海底沉管隧道基础处理及沉降控制技术的新进展

文中在对沉管隧道基础处理形式及境内外沉管隧道病害调研数据分析的基础上,指出不利荷载与不良地质作用是引发沉管隧道沉降及病害的主要原因。在对境外典型海底沉管隧道基础处理创新技术评述的基础上,重点介绍了港珠澳大桥沉管隧道基础处理技术的创新与提升,主要包括刚柔并济的双层垫层技术、挤密砂桩加堆载预压地基处理技术、基于CPTu的回弹再压缩沉降计算方法以及沉降控制标准的确定等,分析了深中通道沉管隧道基础处理面临的超宽变宽管节、采砂坑软土地基、风化岩遇水软化、砂土液化、回淤强度大等建设条件,并给出了相应的基础处理对策。在此基础上,结合国家重点研发计划,指出应在充分考虑结构与基础相互作用基础上,开展不良地质条件下海底沉管隧道病害诱发机理与主动防控技术的研究,提出了技术路线和主要研究内容,可供行业相关专业技术人员参考。     

沉管隧道新型剪力杆组合结构的抗剪应用研究

为了提高节段接头施工效率和沉管隧道预制化水平,改善现有节段接头连接方案存在的接头截面利用率低、中埋式止水带安装困难、工效低和剪力键浇筑质量差等突出问题,提出以新型钢剪力杆组合结构替代传统剪力键的节段接头连接方案。通过开展剪力杆组合结构单杆、多杆剪切试验,测量剪切荷载、接头相对错动、钢套筒应变和钢筋应力,研究其抗剪性能。以大连湾海底沉管隧道工程为依托,基于材料塑性损伤本构模型,考虑节段接头的细部构造,根据剪力杆组合结构剪切试验对数值仿真方法的有效性进行验证。利用数值模拟研究了节段接头水平向、竖直向剪切,绕横轴、竖轴弯曲的变形规律和破坏特征,进一步建立三维仿真模型,研究剪力杆组合结构在大连湾海底沉管隧道工程中的工作情况。研究结果表明：剪力杆组合结构的失效由剪力杆的剪断破坏控制,破坏延性特征明显。剪力杆破坏荷载-位移关系可以分为弹性、塑性加强和塑性破坏3个阶段。接头存在间隙时,剪力杆组合结构破坏屈服特征明显。剪切试验数值结果与现场试验结果吻合良好。节段接头数值试验揭示,在剪切、弯曲作用下接头破坏过程较为复杂,且均呈现出阶段性特征。基于接头损伤分析,提出了节段接头位移安全评价指标。对控制工况下...     

沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能分析

接头是沉管隧道中最薄弱并且非常关键的部位,其力学性能直接影响整条沉管隧道的安全性与水密性。目前研究仅限于沉管接头的压缩、压弯和压剪等简单荷载工况,未对组合工况如压-扭-剪工况进行过研究。以红谷隧道工程为背景,基于三维精细化建模技术,通过有限元软件ABAQUS建立了表征沉管隧道接头性能的力学模型,并考虑不同材料的非线性本构模型,开展了沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能模拟研究,并与压-剪组合条件下的力学性能进行对比了分析。通过数值模拟计算揭示了沉管接头GINA橡胶止水带超弹性材料的特性及水密性,并得到了接头在压-扭-剪组合条件下的水平荷载-位移曲线,从而获得了接头的扭剪刚度和极限承载力,表明接头在压-扭-剪工况下的抗剪强度比压-剪工况下的抗剪强度小。同时,对混凝土及钢剪力键进行局部分析,得到其在压-扭-剪组合条件下的受力特性,并预测了剪力键可能的破坏模式。研究结果可为今后沉管隧道接头设计提供参考。     

沉管隧道管节接头剪切破坏试验

为了研究沉管隧道最薄弱的环节-接头的受力特点和破坏机制，根据实际沉管隧道接头形式开展了1：4大比例尺的沉管隧道接头低周往复加载拟静力试验。试验模型由2节钢筋混凝土管节组成，接头主要由钢筋混凝土剪力键和橡胶填塞垫构成，为贴近实际工程结构反应，试验模型采用与实际工程相同强度的钢筋和商品混凝土。利用顶杆位移计和拉线位移计等传感器得到了试验模型在循环剪切荷载作用下的接头破坏机理，并分别从沉管隧道试验模型的荷载-位移滞回曲线、接头抗剪承载力、接头与管段刚度比3个方面对试验结构进行了分析。试验结果表明：橡胶填充垫对沉管隧道接头具有缓冲保护作用；低周往复荷载下沉管隧道接头主要经历橡胶垫弹性变形、橡胶垫与剪力键协同作用及剪力键塑性变形3个阶段；接头总抗剪承载力为674 kN（3个单键的抗剪承载力分别为417，320，417 kN），接头抗剪能力并不是单个剪力键承载力的线性叠加，需考虑剪力键之间的协同作用；接头与管节的剪切刚度有效比为1/960~1/672，接头是抗震的薄弱环节，在受到地震荷载时，变形主要集中在接头部位，并主要由接头处剪力键承担；接头的破坏模式主要体现在剪力键凸榫的端部剪裂及其失效后接头的不可恢复性变形。     

沉管隧道常见病害及检查维护思考

为解决沉管隧道养护规范缺乏、巡检养护盲区多等问题，在隧道养护规范的基础上，对现有相关文献进行总结。以钢筋混凝土结构沉管隧道为例，首先，将沉管隧道常见病害分为主体结构病害、接头部位病害和附属结构病害3大类，并详述不同病害的成因及外观表现； 然后，从预防性维护角度出发，提出沉管隧道巡检检查体系，巡检检查工作除日常巡查、经常检查、定期检查、应急检查和专项检查外，还应开展初始检查，并在运营期间采用健康监测系统对结构安全进行实时监测； 最后，根据沉管隧道检查维护的可能发展趋势，对标准化养护体系建设、遮挡隐蔽病害检测监测技术和少干扰快速检测技术等进行探讨。     

沉管隧道管节结构选型

通过分析近年来国内外沉管隧道工程的发展现状,以在建的港珠澳大桥海底沉管隧道为研究对象,对整体式管节与节段式管节开展了管节结构内力、管节及节段接头的受力与变形特性的计算分析,结果表明相比于整体式管节,节段式管节的结构内力降低显著,且管节接头的张开量有所减小,而管节接头的竖向剪力键受力基本相当,局部荷载段的节段接头剪力则较大。综合分析后,认为港珠澳大桥沉管隧道采用180m长的节段式管节结构形式是可接受的,研究结论可为其他同类工程提供参考。     

沉管隧道柔性接头压缩性能研究

柔性管节接头是沉管隧道的重要组成部分，接头的压缩性能决定了沉管接头的水密性能及安全性，但目前针对沉管隧道柔性接头压缩性能的研究相对缺乏，接头压缩性能参数的取值缺乏试验结果的支撑。基于此，以港珠澳大桥沉管隧道为研究背景，设计了几何比尺为1：10的隧道管节和接头模型，并进行了大比尺结构试验和止水带材性试验。通过对沉管隧道管节柔性接头逐级施加轴向荷载，试验获得了接头轴向位移随轴向荷载的变化曲线，并与止水带材性试验结果进行了对比分析，揭示了柔性接头的非线性压缩性能：接头压缩性能受GINA止水带自身压缩性能影响；相比材性试验，结构试验结果中接头压缩量普遍偏小2~3 mm，相对差异可达21%。为了进一步验证试验结果，分别建立了二维和三维止水带有限元模型，通过对比试验结果与有限元计算结果，分析并量化了试验中支座摩擦、止水带长度、形状及其横向约束等对试验结果的影响规律。量化分析结果显示，支座摩擦、止水带长度及横向约束对试验结果影响较小，可忽略不计，但止水带纵向尺寸对结构压缩性能影响较为显著，结果相差最大达到8.8%。最后基于试验结果提出了一种可用于模拟沉管接头压缩性能的简化力学计算模型，亦可应用于其他柔性接头的轴向力学分析。     

沉管隧道运维技术发展现状综述

为促进沉管隧道运维技术发展,通过文献调研、现场调查与数据挖掘等方法,系统梳理了沉管隧道的国内外概况、运营与病损情况、检测与评估技术、病害预防及处治等方面的技术成果。以沉管隧道用途、管节长度与埋置水深等关键信息为基础,阐释了其国内外发展概况;简述了沉管隧道运营现状,并重点对沉管隧道接头、主体结构、附属结构与设施的常见病损特征进行了数据挖掘;对隧道检测、监测与评估技术进行了对照剖析,阐述了目前国内外检测与评估技术的进步与不足;从前期预防与后期处治的双角度,阐述了沉管隧道的不均匀沉降、裂缝与渗漏水等常见病害的预防与处治;并从沉管隧道运维信息的角度,对其运维技术的发展趋势进行了展望。结果表明：沉管隧道建设已取得丰硕成果,但仍存在诸多运维技术难题;在役沉管隧道出现了过大(差异)沉降、裂缝、渗漏水等病损,其中管节不均匀沉降最为常见;沉管隧道检测仍以结构检测对象和传统周期性检测方法为主;沉管隧道评估诊断多侧重于沉降量控制标准的角度,考虑多因素综合角度的服役性能评估尚处于空白阶段;沉管隧道常见病害应坚持建设期预防和运营期处治双管齐下的对策。未来,沉管隧道运维将向运营环境全要素拓展,并更注重实时自动化监测技术、大数据智能评估技术与基于状态的养护策略等新技术。     

超长沉管隧道地震响应快速分析方法研究

在分析一般隧道结构与沉管隧道的不同点及动力响应差异基础上,明确了沉管隧道地震响应能否准确模拟主要取决于管节接头和节段接头的非线性、地基刚度计算及边界条件处理等;在此基础上建立了超长沉管隧道地震响应快速分析方法,关键点包括基于地震水准的地基刚度计算方法、管节接头剪力键及止水带受力及变形特性计算方法、节段接头剪力键及止水带受力及变形特性计算方法、初始水压力及止水带橡胶松弛影响考虑方法等;然后,基于超长沉管隧道地震响应快速分析方法,对港珠澳大桥超长沉管隧道进行了升温及降温工况下沉管隧道地震响应分析,明确了最不利位置为隧道斜坡段,指出了两侧GINA止水带地震变形量和剪力键剪力为抗震薄弱位置,揭示了节段式沉管隧道温度敏感性。课题研究建立的超长沉管隧道地震响应快速分析方法,能够实现沉管隧道设计与计算的互动,便于工程应用。     

基于改进梁—弹簧模型的沉管隧道反应位移法研究

反应位移法在沉管隧道纵向动力响应分析中得到广泛运用，而在具体工程分析中，传统反应位移法存在隧道截面几何特性不能良好体现，管节接头模拟不精确等问题。基于以上不足提出了改进梁-弹簧模型，并以广州如意坊沉管隧道工程为背景，开展了沉管隧道反应位移法抗震分析，同时与传统梁-弹簧模型进行对比研究。结果表明：改进后的梁-弹簧模型满足计算结果精度要求，可较好地考虑沉管隧道截面形状、场地不均匀等复杂工况，同时，可对沉管隧道接头进行准确表征。改进梁-弹簧模型反应位移法的建立可作为沉管隧道动力分析方法的良好补充。     

沉管隧道勘察设计关键技术问题分析与探讨

本文分析了沉管隧道勘察设计方面的关键技术问题,提出了软基沉管隧道勘察应采用以原位静力触探为主、钻孔及标准贯入试验为辅助的综合手段,以及室内试验应充分反应沉管隧道施工中开挖卸载、管节安装及回填防护再加载的应力路径特性,探讨了沉管隧道设计中结构与基础间的相互依赖及制约作用,分析了地基刚度作为结构与基础相互作用的介质在设计中的重要性;并以在建港珠澳大桥主体工程中海底沉管隧道为例,对深厚软基的沉管隧道勘察、地基基础设计及接头止水设计等关键技术进行剖析。     

港珠澳大桥沉管隧道工程

港珠澳大桥东接香港,西接珠海、澳门,全长约55 km,沉管隧道是大桥的控制性工程。隧道全长6 704 m,是世界最长的公路沉管工程,沉管段长5 664 m,共33节,每节近8万t。主要工程难点：1）为“一国两制”条件下大型跨界工程,需同时满足三地要求。2）世界上最长的公路沉管隧道,标准高,规模大,为全桥控制性工程。3）沿线基底软土厚度0~30 m,纵向管底地质复杂且不均匀;埋深大,管顶回淤荷载大。4）沉管管顶埋于海床面以下23 m的长度达3 km,是目前世界唯一深埋沉管,节段接头受力及防水风险高。5）工程地处外海,气象水文条件复杂,工程区日均船舶超过4 000艘,航线复杂,海上安全管理难度大。6）珠江口巨型沉管安装需面临深水深槽、基槽回淤、大径流等世界级难题,风险高。7）设计使用寿命为120年。8）工程穿越中华白海豚核心保护区,环保要求高。工程主要技术创新：1）精细化海上原位勘察及分析技术;2）复合地基+组合基床沉管基础技术;3）半刚性沉管结构体系技术;4）工厂化管节预制技术;5）外海巨型沉管安装技术;6）主动压接整体安装最终接头技术;7）专用装备研发制造技术。     

高速铁路水底沉管隧道竖井工程变形沉降问题研究

在高速铁路越江水底沉管隧道的设计和施工中，竖井连接着沉管管段和暗挖隧道，因上述三个构筑物所处的地质状况差异，产生了不同的沉降量，这对整个沉管隧道有着不利的影响。本文以三维有限元数值计算为依托，对竖井的设计和施工工艺、沉降变形控制等进行了分析。     

装配式隧道圆形和方形钢榫接头抗弯性能大尺寸试验

接头是装配式隧道建设和运营阶段最为薄弱和关键的部位,其设计及力学性能评估是一项必要的研究工作。为评估圆形和方形钢榫接头的抗弯性能,开展了大尺寸接头抗弯试验,研究了接头在荷载作用下的竖向挠度、接缝张开量及应变变化规律,探讨了其接头旋转角、延性、断裂韧性及破坏模式。研究结果表明:圆形钢榫接头的承载能力弱于方形钢榫接头,极限荷载及其对应的挠度分别比方形钢榫接头小77.71 kN和6.797 mm;同一荷载水平下,方形钢榫接头的张开量和旋转角更小,其抗变形能力强于圆形钢榫接头;2种钢榫接头的混凝土和钢筋应变响应规律在整体上相似,但方形钢榫接头的最大压应变仅为圆形钢榫接头的15%;圆形钢榫接头表现出渐进失效行为,其挠度延性指数和旋转延性指数分别是方形钢榫接头的2.28倍和1.98倍,且最终旋转角和单位荷载下旋转角增量均小于方形钢榫接头;2种钢榫接头受压弯曲时,圆形钢柱将荷载传递至接头底部,使混凝土受拉区破坏过大,主要表现出拉弯破坏模式,而方形钢柱联合更多承压区混凝土受荷,使承压区混凝土破损面积为圆形钢榫接头的3倍左右,主要表现出压弯破坏模式。研究结果可为装配式矩形隧道的接头设计提供参考。     

公路沉管隧道的发展及其关键技术

为使隧道工程建设者们对沉管隧道工法的历史、关键技术及发展等有更全面的认识与了解,便于作出较科学合理的判断,按照建设时序、地域和主要技术特点等因素对世界范围内既有的公路沉管隧道事例进行分析梳理,总结出目前沉管隧道所历经的3个主要发展阶段及其典型技术特征,并对公路沉管隧道的纵断面、结构横断面、地基基础及隧道接头等关键技术进行探讨与归纳。最后,以我国在建的超大型港珠澳沉管隧道工程为例,分析了我国外海首座公路沉管隧道设计中的关键技术问题及其解决对策,可为我国公路水下隧道的方案制订及设计研究提供有益借鉴。     

桥梁吸力式沉箱组合基础静载试验研究

为研究吸力式沉箱组合基础的承载特性,制作高15cm和30cm的单沉箱基础与四沉箱组合基础模型,对沉箱基础进行细砂条件下的静载试验,研究单沉箱基础与四沉箱组合基础在竖向荷载、水平荷载及组合荷载作用下的承载能力及破坏模式等。结果表明:在竖向荷载作用下,四沉箱基础发生缓变型破坏,随着沉箱高度的增加,侧摩阻力占总承载能力的比例增加;在水平荷载作用下,四沉箱组合基础发生转动破坏,基础的水平极限承载力随沉箱基础高度的增加而增大;在组合荷载作用下,一定的顶部预压可有效地提高沉箱基础的承载能力,与单沉箱基础相比,四沉箱组合基础可以有效地提升基础的水平和竖向承载能力,其基础的破坏位移更大,使基础的承载性能得到了更好的发挥。     

外海超长沉管隧道设计关键技术研究

以港珠澳大桥沉管隧道工程为依托,分析了外海超长沉管隧道设计需要解决的关键技术,重点介绍了沉管隧道基础沉降控制技术、多点非一致地震激励下超长沉管隧道设计方法、节段接头构造形式研究及高水压120年设计使用寿命OMEGA止水带研发等需要突破的技术,并阐述了主要研究成果。这些研究成果为我国后续外海超长沉管隧道设计提供技术支撑。     

深中通道海底隧道排烟系统总体方案

为解决超大断面海底沉管隧道火灾排烟及防灾救援难题，依托深中通道沉管隧道工程，在传统全侧壁排烟方式不能满足火灾排烟的情况下，提出利用顶部横向排烟联络道结合侧壁排烟孔的新型排烟体系，解决超长、超宽沉管隧道火灾排烟难题。与传统全侧壁排烟方式相比较，新型排烟系统可充分利用烟气流动特点，排烟效率明显升高，可用疏散时间得到较大幅度增加，进一步提升了超大断面海底沉管隧道防火安全性。针对水下枢纽互通结构形式及通风流场特点，提出水下枢纽互通区的排烟和疏散方案。入口合流匝道段采用纵向通风+吊顶排烟道方案，并在分岔及合流位置重点排烟或设置竖井排烟，可有效控制火灾烟气。在设置防灾设施的条件下，结合周边路网交通特点、救援力量分布情况等，建立深中通道沉管隧道防灾救援技术体系。     

沉管隧道工程技术的发展

沉管隧道工法为水下隧道建设的主要工法之一,其关键工序包括管节预制、浮运、沉放对接和基础处理等。近几十年来建成的大型混凝土沉管隧道工程,进一步发展并突破高水压、复杂水流和复杂地质条件的工程技术,能够跨越更深和更宽阔的河口、海峡水道。结合具代表性沉管隧道工程,包括Maas隧道、香港地铁过海隧道、Tuas电缆隧道、Oresund海峡隧道、Busan隧道和Bosphorus海峡隧道,着重讨论管节预制、管节防水、干坞系统和基础处理等方面的技术发展。     

沉管隧道沥青路面服役现状及病害分析

为解决我国沉管隧道沥青路面实践经验缺乏等问题，以文献查阅、交流问询、实地观察和现场检测相结合的方式，对港珠澳大桥海底隧道、韩国釜山海底隧道等国内外12座沉管隧道沥青路面服役现状进行调研，对病害原因进行分析。结果表明： 1）沉管隧道沥青路面车辙病害并不突出，路面最低温度比区域自然环境最低气温高约6 ℃，最高温度与区域自然环境最高气温相当，服役温度通常不超过40 ℃； 2）裂缝是沉管隧道沥青路面最为典型的病害之一，沉管隧道管节和节段接缝处是沥青路面受力的薄弱环节，易开裂破损； 3）存在路面平整度较差、抗滑性能衰减突出、隧道口易形成坑槽病害等问题； 4）对于新建沉管隧道，宜根据隧道结构条件、环境条件和交通条件进行力学分析，对节段和管节接缝处沥青路面进行细部设计； 5）对于沉管隧道上面层沥青混合料，宜采用较大公称粒径的SMA以及耐磨性能更优的集料； 6）对于隧道口上面层沥青混合料，应具有良好的抗水侵害能力。