沉管隧道的管段制作技术研究
(1)管节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混凝土的容重和管节体形(结构)尺寸精度,以及控制钢筋混凝土结构的裂缝来实现结构的自身防水。
(2)制造管段的场地现在制作钢壳管段主要是在隧址附近的船坞制作钢壳,然后拖到隧道施工现场附近进行舣装,在拖至施工现场后灌注镇载混凝土。制作混凝土管段主要采用干船坞的方式,即在隧址附近的岸边修建大型的干船坞,在干船坞中浇制混凝土管段,管段造好后浮运至施工现场沉放。干船坞在排水后继续制作下一批管段。在丹麦和瑞典的斯热桑得隧道在干船坞里还建造有一条混凝土管节生产的流水线的工厂,管节造好后在干船坞里连接成管段。
1.2.5沉管隧道的管段浮运沉放技术研究
(1)隧道管段的浮运浮运方式受航道条件、浮运距离、水文和气象等多种因素控制,主要有以下两种施工方案:(1)拖轮浮运方案;
(2)绞车拖运、拖轮顶推方式。在运输隧道管段时,应注意以下条件:
(1)将遇到的情况;
(2)在现场的特定条件下的隧道管段的特性;
(3)在航行水道中可资利用的空间;
(4)拖船的种类和能力;
(5)定位系统和将这些结果提交给作业指挥者的方式。
(2)隧道管段的沉放隧道管段的沉放是这种工程任务中最危险的部分。或许是因为参加这项工作的人们已知道其危险,所以尽管到目前为止已沉放了数百节的隧道管段,却很少发生事故或失败。巨型隧道管段的沉放是在相对困难的条件下进行的,因为那里的大多数作业是在无法直接观察的情况下完成的。因此,作业的关键是尽可能使作业简单,尽量多地利用水的自然能力。
沉放方法的选定与管节的结构计算、在施工状态下的受力状况、着力点的布置、干舷及抗浮系数都有着密切的关系。主要有以下三种方案:(1)双驳船吊挂沉放方法;(2)自抬式吊挂沉放方法,国外称为SEP工法(Self Elevated Platform);(3)起重船吊挂沉放方法。
沉管隧道的接头设计及处理技术研究: 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、地震力以及其它作用并保证隧道接头具有良好的水密性。
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。接头可分为两种形式:一种接头具有与其连接管段相似的断面刚度和强度——刚性接头;另一种接头则允许在三个主轴方向上有相对位移——柔性接头。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、抗震以及可加工性来决定。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。
2、琼州海峡沉管隧道方案海南岛是我国仅次于台湾岛的第二大岛屿,资源十分丰富,素有祖国宝岛之称。海南岛独特的风土人情,山光水色,是天然旅游胜地。1998年,国务院批准建立海南省,是改革开放后最大的经济特区。海南岛资源的开发利用在海南省的经济建设中起着关键的作用。而经济要腾飞,关键是交通。但是,海南岛岛内虽有铁路、公路,却不能和大陆连通,使海南丰富的资源和祖国大陆的各种物资被海峡所隔,交通不便,交流受阻。据98年统计,每年通过旅客愈500万人次,且近年仍呈上升趋势,严重影响海南省的经济发展。目前,越海铁路有限公司已经成立,并开始着手黎——湛铁路末端湛江至徐闻段的铁路修建工作,并初步拟定轮渡方案越海。但据初步研究,认为该方案存在以下几个问题:(1)海峡两侧需修建大型的轮渡码头,且需解决轮船与铁路连接机构随水位升、降的调节问题。
(2)码头内需配设数条调车作业线,以进行越海列车的解体与编组作业,即不能实现直通。初步估算,越海时间至少需要2~3小时,而直通仅需约15分钟,为轮渡方式的8~12倍。
(3)不能全天候运行,遇大风和暴雨天气必须中断。而在海峡地区此类天气占全年的50%,不适应紧急时期的需要。
因此,采用直通方式连接海峡两岸交通已迫在眉睫,必须提到日程上来,这是时代的需要和历史的责任。做好直接沟通琼州海峡两岸的前期规划,已刻不容缓。在开始决定修建直接越海通道前,作好各种越海方案的可行性研究,以供决策者参考,是完全有必要的。
目前,海峡通道主要由轮渡、桥梁、隧道、桥隧组合四种形式。轮渡受气象条件的影响最大,不能直接连通,效率较低,人员与物资的转运十分困难和麻烦。修建桥梁是一种常见的方式,但从战备效益来看,跨海大桥的安全性不如越海隧道,科索沃战争中,多瑙河南联盟段的所有桥梁都受到轰炸攻击,另外跨海大桥的技术难度也很高,同样受到跨度、水深和地质等条件的影响,建成运营后受气候变化的影响也始终存在。因此,海峡通道选择修建海峡隧道是一种较好的方式,既可以穿越大跨度的海域,直接连通海峡两岸,又可以在运营后避免气候条件的影响,保持连续通行。
就海峡隧道来讲,目前主要有深埋海底隧道、沉管隧道、悬浮隧道等几种方案。深埋隧道的特点是埋深大、隧道长,从而投资较大、工期较长。长距离深埋海底隧道为了缩短工期,通常采用掘进速度较快的TBM施工,但对于我们国家来讲,TBM机械还不能自己研制,需要从国外引进,因此将增加许多额外的投资。对于悬浮隧道来说,至今为止世界上尚无建成实例,有关方案的研究则有不少成果,但因无实际工程经验,因此尚有待于进一步摸索。
沉管隧道具有许多优点。首先,从对地层条件的适应性来看,沉管隧道不怕软弱地层,基本上不受地质条件的限制,对地基允许承载力的要求也很低,一般5N/cm2左右即可。第二,沉管隧道的埋深很浅,一般1m即够,甚至与海床齐平或超出海床。而深埋隧道至少要10m以上。青函隧道最浅埋深100m,地层条件较好的英法海峡隧道的最浅埋深也有40m.这样,沉管隧道的长度就比较短,造价也因而降低。第三,沉管隧道的断面既可做成圆形,也可做成矩形或其它形状,十分灵活。矩形断面利用率高,埋深也相对较浅。第四,沉管隧道的主要工序,如基槽开挖、管段预制、管段浮运沉放和内部装修等可平行作业。因而沉管隧道各工序间干扰少,施工质量可提高,且工期可缩短。第五,由于沉管隧道接头数量少,且其水力压接采用了先进的Gina防水带,在加上管段整体预制可保证管段良好的自防水性,通常还采用外加防水膜,这样,沉管隧道的防水性能十分优良,能做到滴水不漏。第六、具有很强的抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力。在战争条件下,一颗精制导弹或巡航导弹就足能摧毁一座坚固的大桥,不仅桥梁自身的交通中断,且阻塞江河海港航道,难以疏通。海湾战争第一天,幼发拉底河所有的桥梁全部被炸毁,水下隧道却安然无恙。此外,隧道的防震、防核效应的能力是桥梁的几倍,甚至几十倍。第七,国外的沉管隧道技术都比较成熟,国内也进行了大量的研究,已经修建了广州珠江沉管隧道和宁波甬江沉管隧道,初步具备了独立设计、独立施工的能力。当然,沉管隧道在施工时,将受气象、水文条件的制约,一定程度上影响航运。但总体说来,在琼州海峡采用沉管隧道方案具有较高的可行性。
3、结语
沉管隧道建成的实例目前为止已有100多座。从1894年——1969年七十多年间,世界上仅修建了四十座长沉管式隧道,而1970年——1995年二十五年间就修建隧道六十余座,仅1990年——1995年就高达二十座,沉管隧道的发展举世瞩目。最长的沉管隧道是1970年完成的美国加利福尼亚、旧金山海湾地区快速交通隧道,总沉埋长度5825m,到结构底部的深度40.5m.琼州海峡的宽度在18.2~35km之间,水深80~160m.尽管目前尚没有如此规模的沉管隧道实例,但国外已有这方面的研究成果和可行性方案。例如,1985年10月提出的英吉利海峡联络线方案,由高架桥和沉管管道组成,沉管公路隧道管段部分总长为20.7km.英国建筑公司(B.S.C.)提出的一座沉管隧道方案,铁路隧道部分穿越海峡全宽,双车道的公路隧道部分穿越海峡中心11km的宽度。拟建的日韩海底沉管隧道,将穿越日本壹岐海峡22km,最大水深60m;穿越东对马海峡49km,水深120m;穿越西对马海峡49km,水深 200m.因此,虽然琼州海峡的宽度较大,水深较深,但基于当前的技术研究情况来看,建设沉管隧道仍然是一种推荐的可行性方案。
1993年8月我国大陆第一条六车道公、铁路合一的大型水下隧道——珠江隧道胜利建成通车(如图1)。这是我国工程界经过三十多年攻关,首次采用沉管法施工的结晶,为我国沉管隧道填补了空白。1995年11月,宁波甬江隧道也顺利建成。世界第二、亚洲第一(按管段排水量)的上海外环线黄浦江沉管隧道也已于2000年十月开工兴建(如图2、3)。
香港的东、西区沉管隧道管段的沉放由交通部广州救捞局施工,广州珠江 沉管隧道,宁波甬江沉管隧道是由我国自行设计和施工的,说明我国已具备了沉管隧道的设计和施工能力。
关于琼州海峡隧道方案的技术观点必须解决土木工程史上尚未经历过的很深的海底问题,很多问题有待解决。在这种情况下,采用沉管隧道方案的未知因素和风险要比深埋隧道方案和悬浮隧道方案少一些。可望通过采用海底油田所发展的海上作业平台、工作船上的操作技术、造船设施等去克服采用沉管隧道方案所涉及的最大困难。钢材和水泥的大量需要将增进这些工业的发展,而大规模地生产碎石和石料也会有助于促进建筑工业的发展。