现代沉管隧道工法与新技术课件.ppt

1、1陈韶章陈韶章 苏宗贤苏宗贤20142014年年 4 4月月.主要内容主要内容 一、现代沉管隧道的发展与技术需求一、现代沉管隧道的发展与技术需求 二、现代沉管隧道的设计理论与方法二、现代沉管隧道的设计理论与方法 三、现代沉管隧道的施工、装备与产品三、现代沉管隧道的施工、装备与产品 四、结束语四、结束语2.1.1 1.1 断面型式断面型式 北美：北美：从从18941894年美国在波士顿首次采用沉管法成功修建的一条输水管线、年美国在波士顿首次采用沉管法成功修建的一条输水管线、19101910年年美国在底特律河用该工法修建了世界第一座用于铁路交通的水下隧道开始，美国美国在底特律河用该工法修建了世界第

2、一座用于铁路交通的水下隧道开始，美国开启了沉管工法隧道的建设。开启了沉管工法隧道的建设。19701970年建成长年建成长5825m5825m的旧金山湾区快速轨道运输系统（的旧金山湾区快速轨道运输系统（Bay Area Rapid Bay Area Rapid TransitTransit）沉管隧道。）沉管隧道。主要采用圆形断面的钢壳结构型式，在北美得到推广。主要采用圆形断面的钢壳结构型式，在北美得到推广。3美国美国Detroit-Windsor沉管隧道横断面沉管隧道横断面.欧洲：欧洲：第一座采用矩形钢筋混凝土结构的沉管隧道出现在欧洲第一座采用矩形钢筋混凝土结构的沉管隧道出现在欧洲荷兰鹿特丹马荷

3、兰鹿特丹马斯河（斯河（MaasMaas）水下公路隧道，）水下公路隧道，19421942年。年。这种钢筋混凝土箱式矩形结构型式在这种钢筋混凝土箱式矩形结构型式在2020世纪中叶以后成为沉管隧道主流结世纪中叶以后成为沉管隧道主流结构型式，其得益于钢筋混凝土结构防裂和防渗技术的进步。构型式，其得益于钢筋混凝土结构防裂和防渗技术的进步。2000 2000年建成的连接丹麦和瑞典的厄勒松海峡沉管隧道，也采用混凝土矩形年建成的连接丹麦和瑞典的厄勒松海峡沉管隧道，也采用混凝土矩形箱式管节。箱式管节。4荷兰荷兰Maas沉管隧道横断面沉管隧道横断面厄勒松海峡沉管隧道横断面厄勒松海峡沉管隧道横断面.5 亚洲：亚洲：

4、日本的沉管隧道发展开始于日本的沉管隧道发展开始于19441944年在大阪修建的阿吉河（年在大阪修建的阿吉河（Aji RiverAji River）水下隧道，该隧道采用了美式的单层钢壳结构。水下隧道，该隧道采用了美式的单层钢壳结构。1980 1980年建成的大马隧道采用了钢筋混凝土结构型式，断面型式逐渐为年建成的大马隧道采用了钢筋混凝土结构型式，断面型式逐渐为矩形所取代。矩形所取代。土耳其的博斯普鲁斯海峡沉管隧道业主在土耳其的博斯普鲁斯海峡沉管隧道业主在20022002年的招标方案中采用圆年的招标方案中采用圆形钢壳结构，承包商在形钢壳结构，承包商在20042004年的设计方案中采用了钢筋混凝土矩

5、形结构。年的设计方案中采用了钢筋混凝土矩形结构。韩国韩国20052005年开始修建的釜山年开始修建的釜山-巨济海底沉管隧道，也采用钢筋混凝土巨济海底沉管隧道，也采用钢筋混凝土箱式矩形结构。箱式矩形结构。韩国釜山韩国釜山-巨济沉管隧道横断面巨济沉管隧道横断面(a)2002年年 业主招标方案业主招标方案(b)2004(b)2004年年承包商设计方案承包商设计方案博斯普鲁斯沉管隧道横断面博斯普鲁斯沉管隧道横断面.6 1972 1972年，我国香港地区建成了跨越维多利亚港的红磡道路海底隧年，我国香港地区建成了跨越维多利亚港的红磡道路海底隧道道双圆形钢壳钢筋混凝土复合结构沉管隧道，双圆形钢壳钢筋混凝土复

6、合结构沉管隧道，19791979年采用矩形混凝土年采用矩形混凝土结构建成了香港地铁结构建成了香港地铁MTRMTR（Mass Transit RailwayMass Transit Railway）第一条海底沉管隧道，）第一条海底沉管隧道，随后又建成了公铁合建的东区海底沉管隧道和公铁分建的西区海底沉管隧随后又建成了公铁合建的东区海底沉管隧道和公铁分建的西区海底沉管隧道。道。香港红磡沉管隧道出入口（矩形断面）香港红磡沉管隧道出入口（矩形断面）.7 20 20世纪世纪9090年代至今，我国境内建成的沉管隧道有广州珠江年代至今，我国境内建成的沉管隧道有广州珠江1 1座、宁波座、宁波甬江甬江2 2座和上

7、海黄浦江座和上海黄浦江1 1座，以及正在建设的广州市仑头座，以及正在建设的广州市仑头生物岛、生物生物岛、生物岛岛大学城和洲头咀三条越江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道、天津市大学城和洲头咀三条越江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道、天津市海河沉管隧道、港珠澳大桥海中沉管隧道、南昌赣江红谷沉管隧道，也均海河沉管隧道、港珠澳大桥海中沉管隧道、南昌赣江红谷沉管隧道，也均采用钢筋混凝土箱式矩形结构。采用钢筋混凝土箱式矩形结构。广州洲头咀沉管隧道横断面广州洲头咀沉管隧道横断面广州珠江沉管隧道广州珠江沉管隧道.8横断面结构型式对比：横断面结构型式对比：（1 1）圆形钢壳结构特点：）圆形钢壳结构特点：水密性好；预

8、制容易；浮运航道条件要求不高；水密性好；预制容易；浮运航道条件要求不高；钢材用量大，造价昂贵；断面利用率不高；钢材用量大，造价昂贵；断面利用率不高；浮态浇筑内衬钢筋混凝土；一般需采用外部永久压重。浮态浇筑内衬钢筋混凝土；一般需采用外部永久压重。.9（2 2）钢筋混凝土矩形箱式结构特点：）钢筋混凝土矩形箱式结构特点：对于采用纵向通风对于采用纵向通风+重点排烟的道路隧道，可大大压缩了竖向尺寸，提高了重点排烟的道路隧道，可大大压缩了竖向尺寸，提高了路面标高，减少基槽开挖量，有利于与两岸（人工岛）道路衔接，缩短了隧道路面标高，减少基槽开挖量，有利于与两岸（人工岛）道路衔接，缩短了隧道段长度，使人工岛体

9、量得到控制，减小阻水率；段长度，使人工岛体量得到控制，减小阻水率；不受横向尺寸限制，特别适用于多条车道或公铁合建，横断面利用率高；不受横向尺寸限制，特别适用于多条车道或公铁合建，横断面利用率高；有利于横向联络通道的布设；有利于横向联络通道的布设；浮运时干舷较小，对浮运航道条件要求高。浮运时干舷较小，对浮运航道条件要求高。可见，钢筋混凝土箱式矩形结构是目前沉管隧道建设的主流型式。可见，钢筋混凝土箱式矩形结构是目前沉管隧道建设的主流型式。.101.2 1.2 水深与覆土水深与覆土 底部最大水深：底部最大水深：1910 1910年，美国底特律沉管隧道为年，美国底特律沉管隧道为24.4m24.4m。1

10、930 1930年，底特律年，底特律-温特索沉管隧道为温特索沉管隧道为18.5m18.5m。1942 1942年，荷兰马斯河隧道为年，荷兰马斯河隧道为22.5m22.5m。1979 1979年，香港地铁年，香港地铁MTRMTR沉管隧道为沉管隧道为24.24m24.24m，1993 1993年，我国广州珠江沉管隧道约为年，我国广州珠江沉管隧道约为21m21m。2000 2000年，厄勒松海峡沉管隧道约年，厄勒松海峡沉管隧道约22m22m。可以看出，早期的沉管隧道由于技术、施工装备和工艺限制，适合的水深在可以看出，早期的沉管隧道由于技术、施工装备和工艺限制，适合的水深在20m20m左右。左右。.1

11、1 1970 1970年，世界最长的美国年，世界最长的美国BARTBART沉管隧道（钢壳结构）最大水深达到了沉管隧道（钢壳结构）最大水深达到了40.5m40.5m。2011 2011年建成的韩国釜山年建成的韩国釜山-巨济沉管隧道底部最大水深约巨济沉管隧道底部最大水深约51m 51m。2008 2008年建成的土耳其博斯普鲁斯沉管隧道（铁路）最大水深达年建成的土耳其博斯普鲁斯沉管隧道（铁路）最大水深达61m 61m。在建中的我国港珠澳大桥海中沉管隧道最大水深约在建中的我国港珠澳大桥海中沉管隧道最大水深约46m46m。这三座隧道均为钢筋混凝土箱式矩形结构，需要克服的水深达到了这三座隧道均为钢筋混凝

12、土箱式矩形结构，需要克服的水深达到了40m40m以上。以上。土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道平面及纵断面土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道平面及纵断面.12对于覆土：对于覆土：过去绝大部分的沉管隧道敷设于河床或海床面上，除了人工回填覆盖过去绝大部分的沉管隧道敷设于河床或海床面上，除了人工回填覆盖提供保护外，覆土几乎没有或很小，结构分析主要考虑抗浮问题。提供保护外，覆土几乎没有或很小，结构分析主要考虑抗浮问题。当隧道穿越航道时，沉管隧道需要敷设于航道以下，航道以外区域在当隧道穿越航道时，沉管隧道需要敷设于航道以下，航道以外区域在隧道建成后将逐渐回淤至河床或海床面而产生较大的覆土（或回淤）荷载，隧道建成后将

13、逐渐回淤至河床或海床面而产生较大的覆土（或回淤）荷载，使得使得结构分析既要考虑抗浮，又要考虑处理结构与地基基础沉降相协调问题结构分析既要考虑抗浮，又要考虑处理结构与地基基础沉降相协调问题。.13 建设中的港珠澳大桥海中沉管隧道需要穿越规划建设中的港珠澳大桥海中沉管隧道需要穿越规划3030万吨级的铜鼓航道和万吨级的铜鼓航道和伶仃西航道，最大回淤厚度达伶仃西航道，最大回淤厚度达23m23m。港珠澳大桥海底沉管隧道平面与纵断面港珠澳大桥海底沉管隧道平面与纵断面.141.3 1.3 服务功能服务功能 过去修建的沉管隧道，大部分为城市道路或公路隧道，对于圆形钢壳型式，过去修建的沉管隧道，大部分为城市道路

14、或公路隧道，对于圆形钢壳型式，多数为单孔双向双车道。多数为单孔双向双车道。在矩形钢筋混凝土结构出现之后，普遍为双向四车道，部分根据交通量需在矩形钢筋混凝土结构出现之后，普遍为双向四车道，部分根据交通量需求采用双向六车道。求采用双向六车道。目前高速公路普遍要求达到双向六车道标准：目前高速公路普遍要求达到双向六车道标准：港珠澳大桥沉管隧道，港珠澳大桥沉管隧道，100km/h100km/h双向六车道，单孔三车道，成为单孔跨度最双向六车道，单孔三车道，成为单孔跨度最大（大（14.25m14.25m）的沉管隧道。）的沉管隧道。港珠澳大桥沉管隧道横断面港珠澳大桥沉管隧道横断面.15 部分工程需要双向八车道

15、：部分工程需要双向八车道：美国采用钢壳结构的美国采用钢壳结构的Fort McHenryFort McHenry隧道、荷兰采用矩形钢筋混凝土结构的隧道、荷兰采用矩形钢筋混凝土结构的DrechtDrecht隧道（这两座隧道断面形式相同），为目前世界上仅有的两座双向八车道隧道（这两座隧道断面形式相同），为目前世界上仅有的两座双向八车道水下道路隧道（四孔，每孔两车道）。水下道路隧道（四孔，每孔两车道）。我国规划中的深中（深圳我国规划中的深中（深圳-中山）通道，要求达到双向八车道的高速公路建中山）通道，要求达到双向八车道的高速公路建设标准，若不能降低通行能力（两车道每孔），需进一步解决单孔四车道的大跨设

16、标准，若不能降低通行能力（两车道每孔），需进一步解决单孔四车道的大跨混凝土矩形结构的受力问题（单孔跨度达混凝土矩形结构的受力问题（单孔跨度达19.2519.25m m）。）。荷兰荷兰Drecht沉管隧道横断面沉管隧道横断面.16 在矩形钢筋混凝土结构型式出现后，沉管隧道横断面宽度的利用率得在矩形钢筋混凝土结构型式出现后，沉管隧道横断面宽度的利用率得到提高，出现了城市道路与地铁、公路与铁路共管设置，甚至发展为能通行到提高，出现了城市道路与地铁、公路与铁路共管设置，甚至发展为能通行高速铁路的水下沉管隧道。高速铁路的水下沉管隧道。如广州市珠江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道为公（道）铁两用隧道。如广州

17、市珠江沉管隧道、佛山市东平河沉管隧道为公（道）铁两用隧道。拟建的丹麦拟建的丹麦-德国费马恩海湾沉管隧道已确定建设成公铁两用隧道，建设标准德国费马恩海湾沉管隧道已确定建设成公铁两用隧道，建设标准为为120km/h120km/h的双向四车道高速公路和的双向四车道高速公路和160km/h160km/h的双线铁路。的双线铁路。可见，沉管隧道正从单一用途向多用途方向发展。可见，沉管隧道正从单一用途向多用途方向发展。佛山东平河沉管隧道横断面布置佛山东平河沉管隧道横断面布置费马恩沉管隧道横断面布置费马恩沉管隧道横断面布置.171.4 1.4 隧道长度与管节长度隧道长度与管节长度 1910 1910年在美国底

18、特律河下修建的沉管隧道全长只有年在美国底特律河下修建的沉管隧道全长只有782m782m，每节管长，每节管长78.2m78.2m，共有共有1010节。节。后来修建的美国旧金山湾区快速轨道运输系统（后来修建的美国旧金山湾区快速轨道运输系统（BARTBART）沉管隧道，长）沉管隧道，长5825m5825m，每节管长，每节管长102.2m102.2m，目前仍保持为世界最长的沉管隧道。，目前仍保持为世界最长的沉管隧道。在上个世纪，世界上修建的沉管隧道长度一般在在上个世纪，世界上修建的沉管隧道长度一般在2km2km以内，每节管节一般以内，每节管节一般在在100100130m130m的范围内，的范围内，目前

19、，沉管隧道的长度已增加至目前，沉管隧道的长度已增加至3km3km以上，管节长度也进以上，管节长度也进一步增大一步增大。.18 土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道（沉管段长约土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道（沉管段长约1387m1387m）标准管节长）标准管节长135m135m。厄勒海峡沉管隧道（沉管段长约厄勒海峡沉管隧道（沉管段长约3.5km3.5km）标准管节长）标准管节长176m176m。韩国釜山韩国釜山-巨济沉管隧道（沉管段长约巨济沉管隧道（沉管段长约3.3km3.3km）标准管节长）标准管节长180m180m。在建中的港珠澳大桥沉管隧道（沉管段长约在建中的港珠澳大桥沉管隧道（沉管段长约5.7km

20、5.7km）标准管节长）标准管节长180m180m。1980 1980年建成的荷兰的海姆斯普尔（年建成的荷兰的海姆斯普尔（HemspoorHemspoor）隧道标准管节长）隧道标准管节长268m268m，目前，目前仍保持着最长钢筋混凝土矩形管节的纪录。仍保持着最长钢筋混凝土矩形管节的纪录。拟建的费马恩海湾沉管隧道（沉管段长拟建的费马恩海湾沉管隧道（沉管段长17.6km17.6km）标准管节采用了长）标准管节采用了长217m217m的的节段式钢筋混凝土矩形结构（招标方案）。节段式钢筋混凝土矩形结构（招标方案）。.19 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，随着隧道长度的增加

21、和建设工期的要求，管节长度需要进一步增大，同时同时由于混凝土温度应力和收缩徐变等因素的影响，由于混凝土温度应力和收缩徐变等因素的影响，长管节结构需以节段式取代整体长管节结构需以节段式取代整体式：式：这将使结构受力矛盾转嫁为管节（沉管段）水密性矛盾。这将使结构受力矛盾转嫁为管节（沉管段）水密性矛盾。.201.5 1.5 腐蚀环境与设计使用寿命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，耐久性矛盾并不突出。以往修建的沉管隧道，大部分处于江河下游，耐久性矛盾并不突出。从从2020世纪世纪9090年代以后，沉管隧道工程年代以后，沉管隧道工程从江河环境逐渐向江河入海口、海湾环从江河环

22、境逐渐向江河入海口、海湾环境甚至跨海峡环境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又面临进一步挑战，发展，暴露在海洋环境中混凝土结构耐久性又面临进一步挑战，传统的耐久性设计理论和方法不能满足复杂腐蚀环境和设计使用寿命的需求传统的耐久性设计理论和方法不能满足复杂腐蚀环境和设计使用寿命的需求。.21考察沉管隧道的发展历史及近期的几座典型沉管隧道：考察沉管隧道的发展历史及近期的几座典型沉管隧道：丹麦丹麦-瑞典厄勒松海峡沉管隧道瑞典厄勒松海峡沉管隧道土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道土耳其博斯普鲁斯海峡沉管隧道韩国釜山韩国釜山-巨济沉管隧道巨济沉管隧道港珠澳大桥沉管隧道港珠澳大桥沉管隧道发展趋

23、势：发展趋势：1.1.钢筋混凝土箱式矩形结构逐渐取代圆形钢壳结构；钢筋混凝土箱式矩形结构逐渐取代圆形钢壳结构；2.2.长度从长度从2km2km以内发展到以内发展到3km3km；3.3.水深从水深从20m20m左右发展到左右发展到40m40m；4.4.单孔跨度越来越大；单孔跨度越来越大；5.5.从江河从江河海湾发展。海湾发展。.主要内容主要内容 一、现代沉管隧道的发展与技术需求一、现代沉管隧道的发展与技术需求 二、现代沉管隧道的设计理论与方法二、现代沉管隧道的设计理论与方法 三、现代沉管隧道的施工、装备与产品三、现代沉管隧道的施工、装备与产品 四、结束语四、结束语22.232.1 2.1 地质勘

24、察地质勘察 以往的沉管隧道一般位于河床表面上，对地基承载力要求不高，有时怕浮以往的沉管隧道一般位于河床表面上，对地基承载力要求不高，有时怕浮不怕沉，因此对勘察要求也不高，随着通航要求和回淤问题的出现，现代沉管隧不怕沉，因此对勘察要求也不高，随着通航要求和回淤问题的出现，现代沉管隧道工程对地质勘察工作要求也越来越高，需要精细化的勘察分析。道工程对地质勘察工作要求也越来越高，需要精细化的勘察分析。勘察布孔应与沉管隧道的结构设计计算理论相结合，利用用岩土工程理论勘察布孔应与沉管隧道的结构设计计算理论相结合，利用用岩土工程理论解决地层分层、土地分类、物理力学指标和地基土的工程特性如承载能力、抗剪解决地

25、层分层、土地分类、物理力学指标和地基土的工程特性如承载能力、抗剪强度、固结系数和渗透系数等，并对地层反力系数强度、固结系数和渗透系数等，并对地层反力系数K K值进行评估。值进行评估。.24 传统的钻探获取的土样不可避免的受到扰动而难以获取较为准确的参数，传统的钻探获取的土样不可避免的受到扰动而难以获取较为准确的参数，而且在隧道沿线及周边需布设一定密度的勘探孔，传统的钻探工作将大量增加海而且在隧道沿线及周边需布设一定密度的勘探孔，传统的钻探工作将大量增加海上作业的时间和成本，而且与航道运营相互干扰，海事协调难度大。上作业的时间和成本，而且与航道运营相互干扰，海事协调难度大。在欧洲普遍采用静力触探

26、（在欧洲普遍采用静力触探（CPTCPT、CPTUCPTU）和钻探相结合的手段进行沉管隧）和钻探相结合的手段进行沉管隧道工程的地质勘察。道工程的地质勘察。港珠澳大桥沉管隧道建设也引入了港珠澳大桥沉管隧道建设也引入了CPTUCPTU，研究解决，研究解决CPTUCPTU与国家勘察标准规与国家勘察标准规范取值之间的相应关系。范取值之间的相应关系。.25 一般采用以一般采用以CPTUCPTU为主，并与钻探相结合的勘察方法。为主，并与钻探相结合的勘察方法。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。砂性土地

27、层。CPTU CPTU 间接指标间接指标 经验公式经验公式 计算变形参数计算变形参数 计算沉降量计算沉降量 需在原位或同类土质地层应用需在原位或同类土质地层应用静载压板试验静载压板试验或螺旋压板试验进行或螺旋压板试验进行对比对比或或修正修正，还需结合还需结合鉴别孔鉴别孔和和技术孔技术孔进行分析。进行分析。现代的沉管隧道设计还需要考虑施工存在不确定性的影响，例如地基刚度的现代的沉管隧道设计还需要考虑施工存在不确定性的影响，例如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）对隧道结构不确定性（包括勘察不确定性、基槽超欠挖和基础不平整等因素引起）对隧道结构内力和变形也会有明

28、显影响。内力和变形也会有明显影响。.26 欧洲的经验主要是以一定的偏差波动（一般取欧洲的经验主要是以一定的偏差波动（一般取151520%20%）和根据管节长度计）和根据管节长度计算最不利的偏差波长进行计算，并以此进一步确定算最不利的偏差波长进行计算，并以此进一步确定CPTUCPTU的布孔间距，的布孔间距，地基刚度变化示意曲线地基刚度变化示意曲线原位测试孔布孔原则：原位测试孔布孔原则：考虑管节长度和最不利偏差波长；考虑管节长度和最不利偏差波长；鉴别孔；鉴别孔；消散孔（孔压消散试验）。消散孔（孔压消散试验）。.272.2 2.2 结构力学分析结构力学分析 沉管隧道由于存在接头而在结构力学行为上变得

29、比较复杂。结构横断面分沉管隧道由于存在接头而在结构力学行为上变得比较复杂。结构横断面分析和设计需要解决其行车孔跨度随车道数增加而增加所带来的弯矩内力急剧增加，析和设计需要解决其行车孔跨度随车道数增加而增加所带来的弯矩内力急剧增加，随着水深和回淤的增加，则需要考虑对断面进行优化。随着水深和回淤的增加，则需要考虑对断面进行优化。横断面弯矩图横断面弯矩图横断面剪力图横断面剪力图.28 对于隧道的纵向分析，沉管隧道有以下特点：对于隧道的纵向分析，沉管隧道有以下特点：（1 1）对于钢筋混凝土箱式矩形结构的管节接头，采用）对于钢筋混凝土箱式矩形结构的管节接头，采用水力压接水力压接，由，由GINAGINA止

30、止水带形成第一道止水，水带形成第一道止水，止水带作为第二道止水，形成了柔性接头。若接头其余止水带作为第二道止水，形成了柔性接头。若接头其余部分采用混凝土浇筑连接，则形成刚性接头。部分采用混凝土浇筑连接，则形成刚性接头。管节水力压接示意图管节水力压接示意图柔性接头柔性接头刚性接头刚性接头.29 （2 2）对于管节接头，）对于管节接头，GINAGINA止水带受压而储存着压缩能量，止水带受压而储存着压缩能量，接头抗弯刚度与接头抗弯刚度与其橡胶材料性能和压缩情况有关其橡胶材料性能和压缩情况有关；（3 3）对于节段接头，钢边止水带和）对于节段接头，钢边止水带和OMEGAOMEGA止水带对两侧混凝土结构作

31、用力相止水带对两侧混凝土结构作用力相对较小，对较小，接头抗弯刚度则与混凝土接触状态有关，接触状态也与轴向压力有关接头抗弯刚度则与混凝土接触状态有关，接触状态也与轴向压力有关。管节接头构造管节接头构造节段接头构造节段接头构造.30 可以看出，节段接头刚度与管节纵向轴力（或者说与环境水压）有关。可以看出，节段接头刚度与管节纵向轴力（或者说与环境水压）有关。.31 沉管隧道的纵向分析的本质是通过对接头刚度的量化分析，考虑隧道在沉管隧道的纵向分析的本质是通过对接头刚度的量化分析，考虑隧道在荷荷载载、地基地基、管节温度应力管节温度应力、混凝土收缩和徐变混凝土收缩和徐变、GINAGINA止水带松弛和劣化止

32、水带松弛和劣化、地震地震等等各种作用下，计算纵向结构的变形与内力，然后对接头剪力键受力和止水带水密各种作用下，计算纵向结构的变形与内力，然后对接头剪力键受力和止水带水密性进行验算与设计。性进行验算与设计。现代隧道设计理论现代隧道设计理论将结构与围岩视作整体将结构与围岩视作整体进行分析考虑，其原理也适用于进行分析考虑，其原理也适用于沉管隧道的纵向分析。传统上，由于受计算工具的制约往往将结构受力与地基沉沉管隧道的纵向分析。传统上，由于受计算工具的制约往往将结构受力与地基沉降的分析分开进行。现代的纵向分析方法应能将沉管隧道地基设计和结构设计两降的分析分开进行。现代的纵向分析方法应能将沉管隧道地基设计

33、和结构设计两个子系统集成起来，通过相互迭代分析，同时计算出纵向沉降、结构变形与内力、个子系统集成起来，通过相互迭代分析，同时计算出纵向沉降、结构变形与内力、接头张开量、剪力键受力等结果。因此，接头张开量、剪力键受力等结果。因此，纵向分析需与地基处理方法相结合纵向分析需与地基处理方法相结合。节段接头刚度节段接头刚度、管节接头刚度管节接头刚度和和地基刚度地基刚度得以量化和合理匹配，是现代沉得以量化和合理匹配，是现代沉管隧道工法纵向计算与设计的关键技术。管隧道工法纵向计算与设计的关键技术。.32地震位移响应地震位移响应 还需考虑适合沉管隧道的抗震分析方法。还需考虑适合沉管隧道的抗震分析方法。.33纵

34、向轴力图纵向轴力图纵向剪力图纵向剪力图纵向弯矩图纵向弯矩图.34剪力键受力验算剪力键受力验算GINA水密性能曲线水密性能曲线.352.3 2.3 通风与消防通风与消防 长大隧道的通风方案有三大类方式：全横向通风、半横向通风和纵向通风。长大隧道的通风方案有三大类方式：全横向通风、半横向通风和纵向通风。如果采用全横向和半横向通风，隧道内的卫生状况和防火排烟效果好，在如果采用全横向和半横向通风，隧道内的卫生状况和防火排烟效果好，在同一隧道内双向运营的更为合适，但是其同样需要较大的风道面积，对风阀开度同一隧道内双向运营的更为合适，但是其同样需要较大的风道面积，对风阀开度调节的技术要求较高，初期的土建费

35、用、设备费用以及后期的通风运营费用很大。调节的技术要求较高，初期的土建费用、设备费用以及后期的通风运营费用很大。纵向通风纵向通风方案的土建工程量小，设备运营费用相对较低，方式相对灵活多方案的土建工程量小，设备运营费用相对较低，方式相对灵活多样，但洞内的环境状况和防火排烟效果稍差，需与样，但洞内的环境状况和防火排烟效果稍差，需与重点排烟重点排烟相结合。相结合。.36 从国内外的发展历程看，都基本经历了从全横向通风、半横向通风向纵向从国内外的发展历程看，都基本经历了从全横向通风、半横向通风向纵向通风逐渐过渡的过程。通风逐渐过渡的过程。韩国釜山韩国釜山-巨济沉管隧道巨济沉管隧道和和港珠澳大桥沉管隧道

36、港珠澳大桥沉管隧道，均采用纵向通风方式；欧，均采用纵向通风方式；欧洲各国近几年的通风理念也逐渐有所改变，对于双洞单向运营的公路隧道，纵向洲各国近几年的通风理念也逐渐有所改变，对于双洞单向运营的公路隧道，纵向通风也逐渐成为主流。通风也逐渐成为主流。筹建中的费马恩海底沉管隧道，长达筹建中的费马恩海底沉管隧道，长达19km19km，也拟采用纵向通风方式（设计标，也拟采用纵向通风方式（设计标准认为工程竣工通车之时欧洲的汽车排放已达到欧准认为工程竣工通车之时欧洲的汽车排放已达到欧标准）。标准）。考虑我国国情，若汽车排放标准不能提高，随着公路隧道长度的进一步增考虑我国国情，若汽车排放标准不能提高，随着公路

37、隧道长度的进一步增加，隧道通风能力将成为制约隧道长度的瓶颈，在技术上需要进一步的突破。加，隧道通风能力将成为制约隧道长度的瓶颈，在技术上需要进一步的突破。.37 当隧道发生火灾，纵向通风方式的防火排烟效果较差，会将大量烟气吹向当隧道发生火灾，纵向通风方式的防火排烟效果较差，会将大量烟气吹向火区下游，同时也未必能阻止烟气回流，严重影响车辆疏散和人员逃生，因此在火区下游，同时也未必能阻止烟气回流，严重影响车辆疏散和人员逃生，因此在采用纵向通风方式的同时应该采用重点排烟技术方案，通过开启火灾点附近的排采用纵向通风方式的同时应该采用重点排烟技术方案，通过开启火灾点附近的排烟阀就近排除烟气，及时控制烟气

38、蔓延。烟阀就近排除烟气，及时控制烟气蔓延。同时还需配备火灾报警系统和灭火系统（同时还需配备火灾报警系统和灭火系统（泡沫水喷淋泡沫水喷淋）。）。为了更快更及时地对火灾进行控制，缩短人为反应时间，应进一步研发火为了更快更及时地对火灾进行控制，缩短人为反应时间，应进一步研发火灾自动监测和定位系统，实现排烟风阀、灭火装置、射流风机和疏散指引信息的灾自动监测和定位系统，实现排烟风阀、灭火装置、射流风机和疏散指引信息的自动响应与控制。自动响应与控制。.38 应针对主体结构和接头进行不同防火处理。接头要考虑橡胶工作温度不大应针对主体结构和接头进行不同防火处理。接头要考虑橡胶工作温度不大于于7070。.392

39、.4 2.4 耐久性设计耐久性设计 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。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，依据判断判断-符合符合原则原则（deem-to-satisfy rulesdeem-to-satisfy rules）建立经验理论体系，综合经验、摸索和直觉确定钢）建立经验理论

40、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。早期质量要求。发达国家从发达国家从2020世纪世纪5050年代中期起就投入大量人力、经费致力于混凝土结构耐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，在不同腐蚀环境下的耐久性混凝土材料、耐久性设计理论和方法及耐久性研究，在不同腐蚀环境下的耐久性混凝土材料、耐久

41、性设计理论和方法及耐久性施工质量控制上达到了较高的技术水平。欧盟资助的久性施工质量控制上达到了较高的技术水平。欧盟资助的DuracreteDuracrete研究项目研究项目（1996-19991996-1999），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），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。巨济通道等工程上得到了应用。.40 近近2020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

42、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100100年。年。在具体设计中，对于海工混凝土结构

43、的耐久性设计在具体设计中，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，但这些指标是基于这些指标是基于目前规范规定和传统的经验进行取值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，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。缺乏足够的理论依据。.41 现代沉管隧道耐

44、久性设计方法，应该是基于结构使用年限的定量耐久性设计，现代沉管隧道耐久性设计方法，应该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，以全概率或近似概率方法建立耐久性数学模型对钢筋混强调结构构件的环境作用，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，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。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）概率

45、理论（大量的试件、试验，氯离子渗透概率）.42不同耐久性设计方法特点对比不同耐久性设计方法特点对比.主要内容主要内容 一、现代沉管隧道的发展与技术需求一、现代沉管隧道的发展与技术需求 二、现代沉管隧道的设计理论与方法二、现代沉管隧道的设计理论与方法 三、现代沉管隧道的施工、装备与产品三、现代沉管隧道的施工、装备与产品 四、结束语四、结束语43.443.1 3.1 管节工厂化生产管节工厂化生产 传统的管节预制场地有船台和干坞。船台预制需要有较高的干舷，多用于传统的管节预制场地有船台和干坞。船台预制需要有较高的干舷，多用于钢结构与混凝土复合结构；钢筋混凝土结构的管节预制一般在干坞上进行。钢结构与混

46、凝土复合结构；钢筋混凝土结构的管节预制一般在干坞上进行。当隧道长度进一步增加（一般大于当隧道长度进一步增加（一般大于1km1km）时，管节预制工作量较大，往往）时，管节预制工作量较大，往往最容易成为制约工期的关键环节。在传统的干坞中预制管节，从钢筋绑扎、模板最容易成为制约工期的关键环节。在传统的干坞中预制管节，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，空间进行，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

47、率不高，还需要解决临时系泊区，显得并不经济。还需要解决临时系泊区，显得并不经济。韩国釜山沉管隧道管节传统干坞法预制韩国釜山沉管隧道管节传统干坞法预制.45 厄勒海峡沉管隧道成功实施了管节工厂化生产工艺，其本质是实现厄勒海峡沉管隧道成功实施了管节工厂化生产工艺，其本质是实现流水化流水化生产模式生产模式，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、，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

48、道工序位置进行后续作业。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。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，逐段生产顶推连接成管节，其模板在生产线的位置固定（传统的干坞生产制造，逐段生产顶推连接成管节，其模板在生产线的位置固定（传统的干坞生产需要移动模板而不移动管节），可大大节约模板数量且便于维护，而且，生产线需要移动模板而不移动管节），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，基本的大部分工作在室内环境进行，可全天候作业，

49、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。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工厂法管节预制流水线示意.46韩国釜山沉管隧道管节干坞预制场韩国釜山沉管隧道管节干坞预制场厄勒海峡沉管隧道管节工厂化预制厂厄勒海峡沉管隧道管节工厂化预制厂.47管节工厂化生产的关键组成和装备包括：管节工厂化生产的关键组成和装备包括：（1 1）管节混凝土模板系统）管节混凝土模板系统（2 2）混凝土搅拌及供应系统）混凝土搅拌及供应系统.48管节工厂化生产的关键组成和装备包括：管节工厂化生产的关键组成和装备包括：（3 3）混凝土温控及养护系统）混凝土温控及养护系

50、统（4 4）管节顶推与导向系统）管节顶推与导向系统 （5 5）管节支承系统。）管节支承系统。.49 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，在上述关键技术的基础上进一步实现了流水化钢筋生产加工线，采用了项目，在上述关键技术的基础上进一步实现了流水化钢筋生产加工线，采用了摩摩擦焊接擦焊接和和数控钢筋加工数控钢筋加工技术，大大提高了钢筋笼精度和施工自动化水平；还采用技术，大大提高了钢筋笼精度和施工自动化水平；还采用了大型自动化液压混凝土模板，大大提高了混凝土制作精度和工效；了大型自动化液压混凝土模板，大大