一、引言

Söderström隧道（Söderströmstunneln）是瑞典斯德哥尔摩新城市铁路干线Citybanan的重要组成部分。Citybanan是一条全长约6公里的双轨地下铁路，穿越斯德哥尔摩古老的城市中心。在Citybanan的大部分区段中，瑞典传统的钻爆法得以顺利应用，然而在穿越Söderström——梅拉伦湖的一条支流——的300米区段时，由于河床下岩体形成一个深谷，钻爆法不再适用。正是在这一极具挑战性的位置，工程团队采用了一种创新的沉管隧道方案。

Söderström隧道位于斯德哥尔摩最著名的两个岛屿——Södermalm（南岛）和Riddarholmen（骑士岛）之间，其独特的地理位置、复杂的地质条件、严苛的环境限制以及富有创意的工程技术，使其成为全球沉管隧道领域的一个经典案例。本文将从环境限制、结构设计、基础形式、施工工艺以及与钻爆法隧道的衔接等多个维度，系统介绍这一“在水下架起的桥梁”的独特魅力。

二、严苛的环境与地质挑战

2.1 城市核心区的施工限制

Söderström隧道所处的位置极为特殊。它位于斯德哥尔摩最繁华、最具历史价值的区域之一，北侧是Riddarholmen岛，南侧是Södermalm岛，两岸均为重要的城市滨水区。施工期间，Söder Mälarstrand沿岸的交通必须保持大部分时间的畅通，这对施工场地的布置提出了极高的要求。

为了满足这一交通需求，工程团队在岸线前方架设了一座临时桥梁，该桥通过钻孔桩支撑在新修建的挡土墙顶梁之上。这一临时结构确保了城市交通的持续运行，同时为深基坑的开挖和隧道的建设创造了空间。

此外，施工场地极为狭窄。尤其是在南侧Söder Mälarstrand区域，沉管管节最终就位时，浮运沉放驳船的边缘距离岸线仅约0.5米。同时，岩石开挖后留下的基槽也十分狭窄，极大地增加了沉管操作的难度。

2.2 复杂的地质条件

斯德哥尔摩地区的下伏地层主要为坚硬花岗岩，其强度高达300MPa。在Söderström区域，岩石表面高程从Södermalm岛的地表急剧下降，最低达到-45米（RH高程），在靠近Söder Mälarstrand码头线的位置，岩面坡度极为陡峭，超过60度。向Riddarholmen方向，岩面则以较缓的坡度逐渐抬升。

在Söderström河床区域，岩石表面形成了一个谷地，其上依次覆盖着冰碛土、松散砂层以及软粘土。粘土层的厚度从Riddarholmen向Söder Mälarstrand方向逐渐增加，最大厚度可达10米。其不排水抗剪强度仅有7kPa，极为软弱。

两岸的码头区域均为填土形成，这些填土以砂性土为主，含有人工填料、大块石以及粘性土。由于来源复杂，填土极不均匀，局部非常松散。在所有土层中均可能遇到大块石，这给围护结构的施工（咬合桩）带来了显著困难。

由于Söder Mälarstrand一侧的几何形态，填土将粘土从码头线附近推入Söderström深处，这一过程导致了粘土的固结，使得靠近Söder Mälarstrand的粘土具有较高的不排水抗剪强度，而向Riddarholmen方向则逐渐降低。

2.3 水文与水压力挑战

两个深基坑（Riddarholmen和Söder Mälarstrand）均需延伸至Söderström水域内。在Riddarholmen，基坑平均向河内延伸30米；基坑最大深度达25米，最终开挖面处的水压力高达25米水头。如何在如此高的水压力下保持基坑止水性能，成为设计的关键因素之一。

三、创新的结构设计：一座“水下桥梁”

3.1 桩基基础上的沉管隧道

由于软弱的土层无法直接提供足够的承载力，传统的沉管隧道通常需要在河床上进行地基处理或设置垫层。然而，Söderström隧道采用了一种截然不同的方案：隧道不是直接坐落在河床上，而是坐落在四组桩基础和一座筏板基础之上，形成了一座名副其实的“水下桥梁”。

隧道全长300米，由三个混凝土管节组成。北端（Riddarholmen侧）为自由端，可在所谓的“接收仓”（Joint House）内纵向自由移动；南端（Södermalm侧）则为固定端，通过强大的岩石锚杆与基岩牢固锚固。隧道在桩基础之间的典型跨径为55米。隧道建成后，通过全截面的后张预应力将三个管节连接成一个长度为327米的整体结构。

3.2 钢壳作为外模板：一种适应性的施工策略

Söderström隧道最引人注目的特点之一，是其混凝土隧道管节的制作方式。由于斯德哥尔摩市中心没有任何干船坞可供使用，无法像传统沉管隧道那样在干坞内整体浇筑100米长、20米宽的沉管管节。工程团队因此采用了一种巧妙的替代方案：钢壳混凝土复合结构。

具体工艺如下：

1.钢壳制造：在爱沙尼亚塔林的一个造船厂，首先制造出三个能够自浮的钢壳。这些钢壳不仅作为混凝土的外模板，在永久使用阶段也作为结构的一部分，提供防水和强度贡献。

2.海运与下水平台：钢壳通过一艘旧的军用半潜驳从塔林穿越波罗的海，进入梅拉伦湖。到达梅拉伦湖后，半潜驳下潜将钢壳放入水中，使其自浮。

3.第一阶段混凝土浇筑：在斯德哥尔摩郊区的一个工业港口，工程团队首先在钢壳内浇筑底板和部分墙体混凝土。此时，管节的吃水深度达到约6米。

4.第二阶段混凝土浇筑：半成品的隧道管节随后被拖航至斯德哥尔摩市中心的Riddarfjärden（即Söderström所在水域），并在那里完成剩余墙体及顶板混凝土的浇筑。这一分阶段浇筑的策略，巧妙地避开了从外海进入内陆湖过程中可能遇到的船闸净空限制Lock of Södertälje，从而顺利通过船闸，抵达市中心后再完成最终混凝土施工。

这种钢壳与混凝土的组合结构，既解决了隧址附近无干坞的难题，又充分利用了钢壳的防水性能和混凝土的受压性能，是一种极具适应性的工程创新。

3.3 后张预应力体系

由于隧道在桩基础上呈“桥梁”式受力状态，纵向产生了较高的拉应力。为此，设计团队决定对隧道全断面施加后张预应力。北端管节设置了50束后张预应力筋，而南端管节由于受力更大，设置了73束。这些预应力筋分布在整个横断面上，确保了隧道在承受自重、收缩、徐变、温度变化以及列车活载等作用下的结构完整性和耐久性，设计使用寿命长达120年。

3.4 南北端不同的约束方式

Söderström隧道的南北两端采用了截然不同的约束方式，以适应其复杂的受力与变形需求。

- 南端（Södermalm侧）：固定端  

隧道南端通过一个被称为“inslagsvalv”的巨大混凝土结构与钻爆法隧道连接。该结构通过纵向和横向的永久岩石锚杆牢固锚固。具体而言，共设置了75根岩石锚杆，每根长40米，锚固段长度10米，每根锚杆由22股钢绞线组成，以最大程度减少在极硬花岗岩中的钻孔工作量。其中50根锚杆布置在“inslagsvalv”的末端，通过套管延伸至岩石内约20米，传递正常使用和极限状态下的荷载（收缩、温度、自重、列车荷载等）；另外25根锚杆正交布置于隧道进入岩石的入口处，专门用于应对船舶撞击等偶然荷载。这25根锚杆确保了隧道在极端情况下的安全性。

- 北端（Riddarholmen侧）：自由端  

在北端，隧道简支在“接收仓”内，允许纵向自由移动。这种设计可以释放由于温度变化、收缩徐变等产生的纵向变形，避免在结构中产生过大的附加应力。隧道最终接头也位于接收仓内，其四周留有约10-12厘米的间隙，为后续的滑动和调整提供了空间。

其特点在于TE2两端均安装了GINA止水带，在TE2沉放完成后，TE1与TE2重新拉合（拉合行程约2.5米），排水后浇筑最终接头。

四、独特的沉管施工工艺

4.1 临时千斤顶与滑动板系统

Söderström隧道的沉管施工中，最独特的创新在于使用了外部临时千斤顶支撑和滑动板系统。

在每个桩基的承台（或筏板基础）上，都预先安装了一套由4个250吨液压千斤顶组成的临时支撑系统。每个隧道管节由4个千斤顶支撑（共16个千斤顶）。为了防止千斤顶承受水平荷载，在千斤顶与隧道管节底面之间设置了滑动轴承（特氟龙/不锈钢板），并在千斤顶周围设置了钢制护套，将剩余荷载分散传递。

这一设计使得隧道管节在沉放后不是直接落在永久支座上，而是首先落在可以调节高度和可以滑动的临时千斤顶上。这带来了几个关键优势：

1. 精确定位：通过调节千斤顶，可以实现毫米级的竖向和横向调整，满足±25mm的严苛公差要求。

2. 滑动就位：由于底部为特氟龙-不锈钢滑动界面，隧道管节可以在水平方向上被轻松推动，实现与相邻管节的对接。

3. 永久支座安装：在精确定位完成后，通过向预置的囊带内注入灌浆料形成永久支座，随后即可拆除临时千斤顶。所有千斤顶均被成功地从隧道底部移除。

4.2 适应不同空间的两套浮运沉放驳船

由于三个隧道管节的长度不同（TE1和TE2长107.5米，TE3长85米，且TE3略带曲线），且南北两岸的空间条件差异显著，工程团队设计并使用了两种不同配置的浮运沉放驳船。

- TE3（南侧管节）专用小驳船：由于TE3需要沉放在紧邻Söder Mälarstrand岸线的位置，空间极为有限。为此，专门设计了一艘长度比TE1/TE2驳船短约20米的浮运沉放驳船。该驳船的浮体为刚性梁结构，由集装箱式浮箱组成。起吊点和横梁的位置采用了偏心的布置方式，以适应TE3特殊的几何形状和受限的移动空间。

- TE1/TE2用大型铰接驳船：对于更重、更长的TE1和TE2管节，使用了更大的浮运沉放驳船。为了防止长浮体在吊重作用下产生过大的弯矩（中拱效应），在集装箱式浮箱的中部设置了重型铰链连接，使驳船能够适应变形而不致破坏。这一设计体现了对施工装备细节的深入考量。

4.3 四阶段沉放作业

整个沉管隧道的沉放作业分为四个阶段，历时约半年（2013年4月至9月），其流程极具创意：

- 第一阶段：沉放TE3（南端管节）  

 TE3首先沉放至其最终位置，与Söder Mälarstrand岸边的“inslagsvalv”对接。通过Gina密封垫进行初始压缩，排空接头内的水，完成连接。

- 第二阶段：TE1第一阶段——水下临时停放  

在TE3完成后，将TE1沉放至其设计位置附近的临时支座上，然后利用两个大行程液压推拉油缸（安装在TE1顶部与接收仓后墙之间），将TE1沿纵向拉入接收仓内约4米，进行水下临时“停车”。这一操作为后续沉放中间管节TE2创造了宝贵的空间（仅约2.4米间隙）。在TE1临时停放的两个月期间，这些大行程油缸持续控制并固定TE1的位置，防止其在水流和船只通行影响下移动。

- 第三阶段：沉放TE2（中间管节）  

在TE1安全停放在接收仓内后，将TE2沉放至TE1与TE3之间的空隙中。TE2是“无差别管节”，两端均安装有Gina密封垫，但只能沿一个方向放置。沉放完成后，TE2同时与TE1和TE3完成对接。

- 第四阶段：TE1第二阶段——推出接合  

最后一个阶段不再需要浮运沉放驳船。通过重新启用推拉油缸，将TE1从接收仓内推出约2.5米，使其与TE2紧密接触。在最后0.5米的行程中，顶板上的水平导向装置确保了TE1与TE2的精确对齐。接触后，Gina止水带被压缩，排空接头内水，完成最终连接。

这一四阶段沉放方案，尤其是中间管节的临时水下停放，在全球沉管隧道工程中极为罕见，充分体现了工程团队面对空间限制时的创造性思维。

五、与钻爆法隧道的最终接头

Citybanan铁路线的主体部分采用钻爆法施工。在Söderström隧道的南北两端，沉管隧道需要与钻爆法隧道实现可靠连接。这一“最终接头”的实现方式如下：

- 南侧（Södermalm侧）：从Södermalm岛的钻爆法隧道中，通过爆破开挖，实现了与深基坑的贯通。随后，在基坑内浇筑了一个巨大的混凝土结构——“inslagsvalv”。该结构一端与钻爆法隧道连接，另一端则通过前述的75根永久岩石锚杆与沉管隧道的南端固定连接。可以说，“inslagsvalv”既是钻爆法与沉管法的结构转换节点，也是整个隧道系统的固定锚固点。

- 北侧（Riddarholmen侧）：钻爆法隧道同样延伸至Riddarholmen的深基坑内。基坑内采用明挖法施工了接收仓和连接段，将钻爆法隧道与沉管隧道的北端自由端连接起来。北端采用了允许纵向位移的简支设计，避免了长隧道中的温度应力传递至暗挖隧道区段。

通过上述设计，钻爆法隧道与沉管隧道形成了一个完整、协调的地下铁路通道。

六、结论

Söderström隧道以其独特的地理位置、复杂的地质条件和富有创新性的工程解决方案，成为沉管隧道领域的一个杰出范例。其核心特点可归纳如下：

1. 环境适应性：在斯德哥尔摩最核心的历史城区，通过临时桥梁保持交通畅通、采用小型化沉放驳船适应狭窄空间、分阶段完成混凝土浇筑以避让船闸净空限制，充分体现了工程对城市环境的尊重与适应。

2. 结构创新：采用钢壳作为外模板并在现场分阶段浇筑混凝土，巧妙解决了市中心无干坞的难题；将隧道设计为坐落在桩基础上的“水下桥梁”，并施加全截面后张预应力，适应了深软覆盖层和硬岩起伏的地质条件。

3. 工艺独特性：创造性地使用了外部临时液压千斤顶与滑动板系统，实现了隧道管节的高精度定位和水平滑移；设计了两套不同的浮运沉放驳船以适应不同管节和空间需求；实施了包括水下临时停放在内的四阶段沉放作业，最大限度地利用了有限的施工场地。

4. 可靠的接头设计：通过南端强大的岩石锚杆群形成固定端，北端简支形成自由端，并采用后张预应力将三个管节连接为整体，确保了结构在长期运营中的稳定性和耐久性。

Söderström隧道于2013年成功完成全部沉放作业，它不仅为斯德哥尔摩增添了一条重要的交通动脉，更为全球工程师在面对极端城市环境与复杂地质条件下的隧道建设提供了宝贵的技术经验和创新灵感。

项目业主: Trafikverket, Sweden 

沉放顾问:Tunnel Engineering Consultants (TEC) 

承包商: Züblin Ground Engineering, Züblin Scandinavia AB, Sweden 

沉放承包商：Strukton Immersion Projects 

设计: COWI, Denmark