沉管隧道整体管节工厂预制方法

中国港湾建设
Factory method for immersed tunnel monolithic element prefabrication
LIN Wei 1,LIN Ming 2,LIANG Jie-zhong 3,TIAN Ying-hui 4,CHEN Wei-bin 3,LIU Ling-feng 1,ZOU Wei 1
（CC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.China Communications Constructions Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;CC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510290,China;4.Tianjin University,
Tianjin 300072,China ）
Abstract ：Based on the experience and technology summary of immersed tunnel construction of HZMB island and tunnel project and its further innovation,we proposed and introduced a paralleled -flow -line -prefabrication factory method for concrete type monolithic element of immersed tunnel,and quantitatively analyzed its advantages as compared to conventional factory method,which lies in shorter construction period,less land occupation and optimized workload.With the increase of the length of immersed tunnel and the number of tube elements,its advantages become more obvious.Key words ：immersed tunnel;monolithic element;factory method;sustainability
摘要：基于港珠澳岛隧工程沉管建造经验技术总结和再创新，提出并详细介绍了适用于混凝土整体管节平行流水
线作业工厂预制方法，且定量地分析了该方法较传统工厂法的优势，其优势在于工期更短、用地更少，且工作量得以优化。

随着沉管隧道长度增加，管节数量增多，其优势愈加明显。

关键词：沉管隧道；整体管节；工厂法预制；可持续中图分类号：U655.4
文献标志码：B
文章编号：2095-7874（2021）02-0055-07
doi ：10.7640/zggwjs202102012
沉管隧道整体管节工厂预制方法
林巍1，林鸣2，梁杰忠3，田英辉4，陈伟彬3，刘凌锋1，邹威1
（1.中交公路规划设计院有限公司，北京，100088；2.中国交通建设集团有限公司，北京
100088；
3.中交第四航务工程局有限公司，广东
广州
510290；4.天津大学，天津
300072）
第41卷第2期2021年2月
Vol.41
No.2
Feb.2021
收稿日期：2020-11-27
修回日期：2020-12-22
作者简介：林巍（1986—），男，江苏兴化人，高级工程师，从事沉管隧道设计及漂浮结构研究工作。

E-mail ：******************
0引言
针对拟建沉管项目前期研究提出的工期需求与挑战，基于经典的工厂法沉管预制，提出一种“改良”方法。

该法可实现整体管节的平行流水预制，起到减少施工步骤、节约工期、减少占地的效果，有利于节能环保和绿色施工技术的发展。

1已有工程与技术现状1.1已有工程
沉管隧道采用钢壳预制历史最久远。

第一条钢壳预制的公路沉管是1910年底特律河隧道，施
工方法是将钢壳（内部带有钢筋）沉入河底，并在
水下向钢壳内浇筑混凝土[1]。

在其之后的钢壳沉管隧道预制方法是多种多样的[2]。

1937—1943年，荷兰马斯隧道是第一条混凝
土沉管隧道，管节（预制段）在干坞内浇筑和预制，
之后干坞灌水，管节起浮，逐个运输[3-4]。

该预制方法国内最新案例是大连湾海底隧道[5]。

1988年以后日本研发了不需振捣的高流动性混凝土，并预制了几座钢混三明治沉管[6-7]，例如那霸港和神户港海底隧道。

港珠澳大桥岛隧工程
中国港湾建设2021年第2期
图1用传统工厂法预制带3个节段的沉管管节Fig.1Using conventional factory method to prefabricate
immersed tunnel element that consists of three segments
（a ）“起始步”
（b ）钢筋笼顶推并套入针形梁
（c ）绑扎好的底板钢筋与墙体钢筋整体前移
（d ）钢筋顶板悬吊体系安装，钢筋胎架移除
（e ）内模收缩状态进入节段一钢筋笼
（f ）内模展开，悬吊体系移除
（g ）节段混凝土浇筑
（h ）内模收缩、移出并维护（
清理）（i ）内模回位，针形梁两端腿收起
（j ）混凝土节段前移
（k ）准备接收下一个节段钢筋笼
（l ）钢筋笼套入针形梁
（m ）内模收缩状态进入节段二钢筋笼
（n ）类似步骤（c ）到
（g ）（o ）类似步骤（j ）到
（n ）（p ）整体向前顶推一个节段长度
（q ）管节整体顶推至舾装区，回到“起始步”（a ），开始下一个管节
的预制
沉管的最终接头主体结构也采用该方法预制[8]。

最新大规模案例是深中通道。

工厂法预制沉管源自厄勒海峡通道[9-10]，第二例是港珠澳大桥岛隧工程[11-13]，将来的应用包括深圳沿江通道、德国瑞典费马恩通道[14]等。

1.2工厂法及管节顶推技术现状
表1归纳了已经或即将采用工厂法预制沉管的项目的主要数据。

其中，深中通道是将预制好的钢壳在流水线上浇筑。

1.3
传统工厂法要点
以80m 整体管节，分3个节段为预制对象。

若采用港珠澳大桥岛隧工程的沉管工厂法，一个管节的预制工艺流程如图1。

特点是：
1）生产线从右往左，总体划分为3个功能区，钢筋绑扎区、混凝土浇筑区和舾装区。

前两区需在封闭的厂房内，进而不受外界环境影响。

2）节段钢筋笼在流水线上进一步划分为底板、墙体和顶板的钢筋绑扎区。

3）设置钢筋胎架，方便绑扎工作和控制变形；这些胎架在混凝土浇筑前需要拆除，并周转给后面的节段钢筋绑扎使用。

首先，钢筋笼套入针形梁（图2（a ））中；然
后，收缩（折叠）状态的内模支撑在针形梁上，滑
入钢筋笼。

在滑入之前，钢筋胎架需要拆除，为了控制顶板钢筋的变形，需要设置临时的悬吊体系（图2（b ））。

混凝土浇筑后，内模需要额外的养护空间。

节段顶推等关键技术见文献[15]~文献[16]。

表1
在流水线上顶推管节的沉管项目
Table 1Projects that (will)launch element on
a production line
厄勒海峡（2000年）尾部顶推港珠澳岛隧工程（2018年）底部多点—
千斤顶单元深中通道
（在建）*
底部多点—智能轨道车
费马恩通道
—
注：*数据来自现场考察与采访。

175550002018076000331657600032217
73000
89
长度/m 重量/t 数量/节隧道
（竣工时间）典型管节
顶推方式
56··
2021年第2期
图3预制系统与子件
Fig.3Prefabrication system and sub-units
（a ）针形梁、内模与钢筋笼（b ）
钢筋笼顶板悬吊体系
2沉管隧道工厂法预制新方法
2.1总体
某项目处于研究阶段，隧道沉管段长约2.3km ，预制场地可用面积长346m 、宽123m ，拟采用工厂法建设，设2条生产线，承包商倾向于采用80m 整体管节。

该项目预见到沉管预制的两大挑战是：1）工期紧，预制厂每月需要生产3个管节；2）预制场地受限。

针对项目特点，本文提出一种不同以往的沉管工厂预制方法，并与上述的传统方法进行了分析比较。

图3为管节预制系统与子件。

特点是：
1）底模与管节等长（80m ），固定在浇筑区。

2）内模与管节等长。

内模是可折叠的，以适
应底板与墙体钢筋进入、混凝土浇筑与硬化后自
身可退出以及针形梁（图3（b ））的行走。

为匹配节
段浇筑模数，内模按照3或3的整数倍来分节，例如6×13.33m 、12×6.67m 或24×3.33m 。

3）每个管节廊道设置1个针形梁，每个针形梁设置12条腿，分别布置在3个节段的4个角点
部位（图3（c ））。

4）侧模与节段等长（图3（d ）），且可移动（图3（e ）），用于浇筑节段。

为平衡混凝土侧向压力，
设置对拉螺杆，连接侧模与预制段的外墙钢筋靠内的主筋。

否则就需设置反力墙，导致横向空间拥挤。

图2
港珠澳大桥岛隧工程沉管工厂法预制
Fig.2
Prefabrication of immersed tube by factory method for HZMB island and tunnel project
（c ）
针形梁
（d ）内模顶面绑扎顶板
钢筋侧模浇筑就位
（e ）
侧模拉杆，底板台车
（b ）
模板系统
林巍，等：沉管隧道整体管节工厂预制方法
57··
中国港湾建设2021年第2期
上述方法用于整体管节预制，相比传统方法，
优点是工序少、用地更紧凑，以及管节预制周期更快。

2.2工作步骤
图6详述了预制一个管节的步骤和方法。

若用2条流水线预制28个管节，图6所示的工作在
每条流水线上就需重复14次。

舾装工作见文献[17]~
文献[18]，不在图中示出。

将图6（a ）定义为“起始步”。

管节底板钢筋与墙体钢筋绑扎，并分成3个
节段先后进入内模（图6（b ）~图6（h ））。

为了让钢
筋进入，针形梁腿需要变换各种姿势组合，原则是管节范围内的2/3长度的腿支撑，以确保内模和针形梁站立的稳定性，1/3长度的腿抬起来，让钢筋通过。

而且，内模需呈折叠状态。

顶板钢筋绑扎与混凝土浇筑的平行流水作业（图6（i ）~图6（m ））。

管节混凝土养护强度达到要求后，运输到舾装区，与内模分离（图6（m ）~图6（o ））。

在这之后，工作回到了最初的“起始步”，1个80m 整体管节的预制完成了一轮循环。

由此可见，在“起始步”，模板的养护（清理）作业是十分便利的。

图6左侧的舾装作业也可与钢筋绑扎和混凝土浇筑作业实现平行流水作业。

图4是总平布置与功能分区：1）物资通道需要预留足够宽，以确保预制的效率和便利性。

2）为避免预制流水线的堵塞，管节一旦完成舾装，必须立刻运出安装，或另找地方寄存；有条件时可准备1~2艘半潜驳用来寄存管节。

除此之外，钢筋、端钢壳、舾装预埋件等构件的运输重量大。

对于空间受限的厂房，应最小化叉车、汽车吊等
陆上移动吊装设施的使用，这些工作需要专人，而且增加调度、协调和组织的复杂程度。

用小型天车更佳，因为：1）物资从空中吊运，不堵塞地面通道；2）天车轨道易设置在既有厂房梁上；3）工人经培训和取证，可自行操作天车，经由几个管节预制的学习，即可达到最高效率。

图5为设想的物料运输与天车布置。

图5厂房内物料运输概念
Fig.5
Material transport concept inside factory plant
（a ）平面布置
（b ）物流路径
地面运输通道；天车运输通道；
天车
房梁；图4总平面布置与功能分区
Fig.4Plane layouts and functions
工厂立柱；
P1~P4
横向通道，功能见图7；
预制区域界限；
管节预制轮廓
8010舾装
P1
P4
20
P3P2底板与墙体钢筋
顶板钢筋、混凝土浇筑2080
20
36
80
58··
2021年第2期
（a ）传统方法
维护
钢筋
钢筋
钢筋
图7占地分析
Fig.7Analysis of land occupation
（a ）“起始步”：内模养护
（清理）（b ）针形梁一头支腿抬起，底板与墙体组成的钢筋节段
前移，套入针形梁与内模
（c ）针形梁两头支腿放下，中部支腿抬起
（支腿转换）（d ）钢筋节段前移1个节段长度
（e ）支腿转换
（f ）钢筋节段前移1个节段长度
（g ）第2个钢筋节段的运转类似步骤（a ）到
（f ）（h ）第3个钢筋节段的运转类似步骤（a ）到
（f ）（i ）侧视图
（j ）内模顶面绑扎顶板钢筋，同步绑扎底板钢筋
（l ）分4个工作面：同步进行顶板、墙体、底板的节段
钢筋绑扎及节段混凝土浇筑
（m ）墙体钢筋绑扎，同步进行节段混凝土浇筑
（n ）管节与内模整体前移2/3个管节长度
（也即2个节段长度）（o ）内模“爬”回原位并收缩，针形梁后端腿抬起，管节前移至舾装区
回到“起始步”（a ），开始下一个管节的预制
（k ）分4个工作面：同步进行顶板、墙体、底板的节段
钢筋绑扎及节段混凝土浇筑
图6本文提出的新工厂法解决方案
Fig.6
The solution of new factory method proposed in this paper
值得一提的是，底板和墙体钢筋首先绑扎成
一个整体（图6（a ）），此时节段间的纵向钢筋可采
用机械接头，预先连接好，再以节段为单位拆开
运输（图6（b ）~图6（h ）），到浇筑位置后，纵向钢筋再接上，也即同槽预制[19]。

上述施工步骤与传统工厂法比较，节省了工作量：1）每个管节预制只移动了1次内模；2）将内模作为顶板钢筋绑扎的支撑和平台，省去了钢筋胎架和悬吊体系；3）模板的维护以管节为单位，而非传统法的以节段为单位，施工界面大幅简化，与相邻作业不打架。

2.3占地
图7是传统方法与本文方法在一条流水线上
的纵向占地的最小面积比较
（钢筋储存和加工空间不必要布置在生产线上，因此未计入和比较）。

由图可见，本文方法所需空间相对较小。

主要原因是：1）取消了模板专用的养护空间；2）钢筋绑扎不再分为3个子区间，而是一个整体，路面的横向物资通道取消了，采用前述房梁上小型天车的“空运”
替代。

2.4
时间估算与关键线路
为定量分析单管节预制周转时间，假设如下：1）1个节段的底板、墙体或顶板的钢筋绑扎时间均为4d 。

2）模板维护时间为3d 。

3）传统法1个节段的钢筋笼进入模板的时间为1d 。

4）本方法1个管节的底板和墙体钢筋进入模板时间2d 。

（b ）本文方法
林巍，等：沉管隧道整体管节工厂预制方法
59··
中国港湾建设2021年第2期
图93种节段长度的内模方案
Fig.9
Inner form schemes with three different segmented
lengths
单节内模
双节内模模板造价
施工组织工序效率低复杂较难低
中中
高
较易高三节内模
对于传统工厂法，关键线路是钢筋绑扎与端钢壳和端模的安装，以及节段混凝土的浇筑与养护；1个80m 整体管节的预制周期为25d 。

对于本文方法，关键线路是顶板钢筋绑扎与混凝土浇筑和模板养护的交替；1个80m 整体管节的预制周期为19d 。

可预见本文方法速度更快，主要原因是顶板的钢筋绑扎与混凝土浇筑，与底板和墙体的钢筋绑扎也实现了平行流水的作业。

2.5其它可能
本方法的一个缺点是，内模长度是传统方法的3倍；传统方法的内模长度就等于节段长度，因而内模花费更高的代价，必须由上述优点补偿。

图9列出了3种长度的内模方案与比较：三节段内模，较单节段或双节段内模，尽管模板造价有所增加，但工作步骤减少了，管理组织更容易，施工效率更高，对于多管节预制的效果尤其明显。

而且双节段内模方案还需额外的模板维护空间。

5）节段混凝土浇筑1d ，养护3d 。

6）舾装工作不在关键线路上；有关优化探讨见文献[20]。

将以上假设分别代入图1和图6，得到传统工厂法和本文方法的甘特图与关键线路，如图8所示。

图8甘特图与关键线路
Fig.8Gantt-chart and critical path
（a ）传统方法
（b ）本文方法
下一个管节预制
管节顶推每个管节预制周期25d
S1底板钢筋
S1墙体钢筋
S1顶板钢筋
S3节段混凝土浇筑和养护S3一头的端模和端钢壳S3节段钢筋笼进入模板S3节段顶板钢筋
S3节段墙体钢筋S3节段底板钢筋S2节段顶推S2混凝土浇筑与养护S2一头端模
S2节段钢筋笼进入模板S2节段顶板钢筋
S2节段墙体钢筋S2节段底板钢筋S1节段顶推S1节段混凝土浇筑与养护S1两头端模、一头端钢壳S1节段钢筋笼进入模板S1节段顶板钢筋
S1节段墙体钢筋S1节段底板钢筋预制步骤概述天数
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738
444134144411414441141………
下一个管节预制
管节顶推
S1底板钢筋
S3墙体钢筋
模板就位与养护
S3节段混凝土浇筑和养护S3节段顶板钢筋
S3节段墙体钢筋S3节段底板钢筋S2节段混凝土浇筑与养护S2节段顶板钢筋
S2节段墙体钢筋S1节段混凝土浇筑与养护S2节段顶板钢筋S1节段墙体钢筋S1节段底板钢筋预制步骤概述
天数
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738
444444324444441…………………
每个管节预制周期19d
S2墙体钢筋S2底板钢筋
S3底板钢筋
S1墙体钢筋模板就位与养护
S1节段顶板钢筋
底板与墙体钢筋进入内模60··
2021年第2期
3结语
本文基于港珠澳岛隧工程沉管预制工厂法等经验，提出了整体管节工厂预制方法，通过固定式管节底模、通长内模、多脚针形梁和可移动节段侧模的组合，实现了顶、底板和墙体节段钢筋绑扎与节段混凝土浇筑的高达4~5个工作面的平行流水作业，并实现了内模与底模以1个管节预制为周期的高效与便捷的清理与维护（传统方法以节段为周期）。

本方法较传统方法应用于整体管节，缺点是模板造价较高，优点是节省工序、时间和场地，随着沉管隧道长度增加，管节数量增多，本文方法的优势将愈发明显。

为了确保总工序的平行流水作业和绿色高效施工，还有其它需要深入研究的课题，包括沉管舾装件优化和主结构优化等。

参考文献：
[1]GRANTZ Walter C.Steel-shell immersed tunnels-Forty years of experience[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1997, 12(1):23-31.
[2]LUNNISS Richard,BABER Jonathan.Immersed tunnels[M].Boca Raton:CRC Press,2013.
[3]GLERUM A.Developments in immersed tunnelling in Holland[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,1995,10(4):455-462.
[4]RASMUSSEN Nestor S.Concrete immersed tunnels-Forty years of experience[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1997, 12(1):33-46.
[5]MENG F,ZHANG H,WANG X,et al.An overview of Dalian Bay undersea tunnel construction technique[C]//ITA.ITA-AITES world tunnel congress&46th general assembly.Kuala Lumpur:WTC, 2020:1752-1755.
[6]林鸣，林巍，刘晓东，等.日本交通沉管隧道的发展与经验[J].水
道港口，2017，38（1）：1-7.
LIN Ming,LIN Wei,LIU Xiao-dong,et al.Development and expe-rience of immersed tunnel in Japan[J].Water Transport and Harbour, 2017,38(1):1-7.
[7]林鸣，刘晓东，林巍，等.钢混三明治沉管结构综述[J].中国港湾
建设，2016，36(11):1-4，10.
LIN Ming,LIU Xiao-dong,LIN Wei,et al.General discussion on steel-concrete composite sandwich immersed tunnel structure[J]. China Harbour Engineering,2016,36(11):1-4,10. [8]LIN Ming,LIN Wei,WANG Qiang,et al.The deployable element,a new closure joint construction method for immersed tunnel[J].Tun-nelling and Underground Space Technology,2018,80(7):290-300.[9]BUSBY J,MARSHALL C.Design and construction of theØresund tunnel[J].Civil Engineering,2000,138(4):157-166. [10]MARSHALL C.TheØresund tunnel-Making a success of design and build[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1999, 14(3):355-365.
[11]ZHU Yong-ling,LIN Ming,MENG Fan-chao,et al.The Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Engineering,2019(5):10-14. [12]LIN Ming,LIN Wei.The Hong Kong-Zhuhai-Macao island and tunnel project[J].Engineering,2017(3):783-784. [13]林巍，林鸣.沉管[M].北京：科学出版社，2019.
LIN Wei,LIN Ming.Immersed tunnel[M].Beijing:Science Press, 2019.
[14]FEMERN A/S.How the Fehmarnbelt tunnel will be built[EB/OL]. [2020-11-23].https:///en/Tunnel/Facts-on-the-tunnel/ An-immersed-tunnel
[15]林鸣，董政，梁桁，等.港珠澳大桥岛隧工程工厂法沉管预制[M].北京:科学出版社，2019.
LIN Ming,DONG Zheng,LIANG Heng,et al.HZMB island and tunnel project factory method immersed tunnel prefabrication[M]. Beijing:Science Press,2019.
[16]林巍，王晓东，董政，等.沉管隧道76000吨管节多点式分段顶
推[J].水道港口，2018，39（S2）：43-48.
LIN Wei,WANG Xiao-dong,DONG Zheng,et al.Immersed tunnel 76000t multi-points incremental launching[J].Journal of Waterway and Harbor,2018,39(S2):43-48.
[17]林巍.港珠澳大桥沉管隧道管节压舱水系统[J].中国港湾建设，2014，34（2）：11-16，44.
LIN Wei.Ballast tank system of immersed tunnel element for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering. 2014,34(2):11-16,44.
[18]林巍.沉管隧道临时辅助安装设施探讨[J].现代隧道技术，2015，52（5）：192-199.
LIN Wei.Discussion of temporary auxiliary facilities for the instal-lation of immersed tunnels[J].Modern Tunnelling Technology,2015, 52(5):192-199.
[19]肖仁福.预制拼接长桩施工定位板制桩法[J].建筑技术，1990，17（6）：29-30，35-36.
XIAO Ren-fu.Prefabricated assembly long pile construction posi-tioning plate production method[J].Architecture Technology,1990, 17(6):29-30,35-36.
[20]林巍，田英辉，刘凌锋，等.沉管隧道主结构设计优化方法[J].中
国港湾建设，2020，40（10）：28-35.
LIN Wei,TIAN Ying-hui,LIU Ling-feng,et al.Design optimiza-tion method for main structure of immersed tunnel[J].China Harbour Engineering,2020,40(10):28-35.
林巍，等：沉管隧道整体管节工厂预制方法61··。