某工程沉管隧道管節(jié)體量及縱向體系比選研究

邵敏，王勇，劉文

（1.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

建設(shè)粵港澳大灣區(qū)是推動(dòng)“一國兩制”事業(yè)發(fā)展的新實(shí)踐[1-2]。沿江高速前海段與南坪快速銜接工程項(xiàng)目涉及沿江高速和南坪快速兩條高快速路[3]。實(shí)施沿江高速前海段與南坪快速銜接工程，對(duì)提升前海的區(qū)域輻射力、深圳西部路網(wǎng)運(yùn)行效率、前海城市新中心道路交通運(yùn)行環(huán)境及前海城市新中心生態(tài)景觀環(huán)境具有重要意義[4]。而對(duì)于沉管隧道結(jié)構(gòu)的選型，港珠澳大橋也針對(duì)鋼筋混凝土沉管、鋼殼混凝土沉管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土沉管以及半剛性沉管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)劣性對(duì)比[5]。本項(xiàng)目存在隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、建設(shè)規(guī)模大，隧道建設(shè)條件復(fù)雜、技術(shù)難度高，技術(shù)突破與創(chuàng)新要求高，建設(shè)模式新，項(xiàng)目工期緊等特點(diǎn)，其中淺水沉管結(jié)構(gòu)及接頭選型是本工程的重難點(diǎn)之一。本文探討了工程關(guān)鍵技術(shù)，因地制宜地解決了淺水域沉管隧道管節(jié)結(jié)構(gòu)選型問題。

1 依托項(xiàng)目

1.1 項(xiàng)目概況

沿江高速前海段與南坪快速銜接工程位于深圳市前海與寶安中心區(qū)、粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)；項(xiàng)目路線全長約16 km，其中隧道長約13 km，是集八車道超寬海底沉管隧道、國內(nèi)最大直徑疊層盾構(gòu)隧道、填海區(qū)多層明挖隧道、長距離水下互通、既有橋梁拆除利用等“多維一體”的綜合集群工程，是粵港澳大灣區(qū)的交通強(qiáng)國示范工程，包含沿江高速改造、南坪快速接大鏟灣匝道、南坪快速接沿江高速匝道三部分內(nèi)容。

1.2 項(xiàng)目難點(diǎn)

本項(xiàng)目管節(jié)預(yù)制占據(jù)工期關(guān)鍵線路，基于工期和質(zhì)量控制將工廠化生產(chǎn)與整體式管節(jié)全斷面預(yù)制結(jié)合，可極大有利于項(xiàng)目開展。該工藝是國內(nèi)整體式管節(jié)的首次應(yīng)用，需具體設(shè)計(jì)沉管隧道的橫斷面，如圖1所示，例如，對(duì)沉管隧道檢修道設(shè)置、中間管廊設(shè)置以及沉管長度等[6]具體方案進(jìn)行確定，綜合對(duì)施工總體進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化決策。由于本項(xiàng)目工期控制、造價(jià)控制、場地條件、工藝選擇、裝備需求等建設(shè)條件較為復(fù)雜，確定最優(yōu)的管節(jié)長度影響重大，本文著重對(duì)管節(jié)各種可能的長度進(jìn)行一系列論證，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

圖1 隧道斷面圖Fig.1 Tunnel profile

2 管節(jié)體量及縱向體系

2.1 管節(jié)體量

對(duì)大型（5萬噸級(jí)）、中型（1萬噸級(jí)）及小型（2 000噸級(jí)）鋼筋混凝土管節(jié)，從技術(shù)參數(shù)、主要工程量等方面匯總對(duì)比，如表1所示。

表1 不同管節(jié)對(duì)比表Table 1 Comparison of different pipe segments

總體而言，大、小體量管節(jié)方案各有優(yōu)劣。在保障駁運(yùn)期管底最小脫空控制要求的前提下，各方案縱向結(jié)構(gòu)體系均可滿足工程安全需求[7]。整體式長管節(jié)對(duì)駁運(yùn)期的管底支撐控制、大體量混凝土控裂要求最高。小管節(jié)接頭數(shù)量多，接頭部位尤其分幅管節(jié)橫通道與主洞連接部位易出現(xiàn)滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)[8]。長管節(jié)數(shù)量少，浮運(yùn)安裝次數(shù)少；小管節(jié)舾裝量大，運(yùn)輸、安裝次數(shù)多。小管節(jié)體量小，對(duì)駁運(yùn)、起吊船等設(shè)備能力的要求小；長管節(jié)需新造大型駁運(yùn)裝備。

經(jīng)過對(duì)大、小管節(jié)研究，大管節(jié)綜合優(yōu)勢明顯，同時(shí)小管節(jié)在滿足管節(jié)體量盡量小且可自浮的情況下，可選擇長度22 m管節(jié)作為深化研究對(duì)象。經(jīng)初選擬對(duì)大管節(jié)和小管節(jié)進(jìn)行同深度比選。

2.2 縱向體系深化比選

2.2.1 98.5 m整體式管節(jié)方案

1）管節(jié)結(jié)構(gòu)形式

結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍨?.5 m厚，側(cè)墻為1.4 m厚，中隔墻為0.7 m厚，結(jié)構(gòu)寬42.8 m，高10.9 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長98.5 m，設(shè)6 mm厚底鋼板并在兩側(cè)墻上翻2.4 m。

沉管管節(jié)橫斷面面積為162 m2，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重43 500 t；標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)在不設(shè)置防錨層時(shí)，浮運(yùn)期考慮舾裝件及預(yù)埋件重量后干舷為40~83 cm，沉放就位及回填后抗浮系數(shù)為1.05~1.16。

2）駁運(yùn)期管節(jié)三維計(jì)算及管節(jié)支座布置要求

浮運(yùn)期因船體變形可能造成管底支撐系統(tǒng)局部脫空；通過改變支墩布置間距，進(jìn)行三維計(jì)算驗(yàn)算管節(jié)受力、裂縫，確定在運(yùn)營期結(jié)構(gòu)鋼筋配置的情況下，支撐最大允許脫空距離要求，提高施工應(yīng)對(duì)。

假設(shè)支座等間距支撐沉管；將6 mm底鋼板等效為鋼筋參與裂縫驗(yàn)算；波浪動(dòng)力在施工計(jì)算中考慮。98.5 m整體式管節(jié)縱向支撐管節(jié)主要計(jì)算結(jié)果顯示，在縱向內(nèi)力分布上，管節(jié)軸力整體呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，在支墩處略有減少，軸力在沉管縱向中部達(dá)到最大值約2 391 kN；彎矩在支墩處為反彎點(diǎn)，支墩之間跨中底板底部最大彎矩約617 kN·m；在橫向內(nèi)力分布上，軸力整體呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，兩行車孔對(duì)稱分布，軸力在行車孔跨中達(dá)到最大值約465 kN；彎矩在支墩處為反彎點(diǎn)，支墩之間跨中底板底部最大彎矩約663 kN·m。

3）管節(jié)接頭受力變形及運(yùn)營期管節(jié)縱向計(jì)算

計(jì)算荷載考慮恒荷載+縱向地基不均勻剛度+整體升降溫（依15益）+地震。根據(jù)表2可知最不利接頭張開量4.2 cm，最不利接頭壓縮量3.9 cm。

表2 98.5 m整體式管節(jié)結(jié)構(gòu)及接頭內(nèi)力變形計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of internal force deformation of 98.5 m integral pipe segment structure and joint

4）管節(jié)接頭

根據(jù)接頭水密最小壓縮量，計(jì)算最大接頭張開量（4.2 cm）及1 cm張開量富余量，同時(shí)考慮100 a設(shè)計(jì)使用年限的橡膠材料松弛及止水帶允許極限壓縮量等綜合確定GINA斷面形式及尺寸。選型結(jié)果為天然橡膠止水帶，尺寸37 cm伊37 cm，硬度37耀52。

2.2.2 22 m整體式管節(jié)方案

1）管節(jié)結(jié)構(gòu)形式

管節(jié)采用與98.5 m整體式管節(jié)相同的斷面布置和結(jié)構(gòu)尺寸。

2）駁運(yùn)期管節(jié)三維計(jì)算及管節(jié)支座布置要求

支座等間距支撐沉管；底鋼板等效為鋼筋參與裂縫驗(yàn)算；波浪動(dòng)力在施工計(jì)算中考慮。22 m整體式管節(jié)縱向支撐管節(jié)主要計(jì)算結(jié)果顯示，在縱向內(nèi)力分布上，管節(jié)軸力整體呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，軸力在沉管縱向中部達(dá)到最大值約945.6 kN；彎矩在支墩之間跨中底板底部最大彎矩約374.2 kN·m；在橫向內(nèi)力分布上，軸力整體呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，兩行車孔對(duì)稱分布，軸力在行車孔跨中達(dá)到最大值約436.2 kN；彎矩在支墩處為反彎點(diǎn)，支墩之間跨中底板底部最大彎矩約638.7 kN·m。

3）管節(jié)接頭受力變形及運(yùn)營期管節(jié)縱向計(jì)算

計(jì)算荷載考慮恒荷載+縱向地基不均勻剛度+整體升降溫（依15益）+地震。根據(jù)表3可知最不利接頭張開量2.55 cm，最不利接頭壓縮量1.72 cm；接頭方案：采用水力壓接式接頭止水帶。

表3 22 m整體式管節(jié)結(jié)構(gòu)及接頭內(nèi)力變形計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of internal force deformation of 22 m integral pipe joint structure and joint

4）管節(jié)接頭

對(duì)于22 m小管節(jié)，由于接頭預(yù)測變形量較小，對(duì)接頭止水帶不同材質(zhì)和接頭抗剪構(gòu)造進(jìn)行方案比選，初步擬定方案，具體比選如表4所示。

表4 接頭方案對(duì)比表Table 4 Comparison of joint schemes

3 綜合比選

通過對(duì)98.5 m整體式管節(jié)和22 m管節(jié)的深化比選研究，結(jié)合沉管建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)工藝、工期、風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用等多方面綜合比選如表5所示。

表5 綜合比選表Table 5 Comprehensive comparison and selection table

4 結(jié)語

本文通過系列方案對(duì)比及驗(yàn)證分析，對(duì)淺水域沉管隧道管節(jié)結(jié)構(gòu)選型、淺水接頭選型等問題提出先進(jìn)的解決思路，詳細(xì)闡述了解決過程，對(duì)今后類似條件下的工程施工提供了借鑒。

1）長管節(jié)相對(duì)中小管節(jié)有工期保證性好、可靠性高等優(yōu)勢。

2）沉管地基剛度較好且總沉降可控，整體式管節(jié)結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期縱向受力和接頭受力變形問題可通過管底柔性支撐有效應(yīng)對(duì)。

3）整體式管節(jié)有助于確保管節(jié)的整體防水性能，對(duì)場地需求較節(jié)段式管節(jié)小且工程造價(jià)相對(duì)較低。

4）沿江高速前海段與南坪快速銜接工程項(xiàng)目推薦大體量整體式剛性管節(jié)加柔性接頭體系。