1现代沉管隧道工法与新技术现代沉管隧道工法与新技术陈韶章陈韶章 苏宗贤苏宗贤20142014年年 4 4月月.主要内容主要内容 一、现代沉管隧道的发展与技术需求一、现代沉管隧道的发展与技术需求 二、现代沉管隧道的设计理论与方法二、现代沉管隧道的设计理论与方法 三、现代沉管隧道的施工、装备与产品三、现代沉管隧道的施工、装备与产品 四、结束语四、结束语2.1.1 1.1 断面型式断面型式 北美：北美：从从18941894年美国在波士顿首次采用沉管法成功修建的一条输水管线、年美国在波士顿首次采用沉管法成功修建的一条输水管线、19101910年年美国在底特律河用该工法修建了世界第一座用于铁路交通的水下隧道开始，美国美国在底特律河用该工法修建了世界第一座用于铁路交通的水下隧道开始，美国开启了沉管工法隧道的建设开启了沉管工法隧道的建设19701970年建成长年建成长5825m5825m的旧金山湾区快速轨道运输系统（的旧金山湾区快速轨道运输系统（Bay Area Rapid Bay Area Rapid TransitTransit）沉管隧道沉管隧道主要采用圆形断面的钢壳结构型式，在北美得到推广主要采用圆形断面的钢壳结构型式，在北美得到推广。
3美国美国Detroit-Windsor沉管隧道横断面沉管隧道横断面.欧洲：欧洲：第一座采用矩形钢筋混凝土结构的沉管隧道出现在欧洲第一座采用矩形钢筋混凝土结构的沉管隧道出现在欧洲荷兰鹿特丹马荷兰鹿特丹马斯河（斯河（MaasMaas）水下公路隧道，）水下公路隧道，19421942年这种钢筋混凝土箱式矩形结构型式在这种钢筋混凝土箱式矩形结构型式在2020世纪中叶以后成为沉管隧道主流结世纪中叶以后成为沉管隧道主流结构型式，其得益于钢筋混凝土结构防裂和防渗技术的进步构型式，其得益于钢筋混凝土结构防裂和防渗技术的进步2000 2000年建成的连接丹麦和瑞典的厄勒松海峡沉管隧道，也采用混凝土矩形年建成的连接丹麦和瑞典的厄勒松海峡沉管隧道，也采用混凝土矩形箱式管节箱式管节4荷兰荷兰Maas沉管隧道横断面沉管隧道横断面厄勒松海峡沉管隧道横断面厄勒松海峡沉管隧道横断面.5 亚洲：亚洲：日本的沉管隧道发展开始于日本的沉管隧道发展开始于19441944年在大阪修建的阿吉河（年在大阪修建的阿吉河（Aji Aji RiverRiver）水下隧道，该隧道采用了美式的单层钢壳结构水下隧道，该隧道采用了美式的单层钢壳结构。
1980 1980年建成的大马隧道采用了钢筋混凝土结构型式，断面型式逐渐为年建成的大马隧道采用了钢筋混凝土结构型式，断面型式逐渐为矩形所取代矩形所取代土耳其的博斯普鲁斯海峡沉管隧道业主在土耳其的博斯普鲁斯海峡沉管隧道业主在20022002年的招标方案中采用圆年的招标方案中采用圆形钢壳结构，承包商在形钢壳结构，承包商在20042004年的设计方案中采用了钢筋混凝土矩形结构年的设计方案中采用了钢筋混凝土矩形结构韩国韩国20052005年开始修建的釜山年开始修建的釜山-巨济海底沉管隧道，也采用钢筋混凝土巨济海底沉管隧道，也采用钢筋混凝土箱式矩形结构箱式矩形结构韩国釜山韩国釜山-巨济沉管隧道横断面巨济沉管隧道横断面(a)2002年年 业主招标方案业主招标方案(b)2004(b)2004年年承包商设计方案承包商设计方案博斯普鲁斯沉管隧道横断面博斯普鲁斯沉管隧道横断面.6 1972 1972年，我国香港地区建成了跨越维多利亚港的红磡道路海底隧道年，我国香港地区建成了跨越维多利亚港的红磡道路海底隧道双圆形钢壳钢筋混凝土复合结构沉管隧道，双圆形钢壳钢筋混凝土复合结构沉管隧道，19791979年采用矩形混凝土结年采用矩形混凝土结构建成了香港地铁构建成了香港地铁MTRMTR（Mass Transit RailwayMass Transit Railway）第一条海底沉管隧道，随）第一条海底沉管隧道，随后又建成了公铁合建的东区海底沉管隧道和公铁分建的西区海底沉管隧道。
后又建成了公铁合建的东区海底沉管隧道和公铁分建的西区海底沉管隧道香港红磡沉管隧道出入口（矩形断面）香港红磡沉管隧道出入口（矩形断面）.7 20 20世纪世纪9090年代至今，我国境内建成的沉管隧道有广州珠江年代至今，我国境内建成的沉管隧道有广州珠江1 1座、宁波座、宁波甬江甬江2 2座和上海黄浦江座和上海黄浦江1 1座，以及正在建设的广州市仑头座，以及正在建设的广州市仑头生物岛、生物岛生物岛、生物岛大学城和洲头咀三条越江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道、天津市海大学城和洲头咀三条越江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道、天津市海河沉管隧道、港珠澳大桥海中沉管隧道、南昌赣江红谷沉管隧道，也均采河沉管隧道、港珠澳大桥海中沉管隧道、南昌赣江红谷沉管隧道，也均采用钢筋混凝土箱式矩形结构用钢筋混凝土箱式矩形结构广州洲头咀沉管隧道横断面广州洲头咀沉管隧道横断面广州珠江沉管隧道广州珠江沉管隧道.8横断面结构型式对比：横断面结构型式对比：（1 1）圆形钢壳结构特点：）圆形钢壳结构特点：水密性好；水密性好；预制容易；预制容易；浮运航道条件要求不高；浮运航道条件要求不高；钢材用量大，造价昂贵；钢材用量大，造价昂贵；断面利用率不高；断面利用率不高；浮态浇筑内衬钢筋混凝土；浮态浇筑内衬钢筋混凝土；一般需采用外部永久压重。
一般需采用外部永久压重9（2 2）钢筋混凝土矩形箱式结构特点：）钢筋混凝土矩形箱式结构特点：对于采用纵向通风对于采用纵向通风+重点排烟的道路隧道，可大大压缩了竖向尺寸，提高了重点排烟的道路隧道，可大大压缩了竖向尺寸，提高了路面标高，减少基槽开挖量，有利于与两岸（人工岛）道路衔接，缩短了隧道路面标高，减少基槽开挖量，有利于与两岸（人工岛）道路衔接，缩短了隧道段长度，使人工岛体量得到控制，减小阻水率；段长度，使人工岛体量得到控制，减小阻水率；不受横向尺寸限制，特别适用于多条车道或公铁合建，横断面利用率高；不受横向尺寸限制，特别适用于多条车道或公铁合建，横断面利用率高；有利于横向联络通道的布设；有利于横向联络通道的布设；浮运时干舷较小，对浮运航道条件要求高浮运时干舷较小，对浮运航道条件要求高可见，钢筋混凝土箱式矩形结构是目前沉管隧道建设的主流型式可见，钢筋混凝土箱式矩形结构是目前沉管隧道建设的主流型式101.2 1.2 水深与覆土水深与覆土 底部最大水深：底部最大水深：1910 1910年，美国底特律沉管隧道为年，美国底特律沉管隧道为24.4m24.4m1930 1930年，底特律年，底特律-温特索沉管隧道为温特索沉管隧道为18.5m18.5m。
1942 1942年，荷兰马斯河隧道为年，荷兰马斯河隧道为22.5m22.5m1979 1979年，香港地铁年，香港地铁MTRMTR沉管隧道为沉管隧道为24.24m24.24m，1993 1993年，我国广州珠江沉管隧道约为年，我国广州珠江沉管隧道约为21m21m2000 2000年，厄勒松海峡沉管隧道约年，厄勒松海峡沉管隧道约22m22m可以看出，早期的沉管隧道由于技术、施工装备和工艺限制，适合的水深在可以看出，早期的沉管隧道由于技术、施工装备和工艺限制，适合的水深在20m20m左右11 1970 1970年，世界最长的美国年，世界最长的美国BARTBART沉管隧道（钢壳结构）最大水深达到了沉管隧道（钢壳结构）最大水深达到了40.5m40.5m2011 2011年建成的韩国釜山年建成的韩国釜山-巨济沉管隧道底部最大水深约巨济沉管隧道底部最大水深约51m 51m2008 2008年建成的土耳其博斯普鲁斯沉管隧道（铁路）最大水深达年建成的土耳其博斯普鲁斯沉管隧道（铁路）最大水深达61m 61m在建中的我国港珠澳大桥海中沉管隧道最大水深约在建中的我国港珠澳大桥海中沉管隧道最大水深约46m46m。
这三座隧道均为钢筋混凝土箱式矩形结构，需要克服的水深达到了这三座隧道均为钢筋混凝土箱式矩形结构，需要克服的水深达到了40m40m以上土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道平面及纵断面土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道平面及纵断面.12对于覆土：对于覆土：过去绝大部分的沉管隧道敷设于河床或海床面上，除了人工回填覆盖过去绝大部分的沉管隧道敷设于河床或海床面上，除了人工回填覆盖提供保护外，覆土几乎没有或很小，结构分析主要考虑抗浮问题提供保护外，覆土几乎没有或很小，结构分析主要考虑抗浮问题当隧道穿越航道时，沉管隧道需要敷设于航道以下，航道以外区域在当隧道穿越航道时，沉管隧道需要敷设于航道以下，航道以外区域在隧道建成后将逐渐回淤至河床或海床面而产生较大的覆土（或回淤）荷载，隧道建成后将逐渐回淤至河床或海床面而产生较大的覆土（或回淤）荷载，使得使得结构分析既要考虑抗浮，又要考虑处理结构与地基基础沉降相协调问题结构分析既要考虑抗浮，又要考虑处理结构与地基基础沉降相协调问题13 建设中的港珠澳大桥海中沉管隧道需要穿越规划建设中的港珠澳大桥海中沉管隧道需要穿越规划3030万吨级的铜鼓航道和万吨级的铜鼓航道和伶仃西航道，最大回淤厚度达伶仃西航道，最大回淤厚度达23m23m。
港珠澳大桥海底沉管隧道平面与纵断面港珠澳大桥海底沉管隧道平面与纵断面.141.3 1.3 服务功能服务功能 过去修建的沉管隧道，大部分为城市道路或公路隧道，对于圆形钢壳型式，过去修建的沉管隧道，大部分为城市道路或公路隧道，对于圆形钢壳型式，多数为单孔双向双车道多数为单孔双向双车道在矩形钢筋混凝土结构出现之后，普遍为双向四车道，部分根据交通量需在矩形钢筋混凝土结构出现之后，普遍为双向四车道，部分根据交通量需求采用双向六车道求采用双向六车道目前高速公路普遍要求达到双向六车道标准：目前高速公路普遍要求达到双向六车道标准：港珠澳大桥沉管隧道，港珠澳大桥沉管隧道，100km/h100km/h双向六车道，单孔三车道，成为单孔跨度最双向六车道，单孔三车道，成为单孔跨度最大（大（14.25m14.25m）的沉管隧道的沉管隧道港珠澳大桥沉管隧道横断面港珠澳大桥沉管隧道横断面.15 部分工程需要双向八车道：部分工程需要双向八车道：美国采用钢壳结构的美国采用钢壳结构的Fort McHenryFort McHenry隧道、荷兰采用矩形钢筋混凝土结构的隧道、荷兰采用矩形钢筋混凝土结构的DrechtDrecht隧道（这两座隧道断面形式相同），为目前世界上仅有的两座双向八车道隧道（这两座隧道断面形式相同），为目前世界上仅有的两座双向八车道水下道路隧道（四孔，每孔两车道）。
水下道路隧道（四孔，每孔两车道）我国规划中的深中（深圳我国规划中的深中（深圳-中山）通道，要求达到双向八车道的高速公路建中山）通道，要求达到双向八车道的高速公路建设标准，若不能降低通行能力（两车道每孔），需进一步解决单孔四车道的大跨设标准，若不能降低通行能力（两车道每孔），需进一步解决单孔四车道的大跨混凝土矩形结构的受力问题（单孔跨度达混凝土矩形结构的受力问题（单孔跨度达19.2519.25m m）荷兰荷兰Drecht沉管隧道横断面沉管隧道横断面.16 在矩形钢筋混凝土结构型式出现后，沉管隧道横断面宽度的利用率得在矩形钢筋混凝土结构型式出现后，沉管隧道横断面宽度的利用率得到提高，出现了城市道路与地铁、公路与铁路共管设置，甚至发展为能通行到提高，出现了城市道路与地铁、公路与铁路共管设置，甚至发展为能通行高速铁路的水下沉管隧道高速铁路的水下沉管隧道如广州市珠江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道为公（道）铁两用隧道如广州市珠江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道为公（道）铁两用隧道拟建的丹麦拟建的丹麦-德国费马恩海湾沉管隧道已确定建设成公铁两用隧道，建设标准德国费马恩海湾沉管隧道已确定建设成公铁两用隧道，建设标准为为120km/h120km/h的双向四车道高速公路和的双向四车道高速公路和160km/h160km/h的双线铁路。
的双线铁路可见，沉管隧道正从单一用途向多。