記憶支座
——沉管隧道管節接頭差異沉降問題解決方案

林鳴，林巍，尹海卿，劉曉東，劉可心

（1.港珠澳大橋島隧工程項目總經理部，廣東 珠海 519015；2.港珠澳大橋島隧工程設計分部，廣東 珠海 519015；3.港珠澳大橋島隧工程中心試驗室，廣東 珠海 519015）

1 背景

差異沉降對于港珠澳大橋沉管隧道來說具有高風險。因為：

1）隧道置于預先深挖的基槽內，隨著時間的增長，隧道的頂上將逐漸覆蓋厚達21 m的淤泥；隧道頂部的設計荷載異常的大。這些淤泥在未來因航道規劃可能被部分挖除，導致沿著隧道軸線的荷載不均勻。

2）隧道有33個管節。典型的管節長度是180 m。管節越長對不均勻沉降就越敏感[1]。

3）管節由無外包防水的鋼筋混凝土構成。混凝土開裂將加速鋼筋的腐蝕。

4）地基軟土厚超過30 m；而且，基礎的回淤較嚴重。

為降低差異沉降帶來的結構破損風險，提出了組合基床來減少差異沉降[1]，并提出了半剛性管節[2-3]來提高管節縱向結構的健壯性與整體性。但是管節與管節間的豎向鎖定部位仍存在抗剪的問題，盡管可以通過延后管節接頭的鎖定來抵消部分的剪力[4]。為此，作者提出并研發了記憶支座。

本文旨在介紹記憶支座的概念、試驗、設計以及在港珠澳島隧工程的應用。并且，作為一個可持續發展的方案，對它的擴展應用以及未來研究進行了討論。

2 概念設計

2.1 概念

記憶支座是沉管管節豎向剪力鍵之間的豎向傳力板，如圖1所示。它的作用是保護管節接頭部位的結構免受剪切破壞，特別是外側墻的混凝土開裂會帶來鋼筋腐蝕與耐久性問題。通過該支座的壓縮，釋放管節之間的差異沉降，在壓縮的同時連續地承受一個穩定的壓力。該壓力被設定為不大于剪力鍵的或相鄰結構的承載力。記憶支座的這種特性的實現是通過特定材料的切削與斷裂，在第3節詳述。

圖1 記憶支座的安裝位置Fig.1 Installation placeof the memory bearing

2.2 性能

記憶支座受壓時的力學行為，如圖2，可清晰地區分為3個階段。

在第1階段。支座的受力行為為硬墊層，支座的力（圖2的F）快速增長，伴隨著次要的壓縮量（圖2的δ）。一旦支座的力達到記憶值（圖2的FM），就到了第2階段。

圖2 支座受力-壓縮性能Fig.2 The bearing’sload-compression character

第2階段是支座發揮記憶效用的階段。支座的力維持在一個恒定值，同時支座被壓縮，隨之接頭部位發生差異沉降（即接頭兩邊的結構下方的地基發生不等量的變形）從而接頭兩邊的結構受到有差異的地基反力，由此，接頭部位的豎向力重獲平衡。在正常情況下，該支座記憶壓縮量（圖2的δM）會大于預計的接頭的最大差異沉降量，即支座的行為一直被控制在前兩個階段。

如果在第2階段結構體系無法得到豎向受力的平衡，則支座的壓縮量達到極限，進入第3階段。支座的力增長而壓縮量停止增長。該階段，記憶支座已失去記憶效用，它的主要功能變成限制過大的、意外的差異沉降，雖然結構有可能因受力過大而開裂。

從全局角度來看，記憶支座通過引導力的走向來保護結構（圖3）。它“記住”結構的承載力，一旦該力被超過，支座將超出的部分導入結構正下方的地基（圖3的R1），而避免通過剪力鍵導入相鄰結構的基礎（圖3的R2）。通過這種方式，記憶支座能夠做到允許結構發揮其最大的效用，而不危及結構自身。如果沒有記憶支座，差異沉降引起結構開裂，進而影響結構壽命和使用的概率就更高。有了記憶支座，發生差異沉降以后，對于沉管隧道而言，只需重新做部分路面的鋪設。

圖3 記憶支座的功能示意圖Fig.3 The function of the memory bearing

地質信息的不確定性通過結構的加強來得到補償。而對于沉管隧道，結構承載力經常受制于墻體的尺寸，管節接頭安全度有可能不足。記憶支座起到了補償地質信息不確定性的作用，甚至將不確定性轉變成了確定的結構安全的冗余量。

2.3 用簡化計算作為補充說明

為了定量地解釋記憶支座的作用，做一個假想模型，如圖4。假設：

1）有2個沉管管節，分別為En、En+1，在豎向由剪力鍵相互鎖住。差異沉降僅存于En、En+1之間，其它地方沒有差異沉降。

2）En、En+1管節是剛體。

3）僅1個自由度：豎向。

4）En、En+1管節下方的地基剛度分別為K1、K2。它們是常數，即剛度不隨荷載的大小或時間的改變而改變。

5）作用于En、En+1管節的豎向荷載，用F1和F2兩個集中力來代表。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

測試4個工況。

工況一。兩個管節的基礎剛度相同，而豎向荷載不同；即K1=K2=100（無量綱，下文同），F1=100，F2=200。豎向剪力鍵之間采用常規支座，剛度是一個定值：KB=1 000。

工況二。同工況一，除了豎向剪力鍵之間采用記憶支座，在達到記憶力之前，剛度是一個定值：KB=1 000。

工況三。兩個管節的基礎剛度不同，而豎向荷載相同；即K1=100，K2=200，F1=F2=100。豎向剪力鍵之間采用常規支座，剛度是一個定值：KB=1 000。

工況四。同工況三，除了豎向剪力鍵之間采用記憶支座，在達到記憶力之前，剛度是一個定值：KB=1 000。

計算加載后，剪力鍵部位傳遞的力，以及管節間發生的差異沉降值。

1）工況一

由于本工況剪力鍵傳力問題是線形的，且地基剛度相等，剪力鍵受力以及差異沉降的發生只能來自于F1與F2的差異力△F。將△F加載在管節En上，得到剪力鍵傳遞的力是：

差異沉降量等同于支座的壓縮量，等于：

2）工況二

如果結構的承載力大于47.6，即大于式（1）的結果，則工況二的結果同工況一。否則，如果結構承載力只有20，為了保護結構，令剪力鍵傳遞的力等于20，即記憶支座的記憶值：

則 En基礎需要分擔的力為 100+（△F-Ts.2）=180；En+1基礎需要分擔的力為100+Ts.2=120。兩者基礎壓縮量的差值即為差異沉降：

3）工況三

F1傳遞給En管節地基的力為：

所以，F1傳遞給En+1管節地基的力為：

類似地，可計算：

由式（5）與式（8），En地基受到的力為：

由式（6）與式（7），En+1地基受到的力為：

所以，剪力鍵傳遞的剪力為：

管節的差異沉降為：

4）工況四

如果結構的承載力大于62.5，即大于式（11）的結果，則工況四的結果同工況三。否則，如果結構的承載力是20，為了保護結構，通過記憶支座限制剪力鍵，讓它只能傳遞20的剪力。即：

這時，En、En+1管節基礎受力（反力）分別是90與110。差異沉降為：

上述計算過程說明豎向剪力鍵的受力，可以來自于2個管節豎向荷載的差異（工況一、二），或它們的地基剛度的差異（工況三、四）。比較工況一與二，或三與四，可觀察到安裝記憶支座給剪力的傳遞一個上限，進而起到保護結構的作用。但是，相比一般支座，記憶支座導致差異沉降量增加。所以，需注意使用該支座的前提是其最大壓縮量所對應的差異沉降須在結構允許范圍內。

3 試驗

為了實現支座的“記憶”特性，即發生較長的一段壓縮量的過程中，支座的反力基本保持不變（圖5為作者第一次提出該試驗目標），最初想法是利用摩擦力，或利用氣壓或液壓。最終，確定通過材料（斷裂）恒定地釋放能量的方式來實現。試驗設計是通過開槽的鋼底座來撕裂一個或一組圓形金屬柱的邊緣，如圖6所示。使用壓力試驗機（型號WAW-1000/2000）記錄位移與壓力，精度分別為0.01 mm與10 N（圖7）。

圖5 作者（左）提出記憶支座的目標Fig.5 The author(left)proposed the aim of the memory bearing

圖6 基本試驗設計Fig.6 Basic test design

圖7 金屬柱撕裂/斷裂試驗Fig.7 Metal rod tearing/fracture test

通過摸索，找到了合適的金屬柱材料與幾何細節。以下分為3個階段介紹材料選擇、單柱優化、群組效果驗證。

3.1 材料選擇

作者首先想到的是紫銅、黃銅或青銅，隨即開展試驗。試驗結果，紫銅呈“黏”性特性（圖8（a）），青銅、黃銅呈“脆”性斷裂特性（圖8（b）～（c）），均不能提供連續與穩定的剪切力。只能另辟蹊徑。

圖8 工況1～工況4試件加載試驗后的照片Fig.8 Specimen photosafter loading test of scenario 1 to 4

第二步，作者設想用鋅或錫的合金繼續試驗。由于市場只找到了鋅棒，因此研究進入了鋅合金試驗階段。試驗結果，首先能夠形成較為平滑的斷裂面，同時也能獲得平滑的反應曲線（圖9），呈現出“塑”性斷裂的特性。故下階段的試驗均選用鋅棒。

圖9 單柱加載-壓縮曲線Fig.9 Load-compression curves of singlerod

3.2 單鋅柱試驗

試驗過程中，對鋅柱形狀進行了34次調整，參考表1及圖10。在試驗的第一階段，調整了鋅柱的尺寸（即3個小鋅柱和1個大鋅柱）、過盈、加載速率、加載形式（即荷載控制或位移控制）來觀察它們對反應曲線的影響。在試驗的第二階段，嘗試在鋅柱的圓環面開槽，圓環面是與鋼底座接觸的面；并輕微地改變了鋅柱靠近壓板側的形狀。

表1 試驗工況Table1 Test operation condition

圖10 部分試驗結果Fig.10 Partial test results

最終，找到了符合記憶特性的鋅柱的形狀，詳細尺寸見圖11。

圖11 最終確定的鋅柱尺寸Fig.11 The finalized size of zinc rod

樣品壓縮試驗前后的照片如圖12。加載-壓縮量曲線見圖13。可見，單個鋅棒提供的記憶力為200～250 kN，極限壓縮量為35～40 mm。

圖12 鋅柱試驗前后照片Fig.12 Photosof zinc rods beforeand after the test

圖13 工況35加載-壓縮量曲線Fig.13 Load-compression test of scenario-35

考慮實際沉降也許是不連續的，補充測試了卸載再加載工況，如圖14，在該工況下，壓縮量-位移曲線仍然滿足記憶特征。

圖14 卸載再加載試驗的加載-壓縮量曲線Fig.14 Load-compression curveof the unloadingreloading test

開槽底座鋼表面的粗糙度對曲線有些影響，但是次要的。較粗糙的表面導致較高的恒定力。而且在兩家獨立的工廠購買了純鋅柱，試驗結果均滿足要求，兩者也無明顯區別。

3.3 鋅柱群組試驗

單個鋅柱的驗證試驗完成后，做了鋅柱的群組試驗。圖15為試驗照片。試驗加載-壓縮量曲線見圖16。

圖15 鋅柱群組試驗Fig.15 Zinc rod group test

圖16 鋅柱8個群組試驗加載-壓縮曲線Fig.16 Load-compression curve of 8 zinc rod groups

1）群組試驗中的單個鋅柱所貢獻的平均記憶值小于單柱試驗的記憶值。基于圖16曲線的拐點，假定群組使用時單個鋅柱記憶值為20 kN。

2）為了確保得到恒定的反力，鋅柱相對于底板不能過盈。如果過盈，則曲線的記憶段變得不穩定，略微上升。

3）測試了3種加載速度，從0.5 kN/s至1.5 kN/s，試驗結果無明顯區別。

4 設計與應用

記憶支座的安裝照片見圖17。以港珠澳沉管隧道為例，對照圖18論述設計與應用。

圖17 記憶支座現場安裝Fig.17 Siteinstallations of the memory bearing

1）鋅柱的數量取決于記憶力的設置。港珠澳大橋沉管隧道每個豎向剪力鍵的承載能力6 000 kN。其相鄰結構的承載力更高，不是控制因素。第3.3節已述，單個鋅柱在群組中的記憶力的貢獻約為150 kN。為了保護剪力鍵，記憶支座使用的鋅柱的最大數量為6 000/150=40個。每個記憶支座使用了28個鋅柱，所以記憶支座的記憶力約為28伊15=4 200 kN，小于結構的承載力。所以，結構能夠受到記憶支座的保護。

圖18 港珠澳大橋沉管隧道的記憶支座構造（mm）Fig.18 The memory bearing configurations of HZMB immersed tunnel(mm)

2）壓載板需要足夠的厚，才能將壓力均勻地傳遞給各個鋅柱。需要注意壓載板的自重會對鋅柱產生一個初始的壓力。

3）開孔底座的總體尺寸必須與支座的安裝空間匹配。且開孔尺寸必須與試驗時的尺寸相同。

4）為了將鋅柱與水平力隔離，設置了鋼棒連接加載板與底座，且采用過盈的連接方式。

5）由于鋅與鋼的接觸表面之間會交換電流，這些部位需進行防腐涂裝處理。

6）考慮了附屬設施以方便安裝及支座壓縮量數值的讀取。

5 討論

記憶支座的目的是為了降低沉管管節之間的差異沉降帶來的結構風險，通過記憶支座記住隧道管節結構能夠接受的荷載值。一旦超出這個限度，記憶支座就會通過自身的壓縮來釋放管節間的（可接受范圍內的）差異沉降，而不是傳遞更多的壓力來損壞結構。所以，記憶支座使得結構充分發揮它的承載力成為可能；這是有利于可持續發展的。從設計目標來看，如果發現結構的承載力不足，可以進行結構加強，但是當結構無法被加強時，記憶支座提供了另一種解決方法，即允許結構發生一定量的相對位移。

記憶支座的設計至少需要一個輸入：結構能夠接受的荷載。必要時，也可約束結構能夠接受的最大的相對位移。

記憶支座不但可用于沉管隧道管節接頭的豎向剪力鍵之間，還可用于其它結構物與建筑物的關鍵部位，只要該部位需要被保護，且允許發生一定量的相對位移。

[1] LIN Ming.Over and under-technical/Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgeand Tunnel[J].Tunnel and Tunnelling International Edition,2018(4):41-45.

[2]林鳴，林巍.沉管隧道結構選型的原理和方法[J].中國港灣建設，2016，36（1）：1-5，36.LINMing,LIN Wei.Principles and methods for structural-type selection of immersed tunnel[J].China Harbour Engineering,2016,36(1):1-5,36.

[3] LIN Ming.Semi-rigid element of immersed tunnel[C]//ITAAITRD world tunnel congress.Dubai:WTC 2018 DUBAI,MCI,2018.

[4]LUNNISSR,BABER J.Immersed tunnels[M].Boca Raton:CRC Press,2013:58.