林 鳴，史福生，表 蓮

（中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

1 概述

到目前為止日本已建成的沉管隧道大約有30多條，基本上都是跨海公路隧道，其中有少部分兼作城市輕軌的通道。隧道的長度多數(shù)都在1 km以內(nèi)，最長的大約為1 200 m，管節(jié)長度在100 m左右，斷面高度在10 m以內(nèi)，一般采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)和后鋪基礎(chǔ)。在日本有大成建設(shè)、五洋建設(shè)、鹿島建設(shè)等5家以上的大公司能夠從事沉管隧道建設(shè)，他們都擁有各具特色的沉管施工技術(shù)。

沉管隧道是在水下將管節(jié)不斷依次重復(fù)沉放—對接的一種工法，在最終沉放管節(jié)的端部必然會產(chǎn)生施工間隙，將此間隙進(jìn)行連接的施工就是最終接頭。通常最終接頭的施工方法有以下兩種：

1） 臨時(shí)封閉施工工法：最為普通的施工方法。最終管節(jié)沉放完畢后，采用圍堰、止水排樁構(gòu)建臨時(shí)封閉帶將最終接頭部分圍起來，排干封閉帶里的水，在干法施工的條件下完成最終接頭的施工。

2） 止水板施工法：用水中模板進(jìn)行施工的方法。最終管節(jié)沉放完畢后，通過潛水作業(yè)安裝止水模板，使其圍住最終接頭形成密閉空間。然后排干止水模板圍住的內(nèi)部的水，在管節(jié)內(nèi)完成最終接頭的施工。

上世紀(jì)末，隨著日本國內(nèi)大量沉管隧道的建設(shè)，沉管隧道最終接頭工法以及相關(guān)技術(shù)也得到了豐富和發(fā)展。1994年大成公司在進(jìn)行川崎航道隧道和多摩河隧道最終接頭施工時(shí)同時(shí)采用了“端部塊體（Terminal Block）工法”；1989年與1997年五洋建設(shè)施工的大阪南港隧道和那霸沉管隧道在最終接頭施工時(shí)分別采用了“V型塊體（V Block）工法”與“Key管節(jié)（Key Element）工法”，為此五洋建設(shè)也形成了自己獨(dú)特最終接頭的工法和相關(guān)技術(shù)。筆者赴日本調(diào)研，概括起來日本沉管隧道最終接頭發(fā)展至今大約開發(fā)了以上3種新工法，本文逐一進(jìn)行介紹。

2 端部塊體工法

端部塊體工法是大成公司開發(fā)的沉管最終接頭的施工工法，曾經(jīng)成功應(yīng)用于日本川崎航道隧道和多摩河隧道等多條沉管隧道的施工。

端部塊體工法的原理如圖1所示。

1） 與隧道有相同斷面的端部塊體相當(dāng)于1個小型管節(jié)，端口設(shè)置了GINA，背面設(shè)置有臨時(shí)封門。在擋水圍堰拆除前，預(yù)制放置在待接沉管（岸埋段）端部套筒內(nèi)，或是通風(fēng)豎井的前置套筒內(nèi)。

2） 在最終管節(jié)沉放對接完成后，用預(yù)設(shè)在待接端的千斤頂將端部塊體從套筒中推出，使其接觸最終管節(jié)的端面，完成GINA的初始壓接。然后與常規(guī)管節(jié)對接施工相類似，利用水力壓接使得GINA充分壓縮，完成端部塊體與最終管節(jié)的對接。

3） 在沉管內(nèi)部完成端部塊體與待接套筒的臨時(shí)止水和縱向鎖定，進(jìn)行最終鎖定及止水施工。

端部塊體工法的施工流程如圖2所示。

端部塊體工法的特點(diǎn)為：

1）端部塊體在干環(huán)境下完成組裝和預(yù)設(shè)。

2） 施工過程的控制和操作都在管節(jié)內(nèi)完成，對潛水作業(yè)的依賴小。

3） 施工速度快。

日本川崎航道隧道為沉管結(jié)構(gòu)長1 187 m，管節(jié)長131 m，寬39.7 m，高10 m，重52 000 t，共有9節(jié)。該工法在川崎航道隧道首次使用時(shí)，1 d之內(nèi)便完成了端部塊體的推出和水力壓接等作業(yè)。

3 V型塊體工法

V型塊體工法是日本“五洋建設(shè)”開發(fā)的最終接頭的施工工法，該工法也已經(jīng)成功地用于日本大阪南港隧道、衣浦隧道等沉管工程的施工。

V型塊體工法的原理如圖3所示。

該工法是將V型塊體插入沉管隧道最終連接部，利用塊體自重和楔形水力壓接原理即V型塊體頂?shù)酌娴乃畨毫Σ睿沟妙A(yù)設(shè)在已沉管節(jié)端面上的GINA充分壓縮，實(shí)現(xiàn)完全防水效果，為完成最終接頭提供干施工條件。

在日本已有的工程案例中，V型塊體采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，V型塊體的上倒角度為15°，其基本構(gòu)造見圖4。

V型塊體在工廠制作，到現(xiàn)場采用浮吊整體安裝流程如圖5。

V型塊體與已沉管節(jié)端面上GINA的初始壓接要依靠V型接頭的自重來完成，因此V型接頭的自重在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮初始壓接的荷載的要求。初始壓接完成后需要通過對最終接頭內(nèi)腔水壓的監(jiān)測對初始壓接的密封效果進(jìn)行確認(rèn)，再通過控制最終接頭內(nèi)腔排水，完成水力壓接，如圖4所示。

壓接力的計(jì)算如下：

式中：P為壓接力；W為V型塊體浮容重；P1為V型塊體頂面水壓力；P2為V型塊體底面水壓力；PG為GINA壓接力（需考慮角度修正）。

V型塊體工法的關(guān)鍵問題如下：

1） 需要對最終接頭進(jìn)行高精度測量，為V型接頭端面定位提供依據(jù)。

2） V型塊體中間的GINA＋Ω是永久止水結(jié)構(gòu)，止水帶在工廠安裝，安裝前需要采用臨時(shí)預(yù)應(yīng)力將其充分壓縮（圖 4）。

3） 在兩端已沉管節(jié)對接端各預(yù)設(shè)了1條GINA，在用浮吊進(jìn)行V型塊整體安裝時(shí)要確保這兩道GINA的完好和安全，為此需要設(shè)置專門的定位導(dǎo)向裝置。

4）V型塊體要與兩側(cè)的管節(jié)通過澆筑混凝土進(jìn)行剛性連接（圖4）。

4 “Key”管節(jié)工法

“Key”管節(jié)工法是五洋建設(shè)開發(fā)的另一個最終接頭的施工工法，曾經(jīng)成功用于那霸沉管隧道、大阪夢洲隧道、北九州新若戶隧道等3條隧道的施工。

“Key”管節(jié)工法適用于管節(jié)長100 m左右的沉管隧道，其原理如圖6。

1） 與V型塊體工法的基本原理一樣，將管節(jié)的端面設(shè)置成斜面，最終管節(jié)與最終接頭段合二為一，減少了專門的接頭，可以用常規(guī)設(shè)備進(jìn)行安裝。

2） 根據(jù)對已沉管節(jié)端面的測量成果，通過調(diào)整最終管節(jié)鋼端殼，將最終管節(jié)“配”成與已沉管節(jié)端面相互匹配的形狀。

3） 采用可填充膠囊止水帶進(jìn)行止水，為完成沉管最終對接提供干施工條件，見圖7。

4）利用最終管節(jié)上下面的水壓力差完成水力壓接。

壓接力的計(jì)算為：

式中：P為壓接力；W為管節(jié)下沉重量；P1為管節(jié)頂面水壓力；P2為管節(jié)底面水壓力；PG為GINA壓接力（考慮仰角修正）。

“Key”管節(jié)工法的關(guān)鍵問題如下：

1） 需要對沉管端口進(jìn)行高精度測量，為最終管節(jié)鋼端殼的定位提供依據(jù)。

2）可填充膠囊止水帶的制造及止水操作：可填充膠囊止水帶需要專門設(shè)計(jì)，可填充膠囊止水帶固定在已成管段的端面上，當(dāng)最終管節(jié)沉放到位以后進(jìn)行充氣，止水帶初始壓接。通過接頭腔內(nèi)水壓的監(jiān)測對初始壓接的止水效果進(jìn)行確認(rèn)，止水效果得到確認(rèn)以后，在保持膠囊恒壓的條件下充填無收縮砂漿置換膠囊內(nèi)的壓縮空氣，砂漿達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后進(jìn)行水力壓接，止水帶充分壓縮（圖 7）。

3） 通過設(shè)置在已沉管節(jié)的內(nèi)千斤頂控制和調(diào)整最終管段的位置和姿態(tài)，在止水帶壓接施工時(shí)提供臨時(shí)支撐（圖 8）。

4） 采用鋼板進(jìn)行現(xiàn)場焊接，將最終管節(jié)與已沉管節(jié)連為整體，焊接完成以后對鋼板與膠囊止水帶之間的空隙進(jìn)行壓漿（圖8）?！癒ey”管節(jié)工法的施工流程見圖8。

5 結(jié)語

日本沉管隧道最終接頭技術(shù)發(fā)展總體分為兩個階段，在1994年大成公司采用了“端部塊體（Terminal Block）工法”進(jìn)行川崎航道隧道和多摩河隧道最終接頭施工前，日本一直采用傳統(tǒng)最終接頭工法。1994年以后，日本的大成公司和五洋建設(shè)先后開發(fā)了如前文介紹的3種最終接頭新工法，目前已成為日本國內(nèi)沉管隧道最終接頭施工的主流工法，均已創(chuàng)造多項(xiàng)成功案例。與傳統(tǒng)最終接頭工法相比，新工法更加注重陸地施工、工廠制作和整體安裝，潛水作業(yè)主要以檢查核查為主，水下工作量小，易操作，現(xiàn)場施工工期短，但在經(jīng)濟(jì)性方面總體要高于傳統(tǒng)工法，且不同的工法之間存在一定的差異。

目前正在建設(shè)的港珠澳大橋沉管隧道工程是一個具有超大橫斷面，遠(yuǎn)離陸地，作業(yè)條件困難，工期要求比較高的工程，因此該隧道在進(jìn)行最終接頭位置的確定和最終接頭工法的選擇時(shí)可以廣泛借鑒國內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)，在工廠化、整體化、裝配化方面做更多的探索，以期選擇一個安全穩(wěn)妥的方案。

[1]社団法人日本埋立浚渫協(xié)會.沈埋トンネル工法と施工事例[R].1998.

[2]社団法人日本埋立浚渫協(xié)會.沈埋トンネル工法と施工事例[R].2005.

[3]社団法人日本埋立浚渫協(xié)會.沈埋トンネル工法と施工事例[R].2009.