沉管隧道主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

林巍，田英輝，劉凌鋒，鄒威，劉孟源，陳猛

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；2.天津大學(xué)，天津 300072；3.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；4.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

近幾年，我國(guó)沉管隧道建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模都在擴(kuò)大。一方面，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，水上設(shè)備向著大型化發(fā)展；工程風(fēng)險(xiǎn)管控能力和精細(xì)化水平提高；混凝土強(qiáng)度提高。建設(shè)條件不同往日，沉管隧道方案有了新的可能。另一方面，對(duì)綠色環(huán)保的需求日益增長(zhǎng)?，F(xiàn)在討論沉管隧道方案的優(yōu)化是有益的。

相關(guān)文獻(xiàn)[1]和專著[2]對(duì)沉管設(shè)計(jì)已有論述，但對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化是點(diǎn)到為止。國(guó)內(nèi)沉管文獻(xiàn)過(guò)去較少，近些年隨著大工程[3-4]建設(shè)而大幅涌現(xiàn)，但多數(shù)是解決學(xué)術(shù)問(wèn)題或描述具體工程問(wèn)題。

本文結(jié)合某雙向八車道公路鋼筋混凝土沉管前期優(yōu)化工作，提出主結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一些方法，以及尚需進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題。

1 技術(shù)路線

沉管隧道主結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)路線見(jiàn)圖1。值得注意，空間與重量只優(yōu)化一方面的作用是有限的、甚至無(wú)用，因?yàn)槌凉茉O(shè)計(jì)是多因素相互影響并控制著主結(jié)構(gòu)的形狀[5]。設(shè)計(jì)要素有的控制重量（干舷允許值和抗浮安全系數(shù)），有的控制空間（風(fēng)機(jī)尺寸、排水溝高度和豎向剪力鍵安裝空間），有的雙控（壓重混凝土）。

圖1 沉管隧道主結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)路線Fig.1 Technical thread of immersed tunnel main structure optimization

2 空間設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)沉管隧道斷面內(nèi)孔使用空間的功能定義和澄清，有助于確保施工方便和使用凈空的需求，同時(shí)刪減不必要的空間。

2.1 高度凈空需求

參考國(guó)內(nèi)隧道規(guī)范[6]與沉管設(shè)計(jì)指南[1-2]及港珠澳大橋島隧工程沉管建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[7]，給出最小凈空高度需求建議見(jiàn)圖2。寫(xiě)成公式是：

式中：A是壓重層均厚，取決于抗浮安全系數(shù)1.06[1-2]或管底最小壓力2~3 kPa[2]的抗浮需求（T Kasper等對(duì)韓國(guó)釜山沉管回填后運(yùn)營(yíng)期大波浪作用下水平與豎向穩(wěn)定性做了更詳細(xì)的數(shù)模和物模研究[8]），而且必要時(shí)，需要滿足路面水平剪力鍵的安裝高度空間或隧道縱向排水溝安裝高度空間；B是風(fēng)機(jī)及支架高度（縱向通風(fēng)）；5 m建筑限界高度是隧道規(guī)范[6]的要求；i是路面橫坡，%，通常取1.5%~2%；式中數(shù)字0.375的來(lái)由為：淤國(guó)內(nèi)通風(fēng)規(guī)范[9]要求建筑限界與風(fēng)機(jī)之間至少預(yù)留0.15~0.2 m（文獻(xiàn)[2]解釋是防跳車）；于路面結(jié)構(gòu)（磨損）層預(yù)留了15 cm（港珠澳大橋沉管路面結(jié)構(gòu)層從原方案的12 cm加厚至14 cm[10]）；盂豎曲線可由路面厚度實(shí)際變幅確認(rèn)，參考文獻(xiàn)[2]預(yù)留2 cm；榆豎向安裝偏差與基礎(chǔ)沉降和豎向線形管理[7，11]有關(guān)，參考文獻(xiàn)[2]預(yù)留5 cm。

圖2 行車孔凈空高度需求Fig.2 Height clearance for a traffic bore

由上可知，降低風(fēng)機(jī)及支架高度（圖2中B）對(duì)主結(jié)構(gòu)行車孔凈空高度降低很重要。國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)高度常見(jiàn)規(guī)格有0.63 m、0.9 m、1.0 m、1.12 m、1.15 m。為確保通風(fēng)效果、降低長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)能耗，風(fēng)機(jī)支架也需要一定的高度。盡管長(zhǎng)隧道風(fēng)機(jī)尺寸一般選得較大，從沉管主結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度，減小通風(fēng)豎向凈空高度有時(shí)是必要的。優(yōu)化思路有：

1）加強(qiáng)洞口或陸上段隧道通風(fēng)，弱化或取消沉管內(nèi)縱向通風(fēng)[2]。

2）增加沉管內(nèi)風(fēng)機(jī)總量，減少單臺(tái)風(fēng)機(jī)尺寸[2]。例如加密風(fēng)機(jī)橫向布置數(shù)量，或與管節(jié)預(yù)制模數(shù)匹配，加密縱向間距。

3）主結(jié)構(gòu)頂板局部設(shè)置壁龕[2]，參考圖3。

圖3 壁龕降低通風(fēng)高度概念Fig.3 Niches to reduce ventilation height requirement

4）隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)通常由火災(zāi)控制，德國(guó)隧道安全研究建議將新能源汽車對(duì)通風(fēng)影響加以考慮。

以上優(yōu)化工作可與風(fēng)機(jī)節(jié)能減排的研究同時(shí)開(kāi)展。例如Mosen公司F Tarada博士初步研究結(jié)論風(fēng)機(jī)推力翻倍、風(fēng)流射角折11毅，有望節(jié)能1%。

壓重層厚度的減小也可降低總高度。一般性策略是重量精準(zhǔn)控制，另外結(jié)合水上助浮措施的策略是用結(jié)構(gòu)混凝土的重量代替壓重。

非行車孔凈空高度需求取決于具體項(xiàng)目需求，包括設(shè)施、管線、單獨(dú)火災(zāi)排煙通道等需求。防火規(guī)范要求人行疏散通道凈高不小于2.1 m[12]。

2.2 寬度凈空需求

行車孔寬度組成，包括隧道建筑限界[6]、管節(jié)水下平面對(duì)接偏差（預(yù)留50 mm，平攤到每側(cè)墻壁預(yù)留25 mm）[2]、混凝土表面不平（每側(cè)5 mm）、防火板安裝（每側(cè)20 mm）、平曲線加寬。

如取消公路隧道建筑限界兩側(cè)寬0.75 m的檢修道[6]，改為防撞路緣石，可縮減主結(jié)構(gòu)斷面總寬。上海道路規(guī)范[13]對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速80~100 km隧道，左側(cè)（駕駛）側(cè)向余寬需要0.5 m，右側(cè)（非駕駛）側(cè)向余寬0.25 m，意味著單行車孔寬度可縮減（0.75-0.5）+（0.75-0.25）=0.75 m，雙向交通沉管斷面至少有兩行車孔，總寬度有縮減1.5 m的可能。

國(guó)內(nèi)九華山隧道（2005年通車）、南京長(zhǎng)江隧道（2010）、定淮門(mén)長(zhǎng)江隧道（2016）、杭州錢(qián)江隧道（2014）和天津海河沉管（2015）均采用防撞路緣石，未設(shè)檢修道，國(guó)外建成沉管也有較多不設(shè)檢修道的案例。我國(guó)公路交通沉管常見(jiàn)兩（行車）孔一（逃生）管廊斷面，需要研究的是，當(dāng)管廊功能已覆蓋通行時(shí)，檢修道設(shè)置的必要性與利弊。

逃生管廊最小凈寬通常需要0.8~1.2 m[12，14-15]?？紤]輪椅人逃生，或預(yù)留設(shè)施及管線空間及排煙道需求，則可能需要更寬。歐美沉管逃生管廊寬度通常1.2~1.5 m，兩孔一管廊斷面通常1.5~2 m[2]。

2.3 平曲線形對(duì)主結(jié)構(gòu)方案的影響

為滿足兩岸接線，公路沉管平面線形經(jīng)常不是直線，而是平曲線，設(shè)計(jì)行車時(shí)速較快時(shí)，平曲線半徑大[16]，對(duì)設(shè)計(jì)方案的影響有限，但孔洞凈空需求仍需預(yù)留寬度。平曲線半徑對(duì)斷面總寬有兩個(gè)主要影響，管節(jié)接頭扭轉(zhuǎn)和孔洞加寬，前者取決于縱坡和管節(jié)長(zhǎng)度，后者取決于施工預(yù)制直線段長(zhǎng)度。

2.3.1 管節(jié)接頭扭轉(zhuǎn)

置于縱坡上的曲線管節(jié)接頭之間存在扭角酌，理論計(jì)算公式見(jiàn)式（2）[7]。當(dāng)該值達(dá)到工程影響量級(jí)時(shí)意味著管節(jié)導(dǎo)向裝置（或牛腿）等舾裝件[17]需要位置修正。式中：Le是管節(jié)長(zhǎng)度；R是平曲線半徑；j是設(shè)計(jì)縱坡，%。

2.3.2 平曲線加寬

曲線管節(jié)通過(guò)一段或多段直線預(yù)制段擬合曲線（以直代曲）。通過(guò)繪制平面圖，易發(fā)現(xiàn)直線預(yù)制段的墻壁邊緣的一部分將侵入建筑限界，因此管節(jié)斷面需加寬，推導(dǎo)得到斷面總加寬量駐W。

式中：n是斷面孔洞數(shù)量；Ls是管節(jié)內(nèi)的預(yù)制直線段長(zhǎng)度，當(dāng)以管節(jié)為單位直線預(yù)制時(shí)，Ls=Le。

舉算例說(shuō)明。平曲線半徑R=4 050 m，管節(jié)長(zhǎng)度及預(yù)制長(zhǎng)度均為L(zhǎng)e=Ls=80 m，斷面兩孔一管廊n=3，縱坡j=3%。代入式（2），得到管節(jié)接頭扭轉(zhuǎn)角度酌=0.034毅，可見(jiàn)工程影響可忽略；代入式（3），得到斷面總寬增加量駐W=0.592 m，影響較大?，F(xiàn)考慮將80 m長(zhǎng)的管節(jié)縱向分成3個(gè)Ls=26.67 m長(zhǎng)的直線段澆筑（在澆筑分段部位設(shè)置等轉(zhuǎn)角）斷面加寬值減小為駐W=0.066 m?？梢?jiàn)，更短的直線預(yù)制段長(zhǎng)度可有效減小孔洞凈空寬度需求（港珠澳大橋沉管E28—E33在工廠法預(yù)制流水線上以22.5 m長(zhǎng)直線節(jié)段擬合平曲線），節(jié)省一些工程量。但會(huì)導(dǎo)致預(yù)制體系（包括鋼筋籠綁扎和模板等）變復(fù)雜，施工臨時(shí)設(shè)備用量增加，兩者利弊需權(quán)衡。

3 重量設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 精細(xì)化重量設(shè)計(jì)與施工

沉管施工時(shí)既期望管節(jié)輕，易漂浮[18]，又期望管節(jié)重，易沉放[19]，運(yùn)營(yíng)時(shí)亦期望管節(jié)重，能節(jié)省管內(nèi)壓載和管頂回填[20]用量。因而管節(jié)自身重量取值對(duì)于沉管設(shè)計(jì)有兩面性，相關(guān)參數(shù)并非朝著一個(gè)方向取得保守就利于設(shè)計(jì)，而是需要取得真實(shí)與精準(zhǔn)。通過(guò)將重量有關(guān)參數(shù)的不確定性波動(dòng)范圍降到最低，減少主結(jié)構(gòu)工程量，減少臨時(shí)壓載（管頂干舷調(diào)節(jié)混凝土和壓載水箱）和永久壓載（管內(nèi)路面壓重混凝土和管頂回填），減少管節(jié)沉放水深，減少水下隧道基槽開(kāi)挖量。

上述觀點(diǎn)以結(jié)構(gòu)混凝土重度上、下限取值對(duì)主結(jié)構(gòu)斷面影響為例進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)時(shí)，重度上限值用于驗(yàn)算管節(jié)最小干舷，由于取值比真實(shí)值偏高，管節(jié)重量預(yù)測(cè)值就比真實(shí)的偏大；為了平衡重力，斷面需要設(shè)計(jì)成具有額外的浮力，進(jìn)而需要增加斷面總寬度或總高，導(dǎo)致隧道基槽挖泥量偏大。類似地，重度下限值設(shè)計(jì)時(shí)用于確定管節(jié)沉放用的臨時(shí)壓載水箱重度，以及確定運(yùn)營(yíng)期隧道內(nèi)路面下方的混凝土壓重層厚度。由于下限值取得比真實(shí)值偏低，需要配置偏大的水箱來(lái)滿足沉管著床后的臨時(shí)抗浮（通常要求逸1.05[1-2]），還需要額外的壓重混凝土來(lái)滿足永久抗?。ㄍǔＲ蟛恍∮?.06[1-2]）。進(jìn)而，偏厚的壓重層可能引起行車孔空間高度需求的增加，致使隧道斷面總高度增加，引起斷面浮力不必要的增大，浮力的增大需要更多的壓重補(bǔ)充。上述過(guò)程是個(gè)惡性循環(huán)。反之亦然。

重量設(shè)計(jì)主要影響參數(shù)：

1）結(jié)構(gòu)混凝土重度。包括粗骨料重度、鋼筋（及勁型骨架）用量、新拌混凝土密度變化等。

2）（海）水重度。客觀因素有水溫、含鹽量和水體含沙量，主觀因素有密度測(cè)量方法與精度、觀測(cè)點(diǎn)位與垂向分布，數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)機(jī)和歷史時(shí)長(zhǎng)。

3）預(yù)制偏差。受模板剛度與混凝土澆筑時(shí)變形的影響。建議混凝土澆筑時(shí)采用重量管控，控制每個(gè)澆筑段混凝土總量，多停少補(bǔ)，精細(xì)化管理，高精度控制管節(jié)總重量。

4）細(xì)節(jié)重量的精確計(jì)算。包括但不限于管頂舾裝件（及其預(yù)埋鋼板占用結(jié)構(gòu)混凝土重量的修正）、端封門(mén)自重、端封門(mén)前的管節(jié)端部不規(guī)則排水體積、壓載水系統(tǒng)（水箱、水泵、水管、水箱底部排不出的殘留水和管道內(nèi)積水）、交通工程開(kāi)孔（消火栓、橫通道及風(fēng)閥的預(yù)留孔）、施工通道與貫通測(cè)量臨時(shí)開(kāi)孔。對(duì)已有施工經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對(duì)理論干舷值與實(shí)測(cè)干舷值的對(duì)比，有助于提升該部分的預(yù)測(cè)精度。

3.2 負(fù)干舷沉管方案

管節(jié)預(yù)制完成后，有條件始終讓管節(jié)處于助浮狀態(tài)（例如某可研階段沉管計(jì)劃預(yù)制好后直接從碼頭運(yùn)上半潛駁）可考慮負(fù)干舷方案，也即管節(jié)自重大于浮力，自帶負(fù)浮力。好處是：

1）管內(nèi)臨時(shí)壓載系統(tǒng)可取消或弱化。淤?zèng)]有壓載水箱，管節(jié)兩端端封門(mén)可提早封閉，加快舾裝；于壓重混凝土的施工不需要與壓載水箱的拆除工序交替進(jìn)行；盂隧道內(nèi)光學(xué)貫通測(cè)量條件更佳。綜上，沉管舾裝與管內(nèi)施工和貫通測(cè)量變簡(jiǎn)單了。另外，壓載系統(tǒng)的取消減少了風(fēng)險(xiǎn)源，沉管總體安裝風(fēng)險(xiǎn)降低了。

2）減少路面永久壓重混凝土用量。

3）管節(jié)浮力需求的下降帶來(lái)節(jié)省結(jié)構(gòu)混凝土用量、降低基槽開(kāi)挖量的可能。如果凈空高度可同步優(yōu)化，結(jié)構(gòu)與壓重混凝土及疏浚工程量可大幅降低；如果不能，可將壓重混凝土設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)混凝土預(yù)先澆筑，結(jié)構(gòu)板厚的增加有利于增加安全儲(chǔ)備或優(yōu)化鋼筋用量。

實(shí)現(xiàn)的前提是，管節(jié)從完成預(yù)制到安裝前，始終能被助浮。對(duì)于干塢法預(yù)制的沉管，只需在管節(jié)上方預(yù)先放置浮筒或駁船，并用豎纜連接和預(yù)緊（取決于工期和施工需求，必要時(shí)需配置多套助浮浮筒或安裝船）。對(duì)于半潛駁運(yùn)輸?shù)墓芄?jié)，從半潛駁到安裝船的助浮體系轉(zhuǎn)化施工概念見(jiàn)圖4，需檢查半潛駁下潛深度滿足水深，安裝船跨上時(shí)不與管頂舾裝件碰撞。順帶提示，安裝船不必新建，可由2艘駁船改造（圖4），實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源的充分利用。

圖4 沉管助浮體系轉(zhuǎn)換Fig.4 Floating-aid-facility system transfer

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 鋼筋用量

4.1.1 鋼筋量的主要組成

鋼筋及其原材生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的二氧化硫等有害氣體對(duì)環(huán)境造成不利影響。對(duì)于沉管方案，還影響其重量設(shè)計(jì)的優(yōu)化。過(guò)密的鋼筋并不一定提高結(jié)構(gòu)承載力，還可能導(dǎo)致施工難度的增加、帶來(lái)振搗不密實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。鋼筋綁扎和架立也通常在管節(jié)預(yù)制的關(guān)鍵路徑上。綜上，鋼筋量的優(yōu)化不容忽視。

沉管主結(jié)構(gòu)鋼筋包括橫向鋼筋、箍筋和縱筋。橫向鋼筋的用量受控于斷面橫向彎矩大小與分布，箍筋受控于剪力。港珠澳大橋沉管主結(jié)構(gòu)斷面是雙向六車道、兩孔一管廊，淺水管節(jié)E32—E33（近似一般沉管）三類鋼筋工程量比例約為66%、14%和20%；而高水壓和大土壓的深埋管節(jié)E9—E27鋼筋用量比例約為68%、17%和15%?？梢?jiàn)橫向鋼筋是鋼筋用量的主控項(xiàng)。

4.1.2 橫向鋼筋量的主控荷載

以雙向八車道、兩孔一管廊斷面為例（圖5）。計(jì)算參數(shù)：淹沒(méi)水深6 m、增水高度3 m、管頂回填1.5 m厚并上覆2 m厚淤泥；壓重混凝土厚0.45 m；溫度梯度頂板與側(cè)墻10益、底板5益；行車孔交通荷載9.6 kPa/m2；縱向荷載傳遞等效成每個(gè)豎墻160 kN集中力。由此求得控制橫向鋼筋量的11個(gè)截面的最大彎矩及對(duì)應(yīng)的最不利工況組合。

圖5 雙向八車道斷面尺寸、初步配筋與橫向鋼筋控制截面Fig.5 Dual-way-eight-lanes immersed tunnel cross-section dimensions,initial rebar layout,and governing section of transverse rebars

截面Sec1最大彎矩7 124 kN·m，其中靜水壓力（與高水位）引起的內(nèi)力占43%、結(jié)構(gòu)自重28%、豎向土壓14%、溫度梯度8%、側(cè)邊回填引起的下拉力（負(fù)摩阻力）6%。其它荷載引起的內(nèi)力小于1%或?yàn)橛欣饔茫ê笸?/p>

截面Sec4最大彎矩3 656 kN·m，其中靜水壓力45%、結(jié)構(gòu)自重24%、豎向土壓15%、溫度梯度15%、回填負(fù)摩阻力1.5%。

截面Sec5最大彎矩3 579 kN·m，其中靜水壓力33%、結(jié)構(gòu)自重32%、豎向土壓8%、溫度梯度9%、回填負(fù)摩阻力11.5%、縱向傳遞力7%。

可見(jiàn)：1）以上提及荷載是沉管主結(jié)構(gòu)鋼筋量的主控因素，應(yīng)考慮優(yōu)化，必要時(shí)開(kāi)展專題研究，以減小不必要的鋼筋；2）水土荷載帶來(lái)的橫向主筋內(nèi)力占比例高達(dá)50%~60%，可作為沉管縱向線形盡可能抬高的理論依據(jù)。

4.1.3 裂縫寬度控制與橫向鋼筋量配量

對(duì)于無(wú)外包防水鋼筋混凝土沉管，以作者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，橫向鋼筋配置均由規(guī)范要求的允許計(jì)算裂縫寬度控制；對(duì)于不同板厚，鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件抗彎承載力通常只發(fā)揮到約30%~70%。按上述內(nèi)力結(jié)果，采用國(guó)標(biāo)[21]、水工[22]和橋梁[23]規(guī)范分別試算，試配筋見(jiàn)圖6。

圖6 橫向主筋不同規(guī)范與不同標(biāo)準(zhǔn)配置比較Fig.6 Comparison of transverse main rebar with different codes or standards

1）采用裂縫允許寬度0.2 mm，保護(hù)層厚70 mm標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，國(guó)標(biāo)、橋梁和水工規(guī)范配置的橫向鋼筋用量分別是173 kg/m3、175 kg/m3和176 kg/m3（圖6（b）~（d））；盡管3種規(guī)范給出的計(jì)算公式差異大，但鋼筋配置差別不大。2）按國(guó)標(biāo)[21]配筋，保護(hù)層厚度取70 mm并且裂縫允許寬度分別取0.15 mm和0.2 mm時(shí)，以及保護(hù)層厚度取50 mm和裂縫允許寬度取0.2 mm時(shí)，橫向鋼筋用量分別是199 kg/m3、173 kg/m3和172.2 kg/m3。可見(jiàn)，評(píng)估隧道所處環(huán)境，選擇適宜的裂縫允許寬度對(duì)鋼筋量的優(yōu)化很重要。

4.1.4 鋼筋切斷點(diǎn)設(shè)置原則

橫向鋼筋用量也與其錨固長(zhǎng)度有關(guān)?？刂平孛媸芾瓊?cè)鋼筋層數(shù)多達(dá)3~4層。理想地，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)每層鋼筋的切斷位置的精細(xì)設(shè)定，既保證結(jié)構(gòu)受力時(shí)鋼筋不滑移，又盡量早切斷，最小化鋼筋用量。然而，橫向鋼筋配置主要由計(jì)算裂縫允許寬度控制，鋼筋強(qiáng)度并未充分發(fā)揮，目前規(guī)范未完全明確強(qiáng)度未完全發(fā)揮的鋼筋應(yīng)在何處被切斷。如果按照鋼筋受力全發(fā)揮而設(shè)置切斷點(diǎn)是偏保守的話，則導(dǎo)致不必要的鋼筋量增加和施工困難。期待將來(lái)的研究能為規(guī)范的完善提供支持。

4.2 臨水側(cè)外包層

觀察沉管主結(jié)構(gòu)的歷史演變：1）1910年美國(guó)建造首個(gè)公路沉管；淤主結(jié)構(gòu)采用雙鋼殼（水下導(dǎo)管混凝土澆筑）；于兩個(gè)沉管建設(shè)以后取消了內(nèi)鋼殼（單鋼殼），主結(jié)構(gòu)混凝土臨、背水側(cè)各設(shè)置一層鋼筋；盂未來(lái)的進(jìn)步將是取消臨水側(cè)的鋼筋[24]。2）1937—1942年荷蘭建造首個(gè)鋼筋混凝土沉管；淤取消鋼殼，但包裹1圈6 mm厚鋼防水膜[25]。于1960—1966年建設(shè)了鹿特丹南北地鐵線采用“柔性鏈”理念，減小預(yù)制段長(zhǎng)度，自該項(xiàng)目以后荷蘭沉管均取消了外包防水膜[25]。3）日本早期沉管效仿美國(guó)鋼殼式，1985年以后多采用歐洲帶防水膜的混凝土形式[26]；1989年，由于熟練混凝土振搗從業(yè)人數(shù)下降，發(fā)展了不需振搗的高流動(dòng)性混凝土，且由于岸邊寸土寸金，東京干塢另作它用，將混凝土內(nèi)外模板做成了整體式可浮態(tài)澆筑的永久結(jié)構(gòu)，取消了混凝土中的所有鋼筋[26]。4）1994—2000年，基于無(wú)外包防水節(jié)段式沉管，丹麥—瑞典的厄勒海峽隧道（長(zhǎng)3.5 km）首創(chuàng)工廠法流水線[27]；2011—2017年港珠澳大橋島隧工程（5.7 km）[3-4]，待建的費(fèi)馬恩沉管（長(zhǎng)20 km）將發(fā)展第三代沉管預(yù)制工廠。

以上可見(jiàn)，不論歐美沉管還是日本沉管，伴隨著工藝提升與科學(xué)進(jìn)步和外界環(huán)境的改變，結(jié)構(gòu)形式朝著簡(jiǎn)單的方向發(fā)展。構(gòu)造的簡(jiǎn)單對(duì)施工提出更高的要求和挑戰(zhàn)。

我國(guó)多數(shù)沉管是在底板和側(cè)墻下部設(shè)置外包防水鋼膜，通常是6~7 mm厚鋼板與混凝土通過(guò)錨栓連接。施工已暴露出澆筑時(shí)底膜鼓脹（由于水化熱，鋼殼與混凝土彈模不同等原因）[28]，實(shí)際防水效果存在疑問(wèn)。預(yù)制好的管節(jié)進(jìn)行水密測(cè)試時(shí)，存在漏點(diǎn)檢查困難等問(wèn)題?；炷量販乜亓鸭夹g(shù)已提升，結(jié)合工廠法流水線預(yù)制、減少用鋼量、管節(jié)高效預(yù)制等工程需求，迫切需要對(duì)底鋼模的必要性和取消的可能性開(kāi)展論證。

4.3 頂板大倒角

頂板大倒角優(yōu)點(diǎn)是減小了斷面排水體積，優(yōu)化了重量設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)混凝土用量；缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)與施工復(fù)雜化，包括干舷計(jì)算與測(cè)量、異形端封門(mén)面板、較少的豎向剪力鍵可用空間、模板復(fù)雜、額外設(shè)置的吊點(diǎn)凸臺(tái)等，增加工程風(fēng)險(xiǎn)，更詳盡描述見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。設(shè)置與不設(shè)置頂板大倒角的控制截面內(nèi)力比較見(jiàn)圖7（計(jì)算參數(shù)同前），可見(jiàn)從結(jié)構(gòu)受力角度改善不明顯。

圖7 設(shè)置頂板大倒角和不設(shè)置時(shí)控制截面彎矩比較Fig.7 Comparison of bending moment of control section with and without big-roof-chamfer governing section

綜上，方案優(yōu)化時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。

5 方案優(yōu)化對(duì)主要工程量的影響

仍以上述雙向八車道、兩孔一管廊斷面為例。設(shè)計(jì)參數(shù)：行車孔和逃生管廊凈空寬分別為18 m和2.6 m；結(jié)構(gòu)混凝土重度24.1 kN/m3依1.245%，鋼筋量300 kg/m3；壓重層重度23.1 kN/m3；海水重度10.025 kN/m3依0.5%；附加重量245 kN/m；假設(shè)隧道水下基槽底寬45 m、頂寬200 m、基槽平均高度15 m。以30 cm干舷、1.06永久抗浮安全系數(shù)擬定斷面。斷面壁厚設(shè)置同圖5。

并以上述方案為基準(zhǔn)，考察海水重度、結(jié)構(gòu)混凝土重度、壓重混凝土重度、鋼筋含量、2.8 m頂板大倒角，5 cm干舷沉管和負(fù)干舷沉管這些單因素對(duì)工程量的影響，見(jiàn)表1。需注意，方案于斷面高度降低后，已無(wú)法保證30 cm干舷的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，需結(jié)合重量?jī)?yōu)化方案（榆、輿）或重量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（虞、愚）或組合方能實(shí)現(xiàn)；路面壓重層較薄時(shí)，水平剪力鍵只可能設(shè)置在結(jié)構(gòu)底板，很薄時(shí)，排水溝空間需檢查，必要時(shí)需特殊設(shè)計(jì)將其埋在主結(jié)構(gòu)中。

由表1可見(jiàn)：1）本文討論的優(yōu)化方案起到減少工程量的作用；2）負(fù)干舷沉管（方案愚）和頂板大倒角（方案余）可顯著減少工程量，但前者簡(jiǎn)化施工，后者復(fù)雜化施工；3）優(yōu)化手段的組合可更多地降低斷面高度；也可能過(guò)猶不及，過(guò)低的斷面高度對(duì)風(fēng)機(jī)選型和設(shè)置帶來(lái)困難，必要時(shí)還需考慮壁龕，增加主結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

表1 單因素研究Table 1 Single parametric study

6 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)討論沉管主結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，指出主結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要素之間的互動(dòng)影響機(jī)理與原因，并以雙向八車道、兩孔一管廊、100 km/h設(shè)計(jì)時(shí)速大斷面公路沉管為例說(shuō)明了優(yōu)化工作對(duì)工程量減少的作用。工程量減少也有助于加快施工。

需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題有，裂縫寬度控制時(shí)鋼筋錨固長(zhǎng)度的確定原則、外包防水底鋼模的必要性，沉管通風(fēng)空間需求優(yōu)化與節(jié)能研究。本文僅討論了沉管主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，還應(yīng)對(duì)舾裝與快速施工的優(yōu)化進(jìn)行專門(mén)討論。