李毅，刘晓东，刘凌锋

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

1 概述

预应力混凝土结构是指在结构构件受外力荷载作用前预先对混凝土受拉区施加压应力，由此产生的预应力状态用以抵消或减小外荷载所引起的受拉区拉应力，使构件不受或受到较小拉应力的结构。预应力钢筋和混凝土的黏结状态可分为：

1）有黏结预应力混凝土。有黏结预应力混凝土是指预应力筋沿其全长均与混凝土接触面存在黏结作用，两者黏结在一起且不允许相对滑移，通过预应力钢筋与混凝土的黏结力将预应力传递给混凝土，在这种结构中，相邻的预应力钢筋与混凝土具有相同的应变和变形。一般情况，先张法施工的预应力混凝土属于有黏结预应力混凝土，后张法的预应力混凝土也属于有黏结预应力混凝土。对后张法施工的预应力混凝土构件，通常做法是在构件中预留孔道，待预应力筋张拉至控制应力后，用压力灌浆将预留孔道孔隙填实。

2）无黏结预应力混凝土。无黏结预应力混凝土是指预应力筋沿其全长与混凝土接触面之间不存在黏结作用，两者无黏结且可以相对滑移，预应力通过两端锚具传递给混凝土，在这种结构中，相邻的预应力钢筋与混凝土应变和变形不协调。一般情况，无黏结预应力混凝土都是后张法预应力结构。

本文以港珠澳大桥半刚性管节结构体系[1]为背景，创新性地提出了部分无黏结预应力混凝土结构[2]。所谓部分无黏结预应力混凝土，是指预应力筋沿其全长与混凝土接触面之间同时存在有黏结段和无黏结段（如图1所示），在有黏结段两者接触面不允许相对滑移，在无黏结段两者接触面允许相对滑移。在这种结构中，预应力在有黏结段通过预应力钢筋与混凝土的黏结力传递给混凝土，相邻的预应力钢筋与混凝土具有相同的应变和变形；预应力在无黏结段，相邻的预应力钢筋与混凝土应变和变形不协调。部分无黏结预应力混凝土的施工做法是在构件中预留孔道，其中无黏结段采用特殊的无黏结预应力管道，待预应力筋张拉至控制应力以后，用压力灌浆将预留孔道孔隙填实[3]。

图1 部分无黏结预应力混凝土结构Fig.1 Partially unbonded prestressed concrete structure

2 部分无黏结预应力混凝土关键设计问题

2.1 关键结构构造

为了保证节段接头在偶然工况等极端不利情况下能以毫米级张开来释放弯矩内力[4]，在节段接头6 m范围内采用带光滑管壁的节段接头连接件来实现无黏结效果。节段接头连接件分为先浇端和匹配端，匹配端内管安装空间为35 cm，先浇端内管安装空间为30 cm，具体构造见图2[5]。有黏结段采用常规波纹管，连接件与波纹管连接方式可参照波纹管对接方式。

图2 节段接头连接件构造示意图（左为匹配端，右为先浇端）Fig.2 Schematic diagram of the joint connector of the segment(the left is the matching end,the right is the first pouring end)

节段接头连接件包括外接头管1、外接头管2、内接管3部分。

外接头管1：长度为3．3 m，包括：φ156 mm长度3 m光滑外壁套管+φ121 mm长度0．3 m变径过渡套管。接头管1内部350 mm深度位置设计有挡圈与内接管配合，产生密封效果。接头管1预埋在节段N-1的混凝土内，与节段N匹配，浇筑前安装连接件内接管，并确认接头管1和接头管2在接缝位置完全接触之后，方可进行混凝土浇筑。

外接头管2：长度为3．3 m，包括：φ156 mm长度3 m光滑外壁套管+φ121 mm长度0．3 m变径过渡套管。接头管2内部300 mm深度位置设计有挡圈与内接管配合，产生密封效果。接头管2首先预埋在节段N的混凝土内。

内接管：安装在接头管1和接头管2内部，两端各设计有3处O形密封圈，内接管外部缠绕有遇水膨胀密封带。

2.2 无黏结长度计算

在每个节段接头处，在长度6 m范围设置预应力无黏结段，而在其他剩余长度范围内是有黏结段。由于在节段接头处长度6 m范围内是无黏结段，节段接头任何张开都将引起无黏结段范围内后张预应力筋的均匀拉伸。无黏结段后张预应力筋拉伸势必带来其应力相应增加，但是仍然小于全黏结预应力筋应力。由于节段接头张开会引起相应的后张预应力筋应力增加，因此预应力张拉时将张拉应力控制在0．6 fpk的较低水平。当偶然工况等极端不利情况下即便预应力筋应力增加，其总应力仍然不超过0．75 fpk。

假设无黏结长度范围内预应力筋应力均匀增加，因此可以确定该节段接头的实际张开量及相应预应力筋应力的增加量。假设沉管隧道在挠曲弯矩作用下，节段接头顶板或底板单侧张开量控制在5 mm以内，此时无黏结段预应力筋应力增加不超过0．1 fpk。假设忽略向黏结长度过渡时预应力筋的相对位移，且不考虑有黏结段预应力筋相对位移，因此可以计算得到无黏结段长度最短需5．24 m[6]。实际工程应用时采用6 m长无黏结段。

2.3 耐久性

由于预应力体系无法更换，因此必须与主体沉管结构一样满足120 a的使用寿命。其主要耐久性措施涵盖以下几个方面：预应力度较低，在120 a使用期无疲劳损坏；预应力筋与海水完全隔绝；特制的防水锚头能满足120 a不锈蚀；在节段接头张开的情况下，预应力孔道在接头处仍能不被破坏并保持密封。

考虑到港珠澳沉管隧道暴露于高腐蚀环境中（外部海水以及隧道内机动车尾气排放）。预应力筋潜在薄弱环节位于节段接头处并且可能在顶、底板上挠曲开裂的位置。根据暴露环境，对预应力筋采用填料，该填料能提供耐久防腐蚀保护，并安装在水密外套里，该外套防水蒸汽并且化学稳定而不腐蚀。该封装或者防水密封要求需要延伸跨过节段接头并包括预应力锚固。

3 试验验证

为防止深海环境下预应力筋可能遭受的腐蚀，施工时需保证节段接头位置的预应力管道接头的连续性和密封性，确保在节段接头张开的情况下，预应力孔道在接头处仍能不破断并保持密封。预应力系统为整个结构体系的生命线，而且由于其无法更换，必须与沉管主体结构一样能达到120 a设计使用寿命，具有极高的耐久性要求。为验证预应力体系的耐久性，重点针对节段接头这个沉管永久预应力体系的薄弱环节，模拟预应力管道在施工和埋置深海阶段的工况，对节段接头连接件的水密性和无黏结性进行研究[7-8]。

3.1 水密性试验

水密性试验需要按照沉管节段接头施工的方式，将节段接头连接件的外接头管1和外接头管2分别全部预埋在2件混凝土墩块中，通过内接管将2个接头管连接组合起来，见图3。使用密封盖帽将外接头管1和外接头管2两端进行密封，在浇筑的混凝土墩块中形成管道内部的密封环境。然后给试验连接件构件内部施加水压至0．6 MPa，通过检测2件混凝土墩块接缝是否漏水，验证接缝连接件的水密性。此外，试验将模拟节段接头逐渐张开时的节段接头连接件密封性，张开量从4 mm开始逐渐加大，直至到达16 mm水密性失效的极限张开量。

图3 节段接头连接件水密性试验布置俯视图Fig.3 Watertight test plan of segment joint connector

水密性试验共采取2组、4件节段接头连接件作为试验样品。为进一步验证连接件内接管的水密性，在连接件内内接管的两端安装2件O形密封圈产品。为对比试验遇水膨胀密封带的作用，试验中的2组试样将采用不缠绕遇水膨胀密封带与缠绕遇水膨胀密封带。试验中使用的O形密封圈，均为经过老化试验后的试件，老化试验的标准参照橡胶止水带的老化试验标准ISO188进行。

图4 节段接头连接件水密性样品Fig.4 Watertight test sample of segment joint connector

2组试验采用不同的试验样品如图4所示。试验组件1，使用不缠绕遇水膨胀密封带的内接管，内接管仅使用经过老化试验后的O形密封圈。试验组件2，使用缠绕遇水膨胀密封带的内接管，内接管使用经过老化试验后的O形密封圈，与试验组件1进行对比。2组试验中，均需要将2块混凝土墩块从完全贴紧状态，至被逐渐拉开一定距离，检验连接件内部的水密性效果。

图5所示的水密性试验检验了4组试验块在0．6 MPa水压作用下是否有漏水。混凝土墩块1和墩块2的接缝部位完全贴紧条件下，向接头连接件通入红色的试验用水，将水压保持为0．6 MPa，分别采用吸水试纸擦拭以及目测的方法检查持压1 min、10 min、30 min、60 min节段接头连接件部位，均没有发现液体析出或渗漏。

图5 水密性试验张开量情况Fig.5 The opening state of watertight test

然后通过垫板调节2个混凝土墩块之间的间隔4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm，每次调整完之后也分别采用吸水试纸擦拭以及目测的方法检查持压1 min、10 min接头连接件部位，也没有发现液体析出或渗漏。说明接头连接件水密性良好，在持荷加压，甚至阶段节段接头张开量达到16 mm的超极限工况也不会出现渗漏。

3.2 无黏结试验

将节段接头连接件外接头管1和外接头管2，分别预埋在2组混凝土墩台内，并通过张拉千斤顶和锚具，对安装在节段接头连接件管内预应力筋（已压浆）进行拉拔，如图6所示。预应力筋上的拉拔力通过管内的固定端钢板作用在浆体上，并传递给外接头管1和外接头管2。由于外接头管为聚丙烯（PP）材料，其光滑外壁与混凝土无黏结作用，当外接头管1和外接头管2受到一定拉拔力后，会在混凝土接触面上产生滑移，接头管从混凝土中拔出。

为了试验不同润滑条件下的拉拔力，分别在2组试验中采用：

1）试验组件1——外接头管1外表面为光滑聚丙烯塑料表面，并涂抹低黏度润滑油；

2）试验组件2——外接头管2外表面为光滑聚丙烯塑料表面，并涂抹低黏度润滑油。

图6 节段接头连接件无黏性试验Fig.6 Unbonded test of segment joint connector

由此，验证设计要求提出的节段接头连接件预埋进入混凝土后的无黏结性，并对比2组试验数据，指导现场施工。

试验了2组试件的无黏结性，结果表明在2～3 MPa拉应力作用下，2试件中的连接件与试件本体会产生竖向位移，当拉应力增大至5 MPa时可将连接件从试件本体中拔出，而在此过程中连接件自身没有产生变形，说明连接件与混凝土之间无黏结性，试验结果如表1所示。

表1 节段接头连接件无黏结性试验结果Table 1 Unbonded test result of segment joint connector

4 港珠澳沉管隧道应用示范

特殊的地理环境和航运要求，使港珠澳大桥海底隧道成为目前世界上唯一的深埋、大回淤节段式沉管隧道。受基底不均匀沉降、回淤、水压等因素影响，管节受力不同于常规浅埋隧道。

针对港珠澳大桥深埋沉管隧道半刚性沉管结构体系所面临的特殊问题，项目总经理部创新性提出半刚性沉管管节方案，通过该方案解决了深埋沉管隧道所面临的结构稳定、止水、沉降、工期和环保等关键性技术问题。同时，自主开发的《沉管隧道结构-基础设计集成系统》[9]能有效模拟和分析该新型结构形式，并具有分析节段接头和基础刚度的非线性特性等功能。

为了实现该深埋沉管隧道半刚性沉管结构体系方案，提出部分无黏结预应力混凝土新结构。其主要特点包括：

1）港珠澳沉管隧道单个管节是由8个22．5 m长的节段组成，由预应力串联成一个整体并进行浮运安装。

2）单个节段均是独立预制，2个节段之间设置节段接头。节段接头设置多道止水带来防水。

3）预应力统筹考虑满足浮运安装阶段及运营期要求配置，保证浮运安装阶段最不利工况下接头最小压应力大于0．3 MPa。

4）运营期在最不利工况下节段接头处断面始终保证2～3 MPa压应力，并利用其产生的摩擦力，提高节段接头竖向抗剪能力。

5）预应力为永久预应力，仅在节段接头处采用特殊无黏结构造，即可适应接头张开的柔性要求，同时约束减小节段接头张开量，提高止水带保障能力。

6）预应力度的设置原则是保证在正常使用阶段节段接头全截面受压且永远不张开，在地震等极端偶然工况节段接头仅受拉侧通过毫米级微量张开来释放内力，整个管节结构和节段接头断面平均仍然受压且不影响防水。

7）管节呈现刚性为主还是柔性为主，取决于所配的预应力度，沿隧道纵向可以根据不同的地基、荷载、横截面配筋等情况分段设置合理的预应力度。

5 结语

本文在有黏结和无黏结两种预应力混凝土结构形式的基础上，创新性地提出了一种全新的部分无黏结预应力混凝土结构形式。该结构形式具有以下特点：

1）在正常使用阶段节段接头全截面受压不张开；偶然工况等极端不利情况下节段接头在弯矩作用下单侧张开来释放内力，并保证节段接头不损坏不漏水。该结构在满足主体结构安全的前提下，能有效减少预应力筋用量，降低造价。

2）部分无黏结预应力混凝土结构是采用有黏结段和无黏结段相互交替布置，仅在跨缝接头处采用6 m长的无黏结段。通过在节段接头处采用特殊的节段接头连接件实现跨缝处的无黏结构造。

3）该结构形式在正常使用阶段的预应力度较低且控制在0．6fpk；预应力钢绞线在最不利工况，其应力不超过 0．75fpk。

4）预应力通常采用后张法灌浆工艺，确保整个预应力结构满足耐久性要求。

5）通过水密性试验验证表明用于永久预应力体系的节段接头连接件水密性良好，在持续加载0．6 MPa水压力、节段接头连接件张开16 mm的超极限工况条件下也不会出现渗漏。

6）通过无黏结性试验验证表明用于永久预应力体系的节段接头连接件与混凝土之间无黏结性，在2～3 MPa拉应力作用下，连接件与混凝土之间会产生相对位移，当拉应力增大至5 MPa时可将连接件从混凝土中拔出，而连接件自身没有变形。

以上成果已成功应用于港珠澳大桥沉管隧道施工图设计，并有效支撑了港珠澳沉管隧道半刚性管节结构体系的创新。