深中通道鋼殼混凝土沉管隧道總體設(shè)計綜述

金文良，宋神友，陳偉樂，黃清飛，陳越，付佰勇

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；3.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084）

0 引言

沉管隧道源于美國，興盛于歐洲與日本，發(fā)展于中國。沉管隧道按結(jié)構(gòu)類型可分為鋼筋混凝土（含預(yù)應(yīng)力）與鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)兩類。兩類沉管隧道在國際上均有不少應(yīng)用案例，美國基本以鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)為主，歐洲是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，而日本則兼而有之。選擇何種形式，主要取決于國家及地區(qū)習慣及經(jīng)驗、施工裝備、材料供給、工程地質(zhì)條件、預(yù)制廠條件、水深條件、作用荷載等因素。

鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種在雙面鋼板間充填混凝土，并通過焊在鋼板上的連接件將鋼板與混凝土組合成整體而共同受力的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)中，鋼板主要用于承受拉力，并對內(nèi)部混凝土有一定的約束作用，同時還能夠抗?jié)B、抗裂；連接件主要用于傳遞鋼板與混凝土之間的界面剪力，并有較強的抗拔作用，能夠提高鋼板的穩(wěn)定性；內(nèi)部的混凝土主要用于承受壓力，并對鋼板起到約束作用，防止鋼板失穩(wěn)。鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種新型結(jié)構(gòu)形式，具有材料應(yīng)用率高、承載能力大、抗震性能好、防水性能高等顯著優(yōu)點[1]。

深中通道沉管隧道是在國內(nèi)首次采用了鋼殼混凝土新型組合結(jié)構(gòu)，面臨國內(nèi)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)空白，其工程規(guī)模、建設(shè)條件、技術(shù)標準、工程復(fù)雜程度均居同類型工程之最。本文立足其工程技術(shù)特點和難點，闡述鋼殼沉管隧道總體設(shè)計方案，供同行借鑒。

1 工程概況

深中通道位于粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)域，是集“橋、島、隧、水下互通”于一體的超大型集群工程。該項目采用“東隧西橋”方案，路線起終點樁號為K5+695—K29+669，全長23.974 km。項目東接機荷高速（K5+695），由東向西設(shè)置東人工島、機場樞紐互通立交、海底隧道、西人工島、非通航孔橋、伶仃洋大橋（主跨1 666 m海中懸索橋）、萬頃沙互通、中山大橋（主跨580 m斜拉橋）、非通航孔橋、馬鞍島陸域段橋梁，止于橫門互通（K29+669）。其中海底隧道全長6 845 m（其中沉管段長5 035 m），鋼殼沉管隧道概算總額約103.59億元[2]。

2 主要控制性建設(shè)條件

2.1 工程沿線水沙環(huán)境

工程所處伶仃洋水域潮汐屬不規(guī)則半日潮，潮流屬不規(guī)則半日潮流，赤灣站多年平均潮差為1.35 m。觀測期間赤灣站大潮最大潮差2.96 m，平均潮差1.87 m，小潮最大潮差1.06 m，平均潮差0.9 m。隧道基槽沿線潮流均呈往復(fù)運動，表層落潮流較強，底層漲潮流較強，大潮各站表層漲落潮平均流速介于0.39～0.78 m/s之間，底層漲落潮平均流速介于0.2～0.42 m/s之間。試挖槽回淤監(jiān)測期間，槽水域底部平均含沙量為0.067 kg/m3，大潮時為0.1 kg/m3，小潮時基本在0.02～0.04 kg/m3之間；試挖槽淤積主要以懸沙落淤為主；碎石基床鋪設(shè)后非臺風期平均淤強約為1.0～1.4 cm/d，“天鴿”臺風期平均淤強約為6.2 cm/d。

2.2 航道及航運條件

沉管隧道從東至西依次穿越3條航道：大鏟水道、機場支航道、礬石水道。按照最低通航水位-1.04 m基準設(shè)計，不同航道安全航深及對應(yīng)寬度見表1。

表1 航道通航尺度表Table 1 Navigation scale of channel requirements

2.3 航空限高

根據(jù)項目航空限高批復(fù)，隧址區(qū)域永久設(shè)施東人工島航空限高為35 m，西人工島航空限高為20 m。沉管隧道施工時，根據(jù)施工設(shè)備需求和周邊區(qū)域控制條件向民航管理部門報備并發(fā)布航行通告。

2.4 水利防洪

根據(jù)本項目防洪影響批復(fù)意見，島隧段防洪要求如下：1）伶仃泄洪通道內(nèi)阻水比控制在10%以內(nèi)，橫門東航道阻水比控制在5%以內(nèi)；2）伶仃洋東西側(cè)治導(dǎo)線之間最多設(shè)置一處人工島，島面長度不得超過625 m。

2.5 浮運、安裝氣象窗口

借鑒臨近類似工程，浮運沉放天氣窗口條件取值見表2。

表2 浮運沉放天氣窗口參數(shù)Table 2 Weather window parameters for floating and sinking

3 沉管隧道總體設(shè)計

3.1 主要技術(shù)標準

項目采用設(shè)計速度100 km/h的雙向8車道高速公路標準建設(shè)；主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100 a；行車孔建筑限界為寬0.75+0.75+4×3.75+1.00+0.5=18 m，高5.0 m（需要說明的是本項目為超寬沉管隧道，采用兩孔一管廊橫斷面，設(shè)有中間管廊，用于日常巡檢和安裝管道、電纜、水管等設(shè)施，實現(xiàn)了檢修道的基本功能。為降低設(shè)計與施工難度、造價控制，經(jīng)調(diào)研，設(shè)置側(cè)向?qū)挾燃坝鄬?，取消了右?cè)檢修道）。

浮運時管節(jié)的干舷高度≥15 cm；管節(jié)抗浮安全系數(shù)：1）管節(jié)沉放期間為1.01～1.02；2）管節(jié)沉放就位后為≥1.05；3）管節(jié)回填覆蓋完成后為≥1.15。

設(shè)計水位參數(shù)和有效波要素[2]見表3。

3.2 沉管隧道平縱設(shè)計

海底隧道起終點樁號為K5+695—K12+540，全長6 485 m。其中沉管曲線段長約536.5 m（以右幅計），半徑5 000 m，直線段長4 498.5 m。根據(jù)管節(jié)體量、浮運沉放設(shè)備能力、工期要求及施工組織等，標準管節(jié)長165 m，曲線變寬管節(jié)長123 m，最終接頭設(shè)置在E22/E23之間，管節(jié)劃分為：26×165 m+2.2 m（最終接頭）+6×123.8 m=5 035 m[2]。平縱面總體布置情況見圖1和圖2。

表3 設(shè)計水位和有效波要素Table 3 Design water level and effective wave elements

圖1 沉管隧道平面布置圖Fig.1 Plane layout of immersed tunnel

K6 R-5 000東人工島K7大鏟K8 K9機K10 K12 K11西人工島K13images/BZ_46_551_1448_578_1475.pngR-5 000images/BZ_46_546_1477_576_1533.pngimages/BZ_46_587_1494_601_1507.pngimages/BZ_46_801_1482_828_1509.pngimages/BZ_46_542_1535_570_1561.pngimages/BZ_46_797_1511_826_1538.pngimages/BZ_46_795_1540_822_1567.pngimages/BZ_46_836_1538_850_1551.png礬石 水道images/BZ_46_1761_1532_1780_1553.pngimages/BZ_46_1914_1529_1933_1550.pngimages/BZ_46_790_1568_820_1624.png場支航道水images/BZ_46_1802_1550_1825_1573.png道images/BZ_46_1802_1599_1825_1623.pngimages/BZ_46_1855_1587_1879_1610.pngimages/BZ_46_787_1626_815_1652.png

圖2 沉管隧道縱斷面圖Fig.2 Longitudinal layout of immersed tunnel

隧道縱面形式直接關(guān)系到隧道最大埋深、最大及最小縱坡、水下作業(yè)難度以及基槽開挖量等。根據(jù)隧道區(qū)航道布置情況，為了盡可能提高隧道設(shè)計標高、減少基槽開挖量，并滿足隧道內(nèi)最小排水縱坡0.3%的需要，本項目縱斷面采用非對稱W形設(shè)計。在保證航道最小安全航深前提下，隧道頂部最小回填厚度2 m[3]；兩主航道間采用W形縱斷面，盡可能減少在兩航道間的開挖疏浚深度，保證行車的舒適性，在機場支航道與淺灘區(qū)之間采用0.54%的最小縱坡，滿足縱向排水的需求；西島洞口段以2.98%起坡，以便盡快出洞，最大程度縮短西人工島長度，有效降低阻水率，并保證相接的非通航孔橋橋面合理標高。

3.3 管節(jié)主體結(jié)構(gòu)

鋼殼混凝土沉管隧道采用新型組合結(jié)構(gòu)形式，管節(jié)構(gòu)造是由內(nèi)、外面板，橫、縱隔板，橫、縱加勁肋及焊釘組成。橫隔板間距為3 m，縱隔板間距為3.5 m，組成封閉的混凝土澆筑隔倉。內(nèi)、外面板作為主受力構(gòu)件，承受拉壓應(yīng)力。橫、縱隔板為受剪主要構(gòu)件，且連接內(nèi)、外面板成為受力整體?？v向加勁肋T形鋼、角鋼及焊釘作為抗剪、抗拔復(fù)合連接件，以保證面板和混凝土的有效連接?？v向加勁肋與橫向扁肋共同作用增強面板剛度。主體結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)面板采用Q420C，最大板厚40 mm；橫向隔板采用Q390C，最大板厚30 mm；其余采用Q345C，填充混凝土采用C50自流平混凝土[2]。

沉管橫斷面見圖3。

圖3 沉管隧道橫斷面圖（cm）Fig.3 Cross section of immersed tunnel（cm）

3.4 鋼殼隔倉澆筑孔和排氣孔設(shè)置

開展了2個長度18 m足尺模型試驗和30余組隔倉模型試驗，結(jié)合混凝土流動規(guī)律確定了工藝孔的合理構(gòu)造。沉管隧道標準隔倉為3 m×3.5 m×1.5 m規(guī)格，單個隔倉開1個澆筑孔、10個排氣孔，澆筑孔規(guī)格為D273×8，排氣孔規(guī)格為D89×8，在厚薄板位置開設(shè)1個排氣孔D48×7。頂板頂、底板頂縱肋排氣孔按間距30 cm開U形排氣孔（R30+60）[2]。隔倉構(gòu)造布置見圖4。

圖4 鋼殼沉管隔倉構(gòu)造圖Fig.4 Structure configuration of steel shell-concrete chamber

3.5 自密實混凝土性能參數(shù)及脫空標準

鋼殼混凝土沉管隧道填充C50自密實混凝土，要求具備高穩(wěn)健、低收縮、自流動等優(yōu)越的工作性能[4-8]。通過1 000多組原材料配合比試驗分析，優(yōu)選出自密實混凝土配合參數(shù)。自密實混凝土性能指標[6]和配合比如表4和表5所示?；炷猎试S脫空高度＜5 mm，分格（10 cm×10 cm）整體脫空高度≥5 mm但＜8 mm，分格脫空高度≥5 mm但＜8 mm且未連成片，1個隔倉（3 m×3.5 m）中脫空總面積超過0.1 m2，以及脫空高度≥8 mm，需要進行鉆孔注漿補強處理；脫空檢測可采用沖擊映像法和中子法檢測[7]。

表4 自密實混凝土工作性能指標Table 4 Working performance of self-compacting concrete

表5 自密實混凝土配合比Table 5 Mix preparation of self-compacting concrete kg

3.6 沉管基礎(chǔ)及墊層

為實現(xiàn)沉管隧道地基總沉降與縱向差異沉降協(xié)調(diào)和剛度的平順過渡，考慮施工工藝和技術(shù)可行性，沉管隧道依次采用了PHC樁基礎(chǔ)、高壓旋噴樁、深層水泥攪拌樁、天然地基等不同類型地基，具體處置方案[2]見表6。

表6 沉管隧道不同地層基礎(chǔ)處置方案Table 6 Foundation treatment plans for different layer under immersed tunnel

3.7 鋼殼管節(jié)防火體系

參照類似工程建設(shè)案例，鋼殼沉管主體結(jié)構(gòu)耐火等級：一類隧道按RABT標準升溫曲線要求，耐火極限不低于2 h。在耐火極限時間內(nèi)，混凝土表面≤380℃，鋼殼表面溫度≤300℃；橡膠止水帶溫度不得持續(xù)1 h以上超過100℃或不得持續(xù)2 h以上超過70℃，且其最高溫度不得超過150℃，采用掛防火板設(shè)計方案[2]。

3.8 鋼殼沉管防腐體系

鋼殼混凝土沉管其迎水側(cè)鋼殼防腐采用“預(yù)留腐蝕厚度+重涂裝+外置犧牲陽極塊”三重防腐措施，空氣側(cè)鋼殼（車孔內(nèi)底板頂上表面有壓艙混凝土，采取50μm環(huán)氧富鋅底漆防腐措施）防腐采用“重涂裝+定期維護”雙重防腐措施[5]。

3.8.1 涂裝方案

1）車孔底板頂上表面：環(huán)氧富鋅底漆50μm。

2）底板下表面除兩側(cè)各8 m范圍：三道玻璃鱗片漆，2×350+300=1 000μm。

3）其余外露鋼結(jié)構(gòu)表面：雙道玻璃鱗片漆，2×350μm=700μm。

4）車道孔表面的側(cè)墻及頂板，在噴涂永久玻璃漆之前應(yīng)輔底漆，要求采用50μm環(huán)氧富鋅底漆。

3.8.2 犧牲陽極主要技術(shù)要求

1）陽極材料為Al-Zn-In（鋁-鋅-銦），測試及取樣方法符合DNV B 401標準。

2）陽極與鐵芯之間接觸電阻小于0.001Ω。

3）犧牲陽極材料要求在80Ω·cm電阻率海水中，工作負電位足夠大，能夠達到-1.15 V，其長期性能需做專業(yè)機構(gòu)認可實驗。

鋼殼沉管隧道犧牲陽極塊的布置方案如圖5所示。

圖5 鋼殼沉管隧道犧牲陽極塊布置圖Fig.5 Arrangement of sacrificial anode for steel shell of immersed tunnel

4 結(jié)語

深中通道雙向8車道鋼殼混凝土沉管隧道屬世界首次應(yīng)用，鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管隧道是一種新型的組合結(jié)構(gòu)形式，具有材料使用率高、承載能力大、抗震性能好、防水及耐久能力高等優(yōu)點，但在國內(nèi)屬于全新技術(shù)。本文基于大量研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，介紹了深中通道項目主要控制性建設(shè)條件，系統(tǒng)闡述了鋼殼混凝土沉管隧道總體設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，主要設(shè)計參數(shù)得到了工程驗證，同時結(jié)合行業(yè)共性問題，部分關(guān)鍵參數(shù)繼續(xù)深化研究和驗證，包括鋼殼混凝土沉管隧道組合結(jié)構(gòu)理論、鋼殼組合結(jié)構(gòu)火災(zāi)致災(zāi)機理和主動防控技術(shù)、大跨徑鋼殼沉管隧道長效腐蝕機理和智能監(jiān)測技術(shù)等繼續(xù)全面系統(tǒng)深化研究，以期進一步形成鋼殼混凝土沉管隧道成套理論體系和施工關(guān)鍵技術(shù)，為我國今后類似工程設(shè)計與施工提供借鑒指導(dǎo)。