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1现代沉管隧道工法与新技术陈韶章苏宗贤2014年4月主要内容一、现代沉管隧道的发展与技术需求二、现代沉管隧道的设计理论与方法三、现代沉管隧道的施工、装备与产品四、结束语21.1断面型式北美：·从1894年美国在波士顿首次采用沉管法成功修建的一条输水管线、1910年美国在底特律河用该工法修建了世界第一座用于铁路交通的水下隧道开始，美国开启了沉管工法隧道的建设。·1970年建成长5825m的旧金山湾区快速轨道运输系统（BayAreaRapidTransit）沉管隧道。主要采用圆形断面的钢壳结构型式，在北美得到推广。3美国Detroit-Windsor沉管隧道横断面欧洲：·第一座采用矩形钢筋混凝土结构的沉管隧道出现在欧洲——荷兰鹿特丹马斯河（Maas）水下公路隧道，1942年。·这种钢筋混凝土箱式矩形结构型式在20世纪中叶以后成为沉管隧道主流结构型式，其得益于钢筋混凝土结构防裂和防渗技术的进步。·2000年建成的连接丹麦和瑞典的厄勒松海峡沉管隧道，也采用混凝土矩形箱式管节。4荷兰Maas沉管隧道横断面厄勒松海峡沉管隧道横断面5亚洲：·日本的沉管隧道发展开始于1944年在大阪修建的阿吉河（AjiRiver）水下隧道，该隧道采用了美式的单层钢壳结构。·1980年建成的大马隧道采用了钢筋混凝土结构型式，断面型式逐渐为矩形所取代。·土耳其的博斯普鲁斯海峡沉管隧道业主在2002年的招标方案中采用圆形钢壳结构，承包商在2004年的设计方案中采用了钢筋混凝土矩形结构。·韩国2005年开始修建的釜山-巨济海底沉管隧道，也采用钢筋混凝土箱式矩形结构。ESCAPEGALLERYSERVICEGALLERYSMOKEEXTRACTIONDUCTs10070mm2500mm10070mm26460mm韩国釜山-巨济沉管隧道横断面(a)2002年业主招标方案(b)2004年承包商设计方案博斯普鲁斯沉管隧道横断面6·1972年，我国香港地区建成了跨越维多利亚港的红磡道路海底隧道——双圆形钢壳钢筋混凝土复合结构沉管隧道，1979年采用矩形混凝土结构建成了香港地铁MTR（MassTransitRailway）第一条海底沉管隧道，随后又建成了公铁合建的东区海底沉管隧道和公铁分建的西区海底沉管隧道。香港红磡沉管隧道出入口（矩形断面）7·20世纪90年代至今，我国境内建成的沉管隧道有广州珠江1座、宁波甬江2座和上海黄浦江1座，以及正在建设的广州市仑头—生物岛、生物岛—大学城和洲头咀三条越江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道、天津市海河沉管隧道、港珠澳大桥海中沉管隧道、南昌赣江红谷沉管隧道，也均采用钢筋混凝土箱式矩形结构。广州洲头咀沉管隧道横断面广州珠江沉管隧道8横断面结构型式对比：（1）圆形钢壳结构特点：①水密性好；②预制容易；③浮运航道条件要求不高；④钢材用量大，造价昂贵；⑤断面利用率不高；⑥浮态浇筑内衬钢筋混凝土；⑦一般需采用外部永久压重。9（2）钢筋混凝土矩形箱式结构特点：①对于采用纵向通风+重点排烟的道路隧道，可大大压缩了竖向尺寸，提高了路面标高，减少基槽开挖量，有利于与两岸（人工岛）道路衔接，缩短了隧道段长度，使人工岛体量得到控制，减小阻水率；②不受横向尺寸限制，特别适用于多条车道或公铁合建，横断面利用率高；③有利于横向联络通道的布设；④浮运时干舷较小，对浮运航道条件要求高。·可见，钢筋混凝土箱式矩形结构是目前沉管隧道建设的主流型式。101.2水深与覆土底部最大水深：·1910年，美国底特律沉管隧道为24.4m。·1930年，底特律-温特索沉管隧道为18.5m。·1942年，荷兰马斯河隧道为22.5m。·1979年，香港地铁MTR沉管隧道为24.24m，·1993年，我国广州珠江沉管隧道约为21m。·2000年，厄勒松海峡沉管隧道约22m。……可以看出，早期的沉管隧道由于技术、施工装备和工艺限制，适合的水深在20m左右。11·1970年，世界最长的美国BART沉管隧道（钢壳结构）最大水深达到了40.5m。·2011年建成的韩国釜山-巨济沉管隧道底部最大水深约51m。·2008年建成的土耳其博斯普鲁斯沉管隧道（铁路）最大水深达61m。·在建中的我国港珠澳大桥海中沉管隧道最大水深约46m。这三座隧道均为钢筋混凝土箱式矩形结构，需要克服的水深达到了40m以上。土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道平面及纵断面12对于覆土：·过去绝大部分的沉管隧道敷设于河床或海床面上，除了人工回填覆盖提供保护外，覆土几乎没有或很小，结构分析主要考虑抗浮问题。·当隧道穿越航道时，沉管隧道需要敷设于航道以下，航道以外区域在隧道建成后将逐渐回淤至河床或海床面而产生较大的覆土（或回淤）荷载，使得结构分析既要考虑抗浮，又要考虑处理结构与地基基础沉降相协调问题。13建设中的港珠澳大桥海中沉管隧道需要穿越规划30万吨级的铜鼓航道和伶仃西航道，最大回淤厚度达23m。港珠澳大桥海底沉管隧道平面与纵断面141.3服务功能·过去修建的沉管隧道，大部分为城市道路或公路隧道，对于圆形钢壳型式，多数为单孔双向双车道。·在矩形钢筋混凝土结构出现之后，普遍为双向四车道，部分根据交通量需求采用双向六车道。·目前高速公路普遍要求达到双向六车道标准：港珠澳大桥沉管隧道，100km/h双向六车道，单孔三车道，成为单孔跨度最大（14.25m）的沉管隧道。港珠澳大桥沉管隧道横断面15·部分工程需要双向八车道：美国采用钢壳结构的FortMcHenry隧道、荷兰采用矩形钢筋混凝土结构的Drecht隧道（这两座隧道断面形式相同），为目前世界上仅有的两座双向八车道水下道路隧道（四孔，每孔两车道）。我国规划中的深中（深圳-中山）通道，要求达到双向八车道的高速公路建设标准，若不能降低通行能力（两车道每孔），需进一步解决单孔四车道的大跨混凝土矩形结构的受力问题（单孔跨度达19.25m）。荷兰Drecht沉管隧道横断面16·在矩形钢筋混凝土结构型式出现后，沉管隧道横断面宽度的利用率得到提高，出现了城市道路与地铁、公路与铁路共管设置，甚至发展为能通行高速铁路的水下沉管隧道。如广州市珠江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道为公（道）铁两用隧道。拟建的丹麦-德国费马恩海湾沉管隧道已确定建设成公铁两用隧道，建设标准为120km/h的双向四车道高速公路和160km/h的双线铁路。可见，沉管隧道正从单一用途向多用途方向发展。佛山东平河沉管隧道横断面布置费马恩沉管隧道横断面布置171.4隧道长度与管节长度·1910年在美国底特律河下修建的沉管隧道全长只有782m，每节管长78.2m，共有10节。·后来修建的美国旧金山湾区快速轨道运输系统（BART）沉管隧道，长5825m，每节管长102.2m，目前仍保持为世界最长的沉管隧道。·在上个世纪，世界上修建的沉管隧道长度一般在2km以内，每节管节一般在100~130m的范围内，目前，沉管隧道的长度已增加至3km以上，管节长度也进一步增大。18·土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道（沉管段长约1387m）标准管节长135m。·厄勒海峡沉管隧道（沉管段长约3.5km）标准管节长176m。·韩国釜山-巨济沉管隧道（沉管段长约3.3km）标准管节长180m。·在建中的港珠澳大桥沉管隧道（沉管段长约5.7km）标准管节长180m。·1980年建成的荷兰的海姆斯普尔（Hemspoor）隧道标准管节长268m，目前仍保持着最长钢筋混凝土矩形管节的纪录。·拟建的费马恩海湾沉管隧道（沉管段长17.6km）标准管节采用了长217m的节段式钢筋混凝土矩形结构（招标方案）。19·随着隧道长度的增加和建设工期的要求，管节长度需要进一步增大，同时由于混凝土温度应力和收缩徐变等因素的影响，长管节结构需以节段式取代整体式：·这将使结构受力矛盾转嫁为管节（沉管段）水密性矛盾。201.5腐蚀环境与设计使用寿命·以往修建的沉管隧道，大部分处于江河下游，耐久性矛盾并不突出。·从20世纪90年代以后，沉管隧道工程从江河环境逐渐向江河入海口、海湾环境甚至跨海峡环境发展，暴露在海洋环境中混凝土结构耐久性又面临进一步挑战，传统的耐久性设计理论和方法不能满足复杂腐蚀环境和设计使用寿命的需求。oo结构使用性能结构使用性能时间时间使用年限使用年限AAoo结构使用性能结构使用性能时间时间使用年限使用年限AA老化（劣化）过程（性能）极限状态21考察沉管隧道的发展历史及近期的几座典型沉管隧道：·丹麦-瑞典厄勒松海峡沉管隧道·土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道·韩国釜山-巨济沉管隧道·港珠澳大桥沉管隧道发展趋势：1.钢筋混凝土箱式矩形结构逐渐取代圆形钢壳结构；2.长度从2km以内发展到3km；3.水深从20m左右发展到40m；4.单孔跨度越来越大；5.从江河海湾发展。主要内容一、现代沉管隧道的发展与技术需求二、现代沉管隧道的设计理论与方法三、现代沉管隧道的施工、装备与产品四、结束语22232.1地质勘察·以往的沉管隧道一般位于河床表面上，对地基承载力要求不高，有时怕浮不怕沉，因此对勘察要求也不高，随着通航要求和回淤问题的出现，现代沉管隧道工程对地质勘察工作要求也越来越高，需要精细化的勘察分析。·勘察布孔应与沉管隧道的结构设计计算理论相结合，利用用岩土工程理论解决地层分层、土地分类、物理力学指标和地基土的工程特性如承载能力、抗剪强度、固结系数和渗透系数等，并对地层反力系数K值进行评估。24·传统的钻探获取的土样不可避免的受到扰动而难以获取较为准确的参数，而且在隧道沿线及周边需布设一定密度的勘探孔，传统的钻探工作将大量增加海上作业的时间和成本，而且与航道运营相互干扰，海事协调难度大。·在欧洲普遍采用静力触探（CPT、CPTU）和钻探相结合的手段进行沉管隧道工程的地质勘察。·港珠澳大桥沉管隧道建设也引入了CPTU，研究解决CPTU与国家勘察标准规范取值之间的相应关系。25·一般采用以CPTU为主，并与钻探相结合的勘察方法。·主要适用于海、陆相交替的冲积层和沉积层，可快速判别粘性土、粉性土和砂性土地层。CPTU间接指标经验公式计算变形参数计算沉降量·需在原位或同类土质地层应用静载压板试验或螺旋压板试验进行对比或修正，还需结合鉴别孔和技术孔进行分析。·现代的沉管隧道设计还需要考虑施工存在不确定性的影响，例如地基刚度的不确定性（包括勘察不确定性、基槽超欠挖和基础不平整等因素引起）对隧道结构内力和变形也会有明显影响。26欧洲的经验主要是以一定的偏差波动（一般取15~20%）和根据管节长度计算最不利的偏差波长进行计算，并以此进一步确定CPTU的布孔间距，地基刚度变化示意曲线原位测试孔布孔原则：考虑管节长度和最不利偏差波长；鉴别孔；消散孔（孔压消散试验）。272.2结构力学分析·沉管隧道由于存在接头而在结构力学行为上变得比较复杂。结构横断面分析和设计需要解决其行车孔跨度随车道数增加而增加所带来的弯矩内力急剧增加，随着水深和回淤的增加，则需要考虑对断面进行优化。横断面弯矩图横断面剪力图28·对于隧道的纵向分析，沉管隧道有以下特点：（1）对于钢筋混凝土箱式矩形结构的管节接头，采用水力压接，由GINA止水带形成第一道止水，Ω止水带作为第二道止水，形成了柔性接头。若接头其余部分采用混凝土浇筑连接，则形成刚性接头。管节水力压接示意图柔性接头刚性接头29（2）对于管节接头，GINA止水带受压而储存着压缩能量，接头抗弯刚度与其橡胶材料性能和压缩情况有关；（3）对于节段接头，钢边止水带和OMEGA止水带对两侧混凝土结构作用力相对较小，接头抗弯刚度则与混凝土接触状态有关，接触状态也与轴向压力有关。管节接头构造节段接头构造30可以看出，节段接头刚度与管节纵向轴力（或者说与环境水压）有关。接头张开极限状态（全断面压缩、中性轴位于断面下缘）接头张开后状态（中性轴位于断面内）接头张开后极限平衡状态（中性轴位于断面上缘）转动弹簧模型工况1工况2工况3导入轴压力No导入轴压力No弯矩MⅠ弯矩MⅠh/2h/2θ=0σb=No/A-M/W=0σt=No/A+MⅠ/W中性轴导入轴压力No弯矩MⅠ张开角θ＝0转动刚度KθⅠ＝∞MⅠ=