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你所不了解的港澳珠大桥——沉管隧道设计

施工小娄娄楼主
1楼2017-11-0614:26

来源:桥梁杂志

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从好奇到关注再到惊叹,这似乎是人们看待港珠澳大桥沉管隧道一种态度的过程。


那么,就让我们来看看其沉管隧道是如何被设计出来的吧。


存在的理由


《结构的哲学》作者Eduardo Torroja说:“为了洞悉与规划一个结构或建筑,我们必须首先调查与了解它存在的理由。”


“没有桥梁的城市(湾区)就像没有电梯的高楼。”金门大桥总工斯特劳斯说。但桥梁有时存在局限,比如阻碍船舶通行的时候。如果桥梁修建在机场附近,桥塔也可能影响飞机的起落。


另外,湾区中生长的动物和植物,它们已经习惯了在湾区特定盐度的水中生活,而湾区水中的盐度取决于内陆淡水与外海海水汇入湾区中的比例,一旦修建了跨海大桥(图1),就可能改变这个比例。湾区的海洋生态就可能失去平衡。这是厄勒海峡跨海通道开挖补偿“零阻水率”设计理念的由来。港珠澳大桥隧道全线的阻水率不允许超过10%。



图1 海底隧道存在的理由


上述是水下隧道存在的理由。接下来要决定选择沉管工法还是盾构工法?取决于具体工程条件,很多项目选择沉管工法的理由是因为其经济性(图2)。港珠澳大桥选择沉管工法主要考虑了两个因素:第一,因为港珠澳大桥是“桥—岛—隧”的方案,当选择沉管工法时,人工岛的面积可以比选择盾构工法时的要小一倍,所以阻水面积小,对海洋环境更好;第二,在该地区地质条件下,盾构隧道存在遇见孤石的风险。



图2 沉管与盾构、桥梁的长度比较



工法构想:百年的等待


沉管工法就是将若干个预制段(管节)分别浮运到海面或河面现场,并一个接一个地沉放在已开挖的基槽内(图3)。



图3 港珠澳大桥岛隧工程施工照片与示意


最早尝试此法的是,1810年英国工程师Charles Wyatt在泰晤士河隧道竞标中提出的沉管工法概念。用砖头砌一个15.2m长的封闭圆筒(管节),并将其浸入水中,下沉至挖过的河床中,再回填,恢复河床。为了连通,再从圆筒的内部移除圆筒两端的砖块穹顶。Wyatt明智地提出了做一个浅水试验的要求。试件是两个7.6m长、内径2.74m的圆筒。


试验做得很仔细,其结果被认为是成功的。可惜的是,造价远超出预估,工程被废止了。之后沉管工法概念一直未被实施,直到1893年,波士顿建造了3条直径1.8米的排污渠。而第一条有规模的沉管建于1910年,管节两端有临时挡水用的端封门。为了下沉,允许水进入管节的一部分,管节着床后浇筑导管混凝土(图4),将水泵出,移除管节两端的封门,再从内部施工,类似矿山隧道的衬砌。



图4 底特律隧道


如今,世界最长的公路沉管隧道当数港珠澳大桥沉管隧道,该隧道于2017年5月4日贯通,由33个管节和一个最终接头(可折叠的管节)组成。该纪录可能很快会被菲尔马恩通道超过,其隧道由89个管节组成,长度约20km。


设计策略:笛卡尔方法论


尽管科技在进步,面对大海,我们的认知有限,沉管仍是风险极高的工法。管节的沉没、水淹,以及撞损,

在世界各地的施工中并不罕见。因此,设计的一个重要目标,应当是如何通过设计方案与技术要求,有效地降低施工风险。


沉管隧道的外部环境(比如外部荷载)取决于将沉管安装在哪里,所以需要先固定路线。对于平面线形,主要取决于路线接入点。对于纵面线形,也就是确认隧道段的竖向高程,首先需要确定隧道两头的高程与中间段的高程。两头的高程不能太高,不然沉管安装水深不足;也不能太低,避免运营阶段从隧道洞口涌入大量的水(因为下雨或越浪)而淹没整条隧道;中间段的高程往往取决于船舶航道的净空要求。


确定了两头与中间,余下的问题是怎么画线?从最小化沉管预制量、最小化水下开挖量的角度考虑,前人总结了一个原则:一头尽快扎下去,另一头尽快抬升起来,曲率半径尽量小。通过图7可证明这个原则。


确认了路线,就确认了沉管工法及沉管隧道所要面对的环境,外部的影响因素,例如风、浪、流、水深等就清楚了。接下来就可以设计结构了。


沉管隧道由多个管节组成——也有单管节的沉管隧道工程,比如日本早期修建的沉管——所谓设计沉管隧道就是设计其管节。因为每个管节所处的环境都不同,环境影响不同,设计时都需区别对待(图5)。



图5 港珠澳大桥沉管管节的设计划分


对于每个管节,也许可以将设计策略比作笛卡尔的怀疑论(图6):人通常不能很好地同时思考多个问题,所以需要将问题分解成细微,将细微排列成最易于解决的形式,再解决,再合并——为了挑出筐子里的坏苹果,将所有苹果都倒出来,将好的拾起,放回筐里。



图6 沉管设计与“恶魔学说”



图7 管节横向设计的三个基本需求



多因素交错的管节横向设计


沉管隧道的横向设计需要同时满足三条件:结构抗力、重量平衡与内部空间。


结构抗力是结构工程师熟知的项目。需要注意的是,沉管的边界条件与荷载不仅要考虑最终状态,还需要考虑沉管在预制厂时的状态,以及沉管在浮运、安装时的状态,因为沉管的最终状态不一定是沉管结构所承受的最不安全的状态。


重量平衡,即沉管在被运输时能够浮起来,在被安装时能够通过加载沉下去(施工需求)。并且,考虑通车后可能出现的极端波流作用,还需满足运营阶段的最小稳定重量的需求(运营期稳定需求)。需要注意的是,沉管安装设备及工法的选择也可能影响沉管在水中起浮的高度。


内部空间,一是考虑交通建筑限界(即通车规范所定义的最小空间要求);二是考虑内装空间需求,比如为风机预留安装空间;三是考虑水下安装作业偏差,以及沉管预制的偏差(即可实施性,图8-9)。




图8 水下安装平面误差需要的额外净空



图9 水下安装误差需要的额外净空图


当今人类文明程度持续提高,仅仅满足上述三个需求已经不够了,还需兼顾交通安全与通风设置等方面的因素。


通风方案决定了横断面的布置。图10分别是隧道工程的纵向通风、半横向通风与横向通风。横向通风的效果最均匀,半横向通风其次,而纵向通风是将隧道内的气体从一段吹到另一端。除非设置壁龛,隧道的通风方式也决定了横断面是更宽还是更高。从图中可见,纵向通风较横向通风需要较高的横断面,导致隧道纵向线形更低,安装水深也更大,但是横断面的宽度有所降低。两种方案对隧道基槽开挖的方案也有影响。




图10 通风方案示意


人的交通安全意识的增强可从图11 的隔墙看出。而且,从结构抗力角度来看,中隔墙可降低顶底板的跨径——日本在90年代建造的混凝土管节均采用两孔两管廊的断面形式,其双边墙构造对受力与防水均带来好处。从重量平衡的角度,隔墙起到了增重的作用。




图11 横向设计对人员交通安全影响的示意


A:单洞内设置双向车道,车辆相撞的概率较大

B:双洞用一墙隔开。如果一个洞发生火灾,人逃到另一个洞时易被撞

C:双洞用两墙隔开,中间设置逃生通道,降低了人逃生时被撞的风险

D:在逃生通道设置一道横隔墙,将火灾产生的烟吸入排烟通道,降低人员伤亡率。



多因素交错的管节纵向设计


管节纵向设计的三要素是结构体系、管节长度以及接头构造(图12)。



图12 管节纵向设计三要素


最早的沉管结构体系采用了整体式管节,其横断面是圆形的钢壳结构。由于圆形横断面的内部空间利用率不高,1937-1942年荷兰建造了第一座矩形钢筋混凝土结构整体式管节。90年代日本找不到合适的管节预制场地,发明了可以浮式浇筑的全三明治整体式管节。混凝土节段式管节就是将管节在纵向分段进行预制,每段的混凝土采用一次浇筑,取消了纵向施工缝。节段与节段之间允许一定量的相对位移,能适应一些基础变形。节段式管节的代表工程是厄勒海峡隧道,在世界上第一次采用工厂法流水线预制管节。港珠澳大桥沉管隧道,基于节段式管节构造,将原先用作安装用的临时预应力作为永久使用,并在必要时补充预应力。这一措施使得纵向拉力与节段间的摩擦力转变为结构的额外抗力。当荷载较小时,拉力令节段接头不张开,摩擦力令节段接头不滑动,管节力学特征接近整体式的“刚”。当荷载较大时,节段接头允许一定的竖向相对位移与转动,管节力学特征接近节段式的“柔”,所以是一种刚柔并济的结构体系。


沉管隧道长度固定以后,管节长度决定了管节的数量,也就决定了管节接头的数量。因此需要权衡的因素

包括——

管节越长:

●管节接头的数量就越少,接头的施工费用就越低,包括端封门、预埋件、永久橡胶止水带等;

●管节安装的费用可能减少,因为总次数降低了;

●安装的次数少了,海上作业的风险降低了,因为沉管工程的主要风险被认为是浮运与沉放。

管节越短:

●单次海上作业的费用降低;

●管节建造费用降低,因为场地费投入降低;

●对不均匀沉降问题敏感度降低,结构设计的经济性可能好转;

● 预应力费用降低。

管节接头的目的主要有两个,一是确保永久使用阶段,即便发生比如地震、沉船,甚至隧道被鲸鱼撞击等事故时,接头也能够起到止水的作用;第二个目的是实现管节水下的对接与安装。



多因素之间的联动


为了获得较优的方案,如果将前文所述的纵横向设计工作称为分析(analysis),即了解事物背后的多个影响因素;下一步工作就是合成(synthesis),即首先了解因素之间的联系,再通过反复试验的方法找到最满意的答案。


横向设计的三个需求相互关联,例如:如果隧道结构需加强,就意味着板厚增加,或配更多钢筋(混凝土结构),或加厚钢板(钢结构),导致管节增重。原有重量平衡被打破,就可能需要调整隧道的内部空间来找到新的重量平衡。反之,如果需要扩大的内部空间,管节浮力就会增加,就可能需要调整结构的板厚来保证重量的平衡。


类似的,纵向三要素之间也相互关联,且与横向设计关联。接着上面的例子:当横向设计的墙体需要加厚时,纵向设计接头的剪力键的承载力就有提高的空间,因为剪力键的承载面积加宽了。更高的抗剪承载力可以允许更长的管节,因为接头可以适应更大的差异沉降。而更长的管节意味着结构体系采用混凝土节段式或半刚性较经济。当然,前提是有适宜的干坞来预制这种结构体系的管节,并且需要有可达的航道来连通干坞与隧址。

综上,沉管设计有多因素,且相互影响,为了获得较优的方案,不得不经历一个尝试与反复的过程(图13)。



图13 沉管设计与常规设计的侧重点的差异


多因素中施工所占的比例十分大,如果先设计、后施工,就容易出现设计输入条件不足的认知问题。所以,如果将好的沉管设计理念比作一粒种子,种子生长的好土壤就是设计施工模式。


在设计与施工的联系中还包括与时间、空间的联系(图14)。沉管隧道的预制是一地,安装在另一地(水续。同样,时间上也有很多先后顺序需要遵守。沉管隧道的设计方案某种程度上显现出的不可复制性,可以从沉管设计优化的任务是尽量消除沉管施工过程中时间与空间的不匹配性的这一本质上来显现。




图14 沉管设计中的时空不连续问题


设计中要命的三个“问题”


干坞、浮运航路与止水影响着沉管工程的成与败,如果将一个管节比喻成船舶,每个管节都是一艘巨轮,吃水深且重量大。这个特点带来干坞与航路选址的两个问题。一是如何将陆地上制造好的管节挪入水中?二是从干坞到需要修建隧道的地方,有无天然水深条件或水下开挖的可能,来确保一条能够令管节在漂浮状态下可达到最终目的地的路径?比如,港珠澳大桥岛隧工程需要制造33艘管节“船”,每艘的质量7.4万吨,而泰坦尼克号的重量是4.6万吨。管节的吃水深度11m,即如果水深不足11m的地方,管节就会搁浅。预制厂先选在广州南沙附近,后经岛隧工程优化,选在了珠海市的桂山岛,获得了3个优势——一、地基是硬岩,适宜工厂法流水线顶推作业;二、管节浮运距离大幅度缩短;三、预制厂可以在生产两个管节的同时,寄存6个管节,管节不需要在坞外寄存,消除了台风侵袭的风险。


沉管是借用水之力的工程,利用水的浮力移动、利用水的重力下沉、利用水的推力连接,但是水能载舟、亦能覆舟。只要结构存在一点缺陷,水就能进入。途径可以是从结构的裂缝、接头的间隙、管节临时封门的管道。所以,设计要确保这些情况不易发生,以及引起这些情况的诱导因素也不易发生(例如基础不均沉降引起的结构开裂)。所以,对止水的重视,需要贯穿整个隧道的设计过程,包括基础、结构、接头、舾装与施工技术要求。


未来


未来对沉管隧道的需求是更快、更宽、更深。如何应对?真空隧道也许能通过沉管工法实现,解决更快的问题。组合结构也许是解决更宽问题的经济方案,例如横向预应力与钢筋混凝土,或钢混组合结构。更深的问题包括深埋与深水问题,港珠澳大桥岛隧工程林鸣提出的“半刚性”与“记忆支座”,扩展了沉管隧道的管节本体、管节接头以及节段接头的深度范围;当水深极大时,悬浮隧道也许是一种解答。美国工程师Grantz说:悬浮隧道的运营状态不正是沉管隧道安装的悬停状态么?


关于沉管设计的总结——两个特点——因为施工风险大,所以要通过设计尽量降低风险。沉管隧道由管节组成,由于位置、环境、施工与运营需求差异,几乎每一个管节的设计都是独特的。



图15 悬浮隧道的两种概念


管节横向三需求——内部净空、结构抗力、管节重量,它们决定横向设计。

管节纵向三要素——结构体系、管节长度、接头构造,它们决定纵向设计。

三个联系——多因素互相联系,与施工联系,与时空联系。因此,为了得到满意的设计方案,需要先分解,再合并,经历一个反复尝试的过程,并需要得到足够的施工反馈。

三个要点—— 干坞、航道、止水, 它们决定工程成败。

未来三方向——更深、更宽、更快。

(本文是笔者为港珠澳大桥岛隧工程项目部V工区做演讲报告的文字准备,在此对王伟、宁进进、岳远征等同仁一并致谢!)

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  • 加倍努力 2楼
    好资料,学习中。
    2017-11-6 22:20
  • wanglin_0910 3楼
    好东西,学习之,
    2017-11-7 07:54
  • harton 4楼
    长见识,谢谢哈
    2017-11-7 14:08
  • 挟天子令不臣 5楼
    楼主写的不错
    2017-11-7 15:23
  • xlhxlh19750526 6楼
    2017-11-7 16:09
  • jtzbb 7楼
    楼主写的不错
    2017-11-7 21:13
  • 小朋友们好 8楼
    好资料,谢谢楼主提供下载!
    2017-11-7 21:44
  • 李白是刺客 9楼
    大桥通车了,一般人也没通过的条件和需求哦
    2017-11-8 15:44
  • hnyangxiny 10楼

    好东西,学习之,
    2017-11-8 17:10

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