某工程沉管隧道管節體量及縱向體系比選研究

邵敏，王勇，劉文

（1.中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；3.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

建設粵港澳大灣區是推動“一國兩制”事業發展的新實踐[1-2]。沿江高速前海段與南坪快速銜接工程項目涉及沿江高速和南坪快速兩條高快速路[3]。實施沿江高速前海段與南坪快速銜接工程，對提升前海的區域輻射力、深圳西部路網運行效率、前海城市新中心道路交通運行環境及前海城市新中心生態景觀環境具有重要意義[4]。而對于沉管隧道結構的選型，港珠澳大橋也針對鋼筋混凝土沉管、鋼殼混凝土沉管、預應力鋼筋混凝土沉管以及半剛性沉管結構進行了優劣性對比[5]。本項目存在隧道建設標準高、建設規模大，隧道建設條件復雜、技術難度高，技術突破與創新要求高，建設模式新，項目工期緊等特點，其中淺水沉管結構及接頭選型是本工程的重難點之一。本文探討了工程關鍵技術，因地制宜地解決了淺水域沉管隧道管節結構選型問題。

1 依托項目

1.1 項目概況

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、粵港澳大灣區核心區；項目路線全長約16 km，其中隧道長約13 km，是集八車道超寬海底沉管隧道、國內最大直徑疊層盾構隧道、填海區多層明挖隧道、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，是粵港澳大灣區的交通強國示范工程，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容。

1.2 項目難點

本項目管節預制占據工期關鍵線路，基于工期和質量控制將工廠化生產與整體式管節全斷面預制結合，可極大有利于項目開展。該工藝是國內整體式管節的首次應用，需具體設計沉管隧道的橫斷面，如圖1所示，例如，對沉管隧道檢修道設置、中間管廊設置以及沉管長度等[6]具體方案進行確定，綜合對施工總體進程進行優化決策。由于本項目工期控制、造價控制、場地條件、工藝選擇、裝備需求等建設條件較為復雜，確定最優的管節長度影響重大，本文著重對管節各種可能的長度進行一系列論證，并得出相應的結論。

圖1 隧道斷面圖Fig.1 Tunnel profile

2 管節體量及縱向體系

2.1 管節體量

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

表1 不同管節對比表Table 1 Comparison of different pipe segments

總體而言，大、小體量管節方案各有優劣。在保障駁運期管底最小脫空控制要求的前提下，各方案縱向結構體系均可滿足工程安全需求[7]。整體式長管節對駁運期的管底支撐控制、大體量混凝土控裂要求最高。小管節接頭數量多，接頭部位尤其分幅管節橫通道與主洞連接部位易出現滲漏水的風險[8]。長管節數量少，浮運安裝次數少；小管節舾裝量大，運輸、安裝次數多。小管節體量小，對駁運、起吊船等設備能力的要求小；長管節需新造大型駁運裝備。

經過對大、小管節研究，大管節綜合優勢明顯，同時小管節在滿足管節體量盡量小且可自浮的情況下，可選擇長度22 m管節作為深化研究對象。經初選擬對大管節和小管節進行同深度比選。

2.2 縱向體系深化比選

2.2.1 98.5 m整體式管節方案

1）管節結構形式

結構頂底板為1.5 m厚，側墻為1.4 m厚，中隔墻為0.7 m厚，結構寬42.8 m，高10.9 m，標準管節長98.5 m，設6 mm厚底鋼板并在兩側墻上翻2.4 m。

沉管管節橫斷面面積為162 m2，標準管節重43 500 t；標準管節在不設置防錨層時，浮運期考慮舾裝件及預埋件重量后干舷為40~83 cm，沉放就位及回填后抗浮系數為1.05~1.16。

2）駁運期管節三維計算及管節支座布置要求

浮運期因船體變形可能造成管底支撐系統局部脫空；通過改變支墩布置間距，進行三維計算驗算管節受力、裂縫，確定在運營期結構鋼筋配置的情況下，支撐最大允許脫空距離要求，提高施工應對。

假設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算；波浪動力在施工計算中考慮。98.5 m整體式管節縱向支撐管節主要計算結果顯示，在縱向內力分布上，管節軸力整體呈現受拉狀態，在支墩處略有減少，軸力在沉管縱向中部達到最大值約2 391 kN；彎矩在支墩處為反彎點，支墩之間跨中底板底部最大彎矩約617 kN·m；在橫向內力分布上，軸力整體呈現受拉狀態，兩行車孔對稱分布，軸力在行車孔跨中達到最大值約465 kN；彎矩在支墩處為反彎點，支墩之間跨中底板底部最大彎矩約663 kN·m。

3）管節接頭受力變形及運營期管節縱向計算

計算荷載考慮恒荷載+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整體式管節結構及接頭內力變形計算結果Table 2 Calculation results of internal force deformation of 98.5 m integral pipe segment structure and joint

4）管節接頭

根據接頭水密最小壓縮量，計算最大接頭張開量（4.2 cm）及1 cm張開量富余量，同時考慮100 a設計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整體式管節方案

1）管節結構形式

管節采用與98.5 m整體式管節相同的斷面布置和結構尺寸。

2）駁運期管節三維計算及管節支座布置要求

支座等間距支撐沉管；底鋼板等效為鋼筋參與裂縫驗算；波浪動力在施工計算中考慮。22 m整體式管節縱向支撐管節主要計算結果顯示，在縱向內力分布上，管節軸力整體呈現受拉狀態，軸力在沉管縱向中部達到最大值約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；在橫向內力分布上，軸力整體呈現受拉狀態，兩行車孔對稱分布，軸力在行車孔跨中達到最大值約436.2 kN；彎矩在支墩處為反彎點，支墩之間跨中底板底部最大彎矩約638.7 kN·m。

3）管節接頭受力變形及運營期管節縱向計算

計算荷載考慮恒荷載+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整體式管節結構及接頭內力變形計算結果Table 3 Calculation results of internal force deformation of 22 m integral pipe joint structure and joint

4）管節接頭

對于22 m小管節，由于接頭預測變形量較小，對接頭止水帶不同材質和接頭抗剪構造進行方案比選，初步擬定方案，具體比選如表4所示。

表4 接頭方案對比表Table 4 Comparison of joint schemes

3 綜合比選

通過對98.5 m整體式管節和22 m管節的深化比選研究，結合沉管建設經驗，經工藝、工期、風險、費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 結語

本文通過系列方案對比及驗證分析，對淺水域沉管隧道管節結構選型、淺水接頭選型等問題提出先進的解決思路，詳細闡述了解決過程，對今后類似條件下的工程施工提供了借鑒。

1）長管節相對中小管節有工期保證性好、可靠性高等優勢。

2）沉管地基剛度較好且總沉降可控，整體式管節結構在運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對。

3）整體式管節有助于確保管節的整體防水性能，對場地需求較節段式管節小且工程造價相對較低。

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