沉管隧道结构选型的原理和方法

林鸣，林巍（.中国交通建设股份有限公司，北京　00088；.中交公路规划设计院有限公司，北京　00088）

沉管隧道结构选型的原理和方法

林鸣1，林巍2
（1.中国交通建设股份有限公司，北京100088；2.中交公路规划设计院有限公司，北京100088）

摘要：基于参与沉管隧道建设的经验，参考当前国外沉管隧道现实情况，从原理剖析入手，提出了沉管隧道进行结构选型的思考，并对沉管隧道结构未来的发展趋势与优化方向提出了建议。

关键词：港珠澳大桥；半刚性沉管；沉管隧道；结构选型；纵向结构

0　引言

沉管隧道结构发展至今，已有钢筋混凝土沉管、钢壳混凝土沉管、钢筋预应力混凝土沉管等形式可选择，根据不同的工程条件还可以将它们设计成为不同长度的整节段或小节段，并与不同的横断面形式组合。沉管技术发展提供给我们越来越多可供选择的方案，也提出了一项重要的工作，就是在建设沉管隧道时，首先要考虑对隧道结构安全、结构防水、工艺技术可行性、工程施工条件、环境的适应性以及工程的经济性等方面进行评估，根据评估情况选择确定沉管断面及结构形式。本文将这项工作称作沉管隧道结构选型。开展这项工作需要考虑的因素多，选择的恰当与否不仅影响工程建设的便利性和经济性，还将会影响沉管的使用寿命和运营服务质量。本文拟对沉管结构选型的原理和方法进行阐述和分析。

1　沉管的横断面

沉管隧道横断面可被设计为不同形式（图1）[1]用以适应沉管运营、防灾等，这是考虑沉管横断面基本的要求。从经济角度考虑，人们总是希望沉管的管壁更薄，重量更轻。但是管壁厚度的确定要考虑工程的具体水深条件，保证管壁具备足够的防渗能力，同时还要满足结构受力要求，并具有一定的抵受火灾、爆炸、沉船等偶然事件的能力。最后，沉管需要起浮并保持干舷，选择沉管横断面方案还需要兼顾沉管安装的要求。综合以上问题就可以评估确定沉管的断面形式和结构尺度了。

沉管管廊划分、隔墙设置也十分重要。因为管廊划分和隔墙设置将决定沉管顶板的横向跨度，影响沉管断面结构尺度，对于钢筋混凝土沉管会影响结构配筋率。沉管隧道在大水深和深埋的条件下适当设置纵隔墙减小顶板跨度，可以降低结构设计难度，降低结构安全风险，对于钢筋混凝土沉管可以减少结构配筋率，降低施工难度。

图1　沉管隧道典型横断面Fig.1　Typical cross section of immersed tunnel

纵隔墙设置的多与少，对于沉管的横向结构设计主要会影响到顶、底板的跨径，对于沉管的纵向结构设计也有着不可忽视的影响。设置较多的纵隔墙能提高沉管的纵向刚度，能为沉管管节接头提供更大的传力能力。对深埋条件下的沉管隧道，若采用较少纵隔墙的设置方案，将会使沉管接头设计受到限制。

理论上满足抗渗要求是沉管管壁结构最经济的厚度，实际上确定管壁厚度还需要结合沉管纵向设计对接头传力能力的要求和结构受力要求等综合评估确定。在沉管结构选型过程中，如能尽量多尝试不同管壁厚度与纵隔墙数量的组合，就有可能获得更为经济的沉管重量和断面尺度。

2　沉管的纵向结构

沉管纵向结构需要考虑的内容主要包括管节形式、接头传力等。

2.1纵向设计特点

首先，沉管纵向设计决定于对沉管基础状态的把握和判断。沉管基础处在数十米水下，地质情况依赖勘察进行判断，基础施工质量依靠施工过程进行控制，整个施工过程完全不能够被目测，只能够感知，因此必然会包含很多的变异性、不确定性，需要更多地依靠经验进行判断。其次，除水压力外，沉管压重荷载、上覆回填荷载、回淤荷载都需要通过沉管管体传递到基础上，因此，上述荷载的大小及其分布、加载时间、加载顺序和强度等与沉管基础互为耦合作用，沉管的沉降变形会因此呈现出不同的规律性，沉管结构和接头会因此产生不同的受力反应。

沉管纵向设计由于其边界复杂，且难以精确量化和把握，各种因素因地、因时而异，因此在进行沉管纵向设计时，设计者的经验和判断力比通常的分析计算显得更为重要，而这一过程更接近于一种风险决策行为。

2.2纵向传力机理

沉管断面尺度庞大，与一般结构相比具有更大的纵向刚度，管节内部的压载和上覆的荷载首先会作用到管体结构上，然后通过管体结构传递到地基。受到地质不均匀性和水下甚至深水作业条件的限制，完成的沉管基础都会有一定的“软、硬”差异。当荷载传递到沉管底面与基础的结合面时，基础较“软”区域地基首先产生沉降变形，而基础较“硬”的区域会承受较大的荷载，同时产生较大的反力作用到沉管结构上，沉管结构因此会受到无规律、不均匀的反力场的作用，见图2。随着时间的推移，受力较大区域的地基也会发生变形，管节沉降随之发生。沉管与基础相互作用，地基反力与基础变形相互转化，作用在沉管底面的反力场将不断重新调整、重新分布，并呈均匀化趋势，最终会趋于稳定。在进行沉管管节纵向结构选型时，依据具体的工程条件，准确分析和判断沉管与地基相互作用的过程是十分重要的。

图2　沉管隧道地基不均匀反力场Fig.2　Uneven ground reaction forces of immersed tunnel

2.3整体式管节与小节段管节

由于整体式管节结构（图3）[2]的纵向刚度大，在地基反力的作用下，会呈现“宁折不弯”的结构特性，其追随和适应地基变形能力弱，沉管结构易产生较大的纵向内力，差异沉降变形会集中反应在沉管接头，沉管接头需要具有更高的传力能力。整体式管节不宜设计得过长，目前已建沉管的整体式管节长度以100 m左右的居多，原因是长度越长，对结构纵向受力和沉管接头传力的要求越高，结构设计的难度越大。

图3　钢筋混凝土整体式管节，希腊Fig.3　Reinforced concrete monolithic type element, Greece

小节段管节由若干个20 m左右节段通过临时预应力组合而成（图4、图5），刚性段的长度仅20 m左右，沉管受力变形时能利用更多的节段接头及时消化变形，吸收平衡内力。与整体式管节沉管相比较，其追随和适应地基变形能力较强，会呈现“以柔克刚”的结构特点。由于小节段管节具有柔性结构特点，将沉管设计成为不同长度时，对沉管纵向结构设计都不会构成特别的影响，理论上小节段管节长度可设计到200 m以上，其结构和接头处理都不应有额外障碍。

对于同样长度的沉管工程，管节长度较短的沉管需要进行更多次安装，因此需要花费更长的工期。随着社会经济的发展，沉管隧道的规模越来越大，长度越来越长，在沉管安装施工限制条件允许的情况下，能否设计更长的管节，获取更大的工期优势，将会成为沉管结构总体设计需要考虑的一个重要问题。

图4　钢筋混凝土小节段管节，韩国Fig.4　Reinforced concrete segmental type element, Korean

图5　小节段沉管节段及预应力组成示意Fig.5　Segments and prestressing illustration of segmental type element

从沉管防渗漏的角度看，整体式管节仅需在管节与管节之间设置接头，而小节段管节需要设置更多的接头，接头越多，渗漏水的几率越大。沉管的管节接头止水结构可靠，而节段接头止水结构可靠性略差，参见图6，据已建沉管隧道统计，节段接头渗水率一般会达到5%～10%。整体式管节与小节段管节相比，整体式管节在防渗方面更具优势。

图6　港珠澳大桥沉管隧道管节接头与节段接头Fig.6　Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel immersion joint and segmental joint

3　沉管的结构选型

3.1钢筋混凝土沉管

钢筋混凝土沉管使用最为广泛，技术十分成熟。既可以采用整体式管节结构设计以期得到更好的防渗漏功能，也可采用小节段管节结构，让沉管纵向获得更好的柔性去适应地基变形。采用小节段管节结构可以将沉管管节设计得更长，如果沉管规模足够大、沉管足够长，还可以考虑采用工厂法预制。采用更长管节的设计方案可获得更快的安装工期；采用工厂法预制可以得到更稳定的预制质量控制环境。

当设计考虑结构上覆更大荷载和需要设置更大横向跨度时，采用钢筋混凝土结构将使沉管的配筋率更高，钢筋施工效率下降，管壁结构厚度加大。配筋率过大会增加沉管预制难度（图7），管壁结构加厚会增加沉管整体断面尺度，影响工程经济性。

图7　港珠澳大桥沉管隧道深埋段钢筋Fig.7　Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnelelement reinforcement in deep water section

3.2钢壳混凝土沉管

钢壳混凝土沉管已有较长的历史，工程案例多，设计、制造和施工的技术成熟。钢壳混凝土沉管最大的优势是可以实现工业化制造，对现场干坞和临时工程的要求相对最低。钢壳混凝土沉管结构的钢壳外包于混凝土的内外表面，能够让钢材更好地发挥结构效率，进而有可能获得断面尺度最经济的沉管结构设计（图8）[3]。钢壳混凝土沉管在防渗、结构抗震方面具有优势，并且由于能够实现工业化制造，其质量控制也有明显优势。但是，从经济性看，钢壳混凝土沉管的造价相对较高，如果考虑设计成小节段沉管，经济性问题会更加突出，成为选择该结构形式的主要障碍。如果需要适应深埋条件，钢筋混凝土沉管结构的配筋率很高，与钢壳混凝土沉管结构在经济性方面差异不大，但是钢壳混凝土沉管不方便被设计成为小节段沉管，采用该结构形式极有可能会受到一定的限制。

图8　钢壳结构管节，美国Fig.8　Steel shell type tunnel,USA

3.3预应力钢筋混凝土沉管

迄今为止，预应力钢筋混凝土沉管的案例不多，随着预应力技术的发展，特别是预应力耐久性技术的不断突破，预应力混凝土沉管应有良好的前景。与常见的预应力构件尺度相比较，沉管的结构尺度显得十分庞大，因此在这里定义的预应力钢筋混凝土沉管，准确地说应该属于“部分”预应力钢筋混凝土结构。所谓“部分”有两层含义：1）通常只需要在沉管顶底板部位设置预应力；2）设置的预应力体系需要与普通钢筋混凝土体系配合使用，共同发挥作用。对于设计者来讲，在考虑将预应力体系与普通钢筋混凝土体系配合使用时，两者如何进行合理“分工”是最为重要的事情。总体上来说，钢筋混凝土是主受力体系，在结构中增设部分预应力是为了提高沉管顶底板结构抗裂性能，通过这样的组合，使得沉管能以更低的配筋率获得更大的横断面跨度和更为经济的结构断面。与钢壳混凝土沉管不同的是，预应力钢筋混凝土沉管管节与钢筋混凝土沉管管节一样，既能够被设计为整体式管节，亦可以方便地被设计为小节段沉管。定性的看，它是一种结构效率介于钢壳混凝土沉管与钢筋混凝土沉管之间，同时又兼具两种沉管结构形式共同优点的沉管结构。

4　半刚性沉管结构

港珠澳大桥的沉管隧道未来的覆土厚度超过20 m，见图9，是世界上第一条深埋沉管隧道，其上覆荷载5～6倍于一般沉管。额外的上覆荷载对沉管横向结构受力的影响通过加强沉管横向结构还是可以解决的。难以解决的是对沉管纵向的影响，数倍于一般沉管的覆土荷载通过沉管作用到地基时，无论对于沉管还是地基都会产生数倍于一般沉管的受力反应。前述曾对沉管纵向结构受力特点和原理进行过分析，沉管纵向的复杂边界叠加5～6倍的上覆荷载，对于设计者毫无疑问是极为艰难的挑战。

图9　港珠澳大桥沉管纵断面Fig.9　Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel vertical section

埋深沉管相比一般沉管，假设基础条件相同，沉管结构会产生更大的内力，基础会产生更大的变形，沉管会发生更大的沉降。对于整体式管节，纵向受力要依靠沉管纵向结构来抵抗，沉降变形要集中由管节接头承担，这会使得沉管纵向结构和管节接头难以承受，也极易给结构和防水留下隐患和风险。对于小节段沉管，虽然大部分内力可以通过节段接头变形得到释放，沉降变形也会被分散到更多的节段接头，状况会得到很大的改善。但是，即便采用小节段管节，在数倍于一般沉管荷载的条件下，对地基的不均匀以及加载时空变异性等带来的受力不均、差异变形、接头防水等，在设计中必须高度重视。

在深埋条件下如果选择小节段管节沉管结构，刚性段的长度只有20 m左右，沉管纵向结构不会对设计构成障碍。沉管管节接头可以通过监测择机锁定，亦可对接头传力构造进行降低或限制剪力的专门设计，做到风险可控。最大的难点是节段接头的结构设计，为此创造了半刚性管节结构，见图10。半刚性管节是将小节段管节用永久预应力连接为一个整体，其刚性介于整体式管节与小节段管节之间，通过控制预应力力度，能够做到将沉管上覆荷载在沉管刚性与地基变形两者间进行分配。半刚性管节保留与小节段管节相当的柔性；利用节段接头之间的摩擦力与接头剪力键的协同作用，能获得数倍于一般节段接头的传力能力；由于设置永久预应力，管节的整体性得以保留，防水几乎可以做到与整体式管节同样出色。半刚性沉管“刚柔并济”，兼具了整体式管节与小节段管节两者之长，是适应范围更广，受力、传力更合理，防水更可靠的沉管结构。

图10　港珠澳大桥半刚性管节结构Fig.10　Semi-rigid structure of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge tunnel element

5　结语

得益于混凝土自流平、自密实、微膨胀等技术的发展，钢壳混凝土沉管的施工越来越方便。半刚性沉管结构集整体式管节与小节段沉管之长，对环境有着更好的适应性，传力和受力更加合理，防水更为可靠，将会是一种前景很好的新型沉管结构。期待未来在沉管结构选型时能够尝试将局部预应力体系与半刚性组合；必要时也可以将多种沉管结构形式进行组合，将不同工法进行组合，就有可能获得更多的突破，取得更大的跨越。

参考文献：

[1]ITA WG Immersed and Floating Tunnels.Immersed and floating tunnels[J].Tunneling and Underground Space Technology,1993, 8(2):128.

[2]China Communications Construction Company Ltd.Hongkong-Zhuhai-Macao link,review of immersed tunnel aspects[K]//Technical notes.2008.

[3]Φresundsbro Konsortiet.The tunnel[M],Denmark:TheΦresund publication,2011.

E-mail：linming1004@sohu.com

中图分类号：U451

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2016）01-0001-05

doi：10.7640/zggwjs201601001

收稿日期：2015-10-12

作者简介：林鸣（1957—），男，江苏南京市人，总工程师，教授级高级工程师，从事水工及路桥施工管理。

Principles and methods for structural-type selection of immersed tunnel

LIN Ming1,LIN Wei2
（1.China Communications Construction Company Ltd.,Beijing 100088,China;
2.CCCC Highway Consultant Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

Abstract：Based on the construction experience of immersed tunnel and referred to actual condition of present immersed tunnel in abroad,starting from the principle analysis,we elaborated the thoughts on structural-type selection of immersed tunnel,and proposed suggestion on the development tendency and optimized direction for the future immersed tunnel structure. Key words：Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;semi-rigid immersed tunnel;immersed tunnel;structural-type selection; longitudinal structure