沉管隧道发展史-隧道工程-筑龙路桥市政论坛

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关于沉管隧道想法的出现比真正应用于实际工程中要早得多。最早的概念起源于十九世纪早期的英国，当时英国的Brunel开始修建伦敦的泰晤士隧道。沉管隧道和盾构隧道大致是在同一时间诞生的，然而沉管隧道的发展要缓慢得多。

1803年，英国工程师Henry Tessier du mottray提出采用沉管法建造连接英法两国的通道，管节由铸铁制造，放置在英吉利海峡的海床上。这是当时提出的一系列类似想法中的一个，但拿破仑入侵的迫近，意味着这些计划都没有取得任何实质进展。1808年，另一位英国工程师RichardTrevithick，提出了一种建造跨越泰晤士河隧道的方法，具体包括在木桩形成的围堰内建造隧道节段。完成后将砖砌隧道周围回填到原河床面，拆除该段围堰并继续向前建造另外50英尺从而逐步形成整个隧道。虽然这实质上是一个明挖法隧道，但是却包含了许多现在应用于沉管隧道的技术，对于第一次思考如何并建造沉管隧道是一个重要的铺路石。

这条隧道最初设计是砖砌的，后来建议可以采用铸铁建造。Trevithick的建议书被提交到泰晤士拱道公司（ThamesArchway Company），但未被采纳。该公司当时正在试图建造泰晤士河第一条隧道。但是在1809年，该公司推出了一个新的泰晤士河跨河通道项目方案竞赛。他们共收到了54个方案，最终在1810年接受了来自Charles Wyatt的方案。这成为第一个真正的沉管隧道概念设计。Wyatt的方案是挖掘一条沟槽，把50英尺长的砖砌圆柱体沉入其中。隧道的两端临时用砖砌封门密封，使得整个结构可以水密并且能够浮起。每节圆柱体单独设有压重可以使其最终能够下沉到河底。

Wyatt的方案中进行了深入的工程思考，他考虑了船只下锚对隧道的影响，基槽需要具有足够的深度，使得在隧道沉放和回填后顶部有6英尺覆土可以保护隧道结构。泰晤士拱道公司决定开展试验验证该项技术的可行性，尤其是如何形成隧道的接头、圆柱体的强度、沉放作业能够达到的精度以及对于水上交通的影响。John Isaac Hawkins被任命负责建造2个25英尺长，内径9英尺的圆柱体。试验项目在浅水区进行，这样可以在低水位时对顶部进行检查，同时设置人孔可以对内部进行检查。墙厚13英寸，重量为52t，在沉放时需要8-10t水进行压重。圆柱体在半潜驳中建造，在河中建造了用于圆柱体沉放的脚手架。由于水上交通量大，需要多次修复受碰撞破坏的脚手架。圆柱体绑在驳船两侧进行运输。一旦进入脚手架范围，线缆与圆柱体通过桅杆连系控制位置。沉放后，通过人工在圆柱体周围进行碎石回填锁定位置。Hawkins的方案示意见图2.1。

图2.1 CharlesWyatt的沉管隧道方案(图片由土木工程师协会图书馆提供)

第二个管节沉放以后，泥浆和碎石的混合物会铺设在结构周围，同时隧道进行排水。尽管在接头处会发生一些漏水，但是认为通过夯实的粘土可以对接头进行止水。尽管这个方案在技术上认为是可行的，但是无疑接头的止水在整个隧道的施工过程中可能会出现问题，需要进一步研究。令人遗憾的是，由于试验费用过高，泰晤士拱道公司在1811年终止了该项目，但它仍然是对于沉管隧道技术第一次全尺寸的应用，在那个时代具有开创性的工程意义。

到十九世纪中叶，沉管隧道在英国也取得了一些发展，例如工程师John de la Haye 1845年在力学杂志The Mechanics’Magazine， Museum， Register， Journal， and Gazette发表了大量关于沉管隧道应用和施工技术的文章。他考虑采用在铸铁管节在从英国一些区域，以及从多佛到法国加莱之间修建隧道。他提出了外部压重的方法，对沉管法技术的在安全性和经济性方面进行了仔细研究，并且认为该项技术与当时用于泰晤士河隧道的盾构法技术具有可比性的。事实上，十九世纪中叶提出的若干项目都考虑了沉管隧道的方案。包括由法国工程师提出的英吉利海峡隧道，但是由于国家安全的问题没有取得进一步的进展。在西欧多国也提出了将沉管隧道技术用于铁路隧道项目的想法。同时，美国也出现了类似的想法。然而对沉管隧道的再一次尝试仍然是在英国，1865年提议为Waterloo至Whitehall气压铁路尝试建造一条泰晤士河底隧道。ThomasWebster Rammell成立了一家公司建造伦敦的气压地铁网络。Waterloo到Whitehall线则是建造的第一段区间。由于1866年出现的银行危机，该项目于1868年下马。当时工程已经对部分河床进行了开挖，部分基础也已经完成施工。其中一个管节已完成施工，另有两个管节部分完工。这是第一次真正尝试建造沉管隧道，但是所有的工程最终都拆除了。与Wyatt早期的沉管隧道有些差异，该隧道管节由四分之三英寸厚的锅炉钢板建成，内外采用砖砌衬砌。尺寸与Wyatt的圆柱体相比也大的多，每节长235英尺，内径10英尺。

美国此时也正在为建造沉管隧道积蓄力量。工程师Joseph de Sendzimir在这方面很活跃，他提议建造下穿下曼哈顿LowerManhattan和布鲁克林Brooklyn之间东河的沉管法隧道，隧道管节由锅炉钢板铆接形成。该项提议在1857年被提出。他也延续了Rammell的脚步，在1866年研究了采用沉管法铸铁管道建造连接曼哈顿和布鲁克林及新泽西的真空驱动铁路。美国同期也产生了许多相似的想法，但是与英国一样都没有取得实质性的成果。

第一个沉管隧道工程最终于1893年底在美国出现。这是一个相当单调的项目，在一个60米宽的受潮水影响的被称为Shirley Gut的入海口建造的倒虹吸排污管道，将污水从波士顿排放到鹿岛污水站。这条隧道是用砖和混凝土建造的，长100米，直径2.7米。木制封门被安装在每个隧道管节端部，管节两端通过外部的钢法兰，在沉放后进行连接。它的投入使用标志着沉管隧道的诞生，所采用的的技术也为后来其他项目所效仿。同年，巴黎在塞纳河中采用同样的技术建造了一条200米长的双孔下水道。在7年后的1900年，在丹麦采用相似技术建造了一条185米长的涵洞和一条43米长的下水道。施工技术从这些简陋的开端得以逐渐发展和应用于体量更大的交通隧道。其中第一座建成的是底特律河隧道Detroit River Tunnel，于1910年启用。这是一个跨境铁路隧道，建于圣克莱尔河下，连接了美国密歇根州的底特律和加拿大的温莎，所有者为密歇根中央铁路公司。该隧道由美国工程师WJ.Wilgus设计，双孔防水钢管由混凝土包裹，放置在预先开挖的基槽中。整个隧道由10个管节组成，每个管节长80米，最终接头长度为20米。起浮状态的管节见图2.2。

图2.2 Detroit河隧道（由国会图书馆印刷品及照片部提供，Detroit Publishing Company藏品）

彼时美国有相当规模的造船工业，利用相应的知识建造隧道预制管节是讲得通的。这些管节是由底特律的大湖工程公司建造的。该公司之前一直为五大湖区建造货船，因此他们使用了所熟悉的建造方式来制造隧道管节。这些管节是成对建造的，每孔布置一条铁路轨道。孔是圆形的，直径为23英尺4英寸（7.11米），由3 / 8英寸厚的钢板像制作锅炉一样铆接在一起。圆周由角钢（4×3×3/8）加强，铆接在钢板内侧，间距12英尺。在安装操作过程中为了另外提供临时支撑，在每个加强肋处安装了类似自行车辐条的钢管。这些管子被安装在外部的钢隔板上，钢隔板间距也是12英尺，这些隔板用来支撑木板，并形成一个开放的箱体。永久性压重混凝土填充在外部的箱体中。一旦隧道管节在沟槽中就位，就立即在周围浇注压重混凝土。钢管外混凝土的最小厚度为3英尺。两端用木制封门密封，并通过橡胶垫圈密封接头。所有管节都在20个月内建成。

隧道基槽由抓斗式挖泥船挖掘。开挖的土层主要为粘土、砂和砾石，水深在20到50英尺。通过拖拽的钢梁检验了基槽的宽度和深度。基槽开挖完成后，即在各管节的接头位置放置一条钢制地梁，作为管节安装的支撑。管节接头下的地梁的尺寸足够容纳钢隔板以及安装垫片以达到需要的标高。为了保证相邻管节的竖向位置准确，所采用的这种方法是一种有趣的但是非常昂贵的方法。对于现代技术也仍然是一项挑战。

为了克服管节的负浮力，水通过端封门处的阀门灌入，阀门可以从外侧打开。管节的内部通过两个舱壁划分为三部分，管节顶部设有60英尺长的气筒。这些外部气筒也被分成三个隔舱。这种布置使得在沉放过程中对管节纵倾的控制非常精确。在沉放过程中，整个管节水下部分的重量约为500吨。沉放操作也与今天的方法非常相似了。大型的装有安装吊架的驳船下锚后进行沉放作业，沉放一节管节的时间约为2小时。每个管节的末端法兰通过螺栓连接在一起，连接工作由潜水员在水下完成。

然后下导管在钢壳周围的空格中浇筑混凝土。当时还没有水下浇筑大体积混凝土的经验，承包商通过开展大量的试验成功获得了配合比和浇筑方法方面的经验。这项操作也由潜水员控制，他们确保混凝土能够包住钢壳并在顶部有足够的覆盖厚度。然后对基槽进行回填，先用粗粒土回填到管节的一半高度左右，对于以上部分则用从基槽开挖出的粘土回填。管节中的水通过内置设施抽出。这使得可以继续在管节内进行木质舱壁拆除和浇筑钢筋混凝土衬砌的工作。该隧道于1910年顺利竣工，证明了大型沉管隧道施工的可行性，并对施工中出现的技术难题找到了切实可行的解决方案。钢壳结构沉管隧道从此诞生，许多应用于该隧道的技术被发扬光大、再利用、进一步发展并用于后来几十年的许多隧道工程。

图2.3 LaSalle街隧道

钢壳结构沉管隧道

伴随着底特律河隧道的成功，钢壳沉管隧道成为美国修建跨河隧道的一种常用的施工工法。两座铁路隧道很快先后建成。芝加哥的LaSalle街铁路隧道于1912通车，这条隧道只有一个管节。但这是第一个单钢壳结构的沉管隧道。图2.3所示的是鹅岛干坞施工看到的钢壳。此后不久，纽约的Harlem河铁路隧道也于1914年通车。第一条沉管法公路隧道是位于加利福尼亚州奥克兰和Alameda之间的Posey Street隧道，它完工于1928年。实际上这是一个圆柱形的钢筋混凝土结构沉管隧道。

前三条沉管隧道在建造方法上存在轻微的差异，但是在此以后，总体上讲美国钢壳沉管隧道的分为以下两种类型：

双钢壳
单钢壳

最初的底特律河隧道可以认为实际是两者的混合体。它仅有一层钢壳，但是采用的施工方法却可以用于双钢壳隧道。事实上，该隧道更接近于双钢壳的形式。唯一的区别是外部采用了木板作为模板。第一个真正的双钢壳隧道是Harlem河隧道。图2.4显示了沉放前支撑在平底船上的Harlem隧道的一节管节。

图2.4 Harlem 河隧道（由New York State Public ServiceCommission提供照片）

1930年第二下穿底特律河的隧道，底特律–温莎（Detroit–Windsor）隧道完工。第二底特律河隧道的设计采用了六角形双壳截面，后来成为美国沉管隧道最常见的形式。图2.5显示的是1976年通车的SecondHampton隧道的外形。整个管节采用加劲的圆形钢壳制作。外部横向加劲板在纵向上间隔布置，外部钢壳也可以作为模板。在内外两层钢壳之间的空间浇筑混凝土。混凝土提供了抗浮压重，同时也可作为结构钢板的腐蚀防护措施。在圆形钢壳内部，设置了钢筋混凝土衬砌，与圆形钢壳一起作为隧道的主要受力构件。

在美国，单钢壳结构沉管隧道也有所发展。通常外钢壳也设有约1/2英寸厚的加劲肋。内侧在纵横方向上都有加劲。同样在钢壳内设置钢筋混凝土衬砌，与钢结构共同受力。该项目的设计中没有采用内部浇筑混凝土压重而是在顶部设置了填石的压重箱。在这种设计中，外侧结构钢壳邻水。因此需要采用一定形式的外部防腐措施，例如阴极保护系统。典型的单钢壳壳体的设计如图2.6所示，这是美国加利福尼亚旧金山用于湾区捷运（BART）的隧道所采用的设计。

图2.5 Second Hampton 路隧道双钢壳布置.

图2.6 BART隧道单钢壳断面

这两种形式的钢壳结构采用了的施工方法相似，两者都使用了船厂的生产技术。首先，钢壳按一系列规则的模块制作。然后，这些模块通过焊接形成连续的隧道管节。为了便于浮运这通常是直接在邻水的船台上完成。为了减少应力，管节最好采用侧方入水，但也可以设计为端部入水。在下水前，内部放置用于混凝土衬砌的钢筋与其他内部设备以及一定数量的压重混凝土以增加管节的吃水，使其在漂浮状态下保持稳定。隧道两端由防水封门密封，管节入水与船舶下水类似。

然后将管节拖运到舾装码头，在管节漂浮状态下浇筑内部混凝土。舾装码头可能距船厂有相当距离，一些钢壳管节甚至可以通过半潜驳船运输。混凝土浇筑如图2.7所示，它显示了随着内部混凝土的浇筑，管节吃水逐渐增大。混凝土浇筑顺序需经过精心设计，使钢壳在操作过程中不会受力过大，同时也要保持管节姿态受控。设计师在管节设计时必须考虑到这些临时荷载，并对施工期间承包商应遵守的荷载范围予以限定。

图2.7 Ted Williams 浇筑混凝土码头钢壳隧道管节. (照片由W. Grantz.提供)

钢壳结构的沉管隧道一般直接放置到到刮平的碎石基床上。沿着设计标高拖动刮刀或格栅将碎石基床整平。钢壳结构沉管隧道基础的断面较窄，所以刮铺法可以形成具有足够精度的基床用于放置隧道管节。

钢壳隧道的优点是所需的制造设施并不庞大，一般在具有造船业传统的国家均可获得。即使在缺乏造船业传统的其他一些国家也可以建造钢壳隧道，只是缺乏造船材料和相关制造技术的情况下，需要依赖进口。钢壳的重量相对较轻，吃水也较浅大约只有2英尺，因此即使不需要开挖较深的临时航道也易于被拖运到周围的舾装场地。现实中有些项目的拖运距离很长。例如纽约第六十三街隧道的隧道管节是在马里兰州的Deposit港建造的，拖运300公里后到达弗吉尼亚州的Norfolk浇筑混凝土，然后又被拖运480公里到达纽约的项目现场。甚至还有更长的通过半潜驳运输的记录。Ted Williams隧道的管节曾经从Baltimore运送到波士顿，沿大西洋海岸拖行了约960公里。在理论上，通过如果采用半潜船运输，那么隧道管节运输的距离就可以不受限制，这意味着在项目策划阶段可以在一个很大的范围内选择管节的建造设施。

钢壳的设计形状略有不同，但主要的原则是相同的。一般来说，钢壳沉管隧道在美国仍然很流行，其中大多数是双钢壳类型，但在世界其他地区却相对较少，一般都会选择混凝土结构。当然也有例外，例如香港的红磡海底隧道也采用了钢壳混凝土结构。但是在欧洲唯独采用了混凝土结构。这并不是由于造船设施的缺乏，而是由不同的经济因素选择的结果。

混凝土结构沉管隧道

在欧洲，尽管沉管隧道的概念起源于英国，但是由于早期的泰晤士跨河通道试验被放弃导致盾构隧道独自快速发展，使得盾构隧道直到二十世纪80年代仍是修建隧道的首选方法。20世纪前十年在德国、法国和丹麦分别采用沉管法兴建了一些小型市政公用隧道。这些一般都是钢管隧道或涵洞。第一座比较重要的混凝土沉管隧道是在德国1927年建成的Friedrichshagen隧道，这是一座矩形的人行隧道。一年后的1928年第一个用于道路交通的混凝土沉管隧道Posey 街隧道竣工。十年以后，荷兰也开始采用沉管法建设隧道应对鹿特丹跨Maas河桥梁出现的日益严重的交通拥堵问题。1929年鹿特丹公共事业部门派出三名工程师到美国研究沉管隧道施工技术。1937年就签订了Maastunnel的施工合同。

为了满足日益扩大的公路和铁路基础网络建设，荷兰不得不在其地势较低的存在许多天然和人工水道的三角洲地形上建造许多相对较短的跨河通道。如果采用桥梁的形式，并且能允许船只和驳船从下面通过，则需要较长的坡道。这会影响三角洲区域平坦的地貌景观，同时也会增加通道的建设成本。在这种情况下，沉管隧道由于整体长度较短而在经济性方面占优。荷兰较软弱的冲积砂土层和高水位，也为沉管隧道技术的采用提供了有利条件。采用当时已经在英国开发成功的盾构法技术在地下水位高和松软透水地基上施工是很困难的。荷兰人本身也具有在海上施工方面的历史和能力，可以很快适应建造沉管隧道。

然而荷兰人并没有采用美国发明的钢壳式结构。由于欧洲的钢材价格相对美国较高，荷兰人开发了钢筋混凝土结构的沉管隧道。隧道施工的总体原则与钢壳结构是相同的，但隧道管节是采用钢筋混凝土建造。相对钢壳结构，钢筋混凝土在施工的适应性更强，这也使得矩形断面的隧道得以发展。荷兰的水道通常不是很深，所以矩形断面足以抵抗静水压力。同时矩形断面也能够更好的匹配公路隧道的行车限界。

使用矩形断面的最终是由于丹麦承包商Christiani&Nielsen所开发了喷砂法基础施工工艺从而成为可能。当时碎石基础摊铺的技术，尚不能形成足够平整的碎石基床使得刚性的混凝土箱体被放置基础上时不会产生过大的应力。鹿特丹Maastunnel（图2.8），尽管由于身处战时仍于1942年完工，它是荷兰的第一条隧道，并且是美国以外的第一条用于交通运输的大型沉管隧道。

图2.8 1941年处于施工中的Maastunnel(照片由A. Scheel.提供)

后来，世界各地先后建成了若干混凝土结构的沉管隧道，但混凝土结构的沉管隧道的真正推动力来自于20世纪60年代的荷兰，因为当时荷兰存在改善道路交通条件的迫切需求。其中比较重要的一座隧道是在阿姆斯特丹的Coen隧道，建于1961和1966年之间，业主为Rijkswaterstaat（荷兰交通及水管理部），Christiani& Nielsen再次作为承包商和设计方。上世纪60年代该地区（荷兰、比利时、丹麦）先后建造了几座类似规模的隧道。到了上世纪70年代荷兰仍有一个类似的大型隧道建造计划。

矩形混凝土结构断面成为欧洲许多公路和铁路隧道的标准建造模式。荷兰和丹麦的承包商和设计师也研发和积累了大量的专业知识和经验，并传播到世界各地。德国和瑞典也修建了混凝土结构的沉管隧道。在上世纪60年代Christiani& Nielsen还在加拿大建造了两条混凝土结构的沉管隧道，设计方是Per Hall。当时日本人也对这项技术产生了极大的兴趣。在羽田他们建造了日本第一座沉管隧道，形式存在一定不同，其采用了钢壳以及预应力混凝土结构，并与1964年投入使用。

如今该技术的使用已遍布世界各地，总的来说，钢筋混凝土结构成为当今首选的结构形式。美国倾向采用钢壳结构，而欧洲则普遍采用钢筋混凝土结构，日本则同时发展这两种结构类型。沉管隧道最集中发展的区域是在香港的维多利亚港区，目前已建成五座沉管隧道（两条用于道路交通，两条用于轨道交通，一条为道路/轨道交通共用），并另外计划至少新建两座沉管隧道。沉管隧道浅埋的特点尤其适合于类似香港的区域，城市沿着港区扩展，因此隧道的坡道段也要尽可能的短。此外，地表以下存在的花岗岩地层使得暗挖法隧道掘进困难。

随着建成的沉管隧道数量的增加，施工方法也逐渐完善。例如，最初隧道下部的砂土地基是通过外部设备注入。砂流法设备支撑在隧道顶部，沿着隧道纵向移动。砂水混合物通过隧道外侧的管道输送并注入隧道下方。在航道中使用这种类型的设备对于航运存在阻碍，应尽量避免。荷兰人后来发明了一种新的基础施工方法（喷砂法），通过隧道底板的预留孔进行隧道基础施工。这样基础施工不会影响航道通行。

另一个取得的主要进步是在20世纪60年代和20世纪70年代分段浇筑隧道管节混凝土的发明。在此之前，隧道管节长约100米，为整体式钢筋混凝土管节。大体积混凝土施工容易引起早期收缩裂缝，裂缝贯穿混凝土，成为漏水通道。除了影响外观外也会影响隧道内部安装，同时导致氯化物穿透混凝土，危及钢筋混凝土结构的耐久性。因此早期混凝土隧道管节通常设有外包防水。为了避免使用耗时并且昂贵的外包防水，荷兰开发了将100米长的管节划分成多个长约20 - 25米长的节段进行施工的方法。单独浇筑这些节段可以避免出现早期收缩裂缝。所以管节可以不再需要外包防水。工作的重心由采用外包防水转向实现混凝土自防水。在拖运和沉放隧道节段通过临时预应力形成连续的管节，在沉放后切断预应力管束。

该项技术的发展存在几个阶段：最早分段浇筑技术是用于陆上的隧道项目，例如1966年完工的Schiphol机场隧道。短节段之间采用防水接头连接以防止地下水进入隧道。由于裂缝无法完全消除，混凝土隧道结构仍设置外包防水。这种类型的施工方法第一次被用于沉管隧道是在3年以后通车的Heinenoord隧道。同时该项目也是第一次在隧道管节设置临时预应力。节段法施工发展的里程碑是1975年通车的Vlaketunnel。在混凝土养护期间采用降温技术可以预防混凝土开裂并不再需要外包防水。这项技术是非常成功的，20世纪80年代以来在荷兰所有的隧道项目和西欧绝大多数的隧道项目都有应用。

此后节段和整体式管节在世界各地都有应用，对于具体隧道结构形式的选择通常取决于业主认为哪种结构的防水性能更佳。一些国家，例如荷兰普遍认为对于节段式隧道通过采取措施能够生产无裂缝的混凝土，防水效果令人满意。而另一些国家则对节段式隧道的防水性能并不完全信服，而倾向于选择具有外包防水系统的结构形式。在第十一章中将讨论即使采用外包防水也并能确保不会出现问题，也并不总是能够达到所设想的良好水密效果。

值得注意的是，在20世纪70年代初，荷兰也创造性地在一些较小的市政公用隧道项目上开展了全断面浇筑的尝试。通过竖向浇筑较短的隧道节段，有效地取消了施工缝并防止了裂缝的发生。然后对小的节段进行拼装形成隧道管节。这项技术成功地用于1971年建成的Amsterdam-Rhine运河涵洞和20世纪70年代中期建成的Hollandsche Diep 和OudeMass管线隧道。这是后来在亚洲建造的市政隧道的先驱，但更重要的是推动了全断面浇筑技术在更大体量的Øresund和釜山隧道的发展和应用。

在美国混凝土结构的沉管隧道仍极少使用。建于1928年和1962年的两座PoseyStreet隧道和2002年建成的波士顿Boston Fort Point隧道是仅有的几座混凝土结构沉管隧道。除了经济原因外，美国更倾向于横向或半横向通风。他们不能够完全信服欧洲和其他地方使用的纵向通风系统能够保证隧道空气质量能够满足要求的说法。同时他们也认为横向和半横向通风系统本身在火灾工况下安全性更高。由于在矩形的行车限界上方和下方存在多余空间，横向通风系统很容易适应常用的钢壳隧道的圆形断面。圆形断面能够提供空气进出的空间，因此美国人对这种方式非常满意。荷兰的隧道长度相对较短，一般在1公里左右，通常采用射流风机和车辆活塞效应相结合的纵向通风方式，在当空间有限，无法加高或加宽断面设置风道的情况下矩形断面隧道的优势明显。

来自全球各地的经验、分析和测试结果最终使得美国相关部门相信纵向通风系统在火灾工况下同样是安全的，因此现在混凝土结构的沉管隧道在美国的接受度也越有所升高。此外由于整个钢铁行业的衰落，混凝土结构在施工方面能够提供更大的灵活性，同时现有数量庞大的可利用劳动力资源使得承包商也倾向于采用混凝土结构。由于这些原因，弗吉尼亚州的第二座Midtown隧道工程也一直在按混凝土结构方案推进。并且很可能未来美国建造的钢壳沉管隧道数量也会越来越少。

三明治结构沉管隧道

尽管在英国进行了大量研究和试验，但是钢-混凝土复合结构应用于沉管隧道主要是在日本。主要结构由两块钢板与其之间的混凝土夹层构成。一般来说，钢板间距约300毫米，并通过剪力钉与混凝土相连。混凝土被设置在钢板之间，所以需要配制的混凝土流动性很强并且能够自密实。混凝土的浇筑以及保证混凝土具有足够的密实度和能够完全填充钢板之间的空隙是对于这种施工工法的主要挑战。由于钢-混凝土复合结构的强度很高，组合截面是一种非常优雅的结构形式。然而，在任何沉管隧道中，公路或铁路的车行空间都需要一定重量的压重，以保持抗浮安全。因此，虽然复合结构的结构构件更薄，但仍必须由顶部或路面以下的内部压载提供压重。内部的钢壳也不适应现代公路隧道所需要的诸多箱孔。

虽然英国的Steel Construction Institute钢结构研究所已经进行了一系列的研究和一比三比例的模型试验，并制定了相关设计规则（SCI publication 132，1997），复合结构的概念尚未在欧洲的沉管隧道中足尺得到应用。通过在神户和那霸沉管隧道采用钢/混凝土复合结构使得日本在该领域处于领先地位。

日本的沉管隧道

除了荷兰和美国，还需要特别提到日本在水下隧道的发展中所起到的积极推动作用。1944年建成的庵治河（Aji）隧道是日本第一座沉管隧道，承担道路和人行通道功能。但似乎具有重要意义的第一条沉管隧道应是羽田-海老川隧道，为羽田机场单轨建造，并于1964年完成。该隧道是一个矩形的单钢壳结构，高7.5米，宽11米，包括一个长56米隧道管节。日本首批沉管隧道长度都很短，大多是单钢壳结构。更多类似水下桥梁而非传统的沉管隧道。第一座多管节的沉管隧道是1970年建造的羽田机场阿玉河隧道。

从那时起，日本的沉管隧道通常使用单钢壳或钢筋混凝土整体式管节。大部分是矩形断面。近年来，日本一直是在沉管法隧道设计领域最具创新精神的国家。他们同时建造钢壳结构、混凝土结构和三明治复合结构的沉管隧道，并研发了新颖的最终接头和隧道管节抗震接头。

世界范围内沉管法隧道的增长

图2.9 世界范围内建造用于交通运输的沉管隧道的数量（与原书有修正）

在1910年第一座交通隧道建成后35年，沉管隧道的数量才达到两位数。在此以后由于第二次世界大战而存在一个短暂的停滞期。战后20年沉管法隧道建造的数量逐渐增加。在这段时期，美国和欧洲建成的项目数量接近。然而，自二十世纪60年代以来，在欧洲和亚洲建成的沉管隧道项目数量有显著的增长，平均每年约有一个项目建成通车，如图2.9所示。

水下隧道的地理位置分布显示了欧洲类似项目数量随着二十世纪60年代交通的发展而出现的大幅增加。随后一直基本保持这一增长速度，如图2.10所示。

图2.10各主要地区用于交通运输的沉管隧道的建设速度（与原书有修正）

尽管还有许多长度在1 - 2公里范围的隧道仍在建设，但是随着施工技术的进步，沉管隧道变得越来越长。隧道长度随时间的变化情况可以见图2.11。例如长度达到19公里的连接丹麦和德国的公铁两用的Fehmarn通道这样长度的隧道的出现使得本图又有大的变化。

迄今为止建成的大多数的沉管法隧道均集中在三个国家：美国、荷兰和日本。然而自2000年以来，中国（包括香港）的沉管隧道建造速度正在迅速加快，已经和荷兰同时期建成的沉管法隧道总数相当。中国大陆存在许多低洼地区，其中许多主要的城市位于河口三角洲地带，临近河流提供了使用沉管法进行隧道施工的可能性。高强度的国家投资带来快速扩张的基础设施建设，中国正在建设大量沉管隧道也就不足为奇。中国可能会继续保持数量最大的新建隧道项目计划并且这种势头仍将持续相当长的时间。图2.12显示了截至2011年已建和在建的沉管法隧道的数量在各个国家的地理分布情况。无论是整体式还是节段式，沉管法隧道目前的趋势更多倾向于采用混凝土结构。