【沉管隧道的设计准则】
　　　　　　　　　-一埃姆斯河下高速公路隧道施工经验总结一
　　　　　　　　　译者 王锡根 滕兆民　　校者 秦伯士 杨 永

　　译自 Heinz Duddeck，Dieter Rabe et al，Design Critcria for Immersed Tube Tunnells: Experionce from the Antobahn Tuunel under the River EMS Tunnelling and Underyround S pace Technology,1989,4(1),83～90(英文)

　　提要：本文阐述了在联邦德国北部莱尔城附近埃姆斯河下的一座1453m长9车道的公络隧道施工中有关沉管隧道的设计准则。从1986年11月至1987年6月沉埋了五节管段。因为有大量的细微变化控制工程局面，管段的浮运、沉放和基础施工都要求精心设汁和现场监测，以确保结构的安全和质量。
　　工地概况和隧道总体设计

　　从联邦德国北部连接荷兰的新建公路要跨越流经遍布沼泽和沟渠平原地带的埃姆斯河。沿埃姆斯河必须保留供大型船只驶往河上游的港口和船坞自由通过的航道。
　　建造一座隧道而不是桥梁的决定是在以下结沦的基础上做出的，即隧道能提供一既较经济又能有益于环境的可取方案。尽管桥梁方案的造价较低，但经过一些调查之后还是将其放弃了。因为桥梁必须要跨过两岸堤坝和有高出水面的堤前滩地的埃姆斯河，使人感觉到它与低地景观多么格格不入。
　　在工程招标中，由一以荷兰为主的荷兰-德国工程公司集团提出的5节防水混凝土沉管隧道方案被选中。其它的隧道掘进方法，如盾构掘进法和从河岸一侧明挖逐段掘进隧道等都因其造价太高而被淘汰。
　　图1为主要工地概况，其中有永久性和临时性堤坝以及准备浚挖的于船坞。在扩大了高程比例的纵剖面中标出了引入坡道；明挖（由特殊的环形堤临时围护）施工的河堤下隧道部分；以及由5节沉管组成的总长为639．5m的沉埋隧道段。


图1 莱尔城附近埃姆斯河下的公路隧道

　　①沉管隧道 ②永久性堤坝 ③供灌注5节管段的船坞，标准水位下9m ④临时堤坝 ⑤船坞的环形堤坝

　　总宽度为27．50m，高为8．40m的横断面（图2）设计成每侧有两条行车道和一条紧急行车道。如用圆形断面（如盾构掘进的隧道）就要求有较大的高度，因而就会成为更深、更长的隧道（图1），投标文件中的设计是通过在隧道边墙和底部做外层钢钣密封来提供防水，而提交的设计则建议用防水混凝土来取代，即1.00或1．05m厚的混凝土。顶部还加了一层沥青密封和2Ocm厚混凝土覆盖层以防止落下的船锚和沉船的冲击。顶部的方边角做成圆角以防止拖曳着的船锚被隧道挂住。
　　横断面中的空白部分与混凝土部分的比例因受以下两个重要条件的支配只能在很小的变化范围内确定。
　　①管段必须浮运；
　　②在其最终沉埋状态时，加填重的管段必须具有充分抵抗上浮的安全能力。
　　大量的微小数值影响着这些条件。所以，对混凝土的比重，甚至水的比重（如潮汐影响的河水会形成含泥的浑水）的确定都应该格外准确。有关沉埋隧道工程中的若干问题已在两届荷兰三角洲隧道工程研讨会论文集（Immersed Tunnels l 1978 and Immersed Tunnels 2 1987）中详细介绍。混凝土的厚度极受限制，而且在设计中只允许很小的改变，因此象图2中这样的横断面就限制应用在深水下的隧道工程中。

　　图3为一节127．5m长的隧道管段单元，它被膨胀接缝分五段各长为25．50m的浇注段。在沉埋作业期间，这些接缝被位于顶、底部内的迪维达拉杆拉紧而闭合。管段放到最后沉放位置上以后，切断拉杆，让接缝再次松开。膨胀接缝用支托架固定好以防止垂直和横向位移，但允许纵向膨胀。这些接缝可防止由于收缩而产生的张拉应力，并对沿隧道轴线的不同沉陷能作出一些调整。当用橡胶密封条去封闭一节已沉放好和一节正沉放下来与之相接的管段之间的空隙时，位于管段端头堵墙中间的角架就成为沉放后这时的支承结构。在管段单元东端（右侧），有两个支承管段的钢质撑在，由千斤顶从隧道内向下伸出顶在沉放前预先铺设在基槽内的混凝土板的基础上。


　　　图2 沉埋管段的横断面　　图3 隧道管段以及临时支承它的角架和由千斤顶来调整的撑柱

　　图4为这第二套支撑结构的详细情况。两个千斤顶用以推动整个钢质撑柱穿过混凝土底部的水密封孔口。千斤顶架则扣在2×6根直径为36mm的钢杆上。这一安排可促使管段最后就位的调整。即使于沉放之后，支承荷载，如果采用应力计来量测它也可以控制。这个第二套支承系统已证明其对几何结构误差和钢杆可能出现的破坏，极为敏感。

图4 第二套钢撑柱支承

主体施工情况
　　隧道现场的地层由上面覆盖着粘土、淤泥甚至泥炭的深层砂构成，需要换填泥土，沿隧道基础用振动填筑卵石桩加固地层。地下水位极高以至引入坡道用疏浚法开挖，并用泥浆泵将泥、水混合物抽送至11km以外的堆集区，或者如果浚挖出的是砂，则直接抽送到临时堤坝的基底处或者送到引入坡道基底。粘土必须用砂换填处。
　　施工从三个工点－－即在河两侧做隧道洞门段的明挖基坑处及在干船坞处同时开始。位于环形堤坝内的明挖基坑深15m，先以24m长的工字钢桩按1．5m的间隔打入软土层内。在基坑开挖过程中再将木背板插入两钢桩间构成档墙，用深井抽水降低地下水位。
　　干船坞的开挖深度必须低于河水水位10．5m，这样才能在中等潮汐高出标准水位（NN）1．5m时，将5节隧道管段安全的浮运至基槽处。砂芯的堤坝用粘土覆盖，堤顶高出标准水位7.3m沿船坞周边布置的21个降水深井将封闭区域内的水抽干。降低地下水位作业影响很大的面积，超过了抽水前的设想。由于河床在某种程度上不透水，埃姆斯河水并没有如预计那样补给很多水回到（被降水）地层内。因此，建筑工地附近的房屋出现了一些裂纹。
　　浇注隧道管段单元的混凝土于1984年底开始。第一节管段于1986／1987年间的冬季沉放入河底的基槽内。施工过程的细节在雷伯（Rabe）等人（1988／1989）和沃利斯（Wallis）(1986）的文章中详述，本文下面也讨论一些专门的问题。

　

　　通过混凝土冷却来控制到缝
　　引入坡道段和隧道本身的防水密封完全由混凝土的质置来保障，而无需在管段外再包一层钢钣。由于混凝土是无预应力的，就不得不通过用适当的接缝距离和混凝土养护过程以减少收缩和温度影响（效应）来避免发生裂缝。
　　在明堑引道段和明挖施工隧道段，施工接缝间距为15．0m。用橡胶和金属带来保证接缝本身的密封。隧道管段接缝的间距为25．5m，施工接缝通过以三个步骤浇注混凝土而使之保持最小间距：（1）浇注底板；(2）浇注中间内墙；(3）同时一次浇注外侧面墙和顶板。
　　通过选择适宜的混凝土配合比来尽量减少收缩。由于新鲜混凝土水合作用产生的温度效应所造成的裂缝源有二：①沿边墙高度的温度变化梯度很陡；②已冷却和凝固的底板混凝土与新浇注正处于水合阶段的边墙混凝土有温差。水合作用使边墙和顶板升温，当新鲜混凝土还未凝结时就会出现相对应变，有极高的蠕变能量。当混凝土 已凝固，区抗拉强度还很低时，就会发生由子冷却造成的收缩。如果收缩受到不均匀冷却或已凝固底板的约束，就会发生裂缝，尤其是较厚的混凝土。为了避免这类裂缝发生所有坡道的连墙和隧道管段的边墙都在墙中间埋置直径1英寸的钢管；用循环水来进行冷却（图6a）。用量测混凝土中的温度来控制冷却作业。浇注混凝土以后两天内都用循环水冷却。如果不采取这一措施，两接缝间的中间部分产生竖向裂缝是不可避免的。
　　冷却程序是根据对温度和应力变化的理论分析及计算采设计和完成的。根据这些确定冷却水循环所需的温度及通过量并用监测来校正；分拆以三个步骤进行：
　　①计算沿墙高度和顶板的温度变化；
　　②根据温度效应对应力进行分析；
　　③对不同冷却程字的温度场作数字一算，以作为冷却系统设计的基础。

　

　　温度变化计算
　　产生的热取决于混凝土配合料的成分；例如，炉渣水泥产生的热量就少于含其它水泥的混凝土。混凝土计划用的配合料释放的绝热热量是在一个隔热性能良好的1．O×1．0×1.0m试验箱中的混凝土内直接测得（图5）。在这些结果的基础上，沿墙高度和顶板的温度变化发展按考虑隧道横断面的每一时间阶段计算。．这些计算中的重要参数为：
　　·新浇注混凝土的起始温度；
　　·在混凝土浇注时和热量释放期间施工现场周围的气温；
　　·对混凝土内、外表面的热传递情况作出假定，例如对顶板上附加的隔热清况作出假定。

　　应力分析
　　对由温度效应造成的应力进行了分析。用数字计算对已凝固的底板、边墙和顶板的二维横载面（内应力）进行了分析。并假定在成功的水管循环冷却下，温度是从顶板到底板以直线式递降（图6a）。否则，在边墙下部将产生不容许的高拉应力，形成贯通墙壁的竖向裂缝。应力分析必须考虑混凝土强度性质的发展情况。拟定的弹性变形模量函数是取自对荷兰的东斯海尔德水道防波堤工程进行研究的结果（见图5；见"Immersed Tunnels l 1978 and Immersed Tunnels 2 1987"）。图5中弹位模量（E-modulus）的时间阶段函数同样包括新浇注混凝土的蠕变性质。应力分析用于送代程序以事先确定出对以下各点的限制：
　　·周围空气的温度；
　　·混凝土在浇在期间的允许温度；
　　·巳凝固底板与新浇在混凝土之间的允许温差。

图5 混凝土硬度和水合温度随时间的发展

　　在任何时候张拉应力都不能超过抗拉强度，因为这也是随时间发展的。

　　温度场的数值计算
　　为了设计冷却系统，用数值计算不同的冷却程序的温度场，以求出：
　　·冷却管的数量以及布置间距；
　　·冷却水的温度；
　　·钢管每分钟的过水量。
　　冷却系统必须确保能获得如图6a中所拟定的一个线性温度场。
　　在施工期间对实际的温度场实施广泛监测。监测结果证明，既使是在温暖的夏季，温度也没有超过能导致裂隙的限度。实际上可以获得图6a中的线性温度分布。
　　图6是作为例子对一个横截面计算的结果。图6a给出：
　　·根据允许的张拉应力来确定的最高允许温度；
　　·对各个实际参数预期的温度分布；
　　·在浇注后两个不同时间量测的温度。
　　图6b为计算得出的与最高允许温度（图6a）相关的应力分布的例子。分开表示的两种应力分布；左侧是：当底板比起新鲜边墙混凝土来既不太冷也不太热时引起的应力；右侧是两者间温差为8℃时引起的应力情况。综合这两种分布情况，得出的结果是：冷却会把易形成裂缝的危险区从墙的底部朝上转移，直至边墙和顶板汇合处。


图6 a)厚混凝土边墙中的混凝土冷却系统 　b)沿边墙高度的温度及相应的最大应力的分布情况

　　冷却系统的设计和应用表明是相当有效的，几乎没有水合混凝土造成的裂缝。在产生水合热后，顶板的温度下降2℃就关闭冷热系统，大多数情况下这种降温都在两天之后。Immersed Tunnels 2 （1987）中介绍了更详尽的结果和背景资料。 结构设计和安全规范分析
　　为了对风险及其概率进行判断，荷载情况被分为不同的四组类型，见表1。


表1 结构设计分析用的荷载情况分类

　　就结构的设计而言，对相应标准的安全系数可根据不同的类型通过应用与表中类型1的相对安全系数为100%来拆减。对有极大风险或有严重破坏后果的施工阶段以及结构单元（例如图3中所示的作临时支承用的结构，这些地方的局部破坏都会导致几乎整个一节隧道管段的损失）从类型0中排除。
　　隧道横断面被作为一个二维基础承放的构架加以静力分析。但是，至少在河的底下，基础承载的影响不大，因为竖向荷载基本上被浮力抵消了。沉速隧道假定为一网格模型从纵向上进行分析；这一分析得出了剪切力；尤其是在以25．5m为间隔的接缝处（图2）。
　　荷载情况包括了最高潮水（高出标准水位5．5m）的情况。特别荷载情况（类型3）为：
　　·一只10t重的船锚直接投落在没有任何保护性地层覆盖的隧道顶部；
　　·一艘沉船的荷载，假定其作用在河床上的静荷载为30kN／m2。
　　图了表示一特别情况和在最深点处横截面的弯矩及其布筋情况。平均加筋量为每立方米混凝土140kg。为防止裂隙而需要额外增加的钢筋量，根据1978年德国标准DIN1045做出是比较大的，图7中的话号内数字表明是没有接控制裂缝的设计原则所需要的钢筋员。应采用法国标准中相应章节的最新条文，额外增加钢筋量就比图7中的少一些。

图7 沿横截面的弯矩和钢筋配置情况

　　在两个25．5m分段间的接缝处的支托架其尺寸是按在每个接缝竖向压力为7MN和扭矩为70MNm来设计的。后者根据假设垂直于隧道轴线的非均质地层条件，这主要由于站上已用砂取代推算的。考虑船锚投落下来的冲击，在顶板上面设置了一层很强的钢筋网。 浮运和沉埋：关键情况的分析管段单元的浮运和沉埋是最为关键的步骤，需要工程师和富有经验的作业人员配合做出精心的准备工作。在这一工程中曾因一节泊于安装码头的浮运管段由于一极低落潮而被搁浅至不平坦的地面上，可算为是严重的事故。管段不得不在隆冬有风景的冻雨中花数小时来恢复正常。
　　待5节管段都浇注完成，用临时堵头墙封闭横断面、注满管段内镇重水舱，以及安装上导向塔（塔中装配有一个进入管筒）这一系列工序完毕之后，用水淹没干船坞、并打开临时挡水堤坝。
　　第一节管段与往常一样是以排除镇重水来浮起的。然而在埃姆斯河工程中，由于在船坞中已沉淀大量淤泥，管段单元被陷入泥中（在隧道工地，河水相应潮汐顺序从咸水变为淡水）。等到被陷隧道管段两侧的淤泥被小心地浚挖后，浮起的工序才得以继续进行，已经拖运到管段上方的两只浮船，通过浮挂安设在一管段单元顶上（见图8）。再一起浮运至河东岸的安装码头，去安装用于沉放的最终设备，通过量测出水高度（即浮船的干舷）来准确地检查重量，用镇重来调整吃水深度。
　　图8为在沉放作业中悬吊在浮船上的隧道管段单元。20m深的基槽具有1:6的缓平边坡。管段单元由卷扬机拉到沉放位置上，白浮筒上的锚系钢缆绳使其固定就位。钢缆绳根据1．2m/s的河水流速来选定尺寸。有关浮运以及卷扬机系统的详细资料可在"Immersed Tunnels 1 (1973），Immersed Tunnels 2（1987），"以及雷伯等人的文献中找到。

图8 沉放位置上的管段单元

　　隧道管段必须设计成能使其在浮船、导向塔、卷扬机设备等的额外重量下安全地浮起。浮力仅需超过整个重量的2%。因此混凝土的单位（体积）重量的确定是通过在管段单元有代表性部分直接钻孔取样后确定的。还有，管段单元的体积的精确测量在干船坞中时就进行了。输入数据的误差和离散是浮力计算中有不可避免的不肯定因素造成的。表2中列出的数值显示出确定混凝土管段单元的重量所需要的准确性。

表2 确定沉管隧道混凝 管段单元的重量所采用的一些灌确值