1 引言
自1910年美国建成穿越底特律河的铁路隧道至今，全球建成的沉管隧道已超过150多座[1~4]。1970年美国建成旧金山海湾地铁隧道（BART），全长5825m，共57节管段，水深达41m，水流速度1.52～2.08m/s；1973年美国采用海上钻爆法进行基槽开挖，建成高度12.8m的纽约63街双层沉管隧道；丹麦大贝尔特海峡沉管隧道设计方案建议隧道设置在海平面下50m；2000年7月厄勒海峡大通道正式通车，沉管隧道全长3510m，设置26节管段，施工过程中克服了15～22m深水、1.6m大浪和周期4.5s的波浪等困难；2004年开工建设的韩国釜山―济州连线沉管隧道埋深达50m，为双向四车道公路隧道。
目前，我国大陆用沉管法建成的水底交通隧道共9座。1993年，我国大陆首座大型沉管隧道——珠江隧道建成通车，隧道全长1238.5m，其中沉管段长457m。1995年建成全长为1019.53m的浙江宁波甬江隧道，其中沉管段长419.56m；2001年建成全长3541m的宁波常洪隧道；2003年6月建成上海外环隧道，隧道全长2882.828m，沉管段长736m，由7节管段组成，管段宽43m，埋深33m。2010年9月广州生物岛—大学城隧道、仑头—生物岛隧道建成通车，沉管段长277m，宽23m；2014年1月舟山沈家门港海底人行隧道建成，沉管段长218m，共3节管节；2015年，天津中央大道海河隧道、广州洲头咀隧道相继通车。另外，在建的港珠澳岛隧工程沉管段总长5664m，单段管节长180m，共33节，最大沉放水深44m。此外，我国香港、台湾地区也采用沉管法修建了多条隧道。
沉管法修建水下隧道，具有许多公认的优点，主要表现为对地质条件的适应性强，隧道的覆盖层薄从而使隧道整体长度减小，隧道断面利用率高，防水可靠度高，施工周期短及工程造价合理等[2]。广州珠江隧道、广州生物岛—大学城隧道、仑头—生物岛隧道、宁波甬江隧道、上海外环隧道、舟山沈家门港海底隧道、天津中央大道海河隧道、广州洲头咀隧道、港珠澳岛隧工程等均是我国自行设计和施工的，表明我国已掌握了大型沉管隧道的设计和施工技术[1~5]。
2 妈湾跨海通道项目概况
根据《前海深港现代服务业合作区综合规划》，妈湾跨海通道南起妈湾大道与月亮湾大道立交，沿妈湾大道向北穿海后，沿金港大道止于大铲湾立交，线路全长约7.3km，其中前海湾海域宽约1.1km（图1）。
本工程主要承担妈湾、赤湾、蛇口等港区的疏港货运交通，兼顾各片区间客运交通联系（图2、图3）。
工程主线按设计速度80km/h、双向六车道、城市快速路标准设计；地面辅路按设计速度40～50km/h、双向六车道、城市主干路标准设计。
图1 妈湾跨海通道示意
图2 妈湾通道与其它疏港道路衔接关系
图3 妈湾跨海通道线位平面
由于桥梁方案无法满足规划航道（15万吨级集装箱）通行高度的要求，因此妈湾跨海通道工程海域段采用深埋隧道方式。隧道单向行车建筑限界全宽12.75m，其中机动车道路面宽3m×3.75m，最小净高为5.0m。
3 工程建设条件
隧道连通南北两岸人工填海开发区，为濒海、穿港、深埋、特长的城市水下疏港道路建设工程，具有建设环境与地质条件复杂、工程规模大、投资高、技术难度与风险高的显著特点。
3.1自然气候与海洋环境条件
（1）气象
深圳市属南亚热带季风海洋性气候，雨量丰沛，台风是本地区主要的灾害性天气，6～9月间登陆频繁。
（2）潮汐
工程海域位于珠江口伶仃洋东岸，受海洋潮汐作用影响较大，该海域潮汐属不正规半日潮。
（3）风暴潮
受台风的袭击和影响，伶仃洋海域几乎每年都发生风瀑潮，拟建工程场地所处的东岸风暴潮一般大于西岸。台风作用下引起增水的幅度一般在1.0m左右，最大为1.96m。
（4）波浪
波浪以受台风影响而产生的风浪为主，主要自南、西南和北西向波及本工程。受伶仃洋内浅滩摩阻损耗及西南向大铲岛、小铲岛的掩护，外海波浪到达拟建工程场地已经很小。
（5）水文参数
拟建工程海域设计高水位1.63m，极端高水位2.76m，最低潮水位-1.01m，多年平均高潮位0.50m，多年平均低潮位-0.87m，平均潮差1.37m，最大浪高2.25m。
（6）泥沙
内伶仃洋大量悬移泥沙来自西北部珠江东四口门，海区含泥沙量的总体分布特征为西北高、东南低，洪季平均含沙量会有所增加。水域内表层底质主要是粘土，其次是粉砂质砂、砂质粉砂、砂和贝壳砂等。
3.2工程场地地质条件
场区原始地貌为海域、滨海滩涂、滨海潮间带。后经人工围填造地，开发建设了大铲湾、妈湾、赤湾等多座码头。
隧址区主要分布地层有人工堆填层、珠江口海相沉积层、第四系冲洪积层与残积土层，属淤泥类土、砂类土或粘性土。下伏基岩为加里东期及燕山期不同风化程度的混合花岗岩。
隧道南岸前海片区隔堤采用强夯挤淤方式填筑，中心区域采用塑料插板排水固结。底基层以风化砾石土垫层及开山石料分层堆载压实填筑。
隧道北岸大铲湾港区段规划位置——金港大道是原大铲集装箱码头陆域形成工程中的进港路堤。大铲湾港集装箱码头陆域采用一次围堤，利用港池航道开挖疏浚泥土整体吹填形成。
3.3港区与航道条件
3.3.1港区泊位
大铲湾港区是深圳市集装箱干线港的重要组成部分，规划布设25个集装箱泊位。突堤正面规划布置3个5万吨级、内侧布置4个10万吨级和2个15万吨级集装箱泊位，见图4。
位于突堤外侧的一期工程共5个泊位，已于2007年底投入营运，其余规划泊位目前已完成填海筑陆工程[6~8]。
3.3.2进港航道及码头停泊水域
规划航道尺度全宽约762m，其中进港航道宽约650m、码头前沿停泊水域宽约112m。为保证15万吨级集装箱船抵达突堤内侧泊位，规划进港航道底高程按-19.3m控制（图5）。
图4 大铲湾港区及航道规划平面
图5 前海湾通航断面
大铲湾港区突堤正面采用直立式岸壁形式，其主体结构为重力式沉箱，港池底高程为-19.3m。
4 隧道总体设计
根据沉管隧道工法适用条件、结构型式与工艺要求，拟定线路总体设计方案、划分工法分段。
4.1隧道规模
隧道封闭段全长5680m，其中海域沉管段1040m，占隧道总长的18.3%，占路线全长的14.2%，结构分段如表1所示。
4.2横断面设计
隧道采用中部设置管廊（自上而下分为排烟风道、逃生通道及设备管线空间），两侧为主行车道的双孔一管廊整体式结构，断面设计见图6。
横断面设计特点如下：
（1）顶部设置专用排烟道利于防灾救援；
（2）设置专用管廊利于管线布置；
表1 隧道工程规模及分段
图6 隧道横断面（单位：cm）
（3）在双孔互为逃生通道基础上，增加纵向逃生及缓冲空间，利于防灾逃生；
（4）中管廊底部设置废水泵房，可在管内解决排水的问题；
（5）相较于双孔框架断面，改善了结构受力；
（6）在靠近中管廊一侧，由于增加了逃生通道，取消了检修道，结构宽度增加1.5m。
两岸接线段隧道采用明挖法修建，主线及匝道隧道开口段，以U型槽形式与地面道路相接。
4.3竖向设计
4.3.1竖向控制标准
隧道顶板埋深考虑通航船只锚击入土深度要求、结构受力与防护要求、海床稳定性与冲淤变化等因素[2，9]，综合确定为远期规划航道底以下不少于2m覆土。
4.3.2纵坡设计取值
隧道纵坡按不小于0.3%并不大于4.0%的“U”型纵坡标准设计。
主线隧道纵向可划分为4段，如图7所示：①进出口段，采用±3.0%纵坡；②陆域段竖向布设于高位；③海域段受控于最低点高程；以上两段纵坡均较平缓，取值在±0.3%～0.5%之间；④海域与陆域隧道相接的过渡段，为尽快抬升陆域段隧道竖向位置，以缩短超深基坑范围，过渡段采用了较大的纵坡(-3.3%、3.5%)。
4.4平面设计
平面设计中对曲线和直线方案进行对比分析。
图7 海域段沉管隧道纵断面(纵横比例1∶10，单位：m）
曲线方案以完全避让大铲湾一期用地及构筑物为原则，但考虑到管节预制、浮运与沉放、对接精度、曲线偏压对接头稳定及防水可靠性等因素对平面线形的要求，海域沉管段采用直线线形，两端陆域接线采用曲线线形（图8）。
直线方案施工时需拆除大铲湾港区一期工程预留的一节沉箱（位于本工程道路红线内），该沉箱为大铲湾港区填海围护结构，完工后恢复（图9）。
5 沉管隧道工法设计重、难点
图8 妈湾通道直线与曲线方案平面示意
图9 管节与沉箱结构关系示意
根据沉管隧道工法总体流程及各流程需重点解决的问题，重点介绍管节布置、临时围堰、基槽开挖、管节预制及接头构造、基础处理、最终接头与干坞工程等关键节点技术[10]。
5.1沉管隧道工法总体流程
沉管隧道工法总体流程如图10所示。
5.2管节选型与总体布置
目前，应用较广的钢筋混凝土管节主要有整体式管节与分段式管节两种。整体式管节在我国、日本及美国得到广泛采用；分节式管节在荷兰、丹麦等欧洲国家应用较广。2000年建成的连接丹麦和瑞典的厄勒海峡沉管隧道、2010年建成的韩国釜山海底隧道及在建的港珠澳大桥沉管隧道采用了节段式管节，两种管节的特点如表2所示。
管节长度的确定需综合权衡干坞场地及管节设备生产能力、浮运与沉放能力、航道航运情况、波浪及潮流影响、海势、海床起伏状况、纵面线形拟合、纵向受力及工期、基槽的地质情况、造价等多种因素。
图10 沉管隧道工法总体流程
表2 整体式与分段式管节特点对比
本工程综合施工能力、工期、造价等方面的因素，遵循尽可能选用较长的管节、减少施工风险、缩短工期的原则。鉴于本工程沉管隧道长度只有1040m，管节数量较少，选用钢筋混凝土整体式管节，共计8节，单节长130m，采用水下最终接头形式，最终接头位于E7与E8之间。管节总体平面布置见图11、图12。
5.3临时围堰工程
为满足管段沉放对接要求，在两岸均设置临时围堰，南岸妈湾侧围堰结构采用钢管桩+膜袋砂围堰（图13）。
北岸大铲湾侧围堰结构采用钢圆筒+钢管桩，设两层基坑防护（图14）。
图11 管节布置平面
5.4基槽开挖与水下岩层爆破
一般而言，对于水下基槽粘土层及其以上软土层，可采用抓斗挖泥船进行抓土；进入强风化岩层一定深度(约2m)后，采用常规的抓斗抓土无法进行浚挖，需在分层爆破后用抓斗式挖泥船进行清除。基槽开挖平面及横断面分别如图15、图16所示。本工程沉管基础位于中风化基岩范围较长，且基岩平均挖深约6.1m，需考虑水下岩层爆破措施。
图12 管节布置纵断面
图13 妈湾侧
图14 大铲湾侧围堰（单位：m）
国内沉管隧道如港珠澳大桥干坞出运航道、广州生物岛—大学城隧道、广州洲头咀隧道、南昌红谷隧道皆有水下岩层爆破的成功案例。本工程因水下基槽开挖深度较大，推荐采用潜孔钻机进行钻孔，同时为减小对既有岸壁结构的影响，可考虑采取爆破前试爆、布设减震孔、设置气泡帷幕、微差爆破等减震措施（图17）。
图15 基槽开挖平面（单位：m）
图16 基槽开挖横断面（单位：m）
图17 水下爆破工程
5.5管节预制
每节管段采用分段分层浇筑，每段长度不超过20.5m，两段之间设置1.5m宽的后浇带；管段横向分两层浇筑，先底板及侧墙底部，再侧墙顶部及顶板（图18）。
图18 管节预制效果
为减小分层浇筑时下部分已浇侧墙结构对上部侧墙新浇筑混凝土约束产生的混凝土拉应力裂缝，在侧墙上部设置冷却水管。
5.6管节接头构造
管节接头采用柔性接头形式，GINA止水带和OMEGA止水带构成管段接头的防水屏障（图19）。
预应力钢缆（PC拉索）、水平和垂直剪切键，则作为地震工况下的接头限位装置。
5.7基础处理
沉管隧道基础处理实际上有一个逐步发展的过程：从导管法水下灌注砂基床、沉箱桥台式基础、桩基础到刮铺法基础、喷砂法基础，再到灌砂法与压砂法基础，以及后来的压浆法基础。
图19 管节接头构造
国内已建成通车的6条沉管隧道中，灌砂基础有4条，广州的3条隧道工后沉降均很小。本工程沉管隧道基础基本位于全-中风化混合岩层，地基土的承载力特征值较高，推荐采用工法成熟的灌砂基础垫层（图20、图21）。
图20 灌砂法作业
图21 灌砂孔布置
5.8最终接头
本工程推荐采用水下最终接头形式，接头设置在前海端一侧水深较浅处，以降低最终接头的施工难度（图22）。
5.9干坞工程
针对干坞工程，对改建利用港珠澳岛隧工程干坞与新建现场干坞的方案进行了比选。由于改建方案存在浮运距离长、占用航道成本高的缺点，因此推荐新建方案（图23）。
图22 水下最终接头
图23 干坞选址方案
新建干坞位于大铲湾港区远期用地。预制完成的管节临时系泊位于前海湾内，受风浪影响小，掩蔽条件良好。
干坞规模满足一次预制4节、分两批预制的场地要求，占地面积9万m2（图24）。
5.10工期筹划与投资估算
四个工作面同时作业：干坞工程、两岸暗埋段施工、海域段基槽开挖；配备1套安装设备，每月完成1节沉管安装；沉管计划分两批完成：第一批4节，第二批4节；前海湾内寄放沉管：第一批4节沉管需寄放在前海湾内，空出干坞开展第二批沉管的预制工作；工程耗时35个月，预计开工时间2017年1月，2019年11月完成。海域沉管段的建安费估算16.47亿元。
图24 干坞平面布置
6 结论与存在问题
（1）采用沉管法修建前海湾海底隧道具有技术可行性。沉管法具有隧道埋深浅、防水性能优、施工风险低、工期短且基本不受地质条件制约等优点。
（2）沉管隧道往往由于埋深浅从而可缩短隧道整体规模，但本工程受限于前海及大铲湾港区陆域段用地需求，陆域段需采取隧道的方式通过，沉管工法对隧道的规模基本没有影响。
（3）在大铲湾港区保留港口功能的前提下，由于15万吨级集装箱规划航道的存在，带来水下基槽与陆域基坑深度大幅增加、横向开挖范围增加对周边环境的影响增大、水下对接作业的水深条件增加、基岩水下爆破风险和投资增加、深埋隧道运营阶段回淤厚度等一系列问题。
（4）妈湾跨海隧道建成后，对大铲湾远期港区岸壁构筑及航道进行开挖，是本工程设计须考虑的不利工况。
（5）2007年大铲湾岸壁前沿疏浚高程为-19.3m，现况（2015年初）的海底高程为-3.2～-3.5m，表明隧址区回淤比较严重，基槽开挖时的回淤及隧道建成运营后管段在大幅回淤条件下的长期稳定性问题应引起重视。
摘自：现代隧道技术