港珠澳大桥沉管隧道与沉管隧道技术发展(陈韶章、苏宗贤、陈越)2014-11-19

1港珠澳大桥沉管隧道与沉管隧道技术发展陈韶章，苏宗贤，陈越2014年11月主要内容一、建设条件与难点二、勘察技术三、管节长度与型式的确定四、混凝土结构耐久性设计五、管节工厂化生产六、地基与基础处理七、管节安装测控技术八、水文气象预报九、结束语21.1总平面图341.2岛隧工程平、纵面图51.3主要建设标准1.一级公路，100km/h，双向六车道。2.设计使用寿命120年。3.较现行交通运输部颁《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）规定的汽车荷载提高25%。4.抗震设防标准：采用基于性能的抗震设计思想，制定港珠澳大桥的性态设计标准（保证结构具有足够的强度及延性，并在经济与安全之间保持合理平衡）。工作状态：120年，极限状态：1200年。61.水文气象条件复杂（外海环境，台风频繁，海流、涌浪复杂、冬季季风影响）2.海底软基深厚（淤泥质土、粉质粘土，基岩面起伏变化大，埋深24～100m以上）3.水深、埋深大（穿越规划中的30万吨航道，通航深度-29m，回淤量大）4.超长距离（沉管段约5.7km，为目前世界最长的公路沉管隧道）5.通航环境复杂（船舶流量大：最大日流量约4000艘次）6.环保要求高（穿越中华白海豚保护区）1.4建设难点榕树头航道青州航道伶仃西航道九洲航道江海直达船航道铜鼓航道主要内容一、建设条件与难点二、勘察技术三、管节长度与型式的确定四、混凝土结构耐久性设计五、管节工厂化生产六、地基与基础处理七、管节安装测控技术八、水文气象预报九、结束语782.1静力触探应用·为解决海床软土土体取样受扰动、减少与通航运营的相互干扰、避免台风期海上作业，采用了以CPTU为主、传统钻探为辅的勘察技术方案。·CPTU是带孔压的静力触探，主要适用于海、陆相交替的冲积层和沉积层，可快速判别粘性土、粉性土和砂性土地层。·需在原位或同类土质地层应用静载压板试验或螺旋压板试验进行对比或修正，还需结合鉴别孔和消散孔进行分析。9CPTU数据分析和地层判别示意地层摩阻比锥头阻力侧摩阻力孔隙水压土质判别10·快速、准确地进行地质分层，形成三维地质数据库。·对结果进行评估，解决中国工程师对参数的理解和使用。·CPTU间接指标经验公式计算变形参数计算沉降量11（1）考虑施工存在不确定性的影响。如，针对地基刚度的不确定性（包括勘察不确定性、基槽超欠挖和基础不平整等因素引起），欧洲的经验主要是以一定的偏差波动（一般取15~20%）和根据管节长度计算最不利的偏差波长进行计算，以此进一步确定CPTU的布孔间距，地基刚度变化示意曲线2.2布孔原则12（2）与鉴别孔、消散孔（孔压消散试验）布置相结合。港珠澳大桥岛隧工程补勘：CPTU：374个，消散孔：22个，原位测试孔：39个，技术孔：41个消散孔技术孔原位测试孔原位测试孔技术孔消散孔主要内容一、建设条件与难点二、勘察技术三、管节长度与型式的确定四、混凝土结构耐久性设计五、管节工厂化生产六、地基与基础处理七、管节安装测控技术八、水文气象预报九、结束语13143.1管节长度·在上个世纪，世界上修建的沉管隧道长度一般在2km以内，每节管节一般在100~130m的范围内。·厄勒海峡沉管隧道（沉管段长约3.5km）标准管节长176m。·韩国釜山-巨济沉管隧道（沉管段长约3.3km）标准管节长180m。·目前，沉管隧道的长度已增加至3km以上，随着隧道长度的增加和建设工期的要求，管节长度需要进一步增大。港珠澳大桥沉管隧道（沉管段长约5.7km）标准管节长180m。·拟建的费马恩海湾沉管隧道（沉管段长17.6km）标准管节采用了长217m的节段式钢筋混凝土矩形结构（招标方案）。153.2管节型式·随着隧道总长度的增加和工期的要求，管节长度也需要增加，而整体式管节的长度基本发展到了极限，难以满足工期要求，同时又由于混凝土温度应力和收缩徐变等因素的影响，长管节需以节段式取代整体式。·这将使结构受力矛盾转嫁为管节（沉管段）水密性矛盾。隧道管节隧道节段沉管隧道180m22.5m163.3纵向计算理论·传统的节段式管节在轴力作用下也会存在一定刚度（水力压接使GINA止水带受很大压缩，反作用于管节形成了纵向轴力），这个刚度与纵向轴力密切相关。接头张开极限状态（全断面压缩、中性轴位于断面下缘）接头张开后状态（中性轴位于断面内）接头张开后极限平衡状态（中性轴位于断面上缘）转动弹簧模型工况1工况2工况3导入轴压力No导入轴压力No弯矩MⅠ弯矩MⅠh/2h/2θ=0σb=No/A-M/W=0σt=No/A+MⅠ/W中性轴导入轴压力No弯矩MⅠ张开角θ＝0转动刚度KθⅠ＝∞MⅠ=(W/A)×No其中、　MⅠ：接头张开极限状态弯矩,kN・m　W：截面系数,m3A：断面面积,m2h/2h/2θ导入轴压力No导入轴压力No弯矩MⅡ弯矩MⅡ中性轴导入轴压力弯矩MⅡ导入轴压力No导入轴压力No弯矩MⅢ弯矩MⅢh/2h/2θC中性轴导入轴压力弯矩McoMⅢ=(h/2)×No其中、　MⅢ：最大抵抗弯矩,kN・m　h：断面高,m转动刚度KθⅢ＝０MθMⅢ＝(h/2)×No接头张开前KθⅠ=∞(张开角θⅠ=0)KθⅢ=0状态Ⅰ状态Ⅱ状态ⅢMⅠ=(W/A)×No状态Ⅱ状态Ⅲ状态ⅠMθMⅢ＝(h/2)×No接头张开前KθⅠ=∞(张开角θⅠ=0)KθⅢ=0状态Ⅰ状态Ⅲ状态Ⅲ状态Ⅰ计算用弹簧模型模型化纵向计算总体模型接头力学分析模型17·国外个别工程保留浮运沉放过程中的纵向临时预应力不剪断，目的主要是为了缩短工期。·港珠澳大桥沉管隧道将纵向临时预应力保留为永久预应力，通过预应力向管节“输入”一定的轴力，利用截面摩擦力辅助剪力键以提高节段接头抗剪能力，在理论上可更好地解决地基沉降、结构受力和接头水密性之间的矛盾。·需要考察因刚度增加带来：内力（弯矩、剪力）增加抗力（截面压力、摩擦力）增加赛跑！18·因此，保留纵向永久预应力的节段式管节的最大意义是可以通过预应力调节管节的刚度，以量化的刚度和变形指标解决地基沉降、管节节段接头的受力和水密性之间的矛盾。·需要注意的是，这面对永久预应力应用于水下隧道所需面对的密封性和耐久性问题。主要内容一、建设条件与难点二、勘察技术三、管节长度与型式的确定四、混凝土结构耐久性设计五、管节工厂化生产六、地基与基础处理七、管节安装测控技术八、水文气象预报九、结束语19204.1腐蚀环境与设计使用寿命·以往修建的沉管隧道，大部分处于江河下游，建设使用寿命一般为50年左右，耐久性问题并未突出。·从20世纪90年代以后，沉管隧道工程从江河环境逐渐向江河入海口、海湾环境甚至跨海峡环境发展，暴露在海洋环境中混凝土结构耐久性面临进一步挑战。oo结构使用性能结构使用性能时间时间使用年限使用年限AAoo结构使用性能结构使用性能时间时间使用年限使用年限AA老化（劣化）过程（性能）极限状态214.2传统耐久性设计·对于在海洋环境中采用钢筋混凝土结构的沉管隧道（特别是没有外包防水的节段式混凝土管节），混凝土结构的耐久性设计和控裂技术是实现混凝土结构自防水的关键。·传统的耐久性设计方主要是建立在经验的基础上，依据判断-符合原则（deem-to-satisfyrules）建立经验理论体系，综合经验、摸索和直觉确定钢筋混凝土钢筋保护层的厚度，无执行操作和设计使用年限定义的说明，依据的材料和工艺陈旧，试验方法存在较多缺点，没有论述与设计使用年限有关的混凝土早期质量要求。发达国家从20世纪50年代中期起就投入大量人力、经费致力于混凝土结构耐久性研究。欧盟资助的Duracrete研究项目（1996-1999），在国际上首次提出了混凝土耐久性的可靠度设计方法，作为使用年限设计方法在厄勒海峡和釜山-巨济通道等工程上得到了应用。22近20年我国在混凝土结构耐久性，特别是暴露在海洋环境中混凝土结构耐久性研究方面投入了大量的研究力量，发表了一批针对海洋环境钢筋混凝土结构腐蚀作用的研究成果，开发了实验室开展海洋环境研究的人工气候箱（室），编制和更新了相关的国家与行业技术标准，在多项跨海工程建设中逐渐积累了宝贵的经验，如杭州湾大桥、东海大桥、青岛海湾大桥等，其设计使用寿命均要求达到100年。而在具体设计中，对于海工混凝土结构的耐久性设计尚处于遵从经验判定的阶段，虽然可以给出对应不同设计使用年限的混凝土耐久性控制指标，但这些指标是基于目前规范规定和传统的经验进行取值，使得耐久性技术指标和设计使用年限之间缺乏可靠的理论对应关系，满足设计要求的工程是否就能达到规定的设计使用年限仍缺乏足够的理论依据。234.3现代耐久性设计发展·港珠澳大桥沉管隧道耐久性设计方法，是基于结构使用年限的定量耐久性设计，强调结构构件的环境作用，基于近似环境的暴露试验数据，以全概率或近似概率方法建立耐久性数学模型对钢筋混凝土的保护层厚度、氯离子扩散系数、所处环境条件以及养护措施等变量进行分析，对构件的材料指标或者结构指标提出量化要求。观念变化：传统的定性、定量概率理论（大量的试件、试验，氯离子渗透概率）24传统耐久性设计基于耐久性设计-对混凝土性能要求1级2级机理AASHTO、BS、EuroCodesACI-life365DuraCrete经验和直觉判定性计算概率计算结果简单“判断-符合”（deem-to-satisfy）原则（最小保护层原、最大W/C等）依据混凝土性能（劣化机理）设计（使用年限、破坏可能性、最小保护层厚度、最大氧离子扩散率，最小抗碳化作用）环境分类无环境分类环境分类不够细详细环境分类（例如隧道隧孔内和外）劣化过程无变化或变化模拟变化过程和变坏机理的数值模拟混凝土质量与实际混凝土性能无关依据理论混凝土性能依据实际混凝土性质（通过混凝土试验得出实际氯离子扩散系数）不同耐久性设计方法特点对比表主要内容一、建设条件与难点二、勘察技术三、管节长度与型式的确定四、混凝土结构耐久性设计五、管节工厂化生产六、地基与基础处理七、管节安装测控技术八、水文气象预报九、结束语25265.1传统干坞预制·在传统干坞中预制管节，从钢筋绑扎、模板架立、混凝土浇筑到拆模养护等工作，都是围绕着管节实体在固定的非常有限的空间内进行，工序和台班易受扰动、模板经常拆卸移动而使得预制工作效率不高，加上有时还需要解决临时系泊区而显得并不经济。·港珠澳大桥由于距离长、工期紧，需要预制的管节长、数量多、质量要求高，若使用传统干坞，则需要系泊存放而占用海域面积大，造价高而效率低。韩国釜山沉管隧道管节传统干坞预制275.2厄勒海峡沉管隧道管节工厂化生产·厄勒海峡沉管隧道首次成功实施了管节工厂化生产，其本质是实现流水化生产模式，即在流水线上的不同位置依次完成钢筋绑扎、模板架立、混凝土浇筑、拆模养护、浅坞一次舾装和深坞二次舾装等工作，通过将生产对象（管节钢筋笼或成型混凝土）进行顶推平移至下一道工序位置进行后续作业。厄勒海峡沉管隧道管节工厂化预制厂28·这种生产方法适用于节段式管节的预制生产，模板只需按一节段长度进行制造，逐段生产、顶推，再连接成管节，其模板在生产线的位置固定（釜山沉管隧道的干坞生产需要不断地移动模板），可大大节约模板数量且便于维护，而且，生产线的大部分工作在室内环境进行，可全天候作业，各道生产工序可同时进行，基本不产生干扰，显著提高了管节生产的效率和质量。工厂法管节预制流水线示意295.3港珠澳大桥沉管隧道管节工厂化生产·港珠澳大桥沉管隧道工程是世界范围内第二个成功实现管节工厂化的建设项目。·以系统的技术工艺解决大体积混凝土管节的控裂和耐久性问题，节约用地的同时大大提高生产效率。30（1）管节混凝土模板系统（2）混凝土搅拌及供应系统·成功实现了工厂化生产的5大关键设施：31（3）混凝土温控及养护系统（4）管节顶推与导向系统（5）管节支承系统创新1：·顶推系统从管节截面顶推改进为底部支座顶推。32创新2：·将深坞与浅坞平行布置，在不增大浅坞端封门的条件下，将深坞的管节存储量从2节增加到4节，并将系泊区与深坞舾装区合并。港珠澳大桥沉管隧道管节预制厂布置图厄勒海峡沉管隧道管节预制厂布置图33创新3：·进一步实现了流水化钢筋生产