深中通道钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术.pdf
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1、深中通道钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版收稿日期:2024-02-19修回日期:2024-02-28作者简介:邓小华(1964-),男,硕士,正高级工程师,主要从事路桥工程建设管理和研究工作,E-mail:D.通讯作者:刘 健(1976-),男,博士,正高级工程师,主要从事路桥工程设计、建设管理和研究工作,E-mail:.深中通道钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术邓小华1陈伟乐2,3宋神友2,3吴玉刚1刘
2、健2金文良2陈 越2(1.广东省交通集团有限公司,广州 510623;2.深中通道管理中心,中山 528400;3.广东省公路建设有限公司,广州 510623)摘要:深中通道是集“桥、岛、隧、水下互通”于一体的超级跨海集群工程,国内首次采用钢壳混凝土组合结构形式的沉管隧道。工程面临着设计规范缺乏、沉管钢壳制造精度高、沉管自密实混凝土浇筑及质量检测难、管节浮运距离长、沉管隧道建设环境复杂等多种技术挑战。文章在对深中通道工程面临的关键科学问题与关键技术问题进行详细梳理的基础上,围绕钢壳混凝土沉管隧道新型结构与设计方法、钢结构长寿命耐久性防护、钢壳建造、自密实混凝土配制、智能浇筑及检测技术、沉管隧道
3、数智建造、海中整体推出式最终接头关键结构与施工方法、沉管隧道建设环境监测体系及精准预报系统、结构火灾防控等技术难点进行深入分析,总结主要技术成果,以期为后续类似越江跨海通道岛隧工程的设计与施工提供参考。关键词:深中通道;钢壳混凝土沉管隧道;自密实混凝土;智能浇筑;最终接头;数智建造中图分类号:U459.5文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)02-0203-11DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.018引文格式:邓小华,陈伟乐,宋神友,等.深中通道钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术J.现代隧道技术,2024,61(2):203-213.DENG Xiaohua,
4、CHEN Weile,SONG Shengyou,et al.Key Technologies for the Construction of the Shenzhen-ZhongshanLink Steel Shell Concrete Immersed TunnelJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):203-213.1引 言桥梁和隧道是跨越江海建筑物中的两种主要形式,可以直接缩短城市之间的距离,对于提高交通效率及交通容量至关重要。深中通道是集“桥、岛、隧、水下互通”为一体的超级跨海集群工程,地处粤港澳大湾区核心区域,横跨珠江口东西两岸,联通深
5、圳、中山及广州南沙三地,其建设将进一步拉近珠江口东西两岸的时空距离,经近7年施工即将建成通车,从深圳至中山的时间将从当前1.5 h缩短至0.5 h左右,对构建粤港澳大湾区综合立体交通网络、加强粤港澳大湾区的一体化发展具有重大意义。深中通道全长约24 km,其中沉管段长5.035 km,由32节管节和1个最终接头组成,采用双向八车道高速公路技术标准,变宽管节最宽处可达到双向十车道标准。普通钢筋凝混凝土结构已不能满足大跨净宽的要求,深中通道成为国内首次应用的钢壳混凝土组合结构的隧道工程14。钢壳混凝土组合沉管隧道采用钢壳包裹素混凝土,通过焊在钢壳内部的栓钉、槽钢和钢筋等形式的连接件将钢壳与混凝土组
6、合成整体而共同受力,具有预制场地灵活、防水性能好、抗震性能强、不均匀沉降适应性好等优点5,6。钢壳混凝土组合结构因其结构特点,沉管钢壳制造更多的是依托造船技术,日、美、英等造船业发达的国家拥有较为成熟的经验。日本应用钢壳混凝土结构先后建成了神户港-港岛隧道、那霸隧道及新若户隧道等沉管隧道,但日本钢壳混凝土沉管隧道应用的尺度小,建设标准不成体系,难以满足超宽、深埋钢壳沉管的设计及施工要求;英国编制了钢壳混凝土结构相关技术指南,但尚未有实际工程应用案例。我国钢壳混凝土沉管隧道全产业链技术基本处于空白,缺少成熟的设计理论与方法,缺乏相应设计指南或规范。本文结合深中通道项目钢壳混凝土沉管隧道建设经验,
7、总结了钢壳混凝土沉管隧道建设过程中的关键科学问题与技术问题,以及相关创新技术成果,为后续类似工程提供参考。203深中通道钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.20242关键科学与技术问题2.1关键科学问题(1)在钢壳与混凝土界面脱空、钢壳残余应力等多重因素联合影响下,钢壳混凝土沉管隧道受力机理复杂。研究钢壳混凝土沉管隧道弯剪力学行为特性,揭示弯剪受力机理并提出基本设计理论。(2)基于碎石块石包裹为特征的特殊海泥环境,
8、研究和评估钢壳电化学腐蚀与涂层防护耦合作用下的腐蚀发生机制,揭示100年电化学腐蚀发展规律,构建钢壳长寿命耐久性保障技术。(3)超长海底沉管隧道的运营安全与防灾救援面临极大挑战,分析超大跨钢壳混凝土沉管隧道火灾力学行为与结构失效模式、研究超大断面和互通式隧道火灾烟气控制关键参数预测模型,提高超长海底沉管隧道综合防灾能力。(4)咸淡水交汇区多尺度运动层化水体动量、物质混合机理河口区水体密度变化剧烈,分布形态受大尺度环流、径流、潮流甚至波浪共同影响,密度的分布对海流形态亦具有反作用,研究表面摩擦(风)和底摩擦作用下这几种不同运动形式对水体的动量、物质混合的影响过程,确保沉管隧道建设环境精准预报。2
9、.2关键技术问题深中通道是目前单节管节最宽、单个行车道孔最宽的跨海沉管隧道,工程规模大,建设条件复杂,综合技术难度远超国内外同类型隧道。深中通道钢壳混凝土沉管隧道面临的关键技术问题主要有以下几点:(1)钢壳纵横隔板、抗剪连接件构造及布置的合理性直接影响钢壳混凝土沉管组合结构的整体力学性能;隔舱规格布置、浇筑孔及排气孔、抗剪连接件流通孔设置的合理性直接影响混凝土浇筑质量。(2)钢壳耐久性防护100年需要牺牲阳极保护作用跨越全寿命周期。在涂层老化及回填碎石块石环境的综合作用下,阳极电化学长期性能保障是世界性难题。(3)海中整体推出式最终接头扩大端合理构造、滑道布置、拉合锁定及纠偏系统、防水体系、后
10、注浆基础垫层及刚度过渡、含扩大端特殊管节长距离浮运沉放控制、推出精度控制等,确保海中沉管隧道合龙。(4)自密实混凝土的制备是行业难题,相关的智能浇筑装备研发及工艺是实现管节高品质、高工效预制的关键。(5)沉管隧道沉放安装最关键的是控制首尾端的空间姿态,国内外现有技术仅实现了首端控制,尾端控制并未实现,无法满足超宽沉管管节沉放精度要求。(6)传统的沉管管节浮运速度慢、拖带距离短,难以适应复杂航路超宽管节长距离浮运要求,因此具有自航、DP定位和循迹功能的浮运安装一体船是保障项目顺利实施的关键装备。(7)自升式碎石整平船驻位范围小、施工速度慢,且没有配套专用清淤装备,无法适应珠江口大回淤特性的碎石整
11、平作业,需研发集定位测量、石料输送、高精度铺设、质量检测于一体的碎石基床整平设备和控制系统。(8)厚钢板及板下混凝土脱空快速和高精度脱空检测是巨大挑战,需研发钢壳混凝土脱空无损检测技术和智能化装备。(9)海流是沉管隧道建设环境的关键预报要素,需研究在包含河网的海流模型中确保淡水量准确输入,进而提升海流预报的准确性,确保建设沉管隧道环境精准预报平台。(10)热-力双场耦合下海底钢壳沉管隧道管节结构及接头被动隔热降温技术以及超大断面沉管隧道及互通式隧道火灾排烟与控烟技术79。3主要技术成果3.1钢壳混凝土沉管隧道新型结构与设计方法3.1.1考虑多因素影响的抗剪连接件承载力计算方法钢壳混凝土沉管隧道
12、中的钢壳本身可抵抗弯矩与剪力,混凝土可限制钢壳的屈曲变形。抗剪连接件是钢壳混凝土隧道的一部分,适宜的连接件结构型式可增强与混凝土之间的整体性,并改善连接件受力区域混凝土的受力状态。连接件中的角钢在日本的研究较多,其抗剪承载力计算公式主要参考日本规范,见式(1),我国钢结构规范目前仅有槽钢连接件抗剪承载力的计算公式,见式(2)。V=5.6Lhfck1k2k3 Ltfy/3(1)式中:L为角钢长度;h为角钢高度;fc为混凝土标准强度;fy为角钢的标准强度;k1k3为尺寸、翼缘以及连接件间距系数。V=0.26L()tf+0.5twfcEc(2)式中:L为槽钢长度;tf为翼缘厚度;tw为腹板厚度;fc
13、为混凝土标准强度;Ec为混凝土弹性模量。根据相关试验及计算结果可知,T型钢连接件性能优于角钢连接件,可以采用角钢连接件的承载力公式去计算T型钢连接件,且通过试验分析,影响204深中通道钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版连接件承载力的主要因素包括:连接件处混凝土拉压状态,即受拉和受压连接件;混凝土脱空高度;连接件开孔。相对于受压状态,受拉状态下连接件的承载力有所降低;脱空高度越大,承载力降低幅度越大;混凝土
14、开孔会导致承载力降低1017。实际工程开孔率一般不大于20%,且脱空高度最大不超过20 mm,在此参数范围内,通过上述分析得出考虑多因素的抗剪连接件承载力计算公式为:V=5.6lchcfck1k2k3()1-1.5he100-0.5lhlc+1.5he100lhlc()lc-lhtcfy/3(3)式中:V为抗剪承载力(kN);为受力状态系数,受压连接件取1.0,受拉连接件取0.9;k1为尺寸系数,k2=2.2(tc/hc)2/31;k2为底板系数,k2=0.4(tf/tc)0.5+0.431;k3为间距系数,k3=(sc/hc/10)1/21;lc为连接件长度(mm);hc为连接件高度(mm)
15、;sc为连接件间距(mm);tc为连接件厚度(mm);tf为连接件相连翼缘厚度(mm);lh为根部开孔长度(mm);he为脱空高度(mm);fc为混凝土标准强度(MPa);fy为连接件钢材强度(MPa)。3.1.2主体结构优化设计深中通道沉管隧道钢壳按照水深条件不同,分为类管节(深水区)、类管节(过渡区)、类管节(浅水区)和变宽管节四类。钢壳构造主要由内外面板、横纵隔板、横纵加劲肋及焊钉组成。内、外面板为受弯主要构件,横纵隔板为受剪主要构件,且连接内外面板成为受力整体,形成混凝土浇筑独立隔舱,隔舱上预留浇筑孔和排气孔。对不同构造的连接件进行分析表明,球扁钢由于高度较大具有较大的抗弯惯性矩,因而
16、施工阶段外面板挠度最小,其他方案相差不大;抗剪工况下,角钢连接件刚度和承载力小于球扁钢和T型钢连接件,而球扁钢和T型钢承载力和刚度相接近;抗拔工况下,T型钢连接件的刚度和承载力均大于角钢连接件和球扁钢连接件。对比T型钢、角钢与球扁钢3种抗剪连接件,T型钢综合性能最优,在深中通道沉管隧道实际工程中得到应用。采用理论分析计算、隔舱模型试验等综合技术手段,研究确定了标准隔舱平面大小采用3.5 m(宽)3 m(纵向长),标准隔舱采用“1个浇筑孔+10个排气孔”配置,构造示意如图1所示。明确了排气孔的最合理分布位置,纵向T肋设置流通孔,流通孔间距30 cm;同时考虑不同部位结构受力特点及混凝土流动性特点
17、,加劲肋采用多种适宜组合形式,顶部受拉区采用纵向 T 肋,顶部受压区采用“纵向 T 肋+焊钉”,底部采用“纵向T肋+横向扁钢”,侧墙采用“纵向图1 钢壳混凝土沉管单个隔舱合理构造Fig.1 Reasonable structure of a single compartment in a steelshell concrete element翼缘向上角钢+竖向扁钢”,中墙采用“水平连接钢筋”。工程实践表明:不同部位采用不同抗剪连接件形式实现了混凝土浇筑质量与结构受力的最佳平衡。3.2钢结构长寿命耐久性防护技术项目研发了“砂石+海淡水”复杂介质环境下沉管钢壳阴极保护技术,牺牲阳极主要技术要求有:
18、(1)阳极材料为Al-Zn-In(铝-锌-铟);(2)阳极与铁芯之间接触电阻小于0.001;(3)牺牲阳极材料要求在80 cm电阻率海水中,工作负电位足够大,能够达到-1.15 V。通过数值仿真模拟研究了阳极数量、布置位置对保护效果的影响,并通过缩比模型验证了数值仿真模拟结果的准确性。仿真模拟结果表明,深中通道钢结构阴极保护设计方案合理,可以达到100年的防护周期。3.3自密实混凝土配制、浇筑工艺及检测技术3.3.1自密实混凝土的配制在钢壳内浇筑混凝土时,因无法振捣而导致普通混凝土难以填充密实,容易出现脱空现象。为保证混凝土能够在隔舱内部形成密实结构,并与钢壳共同作用,经试验研究配制出自密实混
19、凝土。自密实混凝土工作性能主要以流动性、填充性、黏聚性、间隙通过性及抗离析性为主,实现其在钢壳内的流动和自动填充密实18,19。研发的自密实混凝土配合比设计见表1。表1 钢壳自密实混凝土施工基准配合比(单位:kg/m3)Table 1 Standard mix proportions for steel shellself-compacting concrete(Unit:kg/m3)水泥257粉煤灰192矿渣粉83碎石1322碎石2482河砂804水176减水剂5.5该配比下混凝土性能稳定,28 d抗压强度可达到 50 MPa 以上,在管节隔舱内的 1 年期收缩率为205深中通道钢壳混凝土沉
20、管隧道建设关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024206.810-6,可满足管节混凝土性能需求。3.3.2自密实混凝土浇筑工艺及控制措施钢壳混凝土智能浇筑系统通过自动多点采集隔舱浇筑高度,并将数据实时传输给浇筑设备,浇筑设备接收到混凝土液面高度信息后,根据浇筑工艺要求自动改变浇筑速度,达到隔舱浇筑的智能化施工2022。浇筑过程参数控制要求具体为:浇筑底板及顶板隔舱时分上下两层浇筑,隔舱下层浇筑130 cm厚混凝土,按30 m/h速度
21、浇筑,剩余上层20 cm厚混凝土,按15 m/h速度浇筑。浇筑底板隔舱时通过控制智能浇筑台车的闸阀开口度来控制混凝土浇筑速度,浇筑顶板隔舱时通过调整混凝土输送泵排放量的大小来控制浇筑速度。浇筑墙体每一个小隔舱时分上下两层浇筑,墙体隔舱共分为4个小隔舱,每个小隔舱浇筑至顶部20 cm时均自动变速浇筑,每个墙体隔舱浇筑完成需变速7次。对于墙体的每一个小隔舱,隔舱内混凝土液面距离顶板大于20 cm时,浇筑速度控制在30 m3/h;小于20 cm时,浇筑速度控制在15 m3/h以内,浇筑工艺示意如图2所示。图2隔舱浇筑工艺示意Fig.2 Compartment casting process3.3.3
22、脱空检测技术由于项目检测作业面为厚钢板,最大厚度达40mm,超出常规检测方法和仪器的应用范围,不适用于深中通道钢壳混凝土沉管隧道管节的检测环境。为此,研发了适应钢壳沉管的脱空检测新技术,采用中子法和冲击映像法等方式对自密实混凝土浇筑质量进行检测23。(1)中子法对于具有确定含水量的混凝土来说,慢化作用所形成的热中子浓度即热中子计数率与单位体积内混凝土质量有关,凡有脱空缺陷和空洞的部位,其单位体积内所含有混凝土质量比充填密实的部位明显要少,因此该部位热中子计数率将相应降低,脱空缺陷的高度越大,相应热中子计数率就越低,工作原理如图3所示。因此,采用快中子源和热中子探测器测定出所测部位热中子计数率大
23、小,则可确定钢板下浇筑混凝土的脱空平面位置和对应的脱空高度。图3 中子法基本原理Fig.3 Basic principle diagram of the neutron method根据试验测试结果可知,当误差范围在2.5 mm时,基于中子法的钢壳混凝土脱空检测等效脱空高度符合率为97.6%,表明利用中子法能够有效检测出钢壳混凝土复杂结构下毫米级别的脱空,且有较高的检测准确率,现场检测如图4所示。图4 中子法检测设备Fig.4 Neutron method detection equipment(2)冲击映像法当击打检测物件表面时,在检测物件内部会激发弹性波动场,检测物件表面的弹性波动场分布是
24、检测物件内部结构在其表面的映像。当混凝土与钢板存在脱空时,钢板表面的弹性波动场分布特性发生变化,包括能量衰减、波形特性与频谱特性等24。通过对检测物件表面的波动场分布进行反映射分析,即可推断检测物件的内部结构。冲击映像法检测仪器设备,采用一体化、集成化设计,具备自动化采集、滚动扫描冲击、连续接收映像信号、可视化数据展示等功能,现场检测如图5所示。根据试验测试结果可知,冲击映像法采用标准化冲击响应能量值可以准确反映钢板与混凝土间缺陷空间分布情况。检测结果的准确率为91%。206深中通道钢壳混凝土沉管隧道建设关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVo
25、l.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图5 冲击映像法检测设备Fig.5 Impact imaging detection equipment3.4沉管隧道数智建造体系3.4.1钢壳智能制造技术深中通道沉管隧道共32个管节,总用钢量达32万t,平均单个管节达1万t,排水量相当于1艘中型航空母舰船体;管节构造非常复杂,单个标准管节由2 800个隔舱组成,横纵隔板、连接件交错;单个管节焊缝累计长度达到27万延米;交通工程和机电设施等预留预埋设施达到3.2万个/管节;钢壳制造几何精度要求10 mm,远高于钢箱梁和造船行业的精
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