林鳴，林?。?中國交通建設(shè)股份有限公司，北京　00088；.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京　00088）

沉管隧道結(jié)構(gòu)選型的原理和方法

林鳴1，林巍2
（1.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京100088；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088）

摘要：基于參與沉管隧道建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，參考當(dāng)前國外沉管隧道現(xiàn)實(shí)情況，從原理剖析入手，提出了沉管隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型的思考，并對(duì)沉管隧道結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展趨勢(shì)與優(yōu)化方向提出了建議。

關(guān)鍵詞：港珠澳大橋；半剛性沉管；沉管隧道；結(jié)構(gòu)選型；縱向結(jié)構(gòu)

0　引言

沉管隧道結(jié)構(gòu)發(fā)展至今，已有鋼筋混凝土沉管、鋼殼混凝土沉管、鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土沉管等形式可選擇，根據(jù)不同的工程條件還可以將它們?cè)O(shè)計(jì)成為不同長度的整節(jié)段或小節(jié)段，并與不同的橫斷面形式組合。沉管技術(shù)發(fā)展提供給我們?cè)絹碓蕉嗫晒┻x擇的方案，也提出了一項(xiàng)重要的工作，就是在建設(shè)沉管隧道時(shí)，首先要考慮對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全、結(jié)構(gòu)防水、工藝技術(shù)可行性、工程施工條件、環(huán)境的適應(yīng)性以及工程的經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估情況選擇確定沉管斷面及結(jié)構(gòu)形式。本文將這項(xiàng)工作稱作沉管隧道結(jié)構(gòu)選型。開展這項(xiàng)工作需要考慮的因素多，選擇的恰當(dāng)與否不僅影響工程建設(shè)的便利性和經(jīng)濟(jì)性，還將會(huì)影響沉管的使用壽命和運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。本文擬對(duì)沉管結(jié)構(gòu)選型的原理和方法進(jìn)行闡述和分析。

1　沉管的橫斷面

沉管隧道橫斷面可被設(shè)計(jì)為不同形式（圖1）[1]用以適應(yīng)沉管運(yùn)營、防災(zāi)等，這是考慮沉管橫斷面基本的要求。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，人們總是希望沉管的管壁更薄，重量更輕。但是管壁厚度的確定要考慮工程的具體水深條件，保證管壁具備足夠的防滲能力，同時(shí)還要滿足結(jié)構(gòu)受力要求，并具有一定的抵受火災(zāi)、爆炸、沉船等偶然事件的能力。最后，沉管需要起浮并保持干舷，選擇沉管橫斷面方案還需要兼顧沉管安裝的要求。綜合以上問題就可以評(píng)估確定沉管的斷面形式和結(jié)構(gòu)尺度了。

沉管管廊劃分、隔墻設(shè)置也十分重要。因?yàn)楣芾葎澐趾透魤υO(shè)置將決定沉管頂板的橫向跨度，影響沉管斷面結(jié)構(gòu)尺度，對(duì)于鋼筋混凝土沉管會(huì)影響結(jié)構(gòu)配筋率。沉管隧道在大水深和深埋的條件下適當(dāng)設(shè)置縱隔墻減小頂板跨度，可以降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，降低結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于鋼筋混凝土沉管可以減少結(jié)構(gòu)配筋率，降低施工難度。

圖1　沉管隧道典型橫斷面Fig.1　Typical cross section of immersed tunnel

縱隔墻設(shè)置的多與少，對(duì)于沉管的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要會(huì)影響到頂、底板的跨徑，對(duì)于沉管的縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有著不可忽視的影響。設(shè)置較多的縱隔墻能提高沉管的縱向剛度，能為沉管管節(jié)接頭提供更大的傳力能力。對(duì)深埋條件下的沉管隧道，若采用較少縱隔墻的設(shè)置方案，將會(huì)使沉管接頭設(shè)計(jì)受到限制。

理論上滿足抗?jié)B要求是沉管管壁結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)的厚度，實(shí)際上確定管壁厚度還需要結(jié)合沉管縱向設(shè)計(jì)對(duì)接頭傳力能力的要求和結(jié)構(gòu)受力要求等綜合評(píng)估確定。在沉管結(jié)構(gòu)選型過程中，如能盡量多嘗試不同管壁厚度與縱隔墻數(shù)量的組合，就有可能獲得更為經(jīng)濟(jì)的沉管重量和斷面尺度。

2　沉管的縱向結(jié)構(gòu)

沉管縱向結(jié)構(gòu)需要考慮的內(nèi)容主要包括管節(jié)形式、接頭傳力等。

2.1縱向設(shè)計(jì)特點(diǎn)

首先，沉管縱向設(shè)計(jì)決定于對(duì)沉管基礎(chǔ)狀態(tài)的把握和判斷。沉管基礎(chǔ)處在數(shù)十米水下，地質(zhì)情況依賴勘察進(jìn)行判斷，基礎(chǔ)施工質(zhì)量依靠施工過程進(jìn)行控制，整個(gè)施工過程完全不能夠被目測(cè)，只能夠感知，因此必然會(huì)包含很多的變異性、不確定性，需要更多地依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。其次，除水壓力外，沉管壓重荷載、上覆回填荷載、回淤荷載都需要通過沉管管體傳遞到基礎(chǔ)上，因此，上述荷載的大小及其分布、加載時(shí)間、加載順序和強(qiáng)度等與沉管基礎(chǔ)互為耦合作用，沉管的沉降變形會(huì)因此呈現(xiàn)出不同的規(guī)律性，沉管結(jié)構(gòu)和接頭會(huì)因此產(chǎn)生不同的受力反應(yīng)。

沉管縱向設(shè)計(jì)由于其邊界復(fù)雜，且難以精確量化和把握，各種因素因地、因時(shí)而異，因此在進(jìn)行沉管縱向設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和判斷力比通常的分析計(jì)算顯得更為重要，而這一過程更接近于一種風(fēng)險(xiǎn)決策行為。

2.2縱向傳力機(jī)理

沉管斷面尺度龐大，與一般結(jié)構(gòu)相比具有更大的縱向剛度，管節(jié)內(nèi)部的壓載和上覆的荷載首先會(huì)作用到管體結(jié)構(gòu)上，然后通過管體結(jié)構(gòu)傳遞到地基。受到地質(zhì)不均勻性和水下甚至深水作業(yè)條件的限制，完成的沉管基礎(chǔ)都會(huì)有一定的“軟、硬”差異。當(dāng)荷載傳遞到沉管底面與基礎(chǔ)的結(jié)合面時(shí)，基礎(chǔ)較“軟”區(qū)域地基首先產(chǎn)生沉降變形，而基礎(chǔ)較“硬”的區(qū)域會(huì)承受較大的荷載，同時(shí)產(chǎn)生較大的反力作用到沉管結(jié)構(gòu)上，沉管結(jié)構(gòu)因此會(huì)受到無規(guī)律、不均勻的反力場(chǎng)的作用，見圖2。隨著時(shí)間的推移，受力較大區(qū)域的地基也會(huì)發(fā)生變形，管節(jié)沉降隨之發(fā)生。沉管與基礎(chǔ)相互作用，地基反力與基礎(chǔ)變形相互轉(zhuǎn)化，作用在沉管底面的反力場(chǎng)將不斷重新調(diào)整、重新分布，并呈均勻化趨勢(shì)，最終會(huì)趨于穩(wěn)定。在進(jìn)行沉管管節(jié)縱向結(jié)構(gòu)選型時(shí)，依據(jù)具體的工程條件，準(zhǔn)確分析和判斷沉管與地基相互作用的過程是十分重要的。

圖2　沉管隧道地基不均勻反力場(chǎng)Fig.2　Uneven ground reaction forces of immersed tunnel

2.3整體式管節(jié)與小節(jié)段管節(jié)

由于整體式管節(jié)結(jié)構(gòu)（圖3）[2]的縱向剛度大，在地基反力的作用下，會(huì)呈現(xiàn)“寧折不彎”的結(jié)構(gòu)特性，其追隨和適應(yīng)地基變形能力弱，沉管結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生較大的縱向內(nèi)力，差異沉降變形會(huì)集中反應(yīng)在沉管接頭，沉管接頭需要具有更高的傳力能力。整體式管節(jié)不宜設(shè)計(jì)得過長，目前已建沉管的整體式管節(jié)長度以100 m左右的居多，原因是長度越長，對(duì)結(jié)構(gòu)縱向受力和沉管接頭傳力的要求越高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度越大。

圖3　鋼筋混凝土整體式管節(jié)，希臘Fig.3　Reinforced concrete monolithic type element, Greece

小節(jié)段管節(jié)由若干個(gè)20 m左右節(jié)段通過臨時(shí)預(yù)應(yīng)力組合而成（圖4、圖5），剛性段的長度僅20 m左右，沉管受力變形時(shí)能利用更多的節(jié)段接頭及時(shí)消化變形，吸收平衡內(nèi)力。與整體式管節(jié)沉管相比較，其追隨和適應(yīng)地基變形能力較強(qiáng)，會(huì)呈現(xiàn)“以柔克剛”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于小節(jié)段管節(jié)具有柔性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將沉管設(shè)計(jì)成為不同長度時(shí)，對(duì)沉管縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都不會(huì)構(gòu)成特別的影響，理論上小節(jié)段管節(jié)長度可設(shè)計(jì)到200 m以上，其結(jié)構(gòu)和接頭處理都不應(yīng)有額外障礙。

對(duì)于同樣長度的沉管工程，管節(jié)長度較短的沉管需要進(jìn)行更多次安裝，因此需要花費(fèi)更長的工期。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沉管隧道的規(guī)模越來越大，長度越來越長，在沉管安裝施工限制條件允許的情況下，能否設(shè)計(jì)更長的管節(jié)，獲取更大的工期優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為沉管結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)重要問題。

圖4　鋼筋混凝土小節(jié)段管節(jié)，韓國Fig.4　Reinforced concrete segmental type element, Korean

圖5　小節(jié)段沉管節(jié)段及預(yù)應(yīng)力組成示意Fig.5　Segments and prestressing illustration of segmental type element

從沉管防滲漏的角度看，整體式管節(jié)僅需在管節(jié)與管節(jié)之間設(shè)置接頭，而小節(jié)段管節(jié)需要設(shè)置更多的接頭，接頭越多，滲漏水的幾率越大。沉管的管節(jié)接頭止水結(jié)構(gòu)可靠，而節(jié)段接頭止水結(jié)構(gòu)可靠性略差，參見圖6，據(jù)已建沉管隧道統(tǒng)計(jì)，節(jié)段接頭滲水率一般會(huì)達(dá)到5%～10%。整體式管節(jié)與小節(jié)段管節(jié)相比，整體式管節(jié)在防滲方面更具優(yōu)勢(shì)。

圖6　港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)接頭與節(jié)段接頭Fig.6　Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel immersion joint and segmental joint

3　沉管的結(jié)構(gòu)選型

3.1鋼筋混凝土沉管

鋼筋混凝土沉管使用最為廣泛，技術(shù)十分成熟。既可以采用整體式管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以期得到更好的防滲漏功能，也可采用小節(jié)段管節(jié)結(jié)構(gòu)，讓沉管縱向獲得更好的柔性去適應(yīng)地基變形。采用小節(jié)段管節(jié)結(jié)構(gòu)可以將沉管管節(jié)設(shè)計(jì)得更長，如果沉管規(guī)模足夠大、沉管足夠長，還可以考慮采用工廠法預(yù)制。采用更長管節(jié)的設(shè)計(jì)方案可獲得更快的安裝工期；采用工廠法預(yù)制可以得到更穩(wěn)定的預(yù)制質(zhì)量控制環(huán)境。

當(dāng)設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)上覆更大荷載和需要設(shè)置更大橫向跨度時(shí)，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)將使沉管的配筋率更高，鋼筋施工效率下降，管壁結(jié)構(gòu)厚度加大。配筋率過大會(huì)增加沉管預(yù)制難度（圖7），管壁結(jié)構(gòu)加厚會(huì)增加沉管整體斷面尺度，影響工程經(jīng)濟(jì)性。

圖7　港珠澳大橋沉管隧道深埋段鋼筋Fig.7　Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnelelement reinforcement in deep water section

3.2鋼殼混凝土沉管

鋼殼混凝土沉管已有較長的歷史，工程案例多，設(shè)計(jì)、制造和施工的技術(shù)成熟。鋼殼混凝土沉管最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制造，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干塢和臨時(shí)工程的要求相對(duì)最低。鋼殼混凝土沉管結(jié)構(gòu)的鋼殼外包于混凝土的內(nèi)外表面，能夠讓鋼材更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)效率，進(jìn)而有可能獲得斷面尺度最經(jīng)濟(jì)的沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖8）[3]。鋼殼混凝土沉管在防滲、結(jié)構(gòu)抗震方面具有優(yōu)勢(shì)，并且由于能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化制造，其質(zhì)量控制也有明顯優(yōu)勢(shì)。但是，從經(jīng)濟(jì)性看，鋼殼混凝土沉管的造價(jià)相對(duì)較高，如果考慮設(shè)計(jì)成小節(jié)段沉管，經(jīng)濟(jì)性問題會(huì)更加突出，成為選擇該結(jié)構(gòu)形式的主要障礙。如果需要適應(yīng)深埋條件，鋼筋混凝土沉管結(jié)構(gòu)的配筋率很高，與鋼殼混凝土沉管結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)性方面差異不大，但是鋼殼混凝土沉管不方便被設(shè)計(jì)成為小節(jié)段沉管，采用該結(jié)構(gòu)形式極有可能會(huì)受到一定的限制。

圖8　鋼殼結(jié)構(gòu)管節(jié)，美國Fig.8　Steel shell type tunnel,USA

3.3預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土沉管

迄今為止，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土沉管的案例不多，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，特別是預(yù)應(yīng)力耐久性技術(shù)的不斷突破，預(yù)應(yīng)力混凝土沉管應(yīng)有良好的前景。與常見的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件尺度相比較，沉管的結(jié)構(gòu)尺度顯得十分龐大，因此在這里定義的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土沉管，準(zhǔn)確地說應(yīng)該屬于“部分”預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。所謂“部分”有兩層含義：1）通常只需要在沉管頂?shù)装宀课辉O(shè)置預(yù)應(yīng)力；2）設(shè)置的預(yù)應(yīng)力體系需要與普通鋼筋混凝土體系配合使用，共同發(fā)揮作用。對(duì)于設(shè)計(jì)者來講，在考慮將預(yù)應(yīng)力體系與普通鋼筋混凝土體系配合使用時(shí)，兩者如何進(jìn)行合理“分工”是最為重要的事情?？傮w上來說，鋼筋混凝土是主受力體系，在結(jié)構(gòu)中增設(shè)部分預(yù)應(yīng)力是為了提高沉管頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)抗裂性能，通過這樣的組合，使得沉管能以更低的配筋率獲得更大的橫斷面跨度和更為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)斷面。與鋼殼混凝土沉管不同的是，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土沉管管節(jié)與鋼筋混凝土沉管管節(jié)一樣，既能夠被設(shè)計(jì)為整體式管節(jié)，亦可以方便地被設(shè)計(jì)為小節(jié)段沉管。定性的看，它是一種結(jié)構(gòu)效率介于鋼殼混凝土沉管與鋼筋混凝土沉管之間，同時(shí)又兼具兩種沉管結(jié)構(gòu)形式共同優(yōu)點(diǎn)的沉管結(jié)構(gòu)。

4　半剛性沉管結(jié)構(gòu)

港珠澳大橋的沉管隧道未來的覆土厚度超過20 m，見圖9，是世界上第一條深埋沉管隧道，其上覆荷載5～6倍于一般沉管。額外的上覆荷載對(duì)沉管橫向結(jié)構(gòu)受力的影響通過加強(qiáng)沉管橫向結(jié)構(gòu)還是可以解決的。難以解決的是對(duì)沉管縱向的影響，數(shù)倍于一般沉管的覆土荷載通過沉管作用到地基時(shí)，無論對(duì)于沉管還是地基都會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于一般沉管的受力反應(yīng)。前述曾對(duì)沉管縱向結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和原理進(jìn)行過分析，沉管縱向的復(fù)雜邊界疊加5～6倍的上覆荷載，對(duì)于設(shè)計(jì)者毫無疑問是極為艱難的挑戰(zhàn)。

圖9　港珠澳大橋沉管縱斷面Fig.9　Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel vertical section

埋深沉管相比一般沉管，假設(shè)基礎(chǔ)條件相同，沉管結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更大的內(nèi)力，基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生更大的變形，沉管會(huì)發(fā)生更大的沉降。對(duì)于整體式管節(jié)，縱向受力要依靠沉管縱向結(jié)構(gòu)來抵抗，沉降變形要集中由管節(jié)接頭承擔(dān)，這會(huì)使得沉管縱向結(jié)構(gòu)和管節(jié)接頭難以承受，也極易給結(jié)構(gòu)和防水留下隱患和風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于小節(jié)段沉管，雖然大部分內(nèi)力可以通過節(jié)段接頭變形得到釋放，沉降變形也會(huì)被分散到更多的節(jié)段接頭，狀況會(huì)得到很大的改善。但是，即便采用小節(jié)段管節(jié)，在數(shù)倍于一般沉管荷載的條件下，對(duì)地基的不均勻以及加載時(shí)空變異性等帶來的受力不均、差異變形、接頭防水等，在設(shè)計(jì)中必須高度重視。

在深埋條件下如果選擇小節(jié)段管節(jié)沉管結(jié)構(gòu)，剛性段的長度只有20 m左右，沉管縱向結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)成障礙。沉管管節(jié)接頭可以通過監(jiān)測(cè)擇機(jī)鎖定，亦可對(duì)接頭傳力構(gòu)造進(jìn)行降低或限制剪力的專門設(shè)計(jì)，做到風(fēng)險(xiǎn)可控。最大的難點(diǎn)是節(jié)段接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為此創(chuàng)造了半剛性管節(jié)結(jié)構(gòu)，見圖10。半剛性管節(jié)是將小節(jié)段管節(jié)用永久預(yù)應(yīng)力連接為一個(gè)整體，其剛性介于整體式管節(jié)與小節(jié)段管節(jié)之間，通過控制預(yù)應(yīng)力力度，能夠做到將沉管上覆荷載在沉管剛性與地基變形兩者間進(jìn)行分配。半剛性管節(jié)保留與小節(jié)段管節(jié)相當(dāng)?shù)娜嵝?；利用?jié)段接頭之間的摩擦力與接頭剪力鍵的協(xié)同作用，能獲得數(shù)倍于一般節(jié)段接頭的傳力能力；由于設(shè)置永久預(yù)應(yīng)力，管節(jié)的整體性得以保留，防水幾乎可以做到與整體式管節(jié)同樣出色。半剛性沉管“剛?cè)岵?jì)”，兼具了整體式管節(jié)與小節(jié)段管節(jié)兩者之長，是適應(yīng)范圍更廣，受力、傳力更合理，防水更可靠的沉管結(jié)構(gòu)。

圖10　港珠澳大橋半剛性管節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.10　Semi-rigid structure of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge tunnel element

5　結(jié)語

得益于混凝土自流平、自密實(shí)、微膨脹等技術(shù)的發(fā)展，鋼殼混凝土沉管的施工越來越方便。半剛性沉管結(jié)構(gòu)集整體式管節(jié)與小節(jié)段沉管之長，對(duì)環(huán)境有著更好的適應(yīng)性，傳力和受力更加合理，防水更為可靠，將會(huì)是一種前景很好的新型沉管結(jié)構(gòu)。期待未來在沉管結(jié)構(gòu)選型時(shí)能夠嘗試將局部預(yù)應(yīng)力體系與半剛性組合；必要時(shí)也可以將多種沉管結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行組合，將不同工法進(jìn)行組合，就有可能獲得更多的突破，取得更大的跨越。

參考文獻(xiàn)：

[1]ITA WG Immersed and Floating Tunnels.Immersed and floating tunnels[J].Tunneling and Underground Space Technology,1993, 8(2):128.

[2]China Communications Construction Company Ltd.Hongkong-Zhuhai-Macao link,review of immersed tunnel aspects[K]//Technical notes.2008.

[3]Φresundsbro Konsortiet.The tunnel[M],Denmark:TheΦresund publication,2011.

E-mail：linming1004@sohu.com

中圖分類號(hào)：U451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-7874（2016）01-0001-05

doi：10.7640/zggwjs201601001

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：林鳴（1957—），男，江蘇南京市人，總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水工及路橋施工管理。

Principles and methods for structural-type selection of immersed tunnel

LIN Ming1,LIN Wei2
（1.China Communications Construction Company Ltd.,Beijing 100088,China;
2.CCCC Highway Consultant Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

Abstract：Based on the construction experience of immersed tunnel and referred to actual condition of present immersed tunnel in abroad,starting from the principle analysis,we elaborated the thoughts on structural-type selection of immersed tunnel,and proposed suggestion on the development tendency and optimized direction for the future immersed tunnel structure. Key words：Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;semi-rigid immersed tunnel;immersed tunnel;structural-type selection; longitudinal structure