某工程沉管隧道管节体量及纵向体系比选研究

邵敏，王勇，刘文

（1.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510230；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；3.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

建设粤港澳大湾区是推动“一国两制”事业发展的新实践[1-2]。沿江高速前海段与南坪快速衔接工程项目涉及沿江高速和南坪快速两条高快速路[3]。实施沿江高速前海段与南坪快速衔接工程，对提升前海的区域辐射力、深圳西部路网运行效率、前海城市新中心道路交通运行环境及前海城市新中心生态景观环境具有重要意义[4]。而对于沉管隧道结构的选型，港珠澳大桥也针对钢筋混凝土沉管、钢壳混凝土沉管、预应力钢筋混凝土沉管以及半刚性沉管结构进行了优劣性对比[5]。本项目存在隧道建设标准高、建设规模大，隧道建设条件复杂、技术难度高，技术突破与创新要求高，建设模式新，项目工期紧等特点，其中浅水沉管结构及接头选型是本工程的重难点之一。本文探讨了工程关键技术，因地制宜地解决了浅水域沉管隧道管节结构选型问题。

1 依托项目

1.1 项目概况

沿江高速前海段与南坪快速衔接工程位于深圳市前海与宝安中心区、粤港澳大湾区核心区；项目路线全长约16 km，其中隧道长约13 km，是集八车道超宽海底沉管隧道、国内最大直径叠层盾构隧道、填海区多层明挖隧道、长距离水下互通、既有桥梁拆除利用等“多维一体”的综合集群工程，是粤港澳大湾区的交通强国示范工程，包含沿江高速改造、南坪快速接大铲湾匝道、南坪快速接沿江高速匝道三部分内容。

1.2 项目难点

本项目管节预制占据工期关键线路，基于工期和质量控制将工厂化生产与整体式管节全断面预制结合，可极大有利于项目开展。该工艺是国内整体式管节的首次应用，需具体设计沉管隧道的横断面，如图1所示，例如，对沉管隧道检修道设置、中间管廊设置以及沉管长度等[6]具体方案进行确定，综合对施工总体进程进行优化决策。由于本项目工期控制、造价控制、场地条件、工艺选择、装备需求等建设条件较为复杂，确定最优的管节长度影响重大，本文着重对管节各种可能的长度进行一系列论证，并得出相应的结论。

图1 隧道断面图Fig.1 Tunnel profile

2 管节体量及纵向体系

2.1 管节体量

对大型（5万吨级）、中型（1万吨级）及小型（2 000吨级）钢筋混凝土管节，从技术参数、主要工程量等方面汇总对比，如表1所示。

表1 不同管节对比表Table 1 Comparison of different pipe segments

总体而言，大、小体量管节方案各有优劣。在保障驳运期管底最小脱空控制要求的前提下，各方案纵向结构体系均可满足工程安全需求[7]。整体式长管节对驳运期的管底支撑控制、大体量混凝土控裂要求最高。小管节接头数量多，接头部位尤其分幅管节横通道与主洞连接部位易出现渗漏水的风险[8]。长管节数量少，浮运安装次数少；小管节舾装量大，运输、安装次数多。小管节体量小，对驳运、起吊船等设备能力的要求小；长管节需新造大型驳运装备。

经过对大、小管节研究，大管节综合优势明显，同时小管节在满足管节体量尽量小且可自浮的情况下，可选择长度22 m管节作为深化研究对象。经初选拟对大管节和小管节进行同深度比选。

2.2 纵向体系深化比选

2.2.1 98.5 m整体式管节方案

1）管节结构形式

结构顶底板为1.5 m厚，侧墙为1.4 m厚，中隔墙为0.7 m厚，结构宽42.8 m，高10.9 m，标准管节长98.5 m，设6 mm厚底钢板并在两侧墙上翻2.4 m。

沉管管节横断面面积为162 m2，标准管节重43 500 t；标准管节在不设置防锚层时，浮运期考虑舾装件及预埋件重量后干舷为40~83 cm，沉放就位及回填后抗浮系数为1.05~1.16。

2）驳运期管节三维计算及管节支座布置要求

浮运期因船体变形可能造成管底支撑系统局部脱空；通过改变支墩布置间距，进行三维计算验算管节受力、裂缝，确定在运营期结构钢筋配置的情况下，支撑最大允许脱空距离要求，提高施工应对。

假设支座等间距支撑沉管；将6 mm底钢板等效为钢筋参与裂缝验算；波浪动力在施工计算中考虑。98.5 m整体式管节纵向支撑管节主要计算结果显示，在纵向内力分布上，管节轴力整体呈现受拉状态，在支墩处略有减少，轴力在沉管纵向中部达到最大值约2 391 kN；弯矩在支墩处为反弯点，支墩之间跨中底板底部最大弯矩约617 kN·m；在横向内力分布上，轴力整体呈现受拉状态，两行车孔对称分布，轴力在行车孔跨中达到最大值约465 kN；弯矩在支墩处为反弯点，支墩之间跨中底板底部最大弯矩约663 kN·m。

3）管节接头受力变形及运营期管节纵向计算

计算荷载考虑恒荷载+纵向地基不均匀刚度+整体升降温（依15益）+地震。根据表2可知最不利接头张开量4.2 cm，最不利接头压缩量3.9 cm。

表2 98.5 m整体式管节结构及接头内力变形计算结果Table 2 Calculation results of internal force deformation of 98.5 m integral pipe segment structure and joint

4）管节接头

根据接头水密最小压缩量，计算最大接头张开量（4.2 cm）及1 cm张开量富余量，同时考虑100 a设计使用年限的橡胶材料松弛及止水带允许极限压缩量等综合确定GINA断面形式及尺寸。选型结果为天然橡胶止水带，尺寸37 cm伊37 cm，硬度37耀52。

2.2.2 22 m整体式管节方案

1）管节结构形式

管节采用与98.5 m整体式管节相同的断面布置和结构尺寸。

2）驳运期管节三维计算及管节支座布置要求

支座等间距支撑沉管；底钢板等效为钢筋参与裂缝验算；波浪动力在施工计算中考虑。22 m整体式管节纵向支撑管节主要计算结果显示，在纵向内力分布上，管节轴力整体呈现受拉状态，轴力在沉管纵向中部达到最大值约945.6 kN；弯矩在支墩之间跨中底板底部最大弯矩约374.2 kN·m；在横向内力分布上，轴力整体呈现受拉状态，两行车孔对称分布，轴力在行车孔跨中达到最大值约436.2 kN；弯矩在支墩处为反弯点，支墩之间跨中底板底部最大弯矩约638.7 kN·m。

3）管节接头受力变形及运营期管节纵向计算

计算荷载考虑恒荷载+纵向地基不均匀刚度+整体升降温（依15益）+地震。根据表3可知最不利接头张开量2.55 cm，最不利接头压缩量1.72 cm；接头方案：采用水力压接式接头止水带。

表3 22 m整体式管节结构及接头内力变形计算结果Table 3 Calculation results of internal force deformation of 22 m integral pipe joint structure and joint

4）管节接头

对于22 m小管节，由于接头预测变形量较小，对接头止水带不同材质和接头抗剪构造进行方案比选，初步拟定方案，具体比选如表4所示。

表4 接头方案对比表Table 4 Comparison of joint schemes

3 综合比选

通过对98.5 m整体式管节和22 m管节的深化比选研究，结合沉管建设经验，经工艺、工期、风险、费用等多方面综合比选如表5所示。

表5 综合比选表Table 5 Comprehensive comparison and selection table

4 结语

本文通过系列方案对比及验证分析，对浅水域沉管隧道管节结构选型、浅水接头选型等问题提出先进的解决思路，详细阐述了解决过程，对今后类似条件下的工程施工提供了借鉴。

1）长管节相对中小管节有工期保证性好、可靠性高等优势。

2）沉管地基刚度较好且总沉降可控，整体式管节结构在运营期纵向受力和接头受力变形问题可通过管底柔性支撑有效应对。

3）整体式管节有助于确保管节的整体防水性能，对场地需求较节段式管节小且工程造价相对较低。

4）沿江高速前海段与南坪快速衔接工程项目推荐大体量整体式刚性管节加柔性接头体系。