大工程建设项目的若干印记

孙　钧

(同济大学，上海　200092)



大工程建设项目的若干印记

孙钧

(同济大学，上海200092)

简要介绍了笔者和所在团队多年来在参加国家重大工程建设项目中从事科学研究的基本情况和所取得的若干成果.文内所述及的工程项目，含长江三峡工程、南水北调工程、上海市崇明越江盾构法特大型隧道工程及港珠澳大桥岛隧沉管工程等.以上各项研究成果均已提供有关部门采用、参考，取得了可观的技术效益和经济效益，对提高学科理论水平也有重要价值.

长江三峡工程；南水北调；上海崇明越江隧道；港珠澳大桥；高陡边坡与永久船闸开挖；穿黄隧洞与竖井工程；盾构法水底隧道；岛隧沉管工程

自20世纪60年代初叶起，数十年来笔者先是承担中国科学院基金项目(1963)，而后则陆续申请国家自然科学的重大、重点和面上基金以及省(市)和部委基金项目，承担国家各个五年计划科技攻关项目等共计31项，潜心致力于岩土与地下结构力学应用基础方面的科学研究；并以先后陆续从事的各类横向工程的研究课题为依托，理论联系实际，使基金成果能及时为工程所用.这种做法，自感获益颇丰，学业上有所长进、提高，又能为国家工程建设作些应有的微薄贡献，蹉堪自慰.此次应《绍兴文理学院学报》之邀约，有机会将一些年来所承担的几处重大工程研究任务的点滴成果汇列如后，供请学院师生和业界同仁参考、指正.

1　三峡岩体工程流变学研究的若干进展(1992—2001)

当年，与诸所兄弟高校、科研部门一起，由我团队分工承担研究长江三峡工程高陡边坡和永久船闸岩体的长期流变变形及其稳定性评价问题，侧重对高180 m人工开挖高陡边坡、最大埋深45 m五级永久船闸(闸室段全长1600 m，净宽56 m)及其上、下行闸室间的巨型中隔岩墩(宽60 m)，经深开挖卸荷松弛后的节理裂隙发育岩体的剪切及其与压、拉、弯相组合的复杂应力状态下的流变属性作理论分析与室内宏、细观流变力学试验研究[1-4].以上是自1992年至2001年的10年间进行的主要工作，取得了以下约20个方面的子项成果[5]，它们是：

1.1在实验研究方面

(1)利用我校备有的附设有加载台的高倍扫描电镜，研究了三峡闪云斜长花岗岩体的细观时效损伤特征及其CT识别和开挖卸荷与爆破时岩体的损伤力学行为，对20多个不同节理岩样进行了细观扫描实验；

(2)就各种复杂应力状态，开展了上述节理发育岩体在深、大开挖卸荷条件下进行多轴不同卸荷路径的卸荷破坏试验；

(3)岩样抗拉全过程的单轴破坏试验(分别在直接拉伸与劈裂拉伸两种条件下)；

(4)饱水岩样劈裂拉伸的时效强度试验及其长期抗拉强度评价；

(5)考虑坡帮和闸体开挖卸荷带内岩性参数变异的岩样单剪、直剪和压剪、压弯等室内流变力学试验；等等.

1.2在机理探讨、理论分析和数值模拟、系统仿真等研究方面

(1)开挖施工期高陡边坡岩体地质条件综合评价；

(2)人工开挖边坡岩体宏观力学参数的仿真模拟，地质体的构造模拟及其应用与检验；

(3)连续降雨迳流导致边坡岩体与闸室围岩的非稳态渗流效应，其对内衬墙体结构不利的外水荷载研究，地下水渗流场与岩土流变应力场耦合相互作用加剧岩体损伤,恶化边坡稳定条件；

(4)高边坡岩体开挖的卸荷、失稳机理及其分析方法创新；

(5)高陡边坡岩体稳定与流变时效变形的数值模拟及其粘弹塑性时空效应；

(6)工程爆破和地震灾害对边坡岩体稳定的不利影响分析；

(7)高陡岩坡和闸室中隔岩墩预应力锚索的锚固作用机理与分析方法；

(8)边坡岩体开挖施工性态监测位移的非线性反演分析及其粘塑性变形预测；

(9)完善岩体构造及其宏观力学参数的模拟理论，研制与之相应的计算机分析系统专用软件；

(10)在岩体断裂损伤介质分析方面，建立在岩体断裂损伤弹塑性模型基础上的模拟系统，并应用于岩体稳定安全度敏感性分析；

(11)非连续岩体开裂滑动的各种不同失稳模式及其相应的一些新的非连续介质数值分析方法(如DEM法、DDA法等)，并在实践应用中检验、拓展和深化，有助于评价和估计岩坡滑动安全度.此外，运用塑性力学上下限理论开拓了一种新的分形块体刚体极限平衡分析方法；

(12)对流形元法、自适应有限元法和非连续离散元分析法等当年一些新的连续和非连续介质力学方法，分别在岩坡和坝内地下电站厂房大断面洞室稳定与变形研究中应用，并取得成效；

(13)暴雨引起非稳态渗流场问题的研究有了新的进展，提出了岩体非稳态渗流场与流变损伤场的耦合力学模型与计算方法；

(14)采用新的锚固模型于岩体流变损伤分析,探讨其锚固作用机理，提出了锚固力学细观机制及与之相应的宏观力学表现的分析手段；

(15)从岩体开挖卸荷条件下的多轴破坏试验，得到了各种不同卸荷路径，及在不同加荷、卸荷路径条件下的实验依据.对饱水岩样的拉伸时效强度及其长期抗拉强度的上下限阈值，建立了在一定范围内适用的实验关系式,等等，不一而足.

近年来，我团队又对多处软岩高陡边坡和洞室软弱围岩在开挖中出现挤压性(squeezing)大变形的非线性流变行为属性进行了较深入系统的探讨：除了具有物理/材料非线性(弹塑性)流变以外，又兼具几何非线性(大变形)流变的最一般粘弹塑性非线性大变形问题；并与生产厂一起，研发了一种新型的大尺度(其围岩挤压变形的让压量可在1000 mm以上)让压锚杆，研制了与其相应的三维非线性大变形流变专用程序软件，并获国家著作权登记，已先后在江西和川西北一带的软岩岩坡与隧道工程中实践采用.而这些，就都是后话了.

2　南水北调中线一期穿黄隧洞和两岸深大竖井工程设计研究(2003—2007)

我团队与武汉长江水电勘察设计研究院通力合作，对南水北调中线一期穿黄(黄河)隧道与南、北岸两座深大竖井工程进行了相关设计研究，历时4年多.输水水工建筑物在跨越江河障碍时，除了采用水上渡槽以外，也可以换用掘进隧洞的形式；对穿越河底软土地层，则可以采用盾构掘进并安装预制钢筋混凝土管片以构成隧洞的衬砌结构.由于输水隧洞结构一般均需承受内、外水压不利的组合受力作用，而单层预制管片因为其纵、环缝间均遍布接头而不利于承拉，为此，当工程所处河道(如此处的黄河中段水域)的内水压力要较江河冬季枯水位外水压为高的情况下，就需在管片衬砌内环再补充修筑能承受截面拉应力的二次内衬；此时，如采用沿内衬环向张拉一定量值的后张法预应力并使之与外衬管片一起共同受力，就构成了预应力混凝土复合式衬砌，其直径φ8.8 m.这种构成形式，已成为此处研讨的我国南水北调中线一期穿越黄河大型输水有压隧洞的设计方案之一.本项研究系统探讨了在计算机分析中各种工况条件的受力全过程，重点研究了外层管片与预应力内衬构成复合衬砌后两者间的耦合相互作用问题.这在国内属首创研究，在国外也属罕见.

在外层管片与整筑式预应力混凝土内衬间的层间界面处，是否需施作防排水垫层(防水膜)，是一个值得着重探究的问题.如果内、外层界面间敷设了这种垫层，则上、下层界面间由于垫层的存在而丧失了层间传递剪应力的条件；这时，内衬的预施压应力将不能外传到外层管片之上，因而无法构成上述的内、外两层衬砌间的耦合作用受力.但在不设置垫层的情况下，如设定外水压力由管片承担，内水压力则由预应力内衬承担，则二者的受力分工将简单明确，设计也易于掌握.此外，层间防排水垫层还可以作为如有外水内渗和内水外渗不测情况下的排泄通道.反之，如果层间不再铺设防水垫层，且在层间界面上如能保证有足够粘结强度和层间摩擦力，则内层衬砌的预压应力将能以通过层间剪应力的传递，使内、外层衬砌产生有利的耦合作用，从而使外层管片截面也能分摊到一部分的预先受压，这对外层管片日后在高内水压头作用下的抗拉安全将是十分有利的.

在本项研究中，已细致详尽地分析探讨了设计中对以上两种方案的不同考虑，并从地下结构力学效应的不同角度，分别研究以上两种方案的优缺点及其各自存在的问题，以便于设计时妥慎抉择和选用.

此外，上面述及的输水水工干渠，在跨越大河干流时还需要构建大型的河渠交叉建筑物，它往往是总干渠上规模较大的关键性工程.该水工隧洞工程采用盾构法施工，其两岸竖井属早先施工的项目之一，按设计要求盾构机自黄河北岸始发向南岸逐次掘进，故北岸竖井为盾构机的始发井(φ14.8 m，深18.6 m)；另在南岸还设有临时性施工竖井作为中继井，以满足材料与泥水运输、人员上下井交通之用以及后续进入前方南岸山体作续推工作井的需要.在北岸竖井井筒二次衬砌完成及盾构出井推进后，还需在井内修建输水隧洞的弯管段，它作为永久性水工建筑物使用，与由此北向的输水明渠相连接.该北岸竖井工程直接关系到整个工程后续的运营输水安全和质量保障；且该工程地处中等烈度地震区，因此，本项研究对施作内衬的复合衬砌型竖井井筒结构及其内部所安置的弯管结构的静、动力行为进行了系统探讨，研究工作涉及该深、大竖井及竖井井筒内设置的弯管结构在施工期和充水期的三维静力分析与抗震动力响应等复杂设计计算问题.上述两子项成果均已提交设计部门实际采用，并经工程验收，现已顺利完成了通水作业.

3　上海市崇明南港特大型越江隧道工程设计研究(2002—2006)

上海崇明南港特大型越江隧道是穿越长江南侧通航跨的特长大水底隧道，为位居东海入江口内的第一座，其盾构法隧道部份全长9.5 km，采用进口的海瑞克特大型盾构机(φ15.43 m)两台，上、下行同时掘进，属当年国内外盾构一次单向掘进长度最长、直径最大，而又不设中间送排风竖井的盾构法隧道.

我团队先后分别承担了由上海市城建集团和上海隧道与轨道交通设计研究院委托下达的两项有关科研任务，从事了以下共5个子项的设计研究项目，取得了后述的主要研究成果：

3.1大型隧道管片(φ1500)的纵、横断面计算分析与接头试验研究

(1)沿隧道纵向，计及前、后管片相邻环“错缝拼装”对管片横截面内力和变形的约束效应及其影响研究，并研发了相应的专用程序模块(该子项研究属国内首创).计算中考虑了管片环向接头抗弯刚度随正、负弯矩和接头转角呈非线性变化的情况，采用所建议的“双线性剪切”环向接头模型以及平面化模拟空间效应的算法，进行了管片纵向相邻环错缝拼装对其横截面内力与变形约束效应的三维理论分析与相应的室内试验验证[6].

(2)管片环向接头非线性抗弯刚度分析与接头试验研究.将上一小节(1)考虑隧道纵向管片前、后相邻各管片环间“错缝拼装”的三维纵缝构造，经转化降维为准平面应变问题，推导了横截面内管片环向接头抗弯刚度k随正、负弯矩±M及接头开角θ值的非线性变化，kθ=k(±M,θ)，得到了同时计入相应轴力值影响的显式表达[7]；同时，还可得出相应的接头上、下缘张开量△和接头斜螺栓拉力值T的变化，并作管片接头刚度室内试验验证.

3.2计入盾构掘进作业面上因随江床泥土同时一并涌进仓内的地下水，在土层内构成入渗渗流作用，其对管片衬砌结构的流-固耦合流变效应，与对管片拼装作业期其内力的影响研究

较深入地探讨了盾构作业阶段江床地下水渗流场与土体流变应力场相互耦合效应的土力学机理.待隧道建成贯通后，上项盾构作业面已不复存在，流动的江水此后即可仅作为静水压力荷载施加于管片衬砌结构上.施工和运营期前后两者的土力学性态及其对管片衬砌的力学表现是迴然不同的，值得关注.这点，已由盾构掘进期对管片结构所作应力应变的实测值所证实.

连同前述在长江三峡工程研究中对岩体流变所作的一点业绩，这些工作为国内岩土工程流变学学界在国际上争得了一席之地，提高了我国在该子学科领域的国际学术声誉——2004年接《亚太地区国际流变学会议》邀约，于当年8月在日本北海道大学召开的学术研讨宣讲大会上就“岩土流变学问题研究的若干新进展”作主题报告.

3.3隧道衬砌结构近似概率法服役寿命预测、管片衬砌钢筋砼材料耐久性试验和耐久性设计

(1)运用灰色关联度理论及与均匀设计相结合的方法，对管片衬砌结构耐久性的诸影响因素进行了敏感性层次分析排序；

(2)对管片衬砌结构的耐久性进行了试验研究.主要的试验工作有：①海洋大气和海水侵蚀环境下，管片衬砌结构性能历时退化试验；②海水氯离子入渗混凝土扩散试验；③洞内汽车尾气(CO、CO2)对砼衬砌内侧保护层的碳化腐蚀试验.得到了关于管片衬砌结构性能退化的一般性规律性认识，以及不同龄期试件的氯离子在混凝土内的有效扩散系数；

(3)分别建立了：对①基于裂缝限值(正常使用极限状态)和②基于承载力极限准则(结构材料强度极限状态)的管片衬砌结构服役寿命作上两类预测的方法体系，进而对崇明隧道管片衬砌钢筋混凝土结构的服役寿命进行了理论预测.预测结果表明，该隧道按上项①、②条件可以分别达到115年和140年的极限状态使用年限，满足了它的设计寿命基准期(100年)；

(4)基于支持向量机的可靠度理论，建立了按近似概率分析的隧道管片衬砌结构耐久性设计方法(视水土荷载为随机变量、结构抗力为随机过程)，并研制了相应的专用设计程序软件，介绍了程序的使用及其在设计上合理的使用范围和领域.3.4地铁列车和汽车共管行进条件下，隧道管片衬砌结构的动力疲劳(fatigue)效应分析研究

(1)定义了混凝土疲劳荷载权函数的概念.将疲劳视为引起材料损伤积累的一种荷载表现，确定了以混凝土强度、刚度和疲劳三者为参数的混凝土损伤变量表达式；通过混凝土强度、刚度及其应变值随疲劳荷载作用而历时变化的规律，分别得到了以剩余强度、剩余刚度和残余应变为参变量的，单级和多级荷载作用下的混凝土疲劳荷载权函数的表达式[8]；

(2)通过疲劳荷载权函数论证了混凝土疲劳累积损伤的非线性特征，其值随应力水平和加载顺序的变化而改变.考虑衬砌混凝土刚度和强度的历时衰减及其应变增长规律，确定了单级疲劳荷载作用下混凝土累积损伤值的置信区间；

(3)将衬砌混凝土强度、刚度、徐变和腐蚀等非疲劳荷载因素引入混凝土的疲劳权函数中，对具有时间效应的混凝土疲劳荷载权函数和疲劳累积损伤值进行了量化，详细探讨了这些因素对混凝土疲劳损伤的影响；

(4)给出了混凝土疲劳累积损伤值的估算方法，使得混凝土疲劳荷载权函数和荷载权函数下的累积疲劳损伤在编程中得以成功实现；

(5)以崇明隧道为工程依托，对地铁列车和汽车两者共管在洞内高速行进的动力响应作计算模拟，采用计算线性和非线性两种疲劳累积损伤的方法，预测了该特大型盾构隧道直接受冲击作用的车底下卧管片衬砌环其最小的疲劳寿命预测值达240年以上，可满足设计寿命基准值100年的要求；而洞内排烟道下方预制混凝土隔板的疲劳寿命则不足100年，隧道运营后期需作适时更换.

3.5地铁和公路车辆共管行进条件下，进行了隧道江床软粘土地基震陷分析，以及管片衬砌结构的振动响应研究

(1)根据能量传递、衰减和耗散原理，运用损伤土力学的理论和方法，结合软粘性土的结构性，研究并解释了在地铁和汽车长期行进动载作用下，这类粘性土地基发生震陷病害的土力学机理；

(2)在地铁列车行进工况和前后列车通过时间上有间隔的工况下，地基土体经历的动变形过程主要为“加荷沉降—卸荷反弹—间隔期土体徐变”三个过程.首先，列车荷载施加作用后，土体发生竖向位移变形；当列车驶过后，土体先是继续少量震动，此后即出现卸荷反弹，此时隧道底部的土体位移沉降量将有所减小；而当处于行车间隔期间，由于土体的徐变效应，隧道底部土体又继续少量沉降；

(3)随着列车运营数十万、达上百万次数的增加，隧道底部土体的沉降将逐次增大；与此同时，在循环往复行进的列车动载作用下，土体沉降的递增量却不断减小.由此可以预测，随着时间的不断推移，基底土层沉降将可能最终达到收敛，并稳定于一个有限的定值；

(4)位于隧道上方的土体，随着土体竖向位移量的增加，土体的动孔压值则有限减少；而位于隧道下方的土体随着其位移沉降量的增加，土体的动孔压值也呈增加态势.在列车驶过之后，土体动孔压很快消散.同时，当列车作往复循环动载作用后，土体孔压值将逐次增加，也即产生孔压的累积效应.这种孔压的逐次累积，是导致土体模量产生逐次软化的原因，也是导致软粘性土体震陷的一个重要因素；

(5)计入土体动弹模随土体应变的增加而降低，通过借鉴相关测试资料，得到了上海地区第③、④层土体动弹性模量Ed与其动应变ε的关系曲线.进而，利用对ABAQUS软件的二次开发，研制了USDFLD子程序模块，得到了模拟土体动弹性模量Ed随动应变ε而变化的试验关系式；

(6)依据现场监测的隧道软基历时沉降量数据，进行了非线性数理统计处理，可得预测盾构隧道软粘性土地基长期震陷值的计算经验式；经据此预测至2020年12月31日(按2009年底地铁启动时算起)止，崇明长江隧道江床段软基沿隧道纵向的预期差异震陷量将达20.44 cm，其值不容忽视.目前因隧道地铁开通的日期尚未确定，这项预测软基震陷的日程当视地铁实际的运营日期而顺延；

(7)列车、汽车共管行进对管片衬砌结构的振动响应研究.崇明长江隧道是国内首座汽车与地铁列车共管(采用大直径φ15 m园形管片衬砌)行进的水中特大型地下结构物.两种动载在同一管内作循环往复高速行进时产生动力作用对管片环的动力响应问题，在国内外文献中尚罕见报导，它是一项原创性的研究工作.

地铁车辆是一个复杂的多自由度、非线性多刚体系统，其本身包括许多非线性因素，如非线性轮轨相互作用关系、非线性弹簧阻尼悬挂特性等等.因此，为了较为准确地描述车辆系统，研究其动力特性，必须考虑采用非线性数字模型.

列车振动是由车辆与轨道两方面的因素所造成的.车辆方面的因素较为单一，主要是车轮擦撞、车轮踏面几何不平顺及车轮偏心等等；而轨道方面的因素则较为复杂，大体包括以下三个方面：①轨道几何不平顺，如高低、水平方向不平顺以及轨面波浪或波纹磨耗等；②钢轨接头状态不良，如低接头、错牙接头等；③轨下基础缺陷，如轨枕空吊板、道床板结等.由于高速轨线采用的是无缝线路与整体道床，因而轨道不平顺在所有因素中占主导地位.

地铁荷载采用现在运行的地铁振动实测值，其总时长为7 s，实测频率200 Hz.地铁振轨底每延米实测的振动里程曲线，参考了上海市地铁标准取用.

管内上层道面上行驶汽车引起的车行振动，由于车轮不规则性、路面不平整、车辆荷载的偏心、发动机振动、车身部件安装误差以及路面结构共振等而产生，使路面车辆将会产生垂直向振动.这种竖向振动一方面使乘客舒适性降低、增加车辆构件的疲劳破坏和油耗；另一方面，由于车辆的竖向振动多沿垂直于路面方向，车辆行进振动对路面结构产生了除其重力静荷载以外的竖向动载作用，加剧了路面和管片结构的历时损伤、破坏.

汽车也是一种复杂的多质量振动系统，其车身通过悬架的弹性元件与车轴连接，而车轴又通过车轮与道路接触，其它如发动机、驾驶室等均是以橡胶垫固定在车架之上.当受到上述各种激励作用时(由于路面不平顺而引起的冲击力和车行加速时的惯性力等)，这个系统将发生极为复杂的振动.研究汽车振动，一般可将汽车视为彼此弹性相连的簧载质量(悬挂质量)与非簧载质量(非悬挂质量)所组成.就簧载质量而论，它至少有6个自由度，即沿x、y、z轴作线振动及绕此3轴作角振动.以上这些都在本项研究中作了尽可能细致地探究.

动力响应分析方法包括振型叠加法、振型分解法、RITZ向量法、模态分析法、动力有限单元法、时域分析法、迭加频域分析法等.此处在计算分析中采用了以结构动力响应研究为重点的动力有限单元法.采用以上各法作振动分析的原理和方法可见结构动力学教程，计算沿用了国际通用的多种专业程序软件，另在主程序内串接上多个专用模块，限于篇幅此处不再赘述.

4　港珠澳大桥岛隧沉管工程技术咨询研究(2008—现在)

港珠澳大桥是一座国内最长、规模也最宏伟的“大桥—人工筑岛—沉管隧道”三结合建造的重大工程项目，经过近十年的努力，现已通车在望！笔者自大桥筹建初期起即有幸应邀参加了该工程的总体筹划、选址选线、桥隧方案比选、沉管方案、人工岛修筑以及深厚软基处理、沉管最终接头设计施工方案取舍，以及在水道大回淤条件下管段小接头处预应力筋将永久留置而不切断等该工程修建的全过程.作为技术专家组的一名专家，为参加专家评审会议和科研立项与鉴定等项工作，曾先后去广州(筹划前期)和珠海现场已近20次.对不少设计施工问题，除了在会议上谈自己的看法和认识外，还在会议后又先后补充提交了近10份“书面意见”，供中交集团设计施工总承包参考.

现将主要咨询意见和若干技术成果汇列如下：

4.1关于软基加固处理问题

(1)研究论证了：在水力压接法和GINA止水带出现前的20世纪80年代之前，国外的沉管管段接头几乎无一例外地普遍采用刚性结合.为了解决刚性接头水密性差的问题，在地基加固方面，与之相应的则都采用了刚性桩基，以最大程度地减小接头处的地基沉降.这样，各段沉管事实上变成了受力上不尽合理的简支梁体系.而自20世纪80年代中叶以后，出现了“水力压接”和采用GINA止水带工法，与之相应地，将管段接头随之改用了柔性结合.这样，各段沉管为平卧在地基土上的半铰式柔性接头的弹性地基梁，它的最大优点是可以更好地协调并适应地基土体沿沉管纵向的不均匀差异沉降，利用管段接头允许的一定转角，将地基差异沉降量分摊由各节沉管在接头处的变形来进行分配和协调.因而，大大减小了各节沉管和管节大接头处因地基沉降产生的附加弯矩和剪力，起到了经济、合理的设计效果.笔者认为，管段柔性接头是与现代施工工法相辅相成而发展的产物，对此，采用复合地基来改替传统的桩基承载，以更好发挥地基自身固有的一定承载能力，则是十分合适的；

(2)港珠澳大桥岛隧工程大面积深厚软基的加固处理,以及大回淤水道条件下，沉管管段柔性小接头处的预应力束筋将永久留置，而不再在管节沉放落床及纵向沉降基本稳定后作完全切断，形成所谓的“半刚性”管节[9].上述两者，是该工程项目施工中呈现的特色和亮点之一.此外，当日后长期运营中如管段小接头接缝仍出现不测的拉开等险情时，其应急工程处置对策也是必须事先妥慎考虑的预案.就上述各点问题，笔者在研究中进行了较为细致深入的探讨和分析.

(3)在深厚软基区段采用挤密砂桩复合地基加固处理，凸显了可充分利用并有效增强砂桩间原有土体的承载能力及其变形刚度，达到了节约投资、缩短工期的目的.此外，研究中还比较了PHC刚性长桩和复合桩基(减沉桩)各自适用的不同地基加固深度，探究了对大范围采用挤密砂桩目前尚未很好解决的困难和问题，以及在砂桩施工中应注意的一些事项.

综上所述，对人工筑岛和岛内外的地基处理问题，着重研究了人工岛和岛隧过渡段复合地基——挤密砂桩和刚性减沉桩的成桩机制，并探讨了沉管地基纵向长期差异沉降及其控制，为沉管运营期的安全提供了保证.

4.2关于预应力筋在管段接头处永久留置而不再切断问题

(1)在大回淤水道管段接头处预应力束筋不再切断的设计方面，改用半刚性管节，对留置永久性预应力束筋问题进行了研究；对诸如遇到地基发生难以预测的过大纵向差异沉降、管段小接头有拉开情况时，也探究了对留置预应力束筋如何应对突发险情的处置预案；

(2)在当前国内外普遍对沉管隧道采用柔性接头以适应、协调和均衡软基土纵向差异沉降的情况下，因港珠澳大桥岛隧过渡段海域存在水道大回淤的特定条件，研究论证了需要改用“半刚性管节”的必要性.为此，在组成180 m大管节的12段@22.5 m/段的各个管段小接头处，提出了保留全部预应力束筋不再切断而作为永久性留置的新的设计理念.通过详细的计算分析，论证了该项对策措施的合理性和必要性.这样，仍可保留各个管段小接头的一定柔性，避免相邻管节大接头剪切错移过大，并保证了大管节间的相对转角量为可控，以及GINA止水带的预压量仍保持有不超限的安全储备；

(3)此后，还进一步探究了因沿沉管隧道纵向上覆回淤土分布以及各部段地基土性的不均匀性，可能导致各管段小接头(尽管保留了永久预应力筋)因弯矩值超限而产生的相邻管段小接头接缝被拉开的不测情况；此时，如不能及时控制，使接缝重归压紧，日后则将产生接头突发性渗漏水的危险.对此，研究提出了临时作反向截断部分反向预应力筋，人为产生反向弯矩，以抵消上述因不测出现的另向弯矩，从而达到被拉开的接缝又重新闭合的效果.同时，还提出了由此派生的若干疑虑，以供设计方作进一步商榷和改进.

4.3关于沉管最终接头设计

沉管接头是工程成败的“命根子”，而沉管“最终接头”较正常管节接头而言就更具特色，难点也更多.此处提出的“整体预制、倒梯形双楔状块体吊装就位法”在国内外过去都未有做过，属原创性而缺乏实践经验.如能做好，可保证接头“滴水不漏”，将是一项极具挑战性的艰巨任务.

现对设计方所提出的最终接头方案，给出以下几点意见和认识：

(1)对“最终接头”的用材，笔者更倾向的是改用全钢结构来做接头块及其两端的邻接块.钢结构受力明确，实实在在，制作质量也更有保证，国内钢材价格又不贵；只是它重量轻，担心在基槽内落床就位但尚未及回填时，在海流和对流性超强大风浪的冲击下其稳定性可能不足；也用压舱砼作压重，是否可行？

(2)国内外过去尚少采用日本“三明治式钢包结构”的经验来制作钢包砼(钢箱壳内混凝土不再配筋).由于这里是框架结构(以抗弯、剪为主，而不是承压——除全部在厂内预制外，也可采用先浮运钢壳，再在下沉过程中现浇壳内砼.做成钢包混凝土双楔块)，则有疑虑的是：可能因高流动性砼的含水量多，而混凝土凝固过程中需要的“结合水”只是其中的一部份，多余的“自由水”需要在混凝土凝固过程中在空气中挥发，并进而在结硬中形成强度.由于现在是密闭空腔，只靠周边一圈排气孔(φ5 cm)，其对水份需通畅地在空气中挥发是否足够？不然，造成的后果将是：混凝土凝固时间延长，更达不到要求的C50号的混凝土强度；

(3)最终接头为两爿倒梯形楔块，经临时预应力后“双拼”一次整体吊装，重量近5000吨.对只采用8个吊点的特重型框构而言，其顶、底板在吊装时产生大的弯、剪变形，实在堪虞！对钢壳言因属弹性变形，在落床就位后就会自动恢复，不成问题；但壳内素混凝土在大变形后会否产生拉剪裂缝？对其质量上的影响若何，却心中无数.建议在框架两个车行道的空腔内，在顶、底板中心位置处分别先加设临时性纵向小梁，再分别用人字撑和倒人字形拉杆作撑、拉状加固，当可大大减小吊装时顶、底板内的弯矩和剪力；

(4)左右两爿倒梯形最终接头块，在浮运和吊装中是用临时预应力夹紧为一体；待落床就位后，用一圈(26只)千斤顶将GINA预压，形成临时止水，随后切断预应力钢索.这里的问题似在于：①切断预应力索会导致界面接触应力突发性地骤然松弛，它是一种冲击动力性的变形突然释放，其对GINA将有一定的不利影响，至少会损失掉一定的预压变形量，需事前预先估计；②日后在东人工岛附近基槽大回淤情况下，左右两爿梯形接头块的中间竖向接头缝处的抗剪错位移和抗弯曲产生的截面转角，竖缝接头能否足够承当？

(5)作为永久性止水，最终接头块分别与东、西相邻的管段间做成刚性连接，这很好.因沉管管段间刚性结合，在西方一直被认为其水密性是最差的，一些焊缝在强大的自然力作用下会显得完全无能为力而拉脱张开，从而造成渗漏；

(6)接头各处都遍布纵、横向焊接缝.现在采用冷焊技术，钢板的温度应力问题已不再突出；但焊接产生的温度变形仍难以确切掌控，不知要预留多大的焊接变形裕度，这将影响因在接头处有多处需紧密贴接且其接合面间需要求精准对接的精度.为此，我意在结构尺寸上应有规定的一定小幅值的微调，可能是比较现实可行的；

(7)最终接头合拢口处海流相对紊乱而湍急，除落床就位这一时间窗口(连舾装、沉放，恐需5天～7天的时间)，要尽可能避免不测的强风、暴雨、浓雾和大的潮汐落差外，加做基槽海工流场大比尺试验，似绝不可少.这类试验是“不可不信、不可全信”，但终究还是不可或缺、一定要求做的.不知现在就已否布置做了？如何较真实地模拟现场恶劣环境条件，也确乎是一个问题；

(8)左、右两爿最终接头块在整体吊放落床时，宜在其上、下游布设可以随时收紧和放松的多根缆风，视当时风力监测得到的接头动态及时作出调节；由于侧向(沿接头横截面方向)的挡风面大，风力作用下的晃动也是东、西方向更激烈.此外，是否考虑在上游再加筑临时性导流围堰(以挡止海浪可能在龙口基槽内形生涌潮)的必要性和有效性.但导流堤工作量巨大，有否加用必要亦需慎酌再定.

致谢

当年参加长江三峡工程研究项目的我团队主要成员有：李永盛、夏才初、张子新、凌建明、陶履彬、胡玉银、王如路、陈有亮和宋德彰等各位；参加南水北调工程设计研究的有：杨钊、王余富、潘晓明、郑永来、黄 慷、董秀竹、阮文军、骆艳滨和袁灯平等各位；参加崇明越江隧道研究的有：王余富、姜安龙、李忠、张璞、陈卫军、王东栋、钦亚洲和陈海明等各位.

承以上砚弟诸君的全身心协助，鼎力从事上述具有当时国际先进的高水平研究，成果为工程所用，取得了可观的社会效益和经济效益，对提高学科理论水平也有重要价值.今天，多少年过去了，其中的一些人还在笔者身边，大家共同努力耕耘这块学术沃土；而更多位则学有所成，忙碌在生产第一线，青春年壮，为国事萱劳，做出了自己应有的贡献.各位都是专家了，不会辜负自己身上一份沉甸甸的责任！祝愿砚弟(妹)们事业兴旺、技术进步！谨在此敬致笔者迟到了的一份衷心感谢.怀念和问候各位.

[1]孙钧.三峡船闸边坡岩体弹塑粘性时空效应及对工程稳定的影响(国家自然科学基金重大项目“三峡水利枢纽工程若干关键问题的应用基础研究”年度专题研究报告)[R].上海：同济大学岩土工程研究所，1996.

[2]孙钧.三峡船闸边坡岩体弹塑粘性时空效应及对工程稳定的影响(国家自然科学基金重大项目“三峡水利枢纽工程若干关键问题的应用基础研究”年度专题研究报告)[R].上海：同济大学岩土工程研究所，1997.

[3]孙钧.三峡船闸边坡岩体弹塑粘性时空效应及对工程稳定的影响(国家自然科学基金重大项目“三峡水利枢纽工程若干关键问题的应用基础研究”年度专题研究报告)[R].上海：同济大学岩土工程研究所，1998.

[4]孙钧.三峡船闸边坡岩体弹塑粘性时空效应及对工程稳定的影响(国家自然科学基金重大项目“三峡水利枢纽工程若干关键问题的应用基础研究”年度专题研究报告)[R].上海：同济大学岩土工程研究所，1999.

[5]孙钧.三峡工程高边坡岩体长期变形与稳定研究[J].同济大学学报(自然科学版)，2001,29(3)：253-257.

[6]孙钧，等.地下结构设计理论与方法及工程实践[M].上海：同济大学出版社，2016:204-274,275-315.

[7]孙钧.隧道结构设计关键技术研究与应用[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2014:271-384,454-632.

[8]孙钧，等.“崇明长江隧道若干关键技术研究报告”和“各个分项研究报告”[R].2016年9月.

[9]孙钧.港珠澳大桥岛隧工程深厚软基与大回淤条件下的工程处治研究[J].隧道建设,2014,34(9):807-814.

(责任编辑邓颖)

Several Remarks of Participating in the Major Significant Construction Projects

Sun Jun

(Tongji University, Shanghai 200092)

This paper briefly introduces the basic information of the national significant construction projects and some findings obtained on scientific researches in which the author together with his team participated in the past years. Projects contained in this paper include the Three Gorges Project, the South-to-North Water Transfer Project, the Chongming Bridge & Tunnel Project using the extra-huge shield driving method, and the Immersed Tube Tunnel Project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge, etc. All the above research findings provide reference and engineering application for the departments concerned, with its considerable technical and economical benefits achieved. It is also of great value to the theoretical improvement in this regard.

Three Gorges Project (Yangzi River, P.R.C.); South-to-North Water Transfer Project; Chongming Bridge & Tunnel Project; Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge; excavation of high-steep rock slope and permanent ship lock; tunnel crossing the Yellow River with its vertical shaft project; shield method used in under-river tunnel; immersed tube tunnel used in the artificial island connected with tunnel engineering

2016-08-25

孙钧(1926-)，男，浙江绍兴人，中国科学院(技术科学部)院士，同济大学一级终身教授，绍兴文理学院鉴湖学者，岩土力学与工程、隧道与地下工程领域国内外知名学者、技术专家.

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.08.01

TU45

A

1008-293X(2016)08-0001-08