岸至卸駁區無源支撐后進行第二次驗收，合格后完成移交手續。由于業主對管殼在運輸環節的變形控制要求較高，變形范圍不得超過20mm。但因管節兩孔--管廊的設計誤差，導致其橫向結構變弱，如果采用常規運輸方式必然會導致管節發生嚴重變形，無法使用，造成嚴重資源浪費。故此，本節主要從運輸技術方案設計和理論驗算以及技術難點與解決辦法三個方面為出發點，在解決現有問題的同時，降低成本。

（1）聯合運輸技術方案設計

本項目管節運輸設備主要為管節移動小車和載重小車載運。管節移動小車支撐千斤頂頂面設置橡膠墊，避免剛性接觸，鋼殼裝載或卸駁過程中支撐千斤頂緩慢加壓或卸壓，避免造成沖擊；載重小車沿前后兩條平板軌道行走，實現鋼閘門開啟和關閉。

根據有限元計算結果，管節在運輸過程中十分容易發生橫向大變形，主要原因是由于管節在設計過程中采用的是兩孔--管廊的設計模式，導致其橫向結構變弱。所以，對于長度超過46m的管節的運輸過程中，由于管節移動小車只能布置在中間的7m處，兩側懸空太大就會導致管節出現變形，該問題的解決辦法就是在管節的兩側增加其他運輸設備。如果在管節的兩側增加移船小車，需要破壞混凝土地面結構，并增加預埋小車軌道。為充分利用既有設備資源，避免額外基建投入，同時又能解決管節運輸問題，經研究決定：可以在管節居中±18m處增加模塊車，在居中±7m處設置移動小車，通過聯合運輸方式保證管節過駁。

為最大限度地降低管節變形問題，需要將模塊車上的136軸線全部派上用場，并分為4個部分均勻設置在管節的周圍。同時，也將移船小車分為4大組并均勻布置在管節兩側。模塊車作為管節運輸的輔助設備，可承受3000t的管節重量。

（2）理論驗算

通過Partran軟件對管節運輸情況進行驗算，得出管節運輸最大變形量為15.1m（數據校核），可滿足最大要求變形的320mm要求，說明管節聯合運輸技術方案可行。

（3）技術難點與解決辦法

本項目位于南方海島，受氣候影響，會存在夏季臺風、冬季季候風等影響，會給項目施工、人員帶來一定的風險。在如此惡劣的施工環境下，如果采用兩種不同的設備運輸管節，從駁船聯合到運輸上岸，難度可想而知。為此，我們還需要解決一些技術方面的難點問題。①移船小車液壓系統進行優化和改進。移船小車的工作原理需要借助計算機控制分組內每一臺小車的荷載，進而實現主動均載。但是，移船小車控制程序復雜，還容易出現故障，很難實現與模塊車的同步頂升。所以，我們需要對移船小車液壓系統進行改進，通過增加外接串聯油管將大組內的每臺小車頂升油缸串聯在一起，形成均勻載床，保證移船小車與模塊車均載一致。經過優化與改進后的移船小車液壓系統，不僅與模塊車進行了聯動，自身的性能也得到了提升，下水效率更高，設備故障概率更低，系統更加穩定與可靠，無須返工，成本更可控。②聯動控制。管節運輸不僅變形應控制在20mm之內，且澆筑環節設計緊湊，如果上岸時的中心線與平整度略有偏差，管節就會觸碰小車邊緣，導致管節發生變形。因此，還需要保證兩套設備聯合動作時的同步，這就需要相關人員能夠根據兩臺不同設備的特點，在不同的環節采取不同的策略，分別通過人工和壓力監控的方式，保證兩套設備完全同步行走的效果。

四、經濟效益

就目前情況來看，深中通道工程已經完成了大部分的管節生產任務，通過相關人員深入研究標準管節和變寬管節的特點，嚴格控制鋼材物量使用、注重結構優化改進以及采用聯合運輸過駁，并全面實施，必然會實現各管材的合理利用。通過對超大型鋼殼沉管隧道成本控制，可節約成本近1600萬元，總的來說，本項目采用的成本控制方法，應用效果十分明顯，可在同類工程項目中推廣。

五、結語

綜上所述，文章結合實際案例，主要探討了超大型鋼殼沉管隧道成本控制策略，保證了工程項目建設的進度和質量，為同類鋼殼沉管隧道成本控制積累了寶貴的施工經驗，更為超大型鋼殼沉管隧道的結構設計起到了重要的借鑒作用。