深中通道沉管隧道鋼殼設計及制造關鍵技術

劉 健，鄧 斌，黃清飛

(1. 深中通道管理中心，廣東 中山 528400； 2. 中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

0 引言

沉管隧道因其斷面利用率高，斷面形狀靈活，埋置深度小和防水性能好等諸多優點在水下隧道領域的應用越來越廣泛[1]。截至目前，全世界已建成沉管隧道約150條，其中鋼筋混凝土沉管隧道約占65%，鋼殼混凝土隧道約占35%[2]。我國沉管隧道發展較晚，20世紀70年代，香港地區首次興建5條沉管隧道；自20世紀90年代后，為滿足日益增長的交通需求，我國沉管隧道數量迅速增長，規模不斷增大，如廣州珠江沉管隧道、寧波甬江沉管隧道、寧波常洪沉管隧道、上海外環沉管隧道和港珠澳沉管隧道等[3-4]。

許多學者對沉管隧道開展了相關研究，并取得了豐碩成果。如： 賀春寧[5]對天津海河沉管隧道的建設條件和工程特點進行了分析，提出了適合北方地區修建沉管隧道的設計理念； 林巍等[6-7]從沉管隧道的空間、重量和構造等方面提出了優化沉管隧道主結構的方法，并基于港珠澳沉管隧道建設經驗，詳細介紹了沉管隧道整體管節工程的預制方法； 李進等[8]開展了復合地基條件下沉管隧道塊石墊層振密試驗的相關研究，研究發現合理的液壓振動錘轉速、激振力、振密時間可以對塊石產生有效的振密，對沉管基礎沉降有顯著控制作用； 何聰等[9]采用有限元結合黏彈性人工邊界的方法，研究了港珠澳大橋沉管隧道節段接頭剪力鍵的力學性能，揭示了剪力鍵在地震荷載作用下的受力特性。

現有研究成果表明，已有沉管隧道相關研究成果比較全面，但多數研究成果均是針對傳統鋼筋混凝土沉管隧道。由于建設條件的變化，沉管隧道建設正面臨超大跨、深埋、高水壓和耐久性等挑戰。傳統的鋼筋混凝土沉管解決上述難題經濟性較差，而鋼殼混凝土沉管因其承載能力高，逐漸展露優勢。截至目前，我國已建成的沉管隧道均為鋼筋混凝土沉管，缺乏鋼殼混凝土沉管隧道設計和施工經驗，嚴重阻礙了我國沉管隧道技術的發展[10-11]。本文以深圳至中山跨江通道為背景，詳細介紹鋼殼混凝土沉管隧道設計及制造的關鍵技術。

1 項目背景

深圳至中山跨江通道(以下簡稱“深中通道”)項目地處珠江口下游核心區域，位于虎門大橋下游約30 km，距離港珠澳大橋上游約38 km，直接連接深圳、中山市和廣州南沙，是我國“十三五”重大工程，也是世界上首例集超寬超長海底隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程。深中通道全長約24 km，其中跨海段長約22.4 km，路線起自深圳機場互通立交，經廣深沿江高速2期東接機荷高速，向西跨越珠江口，依次設置東人工島、機場樞紐互通立交(匝道隧道部分)、海底沉管隧道、西人工島、伶仃泄洪區非通航孔橋、伶仃洋大橋、淺灘區非通航孔橋、萬頃沙互通(預留)、中山大橋、橫門泄洪區非通航孔橋、馬鞍島陸域段引橋及橫門互通立交(部分)，在中山馬鞍島登陸，與在建中開高速對接。項目采用雙向8車道高速公路技術標準，設計速度為100 km/h，其中橋梁橫斷面寬度為2×20.25 m，隧道限界凈寬為2×18.0 m，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。深中通道位置示意如圖1所示。

圖1 深中通道位置示意圖

2 鋼殼沉管設計

深中通道隧道起點(東側接地點)即本項目起點與廣深沿江高速2期工程(深圳側連接線)對接，隧道終點在西人工島島頭內與非通航孔橋連接，全長為6 845 m，其中沉管隧道長5 035 m，共32個管節，最大縱坡為2.98%(位于西島側)，東島側處于半徑為5 003.1 m的平曲線上。沉管隧道總寬度為 46～55.5 m，行車道單孔跨度達18.3～24.0 m，其寬度及跨度均居世界之最；同時具有水壓高，回淤厚(約18 m)，基礎復雜，基巖頂面起伏大(14 m)，下穿多個航道等技術難點。因此，管節結構選型及縱向體系是本項目沉管隧道設計的關鍵技術之一；在確保工期前提下保證工程質量與安全是沉管隧道施工的重難點。

2.1 沉管管節結構選型

根據本項目特點，設計提出了4種適合本工程的結構形式： 1)鋼殼混凝土管節結構； 2)鋼筋混凝土管節結構； 3)預應力混凝土管節結構； 4)鋼殼混凝土+鋼筋混凝土管節結構組合方案。沉管管節結構選型涉及的因素較多，如技術難度(技術成熟度、管節預制)、施工要求(場地要求、干塢選址、浮運、沉放)、風險(火災、耐久性、環保、可靠性、結構防水、風險評估)、工期和造價等。本項目若采用常規鋼筋混凝土結構，結構配筋將超過5層，混凝土澆筑困難，控裂難度及質量控制風險高；相對來說，鋼殼混凝土結構具有承載能力高，防水性能好和工程風險低的優勢，最終采用了鋼殼混凝土管節組合結構方案[12]。目前，國內外已建成和在建的鋼殼沉管隧道主要有日本那霸隧道、大阪關洲隧道以及東京港臨港隧道等。鋼殼混凝土組合結構沉管工程實例如表1所示。

表1 鋼殼混凝土組合結構沉管工程實例

2.2 鋼殼管節設計

2.2.1 管節橫斷面

沉管隧道采用2孔1管廊形式，左、右側為主行車孔，中管廊從上至下分別為排煙道、安全通道、電纜通道。標準管節橫斷面如圖2所示。變寬管節橫斷面如圖3所示。

圖2 標準管節橫斷面(單位： cm)

圖3 變寬管節橫斷面(單位： cm)

采用荷載結構法，選取樁號K7+810斷面進行結構受力分析。根據地勘報告中所處地層的巖土力學參數，施加運營期荷載后，標準組合內力如圖4所示，控制性截面示意如圖5所示，控制性截面驗算結果如表2所示。

2.2.2 管節劃分

根據管節體量、既有浮運沉放設備能力、工期和施工組織設計要求等，確定標準管節長165 m，曲線變寬管節長123.8 m，最終接頭設置在 E22/E23 之間，管節劃分如下： 123.8 m+21×165 m+2.2 m(最終接頭)+5×165 m+5×123.8 m=5 035 m。管節劃分如圖6所示。

2.2.3 特殊結構設計

沉管隧道海底泵房位于全線“W”形縱坡2處最低點，其中，1#泵房處于E9管節，中心里程 為K10+669.95； 2#泵房位于E27管節，中心里程 為K7+730.75。1#、2#泵房節段與中管廊底板各設置 4 處480 cm(長)×150 cm(寬)×80 cm(深)泵坑，該處底板厚度為180 cm，需進行特殊結構加強設計。

(a) 軸力(單位： kN)

(b) 彎矩(單位: kN·m)

(c) 剪力(單位： kN)

圖5 控制性截面示意

表2 控制性截面驗算結果

圖6 管節劃分 (單位： m)

2.3 管節構造

鋼殼構造主要由內外面板、橫縱隔板、橫縱加勁肋及焊釘組成。內、外面板為受彎主要構件，橫、縱隔板為受剪主要構件，二者組成受力整體，形成混凝土澆筑獨立隔艙，隔艙上預留澆筑孔和排氣孔，混凝土澆筑完成后須進行等強水密封堵；縱向加勁肋采用 T 型鋼及角鋼，與焊釘作為抗剪連接件，保證面板與混凝土的連接；縱向加勁肋與橫向扁肋共同作用增強面板剛度[13]。鋼殼基本構造如下：

1)橫隔板的縱向間距取 3.0 m。Ⅰ 類管節(深水區)、Ⅱ 類管節(過渡區)、Ⅲ類管節(淺水區)和變寬管節的橫隔板最大厚度依次取 30、20、18、 20 mm；橫隔板設置板肋(BL125 mm×12 mm)進行加勁，板肋按 1.1 m+1.3 m+1.1 m 間距布置。

2)頂板厚度取1.5 m。在中管廊處頂板的上層鋼板受拉，Ⅰ類管節(深水區)、Ⅱ類管節(過渡區)、Ⅲ類管節(淺水區)和變寬管節的鋼板厚度依次取 40、36、30 、40 mm；在行車孔頂板的下層鋼板受拉，Ⅰ類管節(深水區)、Ⅱ 類管節(過渡區)、Ⅲ類管節(淺水區)和變寬管節的鋼板厚度依次取 30、20、18、28 mm；頂板的縱隔板基本按3.5 m 1道設置，與橫隔板聯合形成3.5 m(橫斷面方向)×3.0 m(縱軸線方向)的密閉格室。為保證混凝土澆筑質量，頂板的上層鋼板僅設置沿縱軸線方向的 T 鋼加勁肋(T150 mm×100 mm×12(10) mm)，其間距取 0.5～0.7 m，當間距為 0.7 m 時 T 鋼加勁肋間設置焊釘，焊釘按 0.25 m+0.20 m+0.25 m 間距布置。按施工期和運營期受力特性，頂板的下層鋼板設置沿縱軸線方向的 T 鋼加勁肋和沿橫斷面方向的板肋(BL125 mm×12 mm)，T 鋼加勁肋的間距取 0.5～0.7 m。按照運營期的受壓和受拉情況,板肋按 0.5 m 和 1.0 m 間距布置。鋼殼基本構造如圖7所示。頂板單個格室示意如圖8所示。頂板細部構造如圖9所示。

圖7 鋼殼基本構造

圖8 頂板單個格室示意

(a) 頂板上鋼板T肋和焊釘 (b) 中管廊頂板下鋼板板肋

3)底板厚度取1.5 m。中管廊底板下層鋼板處于受拉狀態，因此Ⅰ 類管節(深水區)、Ⅱ 類管節(過渡區)、Ⅲ 類管節(淺水區)和變寬管節的鋼板厚度依次取 36、30、20、36 mm；行車孔底板上層鋼板受拉，因此 Ⅰ 類管節(深水區)、Ⅱ 類管節(過渡區)、Ⅲ類管節(淺水區)和變寬管節的鋼板厚度依次取 30、24、18、28 mm；底板的縱隔板基本按3.5 m 1道設置，與橫隔板聯合形成 3.5 m(橫斷面方向)×3.0 m(縱軸線方向)的密閉格室。為保證混凝土澆筑質量，底板的上層鋼板僅設置沿縱軸線方向的 T 鋼加勁肋，其間距取 0.5～0.7 m，當間距為0.7 m 時 T 鋼加勁肋間設置焊釘，焊釘按 0.25 m+0.20 m+0.25 m 間距布置。為有效控制底板的施工期變形，底板的下層鋼板設置沿縱軸線方向的 T 鋼加勁肋和沿橫斷面方向的板肋，T 鋼加勁肋和板肋均按 0.5 m 間距布置。底板細部構造如圖10所示。

(a) 底板頂鋼板T肋和焊釘 (b) 底板下鋼板T肋和板肋

4)側墻厚度取1.5 m。側墻外側鋼板受拉，與底板交接處彎矩較大，因此Ⅰ類管節(深水區)、Ⅱ類管節(過渡區)、Ⅲ類管節(淺水區)和變寬管節在該位置的外側鋼板厚度依次取 40、30、30、36 mm。為有效控制側墻的施工期變形，在面板設置沿縱軸線方向的角鋼加勁肋(L160 mm×100 mm×10 mm)和沿橫斷面方向的板肋(BL125 mm×12 mm)，角鋼加勁肋和板肋均按 0.5 m 間距布置。墻體細部構造如圖11所示。

(a) 側墻面板角鋼和板肋 (b) 中墻面板角鋼和鋼筋

5)中墻厚度取0.8 m。面板厚度取12 mm，面板的縱軸向加勁肋采用 L100 mm×100 mm×12 mm角鋼,按 0.5 m 間距布置，面板間設置B20 鋼筋與加勁肋焊接，其縱向間距取1.0 m,高度方向間距取0.5～1.0 m。

3 鋼殼管節制造

根據鋼殼制造的特點和工期要求，將鋼殼結構制作分為下料加工、塊體制作、小節段拼裝、涂裝、完整管節總裝和管節運輸等6大關鍵工序。根據鋼殼的結構特點，按照建造工序流程，將管節依次劃分為板單元、塊體、小節段進行制造。鋼殼沉管結構主要工藝流程如圖12所示。

圖12 鋼殼沉管結構主要工藝流程圖

3.1 板單元劃分及制造

板單元是大節段(管節)組成的基本元素，由加勁肋或T型材焊接在鋼板上組成，結構簡單，多為平直結構，焊縫均為角焊縫，外形尺寸不大，但數量多，適宜于流水線作業。根據其特點，可分為縱、橫隔板單元以及面板單元。本項目橫隔板多為寬1.5 m、長7 m左右的板單元片體；縱隔板多為寬1.5 m、長3 m左右的板單元片體。面板單元及縱、橫隔板單元示意如圖13所示。

圖13 面板單元及縱、橫隔板單元示意圖

采用片體智能焊接生產線進行板單元制作，前道為上料裝配工位，進行加勁肋裝配(無碼裝配)；然后通過輥道輸入到焊接工位，焊接工位使用智能焊接機器人進行焊接，機器人可以直接進行工件的3D激光掃描自動識別和定位，自動識別、定位工件，自動跟蹤焊縫，完成包角和焊接作業。焊接完畢后進行修補工位，修補完成后進入自動背燒工位，進行火工矯正，最后流出到卸料工位。

3.2 塊體劃分及制造

根據小節段的結構特點，將其分為若干個平面塊體。平面塊體劃分時，盡量采用大尺寸以保證塊體整體性，并盡量保證轉運及起吊的高效性，最終將每個小節段劃分為4個平面塊體，分為底板塊體、中墻塊體、邊墻塊體及頂板塊體；中管廊頂部縱縫左右交替錯開900 mm。平直塊體的劃分根據結構特點，將中墻單獨劃分，行車道孔頂板和底板分別劃分，有利于生產部門針對性地組織施工，提高生產效率。塊體尺寸長度為15 m，寬度盡量劃大，可充分利用平面流水線和焊接機器人流水線，提高產能。單個標準管節合計88個塊體，非標準管節合計64個塊體(非標準管節塊體劃分形式類似)，塊體劃分如圖14所示。

(a) 塊體整裝模型 (b) 塊體獨立模型

塊體制作時以面板片體為基面，翻身扣蓋面板組件，然后安裝剩余組件。塊體制作時使用專用胎架，胎架結構要有足夠的剛度，基準面應與塊體基準面形狀及工藝要求尺寸一致；并建立測量基準參考點，確保塊體制作過程中不隨拼裝質量的增加而變形。底板角點處設有角點位置控制模板，以便角點處單元件準確定位。

3.3 小節段劃分及制造

以165 m標準鋼殼沉管管節為例，鋼殼沉管左、右對稱劃分，左、右兩半分別在沿縱向方向約15 m劃分1個半環形小節段，共22個半環形小節段，小節段質量多達500～600 t。標準管節劃分如圖15所示。

圖15 標準管節劃分(單位： m)

小節段拼裝在總組場地移動式車間內進行，主要施工流程如下： 制作胎架工裝—測量并調整胎架水平—吊裝底板塊體(基準定位)—吊裝邊墻塊體—吊裝中墻塊體—吊裝頂板塊體—小節段裝配—焊前精度測量—小節段焊接并預留預埋件安裝—小節段火工—焊后精度測量—小節段密性試驗—小節段整體轉運打砂涂裝。

3.4 小節段運輸及吊裝

小節段采用專門的模板車進行轉運，通過600 t龍門吊進行單機吊裝，在塢內拼成大節段。模塊運輸車示意如圖16所示。

(a) 模塊車位置示意圖 (b) 模塊車現場運輸圖

3.5 管節船臺總裝工藝流程

鋼殼制造完成后進行總體拼裝，船臺總裝工藝流程如圖17所示。

圖17 船臺總裝工藝流程

4 鋼殼混凝土沉管隧道關鍵技術

4.1 沉管隧道鋼殼混凝土組合結構設計施工關鍵技術

1)針對沉管隧道鋼殼混凝土組合結構，首次對鋼殼混凝土組合結構的受力機制及設計方法進行了系統的試驗研究，揭示了鋼殼混凝土組合結構抗彎和抗剪受力機制，提出了相應的計算方法，定量分析了鋼殼結構混凝土脫空對承載能力的影響，制定了混凝土澆筑質量的控制標準[14]。

2)管節混凝土通過澆筑孔進入鋼殼封閉隔艙內，無法振搗，必須采用高強自密實混凝土。為提高混凝土的澆筑質量，降低工程風險，針對自密實混凝土開展了系統試驗研究，研究出高流動低收縮自密實混凝土配置，并形成施工工藝。

3)通過大量小尺寸和足尺模型澆筑試驗，為滿足混凝土澆筑質量，形成了排氣孔、澆筑孔、加勁肋流通孔等細節設計等，針對鋼殼脫空檢測難題，研究出沖擊映像法和中子法2種檢測方法，通過綜合利用，判斷準確度高，滿足設計和施工要求。

4.2 鋼殼智能制造關鍵技術

深中通道鋼殼沉管用鋼量達32萬t，如此大規模、大體量地使用鋼殼沉管在國內乃至全世界尚屬首例，其施工質量和工期控制尤為重要。鑒于鋼殼沉管結構與船體結構的相似性，參考船體分段的建造模式、施工工藝和檢驗標準，以“兩化融合”(工業化、信息化)為基礎，以《中國制造2025》為契機，借鑒船舶行業智能制造2025的研究成果，完成了項目鋼結構智能制造的總體工藝方案研究。

按照鋼殼沉管制造工藝流程，將其制造階段劃分為小節段車間智能化制造、中節段場地數字化搭載、大節段船塢自動化總組。以提高工效和保證質量為目標，小節段智能車間階段，分別從型材/板材智能化切割流水線、片體智能焊接流水線、塊體智能焊接流水線、小節段智能涂裝、智能車間管控系統，構建“四線一系統”的智能車間；中節段階段，通過應用三維全站儀、自動化焊接設備及模擬吊裝和模擬搭載系統軟件，構建中節段場地數字化搭載；大節段階段，為滿足鋼殼沉管平整度要求，通過采用三維液壓頂升裝備、自動化焊接設備及管理系統軟件，構建大節段船塢自動化總組。利用BIM技術、物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術研究開發鋼結構智能管控系統，實現車間設計、工藝、制造、管理、監測、物流等環節的集成優化，采用大數據技術實現智能管理與決策，全面提升鋼殼建造質量和綜合管理水平。

5 結論與建議

深中通道沉管隧道是世界上首次大規模采用、國內首次采用的鋼殼混凝土組合結構，其綜合難度居于世界之最。本文全面介紹了深中通道沉管隧道鋼殼設計和制造關鍵技術，為今后類似工程提供了系統的技術參考。主要結論和建議如下：

1)鋼殼混凝土組合結構中鋼面板與混凝土結構共同承載的關鍵在于抗剪連接件。深中通道沉管隧道采用了焊釘、T肋和角肋3種形式的抗剪連接件，滿足抗剪連接作用，但是設計數量較多，經濟性相對較差，可以考慮采用其他連接作用更強的抗剪連接件，如PBL連接件，或者根據結構受力分布優化抗剪連接件的布置，提高工程經濟性。

2)鋼殼混凝土組合結構由大量鋼板件焊接而成，由于局部位置空間有限，設計過程中建議優化板件連接方式，減小焊接難度，保證焊接質量。

3)深中通道沉管隧道采用沖擊映像法和中子法檢驗管節封閉隔艙內混凝土澆筑的密實度，由于結構構造的復雜性，在部分位置無法檢測，建議后續工程優化混凝土脫空檢測技術，或對其他檢測技術進行研究，并借鑒使用。