鋼混三明治沉管結(jié)構(gòu)綜述

林鳴，劉曉東，林巍，孫亮

（1.中國交通建設(shè)集團(tuán)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；3.NCC設(shè)計(jì)咨詢公司，日本 東京）

鋼混三明治沉管結(jié)構(gòu)綜述

林鳴1，劉曉東2，林巍2，孫亮3

（1.中國交通建設(shè)集團(tuán)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；3.NCC設(shè)計(jì)咨詢公司，日本 東京）

沉管隧道主要結(jié)構(gòu)形式是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼殼結(jié)構(gòu)。三明治鋼混組合的沉管結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用領(lǐng)域、施工工藝較特殊，工程案例很少，僅在日本有應(yīng)用案例。在港珠澳大橋方案比選階段對日本沉管隧道三明治工法進(jìn)行了研究與考察，翻閱了有關(guān)技術(shù)資料；在港珠澳大橋島隧工程實(shí)施階段，出于降低風(fēng)險(xiǎn)、控制工期等方面因素，對可能需要實(shí)施的局部三明治結(jié)構(gòu)（最終接頭）也作了可施工程度的分析?；谡{(diào)研與實(shí)踐，文中對三明治沉管的起源、應(yīng)用性、功能、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算、施工工藝等方面進(jìn)行了綜合論述，希望能夠提升讀者對該結(jié)構(gòu)的整體認(rèn)識。

沉管隧道；三明治結(jié)構(gòu)；鋼混組合結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；施工工藝；港珠澳大橋

1 起源與機(jī)理

1.1 起源

鋼殼沉管隧道興起于美國，混凝土沉管隧道興起于歐洲[1]，而這兩種形式的沉管隧道在日本都有建設(shè)[1-2]。日本在掌握這兩種方法的基礎(chǔ)上又創(chuàng)造了三明治鋼混組合結(jié)構(gòu)的沉管隧道工法[2-3]。據(jù)作者訪問，該方法構(gòu)思的形成起因于澆筑混凝土的鋼模板。完成隧道結(jié)構(gòu)混凝土澆筑后，模板未拆除，連同沉管管節(jié)一起安裝。因?yàn)楸Ａ袅虽撃０?，結(jié)構(gòu)抗力驗(yàn)算時(shí)對地震等工況考慮了鋼結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，又通過加厚鋼板優(yōu)化了結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)而形成了三明治沉管結(jié)構(gòu)的思想。

1.2 機(jī)理

三明治鋼混組合結(jié)構(gòu)的沉管管節(jié)由墻體、頂板、底板及端面板分段進(jìn)行鋼構(gòu)件加工與拼接，再整體組裝，如圖1，整體組裝后，再往內(nèi)部澆筑混凝土[2]。

圖1 三明治沉管隧道拼裝示意Fig.1 Generalassembly of sandw ich-type immersed tunnel

圖2示意了構(gòu)件的典型組成[4]?？v、橫隔板起到傳遞豎向剪力的作用，也起到混凝土澆筑的分倉作用。混凝土主要抵抗軸向力，而壓縮時(shí)上、下面的鋼板可能發(fā)生屈曲[3]，這對縱、橫隔板的設(shè)置間距提出需求。混凝土及上、下面鋼板共同承擔(dān)壓彎荷載，期望它們能類似鋼筋與混凝土那樣協(xié)同工作[4]，但前提是混凝土和鋼板能共同變形，無相對滑動(dòng)，因此鋼板上一般設(shè)置剪力釘或角鋼，而角鋼又一定程度的提高了剪切承載力[3]，確保在混凝土澆筑前的管節(jié)拖運(yùn)等臨時(shí)工況及混凝土澆筑時(shí)的鋼結(jié)構(gòu)抗力及變形控制[5]。

圖2 三明治式沉管隧道典型組成Fig.2 Typical configurations of sandw ich-type immersedtunnel

2 適用性

2.1 已建成的三明治沉管隧道

世界上已建成的公、鐵交通沉管隧道超過150座，其中使用三明治結(jié)構(gòu)的沉管隧道至今僅有6座[2]，且只存在于日本境內(nèi)[3]，可參考表1。而日本已建設(shè)的交通用沉管隧道數(shù)量不少于22座。三明治沉管隧道在1991年已開始建設(shè)，距今已近20 a，從第1座三明治沉管的建設(shè)至今，世界上又建設(shè)了約30座沉管隧道[3]。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可觀察，三明治工法的沉管隧道除了在日本，并未在世界范圍內(nèi)興起，即使在日本國內(nèi)也未在建設(shè)數(shù)量上占據(jù)主導(dǎo)趨勢[2]。因此，該結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用性值得調(diào)查與思考。

表1 已建成的三明治沉管隧道統(tǒng)計(jì)Tab le 1 Summ ary of the constructed sandw ich-type immersed tunnel

2.2 適用性評價(jià)

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，英國也曾經(jīng)對三明治沉管隧道產(chǎn)生興趣，并進(jìn)行了大量的研究與試驗(yàn)[3]，英國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)進(jìn)行了1∶3的物模試驗(yàn)[3]，并于1997年編寫并出版了三明治沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南[6]。然而，英國至今還沒有建造三明治結(jié)構(gòu)的沉管隧道。

在結(jié)構(gòu)方面，2013年美國出版的有關(guān)沉管隧道一書認(rèn)為三明治結(jié)構(gòu)是一種很簡潔的結(jié)構(gòu)，但是該結(jié)構(gòu)在沉管隧道工法的適用性上存在以下3個(gè)限制[3]。

1）隧道工程要求隧道具備足夠的內(nèi)部通行凈空，且要求沉管結(jié)構(gòu)壁厚要足夠厚來達(dá)到運(yùn)營期的抗浮需要[7]。三明治沉管工法雖然可通過鋼混結(jié)構(gòu)降低了板厚，使整個(gè)結(jié)構(gòu)輕盈，但同時(shí)也會(huì)將管節(jié)漂浮時(shí)的干舷高度抬高，而由于結(jié)構(gòu)施工期的重量平衡需求[8]以及運(yùn)營期的抗浮要求[9]，需要在管頂或管內(nèi)預(yù)留足夠空間澆筑壓重混凝土[9]，截面尺寸增大，三明治工法失去其結(jié)構(gòu)性優(yōu)勢。該觀點(diǎn)也可用橫截面圖來示意，見圖3。

圖3 普通沉管隧道與三明治結(jié)構(gòu)隧道比較示意Fig.3 Illustrative com parison of normal-type and sandw ich-type immersed tunnel

2）現(xiàn)代隧道不僅要提供一個(gè)不受外部自然環(huán)境約束的通道空間，還要在隧道內(nèi)部放置很多服務(wù)設(shè)施，例如緊急操作板、緊急逃生門、電器操作箱及變電箱，對于美國傳統(tǒng)的圓形截面隧道，在近似矩形的交通限界以外有額外的空間來布置這些服務(wù)設(shè)施。而對于現(xiàn)代較常見的矩形截面隧道，不得不在隧道內(nèi)側(cè)的墻體上預(yù)留箱孔來容納這些設(shè)施。因此可以預(yù)見，這些數(shù)量眾多、形狀復(fù)雜的箱孔將給內(nèi)側(cè)鋼板的加工及混凝土的澆筑帶來極大的難度。

3）三明治結(jié)構(gòu)火災(zāi)后果嚴(yán)重性程度較大。盡管防火涂料可起到保護(hù)作用，內(nèi)側(cè)鋼板作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件（類比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋）一旦受損，將直接損害結(jié)構(gòu)承載能力。

在工藝方面，因?yàn)閮蓚?cè)鋼板的空間限制及剪力釘、角鋼的存在，為確?；炷翝仓軐?shí)，對于排氣問題，無振搗作業(yè)空間的自密實(shí)混凝土的配合比問題，以及澆筑方法，都需要制定專門的方法，導(dǎo)致工藝復(fù)雜化[2-3]。并且，因?yàn)殇摎に淼赖氖┕げ襟E很多，所以對施工管理提出了很高的要求[2]。

2.3 觀點(diǎn)及討論

概述以上歐、美及日本文獻(xiàn)對三明治結(jié)構(gòu)的評價(jià)，三明治結(jié)構(gòu)相比混凝土或鋼結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)性方面無明顯優(yōu)勢，反而嚴(yán)重化了火災(zāi)工況的后果，并相當(dāng)程度地復(fù)雜化了施工工藝及施工流程。然而，在日本境內(nèi)仍建造了6座三明治結(jié)構(gòu)沉管隧道。而水深50 m的土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道，由日本承包商大成建設(shè)公司施工，也曾考慮過采用三明治的結(jié)構(gòu)形式，最終卻因施工復(fù)雜的原因而放棄[3]。該項(xiàng)目施工指揮認(rèn)為，三明治沉管隧道工法僅適用于無法找到合適的陸地來預(yù)制沉管結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目環(huán)境。新若戶隧道進(jìn)行了各種結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性比較，三明治沉管隧道漂浮澆筑方案最終以經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢勝出，主要獲勝原因是船塢租借費(fèi)比鋼殼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)方案節(jié)省了約7億～40億日元。那霸臨港道路沉管隧道由于無法找到合適的澆筑混凝土的陸地而不得不選擇三明治形式，在海上漂浮狀態(tài)澆筑混凝土[5]。

基于以上對三明治沉管總體認(rèn)識的理解，對于仍然有興趣研究或?qū)嵺`的讀者，第3節(jié)主要根據(jù)日本已有工程經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)，概述該類型結(jié)構(gòu)的功能目標(biāo)、施工要點(diǎn)及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方法。第4節(jié)報(bào)告港珠澳大橋沉管隧道在最終接頭部位對該結(jié)構(gòu)形式的謹(jǐn)慎選擇、試驗(yàn)驗(yàn)證與施工籌備。

3 設(shè)計(jì)與施工概述

3.1 目標(biāo)需求

同普通沉管隧道，在隧道結(jié)構(gòu)預(yù)制完以后，三明治沉管隧道需要滿足浮運(yùn)、沉放等施工階段的承載力要求，也需要滿足從管節(jié)自漂浮至沉放狀態(tài)的對結(jié)構(gòu)重量的平衡控制，還需要滿足運(yùn)營期各種可能發(fā)生的不利工況的結(jié)構(gòu)承載力，以及耐久性、自防水等需求，具體可參考文獻(xiàn)[3]、[10]及[11]。

然而，與普通混凝土沉管隧道不同的是，在澆筑混凝土之前，鋼殼自身在預(yù)制支座、下水（或吊裝）、靜水壓力及其它施工臨時(shí)荷載作用下的承載力需要足夠，變形需要保持在所期望的范圍。還應(yīng)注意，從鋼殼預(yù)制場至澆筑混凝土的浮運(yùn)路線上需要的最小吃水深度可能會(huì)對鋼殼重量與橫截面外形提出一定要求。

3.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對比2.1節(jié)結(jié)構(gòu)機(jī)理，主要驗(yàn)算3項(xiàng)內(nèi)容：

1）軸向力和彎矩的承載力驗(yàn)算建立在近似鋼筋混凝土的理論上。

2）剪切力的承載力驗(yàn)算建立在近似拉、壓桿模型的理論上。

3）為了確?；炷梁弯摪迥芄餐ぷ鳎栩?yàn)算剪力釘、角鋼的擠壓剪力。

具體內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[4]及[12]。

3.3 施工關(guān)鍵工藝

三明治沉管結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵點(diǎn)至少包括2項(xiàng)：一是鋼板水密性，二是鋼殼內(nèi)的混凝土充分填充[2]。鋼板水密性是確保隧道不漏水、運(yùn)營期功能正常及結(jié)構(gòu)壽命的一個(gè)重要保障；混凝土充分填充是保證鋼與混凝土共同作用的一個(gè)前提。這兩項(xiàng)可通過設(shè)計(jì)、施工工藝及施工管理的互通與專項(xiàng)要求來實(shí)現(xiàn)，簡述如下。

為保證結(jié)構(gòu)水密，鋼結(jié)構(gòu)加工的尺寸與焊縫水密性需要在施工過程中進(jìn)行嚴(yán)格的控制與檢查。

為確保混凝土填充密實(shí)，設(shè)計(jì)方面需要合理布置縱橫隔板分倉、澆筑孔及排氣孔位置及細(xì)部加勁肋，以便為混凝土流動(dòng)路徑提供可能；施工方面需確?；炷辆邆涓吡鲃?dòng)性，不需振搗就能達(dá)到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)端。高流動(dòng)混凝土的質(zhì)量控制指標(biāo)，受項(xiàng)目環(huán)境影響，一般都需要進(jìn)行現(xiàn)場試澆筑來確認(rèn)混凝土具備穩(wěn)定的流動(dòng)性能，例如配合比試驗(yàn)及填充試驗(yàn)。

另外，對澆筑工藝也需嚴(yán)格控制。例如，日本某三明治沉管隧道澆筑設(shè)定使用時(shí)間為60 min，超時(shí)后，原則上不使用；對于泵管接頭的管理，混凝土的下落高度不超過1 m，并且軟管的上端不能放入混凝土的上面，配合注入的混凝土的上升，邊回收泵壓送管邊澆筑；澆筑高度管理是從空氣排放孔用批量檢尺的方法，高于澆筑高度的區(qū)域則使用照相機(jī)進(jìn)行監(jiān)測管理；一般的澆筑速度以50 m3/h設(shè)定，特別是在上鋼板及水平縱隔板附近，150～300 mm以下區(qū)域，為了保持連續(xù)性，澆筑的速度降到15～20 m3/h；各澆筑孔的澆筑范圍，用敲擊等方法確定澆筑狀況。

4 港珠澳沉管隧道最終接頭三明治結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

港珠澳大橋沉管隧道主體結(jié)構(gòu)總長約5.7 km，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。最終接頭長約15 m，需要與兩端的沉管隧道結(jié)構(gòu)在水下進(jìn)行合龍，水深近30 m。在外海環(huán)境下施工，可作業(yè)時(shí)間極為有限。為了降低海上作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)（如潛水員作業(yè)等），控制最終接頭的施工工期，增加施工可靠度，港珠澳大橋沉管隧道的最終接頭經(jīng)過3 a多的研究，從預(yù)制、安裝、工期等因素全面考慮決定采用基于三明治結(jié)構(gòu)的一種整體接頭方案。目前正在進(jìn)行施工前的試驗(yàn)與技術(shù)籌備工作，這可能是國內(nèi)沉管隧道對鋼混組合結(jié)構(gòu)概念的首次應(yīng)用?？v、橫隔板間距及板厚的驗(yàn)算，是根據(jù)日本發(fā)展的理論，在其結(jié)構(gòu)試驗(yàn)尺寸有效范圍內(nèi)使用，以保證結(jié)構(gòu)傳力正常。對于混凝土配合比穩(wěn)定性等受外部環(huán)境影響的問題，籌備階段進(jìn)行試澆筑穩(wěn)定性試驗(yàn)，對鋼板焊接工藝、澆筑工藝也需分別進(jìn)行專門研究。例如，自密實(shí)混凝土在兩邊鋼板內(nèi)流動(dòng)對鋼板的擠壓變形會(huì)引起最終接頭變形無法合龍的風(fēng)險(xiǎn)，為避免該問題，可能將在支架上（而非漂浮狀態(tài)）進(jìn)行混凝土澆筑，并通過機(jī)械設(shè)計(jì)來調(diào)節(jié)支架反力，控制鋼結(jié)構(gòu)總體變形。由于結(jié)構(gòu)規(guī)模相對較小，設(shè)計(jì)與施工借鑒了日本已建成的沉管項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造及其相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 討論與總結(jié)

盡管三明治沉管結(jié)構(gòu)起源于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能的考慮，但是其結(jié)構(gòu)體系并不像鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)那樣明晰，而是一種介于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)之間的中間結(jié)構(gòu)（第1.2節(jié)）。沉管隧道鋼板與混凝土的協(xié)同工作機(jī)理，在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)可類比鋼筋與混凝土的傳力機(jī)理，但是相比較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言并未得到較多實(shí)踐驗(yàn)證與支撐，在沉管隧道工程的應(yīng)用并不如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)那樣廣泛。一個(gè)較突出的優(yōu)勢是在無合適陸地澆筑混凝土?xí)r可以在漂浮狀態(tài)完成。因此，應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)應(yīng)充分理解其適應(yīng)性（第2節(jié)），當(dāng)需突破已有結(jié)構(gòu)形式或尺寸時(shí)（表1），對結(jié)構(gòu)驗(yàn)算公式的有效性及結(jié)構(gòu)傳力的可靠性需進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)需要大規(guī)模應(yīng)用時(shí)（表1），應(yīng)充分考慮其工藝復(fù)雜、施工管理難度、運(yùn)營期火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等因素（第2.2節(jié)）。還應(yīng)注意到，三明治沉管管節(jié)的施工周期（參考表1）相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要花費(fèi)數(shù)倍的時(shí)間。

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General discussion on steel-concrete composite sandwich immersed tunnel structure

LIN Ming1,LIU Xiao-dong2,LIN Wei2,SUN Liang3
（1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd., Beijing 100088,China;3.NCC Company,Tokyo,Japan）

The main structural types of immersed tunnel are reinforced-concrete and steel shell.The sandwich steel-concrete composite immersed tunnel has particular applicability and some special construction techniques.The project cases are rare, and the successful work only exists in Japan.We had studied the construction of this type for the scheme comparisons in the early stage of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project,looked through the relevant technical data.In the imp lementation phase of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel project,we also carried the construction level analysis on the local sandwich structure(final joints)which may need to implement,for purpose of lowering risk and controlling the time schedule.Based on the study and work experience,we provided a comprehensive discussion on the origin,applicability, functionality,structural capacity and construction technique of the sandwich immersed tunnel.The aim is to increase the overall understanding of the reader for the sandwich immersed tunnel.

immersed tunnel;sandwich structure;steel-concrete composite structure;design;construction technique; Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

U655.53；U455.46

A

2095-7874（2016）11-0001-04

10.7640/zggw js201611001

2016-10-26

林鳴（1957— ），男，江蘇南京市人，總工程師，教授級高級工程師，從事水工及路橋施工技術(shù)管理工作。E-mail：linming1004@sohu.com