號(hào)上午-現(xiàn)代沉管隧道工法與新技術(shù)(陳韶章蘇宗賢)-

1現(xiàn)代沉管隧道工法與新技術(shù)陳韶章蘇宗賢2014年4月

主要內(nèi)容

一、現(xiàn)代沉管隧道的發(fā)展與技術(shù)需求二、現(xiàn)代沉管隧道的設(shè)計(jì)理論與方法三、現(xiàn)代沉管隧道的施工、裝備與產(chǎn)品四、結(jié)束語21.1斷面型式

北美：·從1894年美國(guó)在波士頓首次采用沉管法成功修建的一條輸水管線、1910年美國(guó)在底特律河用該工法修建了世界第一座用于鐵路交通的水下隧道開始，美國(guó)開啟了沉管工法隧道的建設(shè)。

·1970年建成長(zhǎng)5825m的舊金山灣區(qū)快速軌道運(yùn)輸系統(tǒng)（BayAreaRapidTransit）沉管隧道。主要采用圓形斷面的鋼殼結(jié)構(gòu)型式，在北美得到推廣。3美國(guó)Detroit-Windsor沉管隧道橫斷面

歐洲：·第一座采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉管隧道出現(xiàn)在歐洲——荷蘭鹿特丹馬斯河（Maas）水下公路隧道，1942年?！み@種鋼筋混凝土箱式矩形結(jié)構(gòu)型式在20世紀(jì)中葉以后成為沉管隧道主流結(jié)構(gòu)型式，其得益于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防裂和防滲技術(shù)的進(jìn)步?！?000年建成的連接丹麥和瑞典的厄勒松海峽沉管隧道，也采用混凝土矩形箱式管節(jié)。4荷蘭Maas沉管隧道橫斷面厄勒松海峽沉管隧道橫斷面5亞洲：·日本的沉管隧道發(fā)展開始于1944年在大阪修建的阿吉河（AjiRiver）水下隧道，該隧道采用了美式的單層鋼殼結(jié)構(gòu)?！?980年建成的大馬隧道采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式，斷面型式逐漸為矩形所取代?！ね炼涞牟┧蛊蒸斔购{沉管隧道業(yè)主在2002年的招標(biāo)方案中采用圓形鋼殼結(jié)構(gòu)，承包商在2004年的設(shè)計(jì)方案中采用了鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)。·韓國(guó)2005年開始修建的釜山-巨濟(jì)海底沉管隧道，也采用鋼筋混凝土箱式矩形結(jié)構(gòu)。韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道橫斷面(a)2002年業(yè)主招標(biāo)方案(b)2004年承包商設(shè)計(jì)方案博斯普魯斯沉管隧道橫斷面6·1972年，我國(guó)香港地區(qū)建成了跨越維多利亞港的紅磡道路海底隧道——雙圓形鋼殼鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)沉管隧道，1979年采用矩形混凝土結(jié)構(gòu)建成了香港地鐵MTR（MassTransitRailway）第一條海底沉管隧道，隨后又建成了公鐵合建的東區(qū)海底沉管隧道和公鐵分建的西區(qū)海底沉管隧道。香港紅磡沉管隧道出入口（矩形斷面）7·20世紀(jì)90年代至今，我國(guó)境內(nèi)建成的沉管隧道有廣州珠江1座、寧波甬江2座和上海黃浦江1座，以及正在建設(shè)的廣州市侖頭—生物島、生物島—大學(xué)城和洲頭咀三條越江沉管隧道、佛山市東平河沉管隧道、天津市海河沉管隧道、港珠澳大橋海中沉管隧道、南昌贛江紅谷沉管隧道，也均采用鋼筋混凝土箱式矩形結(jié)構(gòu)。廣州洲頭咀沉管隧道橫斷面廣州珠江沉管隧道8橫斷面結(jié)構(gòu)型式對(duì)比：（1）圓形鋼殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①水密性好；②預(yù)制容易；③浮運(yùn)航道條件要求不高；④鋼材用量大，造價(jià)昂貴；⑤斷面利用率不高；⑥浮態(tài)澆筑內(nèi)襯鋼筋混凝土；⑦一般需采用外部永久壓重。9（2）鋼筋混凝土矩形箱式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①對(duì)于采用縱向通風(fēng)+重點(diǎn)排煙的道路隧道，可大大壓縮了豎向尺寸，提高了路面標(biāo)高，減少基槽開挖量，有利于與兩岸（人工島）道路銜接，縮短了隧道段長(zhǎng)度，使人工島體量得到控制，減小阻水率；②不受橫向尺寸限制，特別適用于多條車道或公鐵合建，橫斷面利用率高；③有利于橫向聯(lián)絡(luò)通道的布設(shè)；④浮運(yùn)時(shí)干舷較小，對(duì)浮運(yùn)航道條件要求高?！た梢姡摻罨炷料涫骄匦谓Y(jié)構(gòu)是目前沉管隧道建設(shè)的主流型式。101.2水深與覆土

底部最大水深：·1910年，美國(guó)底特律沉管隧道為24.4m。·1930年，底特律-溫特索沉管隧道為18.5m?！?942年，荷蘭馬斯河隧道為22.5m?！?979年，香港地鐵MTR沉管隧道為24.24m，·1993年，我國(guó)廣州珠江沉管隧道約為21m?！?000年，厄勒松海峽沉管隧道約22m?！?/p>

可以看出，早期的沉管隧道由于技術(shù)、施工裝備和工藝限制，適合的水深在20m左右。11·1970年，世界最長(zhǎng)的美國(guó)BART沉管隧道（鋼殼結(jié)構(gòu)）最大水深達(dá)到了40.5m?！?011年建成的韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道底部最大水深約51m?！?008年建成的土耳其博斯普魯斯沉管隧道（鐵路）最大水深達(dá)61m?！ぴ诮ㄖ械奈覈?guó)港珠澳大橋海中沉管隧道最大水深約46m。這三座隧道均為鋼筋混凝土箱式矩形結(jié)構(gòu)，需要克服的水深達(dá)到了40m以上。土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道平面及縱斷面12對(duì)于覆土：·過去絕大部分的沉管隧道敷設(shè)于河床或海床面上，除了人工回填覆蓋提供保護(hù)外，覆土幾乎沒有或很小，結(jié)構(gòu)分析主要考慮抗浮問題?！ぎ?dāng)隧道穿越航道時(shí)，沉管隧道需要敷設(shè)于航道以下，航道以外區(qū)域在隧道建成后將逐漸回淤至河床或海床面而產(chǎn)生較大的覆土（或回淤）荷載，使得結(jié)構(gòu)分析既要考慮抗浮，又要考慮處理結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)沉降相協(xié)調(diào)問題。13建設(shè)中的港珠澳大橋海中沉管隧道需要穿越規(guī)劃30萬噸級(jí)的銅鼓航道和伶仃西航道，最大回淤厚度達(dá)23m。港珠澳大橋海底沉管隧道平面與縱斷面141.3服務(wù)功能

·過去修建的沉管隧道，大部分為城市道路或公路隧道，對(duì)于圓形鋼殼型式，多數(shù)為單孔雙向雙車道?！ぴ诰匦武摻罨炷两Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)之后，普遍為雙向四車道，部分根據(jù)交通量需求采用雙向六車道?！つ壳案咚俟菲毡橐筮_(dá)到雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)：港珠澳大橋沉管隧道，100km/h雙向六車道，單孔三車道，成為單孔跨度最大（14.25m）的沉管隧道。港珠澳大橋沉管隧道橫斷面15·部分工程需要雙向八車道：美國(guó)采用鋼殼結(jié)構(gòu)的FortMcHenry隧道、荷蘭采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的Drecht隧道（這兩座隧道斷面形式相同），為目前世界上僅有的兩座雙向八車道水下道路隧道（四孔，每孔兩車道）。

我國(guó)規(guī)劃中的深中（深圳-中山）通道，要求達(dá)到雙向八車道的高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，若不能降低通行能力（兩車道每孔），需進(jìn)一步解決單孔四車道的大跨混凝土矩形結(jié)構(gòu)的受力問題（單孔跨度達(dá)19.25m）。荷蘭Drecht沉管隧道橫斷面16·在矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式出現(xiàn)后，沉管隧道橫斷面寬度的利用率得到提高，出現(xiàn)了城市道路與地鐵、公路與鐵路共管設(shè)置，甚至發(fā)展為能通行高速鐵路的水下沉管隧道。如廣州市珠江沉管隧道、佛山市東平河沉管隧道為公（道）鐵兩用隧道。擬建的丹麥-德國(guó)費(fèi)馬恩海灣沉管隧道已確定建設(shè)成公鐵兩用隧道，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為120km/h的雙向四車道高速公路和160km/h的雙線鐵路。

可見，沉管隧道正從單一用途向多用途方向發(fā)展。佛山東平河沉管隧道橫斷面布置費(fèi)馬恩沉管隧道橫斷面布置171.4隧道長(zhǎng)度與管節(jié)長(zhǎng)度

·1910年在美國(guó)底特律河下修建的沉管隧道全長(zhǎng)只有782m，每節(jié)管長(zhǎng)78.2m，共有10節(jié)?！ず髞硇藿ǖ拿绹?guó)舊金山灣區(qū)快速軌道運(yùn)輸系統(tǒng)（BART）沉管隧道，長(zhǎng)5825m，每節(jié)管長(zhǎng)102.2m，目前仍保持為世界最長(zhǎng)的沉管隧道?！ぴ谏蟼€(gè)世紀(jì)，世界上修建的沉管隧道長(zhǎng)度一般在2km以內(nèi)，每節(jié)管節(jié)一般在100~130m的范圍內(nèi)，目前，沉管隧道的長(zhǎng)度已增加至3km以上，管節(jié)長(zhǎng)度也進(jìn)一步增大。18

·土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道（沉管段長(zhǎng)約1387m）標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)135m?！ざ蚶蘸{沉管隧道（沉管段長(zhǎng)約3.5km）標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)176m。

·韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道（沉管段長(zhǎng)約3.3km）標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180m。

·在建中的港珠澳大橋沉管隧道（沉管段長(zhǎng)約5.7km）標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180m。

·1980年建成的荷蘭的海姆斯普爾（Hemspoor）隧道標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)268m，目前仍保持著最長(zhǎng)鋼筋混凝土矩形管節(jié)的紀(jì)錄?！M建的費(fèi)馬恩海灣沉管隧道（沉管段長(zhǎng)17.6km）標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)采用了長(zhǎng)217m的節(jié)段式鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)（招標(biāo)方案）。

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·隨著隧道長(zhǎng)度的增加和建設(shè)工期的要求，管節(jié)長(zhǎng)度需要進(jìn)一步增大，同時(shí)由于混凝土溫度應(yīng)力和收縮徐變等因素的影響，長(zhǎng)管節(jié)結(jié)構(gòu)需以節(jié)段式取代整體式：·這將使結(jié)構(gòu)受力矛盾轉(zhuǎn)嫁為管節(jié)（沉管段）水密性矛盾。201.5腐蝕環(huán)境與設(shè)計(jì)使用壽命

·以往修建的沉管隧道，大部分處于江河下游，耐久性矛盾并不突出。

·從20世紀(jì)90年代以后，沉管隧道工程從江河環(huán)境逐漸向江河入?？?、海灣環(huán)境甚至跨海峽環(huán)境發(fā)展，暴露在海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性又面臨進(jìn)一步挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的耐久性設(shè)計(jì)理論和方法不能滿足復(fù)雜腐蝕環(huán)境和設(shè)計(jì)使用壽命的需求。老化（劣化）過程（性能）極限狀態(tài)21考察沉管隧道的發(fā)展歷史及近期的幾座典型沉管隧道：·丹麥-瑞典厄勒松海峽沉管隧道·土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道·韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道·港珠澳大橋沉管隧道發(fā)展趨勢(shì)：1.鋼筋混凝土箱式矩形結(jié)構(gòu)逐漸取代圓形鋼殼結(jié)構(gòu)；2.長(zhǎng)度從2km以內(nèi)發(fā)展到>3km；3.水深從20m左右發(fā)展到>40m；4.單孔跨度越來越大；5.從江河海灣發(fā)展。

主要內(nèi)容

一、現(xiàn)代沉管隧道的發(fā)展與技術(shù)需求

二、現(xiàn)代沉管隧道的設(shè)計(jì)理論與方法三、現(xiàn)代沉管隧道的施工、裝備與產(chǎn)品四、結(jié)束語22232.1地質(zhì)勘察

·以往的沉管隧道一般位于河床表面上，對(duì)地基承載力要求不高，有時(shí)怕浮不怕沉，因此對(duì)勘察要求也不高，隨著通航要求和回淤問題的出現(xiàn)，現(xiàn)代沉管隧道工程對(duì)地質(zhì)勘察工作要求也越來越高，需要精細(xì)化的勘察分析?！た辈觳伎讘?yīng)與沉管隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論相結(jié)合，利用用巖土工程理論解決地層分層、土地分類、物理力學(xué)指標(biāo)和地基土的工程特性如承載能力、抗剪強(qiáng)度、固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)等，并對(duì)地層反力系數(shù)K值進(jìn)行評(píng)估。24

·傳統(tǒng)的鉆探獲取的土樣不可避免的受到擾動(dòng)而難以獲取較為準(zhǔn)確的參數(shù)，而且在隧道沿線及周邊需布設(shè)一定密度的勘探孔，傳統(tǒng)的鉆探工作將大量增加海上作業(yè)的時(shí)間和成本，而且與航道運(yùn)營(yíng)相互干擾，海事協(xié)調(diào)難度大?！ぴ跉W洲普遍采用靜力觸探（CPT、CPTU）和鉆探相結(jié)合的手段進(jìn)行沉管隧道工程的地質(zhì)勘察?！じ壑榘拇髽虺凉芩淼澜ㄔO(shè)也引入了CPTU，研究解決CPTU與國(guó)家勘察標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范取值之間的相應(yīng)關(guān)系。25·一般采用以CPTU為主，并與鉆探相結(jié)合的勘察方法?！ぶ饕m用于海、陸相交替的沖積層和沉積層，可快速判別粘性土、粉性土和砂性土地層。CPTU間接指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式

計(jì)算變形參數(shù)計(jì)算沉降量·需在原位或同類土質(zhì)地層應(yīng)用靜載壓板試驗(yàn)或螺旋壓板試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比或修正，還需結(jié)合鑒別孔和技術(shù)孔進(jìn)行分析。·現(xiàn)代的沉管隧道設(shè)計(jì)還需要考慮施工存在不確定性的影響，例如地基剛度的不確定性（包括勘察不確定性、基槽超欠挖和基礎(chǔ)不平整等因素引起）對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形也會(huì)有明顯影響。26歐洲的經(jīng)驗(yàn)主要是以一定的偏差波動(dòng)（一般取15~20%）和根據(jù)管節(jié)長(zhǎng)度計(jì)算最不利的偏差波長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，并以此進(jìn)一步確定CPTU的布孔間距，地基剛度變化示意曲線原位測(cè)試孔布孔原則：考慮管節(jié)長(zhǎng)度和最不利偏差波長(zhǎng)；鑒別孔；消散孔（孔壓消散試驗(yàn)）。272.2結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

·沉管隧道由于存在接頭而在結(jié)構(gòu)力學(xué)行為上變得比較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)橫斷面分析和設(shè)計(jì)需要解決其行車孔跨度隨車道數(shù)增加而增加所帶來的彎矩內(nèi)力急劇增加，隨著水深和回淤的增加，則需要考慮對(duì)斷面進(jìn)行優(yōu)化。橫斷面彎矩圖橫斷面剪力圖28

·對(duì)于隧道的縱向分析，沉管隧道有以下特點(diǎn)：（1）對(duì)于鋼筋混凝土箱式矩形結(jié)構(gòu)的管節(jié)接頭，采用水力壓接，由GINA止水帶形成第一道止水，?止水帶作為第二道止水，形成了柔性接頭。若接頭其余部分采用混凝土澆筑連接，則形成剛性接頭。

管節(jié)水力壓接示意圖柔性接頭剛性接頭29

（2）對(duì)于管節(jié)接頭，GINA止水帶受壓而儲(chǔ)存著壓縮能量，接頭抗彎剛度與其橡膠材料性能和壓縮情況有關(guān)；

（3）對(duì)于節(jié)段接頭，鋼邊止水帶和OMEGA止水帶對(duì)兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)作用力相對(duì)較小，接頭抗彎剛度則與混凝土接觸狀態(tài)有關(guān)，接觸狀態(tài)也與軸向壓力有關(guān)。

管節(jié)接頭構(gòu)造節(jié)段接頭構(gòu)造30

可以看出，節(jié)段接頭剛度與管節(jié)縱向軸力（或者說與環(huán)境水壓）有關(guān)。

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·沉管隧道的縱向分析的本質(zhì)是通過對(duì)接頭剛度的量化分析，考慮隧道在荷載、地基、管節(jié)溫度應(yīng)力、混凝土收縮和徐變、GINA止水帶松弛和劣化、地震等各種作用下，計(jì)算縱向結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，然后對(duì)接頭剪力鍵受力和止水帶水密性進(jìn)行驗(yàn)算與設(shè)計(jì)。

·現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)理論將結(jié)構(gòu)與圍巖視作整體進(jìn)行分析考慮，其原理也適用于沉管隧道的縱向分析。傳統(tǒng)上，由于受計(jì)算工具的制約往往將結(jié)構(gòu)受力與地基沉降的分析分開進(jìn)行?，F(xiàn)代的縱向分析方法應(yīng)能將沉管隧道地基設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)子系統(tǒng)集成起來，通過相互迭代分析，同時(shí)計(jì)算出縱向沉降、結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力、接頭張開量、剪力鍵受力等結(jié)果。因此，縱向分析需與地基處理方法相結(jié)合?！す?jié)段接頭剛度、管節(jié)接頭剛度和地基剛度得以量化和合理匹配，是現(xiàn)代沉管隧道工法縱向計(jì)算與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。32地震位移響應(yīng)

·還需考慮適合沉管隧道的抗震分析方法。33縱向軸力圖縱向剪力圖縱向彎矩圖34剪力鍵受力驗(yàn)算GINA水密性能曲線352.3通風(fēng)與消防

·長(zhǎng)大隧道的通風(fēng)方案有三大類方式：全橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)。·如果采用全橫向和半橫向通風(fēng)，隧道內(nèi)的衛(wèi)生狀況和防火排煙效果好，在同一隧道內(nèi)雙向運(yùn)營(yíng)的更為合適，但是其同樣需要較大的風(fēng)道面積，對(duì)風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)的技術(shù)要求較高，初期的土建費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用以及后期的通風(fēng)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用很大。·縱向通風(fēng)方案的土建工程量小，設(shè)備運(yùn)營(yíng)費(fèi)用相對(duì)較低，方式相對(duì)靈活多樣，但洞內(nèi)的環(huán)境狀況和防火排煙效果稍差，需與重點(diǎn)排煙相結(jié)合。36

·從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程看，都基本經(jīng)歷了從全橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)向縱向通風(fēng)逐漸過渡的過程。

韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道和港珠澳大橋沉管隧道，均采用縱向通風(fēng)方式；歐洲各國(guó)近幾年的通風(fēng)理念也逐漸有所改變，對(duì)于雙洞單向運(yùn)營(yíng)的公路隧道，縱向通風(fēng)也逐漸成為主流。籌建中的費(fèi)馬恩海底沉管隧道，長(zhǎng)達(dá)19km，也擬采用縱向通風(fēng)方式（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為工程竣工通車之時(shí)歐洲的汽車排放已達(dá)到歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)）?！た紤]我國(guó)國(guó)情，若汽車排放標(biāo)準(zhǔn)不能提高，隨著公路隧道長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，隧道通風(fēng)能力將成為制約隧道長(zhǎng)度的瓶頸，在技術(shù)上需要進(jìn)一步的突破。37

·當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)，縱向通風(fēng)方式的防火排煙效果較差，會(huì)將大量煙氣吹向火區(qū)下游，同時(shí)也未必能阻止煙氣回流，嚴(yán)重影響車輛疏散和人員逃生，因此在采用縱向通風(fēng)方式的同時(shí)應(yīng)該采用重點(diǎn)排煙技術(shù)方案，通過開啟火災(zāi)點(diǎn)附近的排煙閥就近排除煙氣，及時(shí)控制煙氣蔓延?！ね瑫r(shí)還需配備火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)（泡沫水噴淋）。·為了更快更及時(shí)地對(duì)火災(zāi)進(jìn)行控制，縮短人為反應(yīng)時(shí)間，應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)排煙風(fēng)閥、滅火裝置、射流風(fēng)機(jī)和疏散指引信息的自動(dòng)響應(yīng)與控制。38

·應(yīng)針對(duì)主體結(jié)構(gòu)和接頭進(jìn)行不同防火處理。接頭要考慮橡膠工作溫度不大于70℃。392.4耐久性設(shè)計(jì)

·對(duì)于在海洋環(huán)境中采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉管隧道（特別是沒有外包防水的節(jié)段式混凝土管節(jié)），混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和控裂技術(shù)是實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)自防水的關(guān)鍵?！鹘y(tǒng)的耐久性設(shè)計(jì)方主要是建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)判斷-符合原則（deem-to-satisfyrules）建立經(jīng)驗(yàn)理論體系，綜合經(jīng)驗(yàn)、摸索和直覺確定鋼筋混凝土鋼筋保護(hù)層的厚度，無執(zhí)行操作和設(shè)計(jì)使用年限定義的說明，依據(jù)的材料和工藝陳舊，試驗(yàn)方法存在較多缺點(diǎn)，沒有論述與設(shè)計(jì)使用年限有關(guān)的混凝土早期質(zhì)量要求。發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)50年代中期起就投入大量人力、經(jīng)費(fèi)致力于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究，在不同腐蝕環(huán)境下的耐久性混凝土材料、耐久性設(shè)計(jì)理論和方法及耐久性施工質(zhì)量控制上達(dá)到了較高的技術(shù)水平。歐盟資助的Duracrete研究項(xiàng)目（1996-1999），在國(guó)際上首次提出了混凝土耐久性的可靠度設(shè)計(jì)方法，作為使用年限設(shè)計(jì)方法在厄勒海峽和釜山-巨濟(jì)通道等工程上得到了應(yīng)用。40

近20年我國(guó)在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，特別是暴露在海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究方面投入了大量的研究力量，發(fā)表了一批針對(duì)海洋環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕作用的研究成果，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室開展海洋環(huán)境研究的人工氣候箱（室），編制和更新了相關(guān)的國(guó)家與行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在多項(xiàng)跨海工程建設(shè)中逐漸積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，如杭州灣大橋、東海大橋、青島海灣大橋等，其設(shè)計(jì)使用壽命均要求達(dá)到100年。在具體設(shè)計(jì)中，對(duì)于海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)尚處于遵從經(jīng)驗(yàn)判定的階段，雖然可以給出對(duì)應(yīng)不同設(shè)計(jì)使用年限的混凝土耐久性控制指標(biāo)，但這些指標(biāo)是基于目前規(guī)范規(guī)定和傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，使得耐久性技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)使用年限之間缺乏可靠的理論對(duì)應(yīng)關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)要求的工程是否就能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限仍缺乏足夠的理論依據(jù)。41

·現(xiàn)代沉管隧道耐久性設(shè)計(jì)方法，應(yīng)該是基于結(jié)構(gòu)使用年限的定量耐久性設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的環(huán)境作用，以全概率或近似概率方法建立耐久性數(shù)學(xué)模型對(duì)鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、所處環(huán)境條件以及養(yǎng)護(hù)措施等變量進(jìn)行分析，對(duì)構(gòu)件的材料指標(biāo)或者結(jié)構(gòu)指標(biāo)提出量化要求。觀念變化：傳統(tǒng)的定性、定量概率理論（大量的試件、試驗(yàn)，氯離子滲透概率）42傳統(tǒng)耐久性設(shè)計(jì)基于耐久性設(shè)計(jì)-對(duì)混凝土性能要求1級(jí)2級(jí)機(jī)理AASHTO、BS、EuroCodesACI-life365DuraCrete經(jīng)驗(yàn)和直覺判定性計(jì)算概率計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)單“判斷-符合”（deem-to-satisfy）原則（最小保護(hù)層原、最大W/C等）依據(jù)混凝土性能（劣化機(jī)理）設(shè)計(jì)（使用年限、破壞可能性、最小保護(hù)層厚度、最大氧離子擴(kuò)散率，最小抗碳化作用）環(huán)境分類無環(huán)境分類環(huán)境分類不夠細(xì)詳細(xì)環(huán)境分類（例如隧道隧孔內(nèi)和外）劣化過程無變化或變化模擬變化過程和變壞機(jī)理的數(shù)值模擬混凝土質(zhì)量與實(shí)際混凝土性能無關(guān)依據(jù)理論混凝土性能依據(jù)實(shí)際混凝土性質(zhì)（通過混凝土試驗(yàn)得出實(shí)際氯離子擴(kuò)散系數(shù)）不同耐久性設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)對(duì)比

主要內(nèi)容

一、現(xiàn)代沉管隧道的發(fā)展與技術(shù)需求二、現(xiàn)代沉管隧道的設(shè)計(jì)理論與方法

三、現(xiàn)代沉管隧道的施工、裝備與產(chǎn)品四、結(jié)束語43443.1管節(jié)工廠化生產(chǎn)

·傳統(tǒng)的管節(jié)預(yù)制場(chǎng)地有船臺(tái)和干塢。船臺(tái)預(yù)制需要有較高的干舷，多用于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的管節(jié)預(yù)制一般在干塢上進(jìn)行。·當(dāng)隧道長(zhǎng)度進(jìn)一步增加（一般大于1km）時(shí)，管節(jié)預(yù)制工作量較大，往往最容易成為制約工期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的干塢中預(yù)制管節(jié)，從鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑到拆模養(yǎng)護(hù)等工作，都是圍繞著管節(jié)實(shí)體在固定的非常有限的空間進(jìn)行，工序和臺(tái)班易受擾動(dòng)、模板經(jīng)常拆卸移動(dòng)而使得預(yù)制工作效率不高，還需要解決臨時(shí)系泊區(qū)，顯得并不經(jīng)濟(jì)。韓國(guó)釜山沉管隧道管節(jié)傳統(tǒng)干塢法預(yù)制45

·厄勒海峽沉管隧道成功實(shí)施了管節(jié)工廠化生產(chǎn)工藝，其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)流水化生產(chǎn)模式，即在流水線上的不同位置依次完成鋼筋綁扎、模板架立、混凝土澆筑、拆模養(yǎng)護(hù)、淺塢一次舾裝和深塢二次舾裝等工作，通過將生產(chǎn)對(duì)象（管節(jié)鋼筋籠或成型混凝土）進(jìn)行頂推平移至下一道工序位置進(jìn)行后續(xù)作業(yè)?！み@種生產(chǎn)方法適用于節(jié)段式管節(jié)的預(yù)制生產(chǎn)，模板只需按一節(jié)段長(zhǎng)度進(jìn)行制造，逐段生產(chǎn)頂推連接成管節(jié)，其模板在生產(chǎn)線的位置固定（傳統(tǒng)的干塢生產(chǎn)需要移動(dòng)模板而不移動(dòng)管節(jié)），可大大節(jié)約模板數(shù)量且便于維護(hù)，而且，生產(chǎn)線的大部分工作在室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行，可全天候作業(yè)，各道生產(chǎn)工序可同時(shí)進(jìn)行，基本不產(chǎn)生干擾，顯著提高了管節(jié)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。工廠法管節(jié)預(yù)制流水線示意46韓國(guó)釜山沉管隧道管節(jié)干塢預(yù)制場(chǎng)厄勒海峽沉管隧道管節(jié)工廠化預(yù)制廠47管節(jié)工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵組成和裝備包括：（1）管節(jié)混凝土模板系統(tǒng)（2）混凝土攪拌及供應(yīng)系統(tǒng)48管節(jié)工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵組成和裝備包括：（3）混凝土溫控及養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)（4）管節(jié)頂推與導(dǎo)向系統(tǒng)（5）管節(jié)支承系統(tǒng)。49

·港珠澳大橋沉管隧道工程是世界范圍內(nèi)第二個(gè)成功實(shí)現(xiàn)管節(jié)工廠化的建設(shè)項(xiàng)目，在上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了流水化鋼筋生產(chǎn)加工線，采用了摩擦焊接和數(shù)控鋼筋加工技術(shù)，大大提高了鋼筋籠精度和施工自動(dòng)化水平；還采用了大型自動(dòng)化液壓混凝土模板，大大提高了混凝土制作精度和工效；50

此外，還將深塢與淺塢平行布置，在不增大淺塢端封門的條件下，將深塢的管節(jié)存儲(chǔ)量從2節(jié)增加到4節(jié)。港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)預(yù)制廠布置圖厄勒海峽沉管隧道管節(jié)預(yù)制廠布置圖513.2地基與基礎(chǔ)處理

·傳統(tǒng)的沉管隧道建設(shè)與河床面上，上覆荷載很小或沒有，沉降容易通過，對(duì)地基要求不高?！がF(xiàn)代沉管隧道需要下穿航道時(shí)由于回淤的影響對(duì)地基要求逐漸提高，沉降問題甚至是工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。·對(duì)于長(zhǎng)隧道，總會(huì)發(fā)生一定的沉降，總沉降量對(duì)柔性的隧道結(jié)構(gòu)影響不大，關(guān)鍵是要控制差異沉降（或沉降差）。地基處理不需在隧道縱向上都要達(dá)到同一個(gè)剛度，只需處理好剛度過渡，使隧道的差異沉降控制在管節(jié)接頭與節(jié)段接頭可承受的范圍內(nèi)，這種“剛?cè)釁f(xié)調(diào)”大大降低了工程建設(shè)成本。港珠澳大橋沉管隧道地基處理52·地基處理主要有復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)兩大類：

（1）早期的使用剛性接頭的沉管隧道多使用偏剛性的樁基礎(chǔ)。

（2）水力壓接的柔性接頭出現(xiàn)后，較多地采用了復(fù)合地基，如深層水泥攪拌樁（CDM）、擠密砂樁（SCP）和減沉樁等。地基處理前后沉降曲線533.2.1深層水泥攪拌樁

韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道地基處理大部分采用了深層水泥攪拌樁。此方法適用于處理淤泥、砂土、淤泥質(zhì)土、泥炭土和粉土。54深層水泥攪拌樁施工示意圖深層水泥攪拌樁施工設(shè)備553.2.2水下擠密砂樁

水下擠密砂樁是一種新的地基加固技術(shù)，它通過振動(dòng)設(shè)備和管腔增壓裝置把砂強(qiáng)制壓入軟弱地基中形成擴(kuò)徑砂樁，從而增加地基強(qiáng)度，加快地基固結(jié)，減少結(jié)構(gòu)物沉降，提高地基的抗液化能力，具有施工周期短、加固效果明顯、作業(yè)機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于對(duì)砂性土、粘性土、有機(jī)質(zhì)土等幾乎所有河床或海床土質(zhì)的地基加固處理。為了準(zhǔn)確控制好沉降，擠密砂樁需解決置換作用和排水作用機(jī)理。擠密砂樁施工示意圖擠密砂樁計(jì)算圖示56擠密砂樁船57減沉樁試驗(yàn)?zāi)M示意圖3.2.3減沉樁為了準(zhǔn)確控制好沉降，需解決沉管-墊層-樁-土相互作用機(jī)理。58

對(duì)于覆土較大的沉管隧道，基礎(chǔ)處理還需考慮基槽開挖后的地基土回彈再受壓縮的問題和大邊載產(chǎn)生的橫向剪力問題。隔離樁邊樁次邊樁擠密砂樁穩(wěn)定性分析593.2.3

基礎(chǔ)處理

·一般分為先鋪法和后填法兩大類：

先鋪法——刮砂法和刮石法；

后填法——砂流法、灌囊法和壓漿法等。60

·韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道采用的一種新型的碎石整平法是刮石法的一種變型，其碎石墊層帶有壟溝。61

·這種碎石墊層的優(yōu)點(diǎn)是：

①在相對(duì)較大的波浪和水流情況下仍能適用；

②基礎(chǔ)墊層和管節(jié)沉放施工速度較快，管節(jié)沉放連接后能快速保持管節(jié)穩(wěn)定；

③墊層頂面可進(jìn)行可視化檢查；

④管節(jié)著床后墊層有一定的變形適應(yīng)能力，局部高點(diǎn)和少量回淤可向溝槽滑移，平整度要求可相對(duì)較低?！と欢诠芄?jié)著床后會(huì)有較大的不可恢復(fù)的瞬時(shí)沉降，因此在設(shè)計(jì)上需要考慮一定的預(yù)抬高量?！み@種基礎(chǔ)處理方法對(duì)機(jī)械設(shè)備要求高，尤其在深水區(qū)，船舶和裝備的穩(wěn)定性、高精度測(cè)控和自動(dòng)化水平均需要有很大的突破。62碎石整平船633.3基槽開挖與清淤

·隨著水深的增大和基槽開挖精度要求的提高，需要采用專門的疏浚設(shè)備進(jìn)行開挖，在越來越惡劣水上風(fēng)浪條件下應(yīng)具有較為精確的定位系統(tǒng)和粗挖、精挖控制系統(tǒng)。抓斗式挖泥船（基槽開挖）64

·回淤可能造成沉管安裝期浮力突然增大而意外上浮，也會(huì)給后期運(yùn)營(yíng)帶來超預(yù)期沉降，必須在基槽精挖、碎石基床鋪設(shè)后、管節(jié)安裝前進(jìn)行清淤。清淤作業(yè)不能破壞已鋪設(shè)的碎石基床結(jié)構(gòu)，水下吸頭的精確定位和吸力控制是關(guān)鍵。清淤船653.4管節(jié)浮運(yùn)與安裝

·沉管浮運(yùn)安裝往往作為整個(gè)沉管隧道工程施工的主線，從管節(jié)預(yù)制完畢在淺塢完成一次舾裝開始，浮運(yùn)與安裝工作包括塢內(nèi)橫移、二次舾裝、出塢、浮運(yùn)、系泊、下沉、對(duì)接以及后續(xù)作業(yè)8個(gè)步驟?！び捎诠芄?jié)是鈍體結(jié)構(gòu)，對(duì)于長(zhǎng)大管節(jié)，施工前應(yīng)做好管節(jié)浮運(yùn)過程的拖航阻力、管節(jié)姿態(tài)穩(wěn)定性、系泊力及管節(jié)浮運(yùn)工況下內(nèi)力狀態(tài)的分析，利用水池試驗(yàn)（或與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合）確定雷諾系數(shù)、費(fèi)羅德常數(shù)、粘性阻力和興波阻力等數(shù)據(jù)，評(píng)估拖航牽引力、航速及其穩(wěn)定性，據(jù)此做好管節(jié)浮運(yùn)的拖帶方案和拖輪編隊(duì)的指揮協(xié)調(diào)。6667

·在氣象條件多變、風(fēng)浪、涌浪并存，水流條件復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下，浮運(yùn)與安裝只能在有限