鋼混三明治沉管結構綜述

林鳴，劉曉東，林巍，孫亮

（1.中國交通建設集團有限公司，北京 100088；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；3.NCC設計咨詢公司，日本 東京）

鋼混三明治沉管結構綜述

林鳴1，劉曉東2，林巍2，孫亮3

（1.中國交通建設集團有限公司，北京 100088；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；3.NCC設計咨詢公司，日本 東京）

沉管隧道主要結構形式是鋼筋混凝土結構和鋼殼結構。三明治鋼混組合的沉管結構，其應用領域、施工工藝較特殊，工程案例很少，僅在日本有應用案例。在港珠澳大橋方案比選階段對日本沉管隧道三明治工法進行了研究與考察，翻閱了有關技術資料；在港珠澳大橋島隧工程實施階段，出于降低風險、控制工期等方面因素，對可能需要實施的局部三明治結構（最終接頭）也作了可施工程度的分析。基于調研與實踐，文中對三明治沉管的起源、應用性、功能、結構驗算、施工工藝等方面進行了綜合論述，希望能夠提升讀者對該結構的整體認識。

沉管隧道；三明治結構；鋼混組合結構；設計；施工工藝；港珠澳大橋

1 起源與機理

1.1 起源

鋼殼沉管隧道興起于美國，混凝土沉管隧道興起于歐洲[1]，而這兩種形式的沉管隧道在日本都有建設[1-2]。日本在掌握這兩種方法的基礎上又創造了三明治鋼混組合結構的沉管隧道工法[2-3]。據作者訪問，該方法構思的形成起因于澆筑混凝土的鋼模板。完成隧道結構混凝土澆筑后，模板未拆除，連同沉管管節一起安裝。因為保留了鋼模板，結構抗力驗算時對地震等工況考慮了鋼結構的貢獻，又通過加厚鋼板優化了結構尺寸，進而形成了三明治沉管結構的思想。

1.2 機理

三明治鋼混組合結構的沉管管節由墻體、頂板、底板及端面板分段進行鋼構件加工與拼接，再整體組裝，如圖1，整體組裝后，再往內部澆筑混凝土[2]。

圖1 三明治沉管隧道拼裝示意Fig.1 Generalassembly of sandw ich-type immersed tunnel

圖2示意了構件的典型組成[4]。縱、橫隔板起到傳遞豎向剪力的作用，也起到混凝土澆筑的分倉作用。混凝土主要抵抗軸向力，而壓縮時上、下面的鋼板可能發生屈曲[3]，這對縱、橫隔板的設置間距提出需求。混凝土及上、下面鋼板共同承擔壓彎荷載，期望它們能類似鋼筋與混凝土那樣協同工作[4]，但前提是混凝土和鋼板能共同變形，無相對滑動，因此鋼板上一般設置剪力釘或角鋼，而角鋼又一定程度的提高了剪切承載力[3]，確保在混凝土澆筑前的管節拖運等臨時工況及混凝土澆筑時的鋼結構抗力及變形控制[5]。

圖2 三明治式沉管隧道典型組成Fig.2 Typical configurations of sandw ich-type immersedtunnel

2 適用性

2.1 已建成的三明治沉管隧道

世界上已建成的公、鐵交通沉管隧道超過150座，其中使用三明治結構的沉管隧道至今僅有6座[2]，且只存在于日本境內[3]，可參考表1。而日本已建設的交通用沉管隧道數量不少于22座。三明治沉管隧道在1991年已開始建設，距今已近20 a，從第1座三明治沉管的建設至今，世界上又建設了約30座沉管隧道[3]。由統計數據可觀察，三明治工法的沉管隧道除了在日本，并未在世界范圍內興起，即使在日本國內也未在建設數量上占據主導趨勢[2]。因此，該結構工程應用性值得調查與思考。

表1 已建成的三明治沉管隧道統計Tab le 1 Summ ary of the constructed sandw ich-type immersed tunnel

2.2 適用性評價

伴隨著科學技術的進步，英國也曾經對三明治沉管隧道產生興趣，并進行了大量的研究與試驗[3]，英國鋼結構協會進行了1∶3的物模試驗[3]，并于1997年編寫并出版了三明治沉管結構設計指南[6]。然而，英國至今還沒有建造三明治結構的沉管隧道。

在結構方面，2013年美國出版的有關沉管隧道一書認為三明治結構是一種很簡潔的結構，但是該結構在沉管隧道工法的適用性上存在以下3個限制[3]。

1）隧道工程要求隧道具備足夠的內部通行凈空，且要求沉管結構壁厚要足夠厚來達到運營期的抗浮需要[7]。三明治沉管工法雖然可通過鋼混結構降低了板厚，使整個結構輕盈，但同時也會將管節漂浮時的干舷高度抬高，而由于結構施工期的重量平衡需求[8]以及運營期的抗浮要求[9]，需要在管頂或管內預留足夠空間澆筑壓重混凝土[9]，截面尺寸增大，三明治工法失去其結構性優勢。該觀點也可用橫截面圖來示意，見圖3。

圖3 普通沉管隧道與三明治結構隧道比較示意Fig.3 Illustrative com parison of normal-type and sandw ich-type immersed tunnel

2）現代隧道不僅要提供一個不受外部自然環境約束的通道空間，還要在隧道內部放置很多服務設施，例如緊急操作板、緊急逃生門、電器操作箱及變電箱，對于美國傳統的圓形截面隧道，在近似矩形的交通限界以外有額外的空間來布置這些服務設施。而對于現代較常見的矩形截面隧道，不得不在隧道內側的墻體上預留箱孔來容納這些設施。因此可以預見，這些數量眾多、形狀復雜的箱孔將給內側鋼板的加工及混凝土的澆筑帶來極大的難度。

3）三明治結構火災后果嚴重性程度較大。盡管防火涂料可起到保護作用，內側鋼板作為主要結構構件（類比鋼筋混凝土結構的鋼筋）一旦受損，將直接損害結構承載能力。

在工藝方面，因為兩側鋼板的空間限制及剪力釘、角鋼的存在，為確保混凝土澆筑密實，對于排氣問題，無振搗作業空間的自密實混凝土的配合比問題，以及澆筑方法，都需要制定專門的方法，導致工藝復雜化[2-3]。并且，因為鋼殼隧道的施工步驟很多，所以對施工管理提出了很高的要求[2]。

2.3 觀點及討論

概述以上歐、美及日本文獻對三明治結構的評價，三明治結構相比混凝土或鋼結構，在結構性方面無明顯優勢，反而嚴重化了火災工況的后果，并相當程度地復雜化了施工工藝及施工流程。然而，在日本境內仍建造了6座三明治結構沉管隧道。而水深50 m的土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道，由日本承包商大成建設公司施工，也曾考慮過采用三明治的結構形式，最終卻因施工復雜的原因而放棄[3]。該項目施工指揮認為，三明治沉管隧道工法僅適用于無法找到合適的陸地來預制沉管結構的項目環境。新若戶隧道進行了各種結構方案的經濟性比較，三明治沉管隧道漂浮澆筑方案最終以經濟性優勢勝出，主要獲勝原因是船塢租借費比鋼殼結構、混凝土結構方案節省了約7億～40億日元。那霸臨港道路沉管隧道由于無法找到合適的澆筑混凝土的陸地而不得不選擇三明治形式，在海上漂浮狀態澆筑混凝土[5]。

基于以上對三明治沉管總體認識的理解，對于仍然有興趣研究或實踐的讀者，第3節主要根據日本已有工程經驗及試驗，概述該類型結構的功能目標、施工要點及結構驗算方法。第4節報告港珠澳大橋沉管隧道在最終接頭部位對該結構形式的謹慎選擇、試驗驗證與施工籌備。

3 設計與施工概述

3.1 目標需求

同普通沉管隧道，在隧道結構預制完以后，三明治沉管隧道需要滿足浮運、沉放等施工階段的承載力要求，也需要滿足從管節自漂浮至沉放狀態的對結構重量的平衡控制，還需要滿足運營期各種可能發生的不利工況的結構承載力，以及耐久性、自防水等需求，具體可參考文獻[3]、[10]及[11]。

然而，與普通混凝土沉管隧道不同的是，在澆筑混凝土之前，鋼殼自身在預制支座、下水（或吊裝）、靜水壓力及其它施工臨時荷載作用下的承載力需要足夠，變形需要保持在所期望的范圍。還應注意，從鋼殼預制場至澆筑混凝土的浮運路線上需要的最小吃水深度可能會對鋼殼重量與橫截面外形提出一定要求。

3.2 結構驗算

對比2.1節結構機理，主要驗算3項內容：

1）軸向力和彎矩的承載力驗算建立在近似鋼筋混凝土的理論上。

2）剪切力的承載力驗算建立在近似拉、壓桿模型的理論上。

3）為了確保混凝土和鋼板能共同工作，需驗算剪力釘、角鋼的擠壓剪力。

具體內容可參考文獻[4]及[12]。

3.3 施工關鍵工藝

三明治沉管結構施工的關鍵點至少包括2項：一是鋼板水密性，二是鋼殼內的混凝土充分填充[2]。鋼板水密性是確保隧道不漏水、運營期功能正常及結構壽命的一個重要保障；混凝土充分填充是保證鋼與混凝土共同作用的一個前提。這兩項可通過設計、施工工藝及施工管理的互通與專項要求來實現，簡述如下。

為保證結構水密，鋼結構加工的尺寸與焊縫水密性需要在施工過程中進行嚴格的控制與檢查。

為確保混凝土填充密實，設計方面需要合理布置縱橫隔板分倉、澆筑孔及排氣孔位置及細部加勁肋，以便為混凝土流動路徑提供可能；施工方面需確保混凝土具備高流動性，不需振搗就能達到內部結構的遠端。高流動混凝土的質量控制指標，受項目環境影響，一般都需要進行現場試澆筑來確認混凝土具備穩定的流動性能，例如配合比試驗及填充試驗。

另外，對澆筑工藝也需嚴格控制。例如，日本某三明治沉管隧道澆筑設定使用時間為60 min，超時后，原則上不使用；對于泵管接頭的管理，混凝土的下落高度不超過1 m，并且軟管的上端不能放入混凝土的上面，配合注入的混凝土的上升，邊回收泵壓送管邊澆筑；澆筑高度管理是從空氣排放孔用批量檢尺的方法，高于澆筑高度的區域則使用照相機進行監測管理；一般的澆筑速度以50 m3/h設定，特別是在上鋼板及水平縱隔板附近，150～300 mm以下區域，為了保持連續性，澆筑的速度降到15～20 m3/h；各澆筑孔的澆筑范圍，用敲擊等方法確定澆筑狀況。

4 港珠澳沉管隧道最終接頭三明治結構的應用

港珠澳大橋沉管隧道主體結構總長約5.7 km，采用鋼筋混凝土結構形式。最終接頭長約15 m，需要與兩端的沉管隧道結構在水下進行合龍，水深近30 m。在外海環境下施工，可作業時間極為有限。為了降低海上作業的風險（如潛水員作業等），控制最終接頭的施工工期，增加施工可靠度，港珠澳大橋沉管隧道的最終接頭經過3 a多的研究，從預制、安裝、工期等因素全面考慮決定采用基于三明治結構的一種整體接頭方案。目前正在進行施工前的試驗與技術籌備工作，這可能是國內沉管隧道對鋼混組合結構概念的首次應用。縱、橫隔板間距及板厚的驗算，是根據日本發展的理論，在其結構試驗尺寸有效范圍內使用，以保證結構傳力正常。對于混凝土配合比穩定性等受外部環境影響的問題，籌備階段進行試澆筑穩定性試驗，對鋼板焊接工藝、澆筑工藝也需分別進行專門研究。例如，自密實混凝土在兩邊鋼板內流動對鋼板的擠壓變形會引起最終接頭變形無法合龍的風險，為避免該問題，可能將在支架上（而非漂浮狀態）進行混凝土澆筑，并通過機械設計來調節支架反力，控制鋼結構總體變形。由于結構規模相對較小，設計與施工借鑒了日本已建成的沉管項目經驗構造及其相應的試驗驗證。

5 討論與總結

盡管三明治沉管結構起源于加強結構抗震性能的考慮，但是其結構體系并不像鋼筋混凝土或鋼結構那樣明晰，而是一種介于鋼結構與混凝土結構之間的中間結構（第1.2節）。沉管隧道鋼板與混凝土的協同工作機理，在結構驗算時可類比鋼筋與混凝土的傳力機理，但是相比較鋼筋混凝土結構而言并未得到較多實踐驗證與支撐，在沉管隧道工程的應用并不如鋼筋混凝土結構或鋼結構那樣廣泛。一個較突出的優勢是在無合適陸地澆筑混凝土時可以在漂浮狀態完成。因此，應用于實際工程時應充分理解其適應性（第2節），當需突破已有結構形式或尺寸時（表1），對結構驗算公式的有效性及結構傳力的可靠性需進行驗證。當需要大規模應用時（表1），應充分考慮其工藝復雜、施工管理難度、運營期火災風險等因素（第2.2節）。還應注意到，三明治沉管管節的施工周期（參考表1）相比鋼筋混凝土結構需要花費數倍的時間。

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[12]Research Subcommittee on Steel-Conc.On proposed design code of steel-concrete sandwich structures[C]//Proceedings of the Japan Society ofCivil Engineering.1992(451),33-37.

General discussion on steel-concrete composite sandwich immersed tunnel structure

LIN Ming1,LIU Xiao-dong2,LIN Wei2,SUN Liang3
（1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd., Beijing 100088,China;3.NCC Company,Tokyo,Japan）

The main structural types of immersed tunnel are reinforced-concrete and steel shell.The sandwich steel-concrete composite immersed tunnel has particular applicability and some special construction techniques.The project cases are rare, and the successful work only exists in Japan.We had studied the construction of this type for the scheme comparisons in the early stage of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project,looked through the relevant technical data.In the imp lementation phase of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel project,we also carried the construction level analysis on the local sandwich structure(final joints)which may need to implement,for purpose of lowering risk and controlling the time schedule.Based on the study and work experience,we provided a comprehensive discussion on the origin,applicability, functionality,structural capacity and construction technique of the sandwich immersed tunnel.The aim is to increase the overall understanding of the reader for the sandwich immersed tunnel.

immersed tunnel;sandwich structure;steel-concrete composite structure;design;construction technique; Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

U655.53；U455.46

A

2095-7874（2016）11-0001-04

10.7640/zggw js201611001

2016-10-26

林鳴（1957— ），男，江蘇南京市人，總工程師，教授級高級工程師，從事水工及路橋施工技術管理工作。E-mail：linming1004@sohu.com