沉管隧道关键技术综述

沉管隧道关键技术综述

1沉管法隧道设计的基本特征通过下沉法是在20世纪初发展起来的一种新工艺法。根据国际隧道协会(ITA)沉管隧道和悬浮隧道工作组1993年提供的报告,一种当今普遍被认可的沉管隧道定义为:沉管隧道(ImmersedTunnel)是由若干预制的管段,分别浮运到现场,一个接一个的沉放安装,在水下将其相互连接并正确定位在已经开挖的水下沟槽内,其后辅以相关工程施工,使这些管段组合体成为连接水体两端陆上交通的隧道型交通运输载体。沉管法隧道对地基要求较低,特别适用于软基、河床或海床较浅易于用水上疏浚设施进行基槽开挖的工程地点。由于其埋深小,包括连接段在内的隧道线路总长较矿山法和盾构法隧道显著缩短。沉管断面形状可圆可方,选择灵活。基槽开挖、管段预制、浮运沉放和内部铺装等各工序可平行作业,彼此干扰较少。管段预制质量易于控制。虽然管节沉放时对航道有影响,但总体上优于其他方法。随着沉管法隧道设计和施工中关键技术问题的逐步解决和日趋完善,随着沉管法在世界各国的广泛采用和技术上的交流,沉管隧道受到越来越多国家的重视,逐渐成为水下大型隧道工程的首选施工方法。表1给出了几座有代表性的沉管隧道,从表中可看出沉管隧道的工程特点。总体上,沉管隧道是一项技术性较强的重大工程,隧道的设计施工过程中涉及到多门学科的知识如土木工程中混凝土结构防水问题,船舶工程中船舶与管段拖曳与操纵问题,水力学中管段水动力问题海洋工程中波浪及潮汐作用问题,水利学中泥沙问题,以及空气动力学中隧道通风及压力波问题等。由于每一隧道所处水文、地质条件不同,隧道尺度及结构型式也不同,设计施工中遇到的有关问题单纯的根据以往经验是远远不够的,必须要有理论上的指导。本文分析了沉管隧道施工过程中的关键技术及试验研究现状,并对沉管隧道的结构抗震研究进行了分析,对进一步完善沉管隧道的施工工艺,促进沉管隧道技术的不断成熟,有一定的作用。2管段制作技术混凝土箱型结构的管段是在干船坞内或者专门建造的干坞中预先制作的,有时也将具有斜坡的围堰作为隧道管段的制作现场。随着沉管隧道的发展,每节沉管管段长度越来越长,车道数越来越多。目前世界上的沉管隧道每管段长一般在100~130m,重量一般在30000~40000t范围内。我国新建的上海外环线沉管隧道每管段长100~108m,横截面43m×9.55m,重达45000t。而荷兰京斯麦尔隧道仅有4节管节,每节长268m,重达50000t。大型沉管管段的制作成为沉管法隧道中技术含量很高,质量要求很严的项目,是沉管隧道建设中的关键技术之一。管段制作的难点:(1)管段制作精度高。主要体现在对管段总重量、总体积、干坞高度、沉放对接精度的要求上。(2)管段防水要求高。主要体现在管段结构不允许出现贯穿裂缝,尽量避免和控制表层裂缝。特别是目前沉管管段防水设计的趋势是以结构本体防水为主,在管段外侧均不再采用任何外部防水措施。由于沉管管段混凝土体积大、导温系数低、早期的绝热温升和表面散热等各种因素的影响,会在混凝土内部产生温度应力;同时由于混凝土的抗拉强度低,而产生稳定裂缝。因此,进行混凝土管段温度场及应力场的计算是温控设计和防止产生温度裂缝的重要措施。对沉管隧道混凝土的研究,则主要是集中在温度场及由之产生的应力场的研究上。曾德顺等对沉管隧道管段施工全过程进行了仿真计算,得出了管段施工期的温度分布及变化规律,研究分析了有无保温层时管段温度场的变化规律。韩卫东等采用有限元方法按照实际浇筑顺序对沉管管体制作的全过程作了数值仿真,分别分析了夏季和冬季施工条件下管体混凝土温度场分布及其变化规律。张宇鑫等根据差分法求解的基本特点,提出一种修正方法,在不增加计算量的同时,提高了求解精度,并对三种常用混凝土绝热温升计算公式修正规律进行了研究。梅甫良根据有限元原理推导出非稳态温度场空间上的有限元方程,并转换为以状态方程表示的非齐次方程,最后用精细积分法导出了每一时间步内的解。田敬学等推导了隧道管段由温差变化引起的应力计算方法,根据施工顺序,分别计算各施工段混凝土管段内的拉应力。计算结果表明,管段侧墙内存在较大的拉应力,需要采取合理的措施,以防止裂缝的发展。3沉降对基地土沉降的影响沉管隧道基础设计与处理是沉管隧道,特别是矩形沉管隧道的关键技术之一。沉管隧道的地基、基础沉降问题与一般地面建筑的情况截然不同。沉管隧道在基槽开挖、管段沉放、基础处理和最后回填覆土后,抗浮系数仅1.1~1.2,作用在沟槽底面的荷载不会因设置沉管而增加,相反却有减小。沉管隧道基槽开挖时,无论采取何种挖泥设备,开挖后沟槽底面总留有15~50cm的不平整度。沟槽底面与管段表面之间存在众多不规则的空隙,导致地基土受力不均匀,引起不均匀沉降,同时地基受力不均也会使管段结构受到较高的局部应力,以至开裂。而且,地震或列车通过时的振动会使砂性基础产生液化的不良后果。因此必须进行适当的基础处理,以消除这些有害空隙。沉管隧道是一种对沉降比较敏感的地下结构。同时,沉管隧道的荷载、荷载组合及施工工况有其特殊性。很多学者对沉管隧道地基在地震荷载或车辆荷载作用下,砂土液化和地基不均匀沉降进行了研究。邵俊江等认为沉管隧道沉降受多种因素的综合作用。从内因看,沉管隧道的沉降主要是由隧道基础层的压缩变形特性及地基土的卸载再加载变形特性决定的;而从外因看,沉管隧道的沉降还受潮汐作用、河床的淤积和冲刷、区域地下水位的下降、车辆周期性动荷载、地震荷载等外部环境变化的影响。施工期的沉降主要是由于隧道基础层的调整和初步压缩造成,而下卧地基土层的再压缩变形是沉管隧道运营期发生沉降的主要原因。李永胜等建立了双层土地基模型和单层土地基模型,引入潮汐荷载函数,预估和描述了潮汐作用引起沉管隧道的沉降规律。管敏鑫等分析了考虑水压、土压、淤泥、列车等作用下的各种不同荷载组合,同时将管体结构简化为平面框架,桩基加固点简化为支撑点,研究了沉管隧道地基沉降规律。高峰等根据弹性地基梁原理,采用计算各截面的影响线方法(按最不利情况加载)得到了最大的反应值(沉陷、剪力和弯矩),并采用三维有限元拟静力方法,对列车荷载作用下的沉管隧道接头受力状态进行分析计算。李剑等应用ANSYS程序,对沉管隧道桩基承载力进行了分析,通过加固管体的结构计算,分析了管体本身的内力和加固情况,并计算了沉管地基的沉降。在大量实测数据的基础上,采用遗传算法和模拟退火算法等优化方法也是今后评估沉管隧道安全性与耐久性的一个趋势。晏浩应用神经网络方法预测沉管隧道结构的地基沉降问题进行了探讨。沉管隧道地基土的液化也是工程中需要关心的。王秀英采用一种简化方法来估计地震时土层中所产生的剪应力的大小。通过理论计算和分析现场试验数据确定砂土液化深度。由广明等通过数值模拟方法研究高速列车通过沉管隧道时,对沉管地基的影响,分析了地基土在高速列车作用下的液化可能性。刘维宁等根据土动力学和轨道动力学的原理,利用列车-轨道系统动力分析模型和提出的隧道结构地层动力分析模型,分析高速列车作用下沉管地基的动力响应。4沉管隧道接头防水防水是沉管隧道设计与施工的难题之一。沉管隧道各管段在岸上整体预制,其管段本体防水质量得到可靠保证,但在施工现场有少量接缝以及接头处,都需要采取相应防水技术。管段防水技术与管段的结构形式有关。对钢壳管段,由于钢壳管段被钢壳完全封闭,其防水问题主要是管段之间的接缝防水。防水方法主要是接缝对准后使用钢销扣紧,在接缝两侧安装模板后,用导管法灌注密实的混凝土,将接缝完全包围住。对钢筋混凝土管段,管段长度一般在70~120m,管段之间接头处是一漏水间隙。施工缝也是一漏水点,混凝土本身也会产生裂缝,这些裂缝能造成管段的渗漏,使钢筋锈蚀,甚至危及管段本身,所以管段的防水至关重要。管段的接头防水是沉管隧道防水的关键部位,沉管管段接头的设计不仅要满足接头部位在各工况下的防水要求,还要满足管段沉放对接施工中接头的水力压接功能以及管段间接头的柔性功能,例如GINA橡胶止水带。GINA止水带对管段接头防水具有重要作用,因此国内外很多机构对其防水能力进行了试验研究。南京河海大学、南京橡胶厂等单位联合进行试验,但它仅仅是对不同材质、不同硬度的橡胶止水带进行压缩应力-应变特性检测。上海隧道工程股份有限公司对GINA止水带进行水密性试验,但只是对垂直压力下的水密性试验。世界三大GINA止水带研究中心(日本横滨橡胶制品研究所、荷兰TRELLEBORG工程橡胶制品研究所、荷兰VREDESTEIN密封橡胶制品研究所)从事的GINA止水带研究主要集中于止水试验、横向偏移试验、拉伸试验等常规性研究上。上海同济大学结合上海外环沉管隧道,进行了一系列的模型试验,包括:垂直压力与水平剪力共同作用下的GINA止水带水密性研究;止水带长期受压状态下的蠕变和应力松弛情况研究;偏心受压状态下的GINA变形特性研究;止水带受压后卸载回弹特性研究等。对于沉管隧道结构防水及GINA止水带防水进行理论解析解的推导还比较少,大多是进行数值模拟研究。同济大学朱合华等采用SAP84程序,模拟了宁波甬江沉管隧道结构,研究了隧道裂缝与漏(渗)水现象的成因及其对隧道结构造成的影响。路明等应用大型有限元程序对沉管隧道接头防水性能进行了系统的研究,通过对沉管隧道管段接头的GINA止水带的数值模拟研究,对GINA止水带不同压缩量下的防水能力、压缩剪切情况下的防水能力及耐久性等情况进行了模拟、计算、分析。樊庆功运用ANSYS有限元程序,对试验工况下橡胶止水带的压缩过程进行模拟,分析其变形及内部应力与接触表面应力的分布情况,从而评述橡胶止水带断面形式对防水性能的影响。5试验模拟及试验研究管段在干坞制作完毕后下水,在系泊处进行必要的施工附件安装后,将被拖轮拖运至工程建设的施工地点进行沉放定位。预制管段浮运到现场并沉放安装的整个施工过程分为五个工况:管段起浮、出坞与浮运、管段沉放与水力压接、基础构筑及覆土。其中,隧道管段的出坞与浮运、沉放定位与水下对接是沉管隧道施工中关键的阶段,是沉放隧道施工过程中的一项重要技术。沉放是沉管施工过程中最危险的阶段,原因是沉放在水下施工,难度较大,同时为避免对船舶航行的影响等,要求作业时间短。管段沉放施工需要综合考虑管段尺寸、水流速度和方向、深浅以及以往的施工经验等,同时,潮汐对管段施工也有很大的影响。沉管管段所有受力可能随着管段的形状、水位高度、水流速度、水的相对体积质量及沉放深度的变化而变化。根据世界沉管隧道建设的经验,浮运沉放的设计、施工方案、施工设备取决于将要实施处的环境条件。每一沉管隧道所处水文、地质条件不同,隧道尺度及结构型式也不同,为了确定在不同的环境条件下隧道管段所受的力,不能依据相关工程类的设计施工规范,必须进行试验室模拟试验。尤其是沉管隧道的浮运沉放设计必须依据相应的水工模型试验结果进行。管节沉放水工模型试验主要是在试验室中模拟管节沉放过程,它是沉管隧道工程中一个很重要的试验。试验需考虑流速度大小及方向,潮流以及波浪等情况下管段在不同沉放阶段时的水动力(阻力、升力、等)以及各定位缆索的拉力;管节沉放主要靠加入压载水下沉,因此压载水的加载量(亦称负浮力)以及管段下沉速度、下沉过程中管段稳定性(如沿流向漂移,倾斜等)也是需要试验加以解决的;此外管段在水下与另一管段端的对接时的稳定性也是需要考虑的。管段沉放试验可在大型循环水槽或波流水池中进行。国内只有少数的文献报道了沉管管段的浮运、沉放的试验研究。上海交通大学海洋工程国家重点试验室对常洪沉管隧道工程及上海外环沉管隧道工程进行了模型试验研究。试验内容包括:(1)阻力试验。管段拖运出坞至江中沉放地点数个位置的拖运模拟,测量管段纵向拖曳阻力,管段在水流中的横向阻力。(2)江中系泊试验。测量管段在江中系泊时在浪流作用下的运动及锚泊缆绳张力。(3)沉放试验。测量管段沉放至基槽中数个位置时的缆绳的张力。箱形钢筋混凝土结构沉管管段在水中的受力问题从理论上来说是一个钝体在限制区域的粘性兴波问题。物体在无限介质中的粘性绕流问题目前仅在小雷诺数时才有满意的解析解或数值解,而沉管隧道所涉及的内容不但是钝体而且介质的雷诺数大,还有限制边界及自由表面的影响,十分复杂。此类问题目前均未见有解析解或数值解,普遍认为最可靠的方法是试验研究。而对于管段沉放的理论研究则很少。张庆贺等详细介绍了沉管隧道的荷载情况,建立了简化的力学模型,对管段出坞与浮运、管段沉放与水下对接两个关键工况进行了受力分析。6酶法提出沉埋隧道模型试验我国自古以来便是一个地震多发国家。根据我国现行的防震减灾法,对沉管隧道类这种重大建设工程必须进行地震安全性评价和抗震设防。目前,国内外对沉管隧道进行抗震分析时的研究方法主要有试验研究和理论分析。沉管隧道抗震研究的试验方法可分为人工震源试验和振动台试验。由于起震力较小,人工震源试验法很难反应出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响,一般不宜采用。振动台试验法能较好的把握地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的相互作用特性等问题,且试验成本较低,因此得到了比较广泛的应用。在日本,大支等人首先采用振动台试验法研究了砂质地基对管线的影响问题;80年代末,日本国铁铁道技术研究所又利用这种方法对隧道抗震加固问题进行了试验。我国铁科院铁建所也开展了利用振动台输入地震波的隧道模型试验。S.Okamoto,C.Tamura,M.Hamada等曾进行了水底隧道的模型试验,得到如下结论:沉管隧道不是随自身的固有振动而是随场地的固有振动而振动,一般场地的固有振动不受隧道存在的影响;当沿隧道存在两种不同动力特性的地层时,一种地层的主振动常常达到两地层间的过渡区;当隧道穿越过渡区时,隧道可能既有轴向变形又有横向变形;当隧道与另一种不同动力特性的结构物相连时,柔性连接可有效地减小地震时接头附近隧道的应力。波动理论和有限元法是分析地下结构抗震的两种主要理论分析基础。近年来的研究成果表明,研究地层运动对地下结构的影响总的可以分为两种方法:一种是相互作用法,它是以求解结构运动方程为基础,周围地基介质阻尼的作用则通过相互作用力进行反应,也就是说将地基的作用等效为弹簧和阻尼器,再将它作用于结构,然后如同地面结构模型一样进行分析;另一种是波动法,以求解波动方程为基础,把地下结构视为无限线弹性(或弹塑性)介质中的孔洞加固区,将整个系统(包括介质与结构)作为对象进行分析,不单独研究荷载,以求解其波动场与应力场。目前,在我国珠江沉管隧道、南京长江沉管隧道、以及日本的川崎港海底隧道、大阪港隧道、新泻港隧道、日本沉管隧道抗震设计规范中基本上都采用了以下分