沉管隧道主结构设计优化方法

2020-10-28林巍田英辉刘凌锋邹威刘孟源陈猛

中国港湾建设 2020年10期

林巍，田英辉，刘凌锋，邹威，刘孟源，陈猛

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；2.天津大学，天津 300072；3.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230；4.中交第四航务工程局有限公司，广东广州 510290）

0 引言

近几年，我国沉管隧道建设的数量和规模都在扩大。一方面，随着经济技术的发展，水上设备向着大型化发展；工程风险管控能力和精细化水平提高；混凝土强度提高。建设条件不同往日，沉管隧道方案有了新的可能。另一方面，对绿色环保的需求日益增长。现在讨论沉管隧道方案的优化是有益的。

相关文献[1]和专著[2]对沉管设计已有论述，但对于结构优化是点到为止。国内沉管文献过去较少，近些年随着大工程[3-4]建设而大幅涌现，但多数是解决学术问题或描述具体工程问题。

本文结合某双向八车道公路钢筋混凝土沉管前期优化工作，提出主结构优化的一些方法，以及尚需进一步研究解决的问题。

1 技术路线

沉管隧道主结构优化技术路线见图1。值得注意，空间与重量只优化一方面的作用是有限的、甚至无用，因为沉管设计是多因素相互影响并控制着主结构的形状[5]。设计要素有的控制重量（干舷允许值和抗浮安全系数），有的控制空间（风机尺寸、排水沟高度和竖向剪力键安装空间），有的双控（压重混凝土）。

图1 沉管隧道主结构优化技术路线Fig.1 Technical thread of immersed tunnel main structure optimization

2 空间设计优化

对沉管隧道断面内孔使用空间的功能定义和澄清，有助于确保施工方便和使用净空的需求，同时删减不必要的空间。

2.1 高度净空需求

参考国内隧道规范[6]与沉管设计指南[1-2]及港珠澳大桥岛隧工程沉管建设经验[7]，给出最小净空高度需求建议见图2。写成公式是：

式中：A是压重层均厚，取决于抗浮安全系数1.06[1-2]或管底最小压力2~3 kPa[2]的抗浮需求（T Kasper等对韩国釜山沉管回填后运营期大波浪作用下水平与竖向稳定性做了更详细的数模和物模研究[8]），而且必要时，需要满足路面水平剪力键的安装高度空间或隧道纵向排水沟安装高度空间；B是风机及支架高度（纵向通风）；5 m建筑限界高度是隧道规范[6]的要求；i是路面横坡，%，通常取1.5%~2%；式中数字0.375的来由为：淤国内通风规范[9]要求建筑限界与风机之间至少预留0.15~0.2 m（文献[2]解释是防跳车）；于路面结构（磨损）层预留了15 cm（港珠澳大桥沉管路面结构层从原方案的12 cm加厚至14 cm[10]）；盂竖曲线可由路面厚度实际变幅确认，参考文献[2]预留2 cm；榆竖向安装偏差与基础沉降和竖向线形管理[7，11]有关，参考文献[2]预留5 cm。

图2 行车孔净空高度需求Fig.2 Height clearance for a traffic bore

由上可知，降低风机及支架高度（图2中B）对主结构行车孔净空高度降低很重要。国内风机高度常见规格有0.63 m、0.9 m、1.0 m、1.12 m、1.15 m。为确保通风效果、降低长期运营能耗，风机支架也需要一定的高度。尽管长隧道风机尺寸一般选得较大，从沉管主结构优化角度，减小通风竖向净空高度有时是必要的。优化思路有：

1）加强洞口或陆上段隧道通风，弱化或取消沉管内纵向通风[2]。

2）增加沉管内风机总量，减少单台风机尺寸[2]。例如加密风机横向布置数量，或与管节预制模数匹配，加密纵向间距。

3）主结构顶板局部设置壁龛[2]，参考图3。

图3 壁龛降低通风高度概念Fig.3 Niches to reduce ventilation height requirement

4）隧道通风设计通常由火灾控制，德国隧道安全研究建议将新能源汽车对通风影响加以考虑。

以上优化工作可与风机节能减排的研究同时开展。例如Mosen公司F Tarada博士初步研究结论风机推力翻倍、风流射角折11毅，有望节能1%。

压重层厚度的减小也可降低总高度。一般性策略是重量精准控制，另外结合水上助浮措施的策略是用结构混凝土的重量代替压重。

非行车孔净空高度需求取决于具体项目需求，包括设施、管线、单独火灾排烟通道等需求。防火规范要求人行疏散通道净高不小于2.1 m[12]。

2.2 宽度净空需求

行车孔宽度组成，包括隧道建筑限界[6]、管节水下平面对接偏差（预留50 mm，平摊到每侧墙壁预留25 mm）[2]、混凝土表面不平（每侧5 mm）、防火板安装（每侧20 mm）、平曲线加宽。

如取消公路隧道建筑限界两侧宽0.75 m的检修道[6]，改为防撞路缘石，可缩减主结构断面总宽。上海道路规范[13]对于设计时速80~100 km隧道，左侧（驾驶）侧向余宽需要0.5 m，右侧（非驾驶）侧向余宽0.25 m，意味着单行车孔宽度可缩减（0.75-0.5）+（0.75-0.25）=0.75 m，双向交通沉管断面至少有两行车孔，总宽度有缩减1.5 m的可能。

国内九华山隧道（2005年通车）、南京长江隧道（2010）、定淮门长江隧道（2016）、杭州钱江隧道（2014）和天津海河沉管（2015）均采用防撞路缘石，未设检修道，国外建成沉管也有较多不设检修道的案例。我国公路交通沉管常见两（行车）孔一（逃生）管廊断面，需要研究的是，当管廊功能已覆盖通行时，检修道设置的必要性与利弊。

逃生管廊最小净宽通常需要0.8~1.2 m[12，14-15]。考虑轮椅人逃生，或预留设施及管线空间及排烟道需求，则可能需要更宽。欧美沉管逃生管廊宽度通常1.2~1.5 m，两孔一管廊断面通常1.5~2 m[2]。

2.3 平曲线形对主结构方案的影响

为满足两岸接线，公路沉管平面线形经常不是直线，而是平曲线，设计行车时速较快时，平曲线半径大[16]，对设计方案的影响有限，但孔洞净空需求仍需预留宽度。平曲线半径对断面总宽有两个主要影响，管节接头扭转和孔洞加宽，前者取决于纵坡和管节长度，后者取决于施工预制直线段长度。

2.3.1 管节接头扭转

置于纵坡上的曲线管节接头之间存在扭角酌，理论计算公式见式（2）[7]。当该值达到工程影响量级时意味着管节导向装置（或牛腿）等舾装件[17]需要位置修正。式中：Le是管节长度；R是平曲线半径；j是设计纵坡，%。

2.3.2 平曲线加宽

曲线管节通过一段或多段直线预制段拟合曲线（以直代曲）。通过绘制平面图，易发现直线预制段的墙壁边缘的一部分将侵入建筑限界，因此管节断面需加宽，推导得到断面总加宽量驻W。

式中：n是断面孔洞数量；Ls是管节内的预制直线段长度，当以管节为单位直线预制时，Ls=Le。

举算例说明。平曲线半径R=4 050 m，管节长度及预制长度均为Le=Ls=80 m，断面两孔一管廊n=3，纵坡j=3%。代入式（2），得到管节接头扭转角度酌=0.034毅，可见工程影响可忽略；代入式（3），得到断面总宽增加量驻W=0.592 m，影响较大。现考虑将80 m长的管节纵向分成3个Ls=26.67 m长的直线段浇筑（在浇筑分段部位设置等转角）断面加宽值减小为驻W=0.066 m。可见，更短的直线预制段长度可有效减小孔洞净空宽度需求（港珠澳大桥沉管E28—E33在工厂法预制流水线上以22.5 m长直线节段拟合平曲线），节省一些工程量。但会导致预制体系（包括钢筋笼绑扎和模板等）变复杂，施工临时设备用量增加，两者利弊需权衡。

3 重量设计优化

3.1 精细化重量设计与施工

沉管施工时既期望管节轻，易漂浮[18]，又期望管节重，易沉放[19]，运营时亦期望管节重，能节省管内压载和管顶回填[20]用量。因而管节自身重量取值对于沉管设计有两面性，相关参数并非朝着一个方向取得保守就利于设计，而是需要取得真实与精准。通过将重量有关参数的不确定性波动范围降到最低，减少主结构工程量，减少临时压载（管顶干舷调节混凝土和压载水箱）和永久压载（管内路面压重混凝土和管顶回填），减少管节沉放水深，减少水下隧道基槽开挖量。

上述观点以结构混凝土重度上、下限取值对主结构断面影响为例进行分析。设计时，重度上限值用于验算管节最小干舷，由于取值比真实值偏高，管节重量预测值就比真实的偏大；为了平衡重力，断面需要设计成具有额外的浮力，进而需要增加断面总宽度或总高，导致隧道基槽挖泥量偏大。类似地，重度下限值设计时用于确定管节沉放用的临时压载水箱重度，以及确定运营期隧道内路面下方的混凝土压重层厚度。由于下限值取得比真实值偏低，需要配置偏大的水箱来满足沉管着床后的临时抗浮（通常要求逸1.05[1-2]），还需要额外的压重混凝土来满足永久抗浮（通常要求不小于1.06[1-2]）。进而，偏厚的压重层可能引起行车孔空间高度需求的增加，致使隧道断面总高度增加，引起断面浮力不必要的增大，浮力的增大需要更多的压重补充。上述过程是个恶性循环。反之亦然。

重量设计主要影响参数：

1）结构混凝土重度。包括粗骨料重度、钢筋（及劲型骨架）用量、新拌混凝土密度变化等。

2）（海）水重度。客观因素有水温、含盐量和水体含沙量，主观因素有密度测量方法与精度、观测点位与垂向分布，数据观测时机和历史时长。

3）预制偏差。受模板刚度与混凝土浇筑时变形的影响。建议混凝土浇筑时采用重量管控，控制每个浇筑段混凝土总量，多停少补，精细化管理，高精度控制管节总重量。

4）细节重量的精确计算。包括但不限于管顶舾装件（及其预埋钢板占用结构混凝土重量的修正）、端封门自重、端封门前的管节端部不规则排水体积、压载水系统（水箱、水泵、水管、水箱底部排不出的残留水和管道内积水）、交通工程开孔（消火栓、横通道及风阀的预留孔）、施工通道与贯通测量临时开孔。对已有施工经验的总结，对理论干舷值与实测干舷值的对比，有助于提升该部分的预测精度。

3.2 负干舷沉管方案

管节预制完成后，有条件始终让管节处于助浮状态（例如某可研阶段沉管计划预制好后直接从码头运上半潜驳）可考虑负干舷方案，也即管节自重大于浮力，自带负浮力。好处是：

1）管内临时压载系统可取消或弱化。淤没有压载水箱，管节两端端封门可提早封闭，加快舾装；于压重混凝土的施工不需要与压载水箱的拆除工序交替进行；盂隧道内光学贯通测量条件更佳。综上，沉管舾装与管内施工和贯通测量变简单了。另外，压载系统的取消减少了风险源，沉管总体安装风险降低了。

2）减少路面永久压重混凝土用量。

3）管节浮力需求的下降带来节省结构混凝土用量、降低基槽开挖量的可能。如果净空高度可同步优化，结构与压重混凝土及疏浚工程量可大幅降低；如果不能，可将压重混凝土设计成结构混凝土预先浇筑，结构板厚的增加有利于增加安全储备或优化钢筋用量。

实现的前提是，管节从完成预制到安装前，始终能被助浮。对于干坞法预制的沉管，只需在管节上方预先放置浮筒或驳船，并用竖缆连接和预紧（取决于工期和施工需求，必要时需配置多套助浮浮筒或安装船）。对于半潜驳运输的管节，从半潜驳到安装船的助浮体系转化施工概念见图4，需检查半潜驳下潜深度满足水深，安装船跨上时不与管顶舾装件碰撞。顺带提示，安装船不必新建，可由2艘驳船改造（图4），实现社会资源的充分利用。

图4 沉管助浮体系转换Fig.4 Floating-aid-facility system transfer

4 结构设计优化

4.1 钢筋用量

4.1.1 钢筋量的主要组成

钢筋及其原材生产过程产生的二氧化硫等有害气体对环境造成不利影响。对于沉管方案，还影响其重量设计的优化。过密的钢筋并不一定提高结构承载力，还可能导致施工难度的增加、带来振捣不密实的风险。钢筋绑扎和架立也通常在管节预制的关键路径上。综上，钢筋量的优化不容忽视。

沉管主结构钢筋包括横向钢筋、箍筋和纵筋。横向钢筋的用量受控于断面横向弯矩大小与分布，箍筋受控于剪力。港珠澳大桥沉管主结构断面是双向六车道、两孔一管廊，浅水管节E32—E33（近似一般沉管）三类钢筋工程量比例约为66%、14%和20%；而高水压和大土压的深埋管节E9—E27钢筋用量比例约为68%、17%和15%。可见横向钢筋是钢筋用量的主控项。

4.1.2 横向钢筋量的主控荷载

以双向八车道、两孔一管廊断面为例（图5）。计算参数：淹没水深6 m、增水高度3 m、管顶回填1.5 m厚并上覆2 m厚淤泥；压重混凝土厚0.45 m；温度梯度顶板与侧墙10益、底板5益；行车孔交通荷载9.6 kPa/m2；纵向荷载传递等效成每个竖墙160 kN集中力。由此求得控制横向钢筋量的11个截面的最大弯矩及对应的最不利工况组合。

图5 双向八车道断面尺寸、初步配筋与横向钢筋控制截面Fig.5 Dual-way-eight-lanes immersed tunnel cross-section dimensions,initial rebar layout,and governing section of transverse rebars

截面Sec1最大弯矩7 124 kN·m，其中静水压力（与高水位）引起的内力占43%、结构自重28%、竖向土压14%、温度梯度8%、侧边回填引起的下拉力（负摩阻力）6%。其它荷载引起的内力小于1%或为有利作用（后同）。

截面Sec4最大弯矩3 656 kN·m，其中静水压力45%、结构自重24%、竖向土压15%、温度梯度15%、回填负摩阻力1.5%。

截面Sec5最大弯矩3 579 kN·m，其中静水压力33%、结构自重32%、竖向土压8%、温度梯度9%、回填负摩阻力11.5%、纵向传递力7%。

可见：1）以上提及荷载是沉管主结构钢筋量的主控因素，应考虑优化，必要时开展专题研究，以减小不必要的钢筋；2）水土荷载带来的横向主筋内力占比例高达50%~60%，可作为沉管纵向线形尽可能抬高的理论依据。

4.1.3 裂缝宽度控制与横向钢筋量配量

对于无外包防水钢筋混凝土沉管，以作者设计经验，横向钢筋配置均由规范要求的允许计算裂缝宽度控制；对于不同板厚，钢筋混凝土压弯构件抗弯承载力通常只发挥到约30%~70%。按上述内力结果，采用国标[21]、水工[22]和桥梁[23]规范分别试算，试配筋见图6。

图6 横向主筋不同规范与不同标准配置比较Fig.6 Comparison of transverse main rebar with different codes or standards

1）采用裂缝允许宽度0.2 mm，保护层厚70 mm标准时，国标、桥梁和水工规范配置的横向钢筋用量分别是173 kg/m3、175 kg/m3和176 kg/m3（图6（b）~（d））；尽管3种规范给出的计算公式差异大，但钢筋配置差别不大。2）按国标[21]配筋，保护层厚度取70 mm并且裂缝允许宽度分别取0.15 mm和0.2 mm时，以及保护层厚度取50 mm和裂缝允许宽度取0.2 mm时，横向钢筋用量分别是199 kg/m3、173 kg/m3和172.2 kg/m3。可见，评估隧道所处环境，选择适宜的裂缝允许宽度对钢筋量的优化很重要。

4.1.4 钢筋切断点设置原则

横向钢筋用量也与其锚固长度有关。控制截面受拉侧钢筋层数多达3~4层。理想地，设计时对每层钢筋的切断位置的精细设定，既保证结构受力时钢筋不滑移，又尽量早切断，最小化钢筋用量。然而，横向钢筋配置主要由计算裂缝允许宽度控制，钢筋强度并未充分发挥，目前规范未完全明确强度未完全发挥的钢筋应在何处被切断。如果按照钢筋受力全发挥而设置切断点是偏保守的话，则导致不必要的钢筋量增加和施工困难。期待将来的研究能为规范的完善提供支持。

4.2 临水侧外包层

观察沉管主结构的历史演变：1）1910年美国建造首个公路沉管；淤主结构采用双钢壳（水下导管混凝土浇筑）；于两个沉管建设以后取消了内钢壳（单钢壳），主结构混凝土临、背水侧各设置一层钢筋；盂未来的进步将是取消临水侧的钢筋[24]。2）1937—1942年荷兰建造首个钢筋混凝土沉管；淤取消钢壳，但包裹1圈6 mm厚钢防水膜[25]。于1960—1966年建设了鹿特丹南北地铁线采用“柔性链”理念，减小预制段长度，自该项目以后荷兰沉管均取消了外包防水膜[25]。3）日本早期沉管效仿美国钢壳式，1985年以后多采用欧洲带防水膜的混凝土形式[26]；1989年，由于熟练混凝土振捣从业人数下降，发展了不需振捣的高流动性混凝土，且由于岸边寸土寸金，东京干坞另作它用，将混凝土内外模板做成了整体式可浮态浇筑的永久结构，取消了混凝土中的所有钢筋[26]。4）1994—2000年，基于无外包防水节段式沉管，丹麦—瑞典的厄勒海峡隧道（长3.5 km）首创工厂法流水线[27]；2011—2017年港珠澳大桥岛隧工程（5.7 km）[3-4]，待建的费马恩沉管（长20 km）将发展第三代沉管预制工厂。

以上可见，不论欧美沉管还是日本沉管，伴随着工艺提升与科学进步和外界环境的改变，结构形式朝着简单的方向发展。构造的简单对施工提出更高的要求和挑战。

我国多数沉管是在底板和侧墙下部设置外包防水钢膜，通常是6~7 mm厚钢板与混凝土通过锚栓连接。施工已暴露出浇筑时底膜鼓胀（由于水化热，钢壳与混凝土弹模不同等原因）[28]，实际防水效果存在疑问。预制好的管节进行水密测试时，存在漏点检查困难等问题。混凝土控温控裂技术已提升，结合工厂法流水线预制、减少用钢量、管节高效预制等工程需求，迫切需要对底钢模的必要性和取消的可能性开展论证。

4.3 顶板大倒角

顶板大倒角优点是减小了断面排水体积，优化了重量设计与结构混凝土用量；缺点是设计与施工复杂化，包括干舷计算与测量、异形端封门面板、较少的竖向剪力键可用空间、模板复杂、额外设置的吊点凸台等，增加工程风险，更详尽描述见文献[7]。设置与不设置顶板大倒角的控制截面内力比较见图7（计算参数同前），可见从结构受力角度改善不明显。

图7 设置顶板大倒角和不设置时控制截面弯矩比较Fig.7 Comparison of bending moment of control section with and without big-roof-chamfer governing section

综上，方案优化时应谨慎考虑。

5 方案优化对主要工程量的影响

仍以上述双向八车道、两孔一管廊断面为例。设计参数：行车孔和逃生管廊净空宽分别为18 m和2.6 m；结构混凝土重度24.1 kN/m3依1.245%，钢筋量300 kg/m3；压重层重度23.1 kN/m3；海水重度10.025 kN/m3依0.5%；附加重量245 kN/m；假设隧道水下基槽底宽45 m、顶宽200 m、基槽平均高度15 m。以30 cm干舷、1.06永久抗浮安全系数拟定断面。断面壁厚设置同图5。

并以上述方案为基准，考察海水重度、结构混凝土重度、压重混凝土重度、钢筋含量、2.8 m顶板大倒角，5 cm干舷沉管和负干舷沉管这些单因素对工程量的影响，见表1。需注意，方案于断面高度降低后，已无法保证30 cm干舷的设计准则，需结合重量优化方案（榆、舆）或重量设计标准（虞、愚）或组合方能实现；路面压重层较薄时，水平剪力键只可能设置在结构底板，很薄时，排水沟空间需检查，必要时需特殊设计将其埋在主结构中。

由表1可见：1）本文讨论的优化方案起到减少工程量的作用；2）负干舷沉管（方案愚）和顶板大倒角（方案余）可显著减少工程量，但前者简化施工，后者复杂化施工；3）优化手段的组合可更多地降低断面高度；也可能过犹不及，过低的断面高度对风机选型和设置带来困难，必要时还需考虑壁龛，增加主结构的复杂程度。