深中通道沉管隧道钢壳设计及制造关键技术

文章来源：施工装备与技术

深中通道沉管隧道钢壳设计及制造关键技术

刘　健1, 邓　斌2, 黄清飞2

(1. 深中通道管理中心；2. 中交公路规划设计院有限公司)

摘 要：深中通道沉管隧道具有高水压、大回淤、结构超大跨和建设要求高等特点，为保证沉管隧道结构在建设与运营期内的安全和耐久性，深中通道沉管隧道在世界上首次大规模采用钢壳混凝土组合结构。为推动钢壳混凝土组合结构沉管隧道在我国的发展，介绍深中通道钢壳混凝土沉管隧道结构选型、横断面设计、纵向管节划分、特殊结构构造和钢壳详细构造等技术，管节钢壳制造、拼装和运输的创新工艺,自密实混凝土浇筑技术和钢壳混凝土脱空检测方法，总结深中通道钢壳混凝土组合结构沉管隧道设计、智能制造以及施工关键技术。另外，结合深中通道沉管隧道钢壳混凝土组合结构的特点，对钢壳混凝土抗剪连接件设计、钢板件连接构造和混凝土脱空检测方法提出优化建议。

关键词：深中通道；钢壳沉管；设计；制造

0　引言

沉管隧道因其断面利用率高,断面形状灵活,埋置深度小和防水性能好等诸多优点在水下隧道领域的应用越来越广泛[1]。截至目前,全世界已建成沉管隧道约150条,其中钢筋混凝土沉管隧道约占65%,钢壳混凝土隧道约占35%[2]。我国沉管隧道发展较晚,20世纪70年代,香港地区首次兴建5条沉管隧道；自20世纪90年代后,为满足日益增长的交通需求,我国沉管隧道数量迅速增长,规模不断增大,如广州珠江沉管隧道、宁波甬江沉管隧道、宁波常洪沉管隧道、上海外环沉管隧道和港珠澳沉管隧道等[3-4]。

许多学者对沉管隧道开展了相关研究,并取得了丰硕成果。如：贺春宁[5]对天津海河沉管隧道的建设条件和工程特点进行了分析,提出了适合北方地区修建沉管隧道的设计理念；林巍等[6-7]从沉管隧道的空间、重量和构造等方面提出了优化沉管隧道主结构的方法,并基于港珠澳沉管隧道建设经验,详细介绍了沉管隧道整体管节工程的预制方法；李进等[8]开展了复合地基条件下沉管隧道块石垫层振密试验的相关研究,研究发现合理的液压振动锤转速、激振力、振密时间可以对块石产生有效的振密,对沉管基础沉降有显著控制作用；何聪等[9]采用有限元结合黏弹性人工边界的方法,研究了港珠澳大桥沉管隧道节段接头剪力键的力学性能,揭示了剪力键在地震荷载作用下的受力特性。

现有研究成果表明,已有沉管隧道相关研究成果比较全面,但多数研究成果均是针对传统钢筋混凝土沉管隧道。由于建设条件的变化,沉管隧道建设正面临超大跨、深埋、高水压和耐久性等挑战。传统的钢筋混凝土沉管解决上述难题经济性较差,而钢壳混凝土沉管因其承载能力高,逐渐展露优势。截至目前,我国已建成的沉管隧道均为钢筋混凝土沉管,缺乏钢壳混凝土沉管隧道设计和施工经验,严重阻碍了我国沉管隧道技术的发展[10-11]。本文以深圳至中山跨江通道为背景,详细介绍钢壳混凝土沉管隧道设计及制造的关键技术。

1项目背景

深圳至中山跨江通道(以下简称“深中通道”)项目地处珠江口下游核心区域,位于虎门大桥下游约30km，距离港珠澳大桥上游约38 km,直接连接深圳、中山市和广州南沙,是我国“十三五”重大工程,也是世界上首例集超宽超长海底隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程。深中通道全长约24 km，其中跨海段长约22.4km，路线起自深圳机场互通立交，经广深沿江高速2期东接机荷高速，向西跨越珠江口，依次设置东人工岛、机场枢纽互通立交(匝道隧道部分)、海底沉管隧道、西人工岛、伶仃泄洪区非通航孔桥、伶仃洋大桥、浅滩区非通航孔桥、万顷沙互通(预留)、中山大桥、横门泄洪区非通航孔桥、马鞍岛陆域段引桥及横门互通立交(部分)，在中山马鞍岛登陆，与在建中开高速对接。项目采用双向8车道高速公路技术标准，设计速度为100km/h，其中桥梁横断面宽度为2×20.25m，隧道限界净宽为2×18.0m，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。深中通道位置示意如图1所示。

2钢壳沉管设计

深中通道隧道起点(东侧接地点)即本项目起点与广深沿江高速2期工程(深圳侧连接线)对接，隧道终点在西人工岛岛头内与非通航孔桥连接,全长为6845m，其中沉管隧道长5035m，共32个管节,最大纵坡为2.98% (位于西岛侧),东岛侧处于半径为5003.1m 的平曲线上。沉管隧道总宽度为46～55.5m，行车道单孔跨度达18.3～24.0m，其宽度及跨度均居世界之最；同时具有水压高，回淤厚(约18m)，基础复杂，基岩顶面起伏大(14 m)，下穿多个航道等技术难点。因此，管节结构选型及纵向体系是本项目沉管隧道设计的关键技术之一；在确保工期前提下保证工程质量与安全是沉管隧道施工的重难点。

2.1　沉管管节结构选型

根据本项目特点,设计提出了4种适合本工程的结构形式：1)钢壳混凝土管节结构; 2)钢筋混凝土管节结构；3)预应力混凝土管节结构；4)钢壳混凝土+钢筋混凝土管节结构组合方案。沉管管节结构选型涉及的因素较多,如技术难度(技术成熟度、管节预制)、施工要求(场地要求、干坞选址、浮运、沉放)、风险(火灾、耐久性、环保、可靠性、结构防水、风险评估)、工期和造价等。本项目若采用常规钢筋混凝土结构，结构配筋将超过5层，混凝土浇筑困难，控裂难度及质量控制风险高；相对来说，钢壳混凝土结构具有承载能力高，防水性能好和工程风险低的优势，最终采用了钢壳混凝土管节组合结构方案[12]。目前,国内外已建成和在建的钢壳沉管隧道主要有日本那霸隧道、大阪关洲隧道以及东京港临港隧道等。钢壳混凝土组合结构沉管工程实例如表1所示。

表1　钢壳混凝土组合结构沉管工程实例

2.2　钢壳管节设计

2.2.1　管节横断面

沉管隧道采用2孔1管廊形式，左、右侧为主行车孔，中管廊从上至下分别为排烟道、安全通道、电缆通道。标准管节横断面如图2所示。变宽管节横断面如图3所示。

采用荷载结构法，选取桩号K7+810断面进行结构受力分析。根据地勘报告中所处地层的岩土力学参数，施加运营期荷载后，标准组合内力如图4所示，控制性截面示意如图5所示，控制性截面验算结果如表2所示。

表2　控制性截面验算结果

2.2.2　管节划分

根据管节体量、既有浮运沉放设备能力、工期和施工组织设计要求等,确定标准管节长165m，曲线变宽管节长123.8m，最终接头设置在E22/E23之间，管节划分如下：123.8m+21×165m+2.2m(最终接头)+5×165 m+5×123.8m=5035 m。管节划分如图6所示。

2.2.3　特殊结构设计

沉管隧道海底泵房位于全线“W”形纵坡2处最低点,其中,1#泵房处于E9管节,中心里程 为K10+669.95；2#泵房位于E27管节, 中心里程为K7+730.75。1#、2#泵房节段与中管廊底板各设置4处480cm(长)×150cm(宽)×80cm(深)泵坑，该处底板厚度为180cm，需进行特殊结构加强设计。

2.3　管节构造

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,二者组成受力整体,形成混凝土浇筑独立隔舱,隔舱上预留浇筑孔和排气孔,混凝土浇筑完成后须进行等强水密封堵；纵向加劲肋采用T型钢及角钢，与焊钉作为抗剪连接件,保证面板与混凝土的连接；纵向加劲肋与横向扁肋共同作用增强面板刚度[13]。钢壳基本构造如下:

1)横隔板的纵向间距取3.0m。Ⅰ类管节(深水区)、Ⅱ类管节(过渡区)、Ⅲ类管节(浅水区)和变宽管节的横隔板最大厚度依次取30、20、18、20mm；横隔板设置板肋(BL125 mm×12 mm)进行加劲,板肋按1.1m+1.3m+1.1m 间距布置。

2)顶板厚度取1.5 m。在中管廊处顶板的上层钢板受拉,Ⅰ类管节(深水区)、Ⅱ类管节(过渡区)、Ⅲ类管节(浅水区)和变宽管节的钢板厚度依次取40、36、30、40mm；在行车孔顶板的下层钢板受拉,Ⅰ类管节(深水区)、Ⅱ类管节(过渡区)、Ⅲ类管节(浅水区)和变宽管节的钢板厚度依次取30、20、18、28mm；顶板的纵隔板基本按3.5 m 1道设置，与横隔板联合形成3.5m(横断面方向)×3.0m(纵轴线方向)的密闭格室。

为保证混凝土浇筑质量,顶板的上层钢板仅设置沿纵轴线方向的T钢加劲肋(T150 mm×100 mm×12(10)mm),其间距取0.5～0.7 m,当间距为0.7 m时T钢加劲肋间设置焊钉,焊钉按 0.25 m+0.20 m+0.25 m间距布置。按施工期和运营期受力特性,顶板的下层钢板设置沿纵轴线方向的T钢加劲肋和沿横断面方向的板肋(BL125mm×12 mm),T钢加劲肋的间距取0.5～0.7m。按照运营期的受压和受拉情况,板肋按0.5 m和1.0 m间距布置。钢壳基本构造如图7所示。顶板单个格室示意如图8所示。顶板细部构造如图9所示。

3)底板厚度取1.5 m。中管廊底板下层钢板处于受拉状态,因此Ⅰ类管节(深水区)、Ⅱ类管节(过渡区)、Ⅲ类管节(浅水区)和变宽管节的钢板厚度依次取36、30、20、36mm；行车孔底板上层钢板受拉,因此Ⅰ类管节(深水区)、Ⅱ类管节(过渡区)、Ⅲ类管节(浅水区)和变宽管节的钢板厚度依次取30、24、18、28 mm；底板的纵隔板基本按3.5m 1道设置,与横隔板联合形成3.5m(横断面方向)×3.0m(纵轴线方向)的密闭格室。

为保证混凝土浇筑质量,底板的上层钢板仅设置沿纵轴线方向的T钢加劲肋,其间距取0.5～0.7m,当间距为0.7m时T钢加劲肋间设置焊钉,焊钉按 0.25m+0.20m+0.25m间距布置。为有效控制底板的施工期变形,底板的下层钢板设置沿纵轴线方向的T钢加劲肋和沿横断面方向的板肋，T钢加劲肋和板肋均按0.5 m间距布置。底板细部构造如图10所示。

4)侧墙厚度取1.5m。侧墙外侧钢板受拉，与底板交接处弯矩较大，因此Ⅰ类管节(深水区)、Ⅱ类管节(过渡区)、Ⅲ类管节(浅水区)和变宽管节在该位置的外侧钢板厚度依次取40、30、30、36 mm。为有效控制侧墙的施工期变形，在面板设置沿纵轴线方向的角钢加劲肋(L160mm×100mm×10mm)和沿横断面方向的板肋(BL125 mm×12 mm)，角钢加劲肋和板肋均按0.5m间距布置。墙体细部构造如图11所示。

5)中墙厚度取0.8 m。面板厚度取12 mm，面板的纵轴向加劲肋采用L100 mm×100 mm×12 mm角钢，按0.5m间距布置,面板间设置B20钢筋与加劲肋焊接,其纵向间距取1.0m，高度方向间距取0.5～1.0 m。

3钢壳管节制造

根据钢壳制造的特点和工期要求,将钢壳结构制作分为下料加工、块体制作、小节段拼装、涂装、完整管节总装和管节运输等6大关键工序。根据钢壳的结构特点，按照建造工序流程，将管节依次划分为板单元、块体、小节段进行制造。钢壳沉管结构主要工艺流程如图12所示。

3.1　板单元划分及制造

板单元是大节段(管节)组成的基本元素，由加劲肋或T型材焊接在钢板上组成,结构简单,多为平直结构，焊缝均为角焊缝，外形尺寸不大，但数量多，适宜于流水线作业。根据其特点，可分为纵、横隔板单元以及面板单元。本项目横隔板多为宽1.5m、长7m左右的板单元片体；纵隔板多为宽1.5 m、长3 m左右的板单元片体。面板单元及纵、横隔板单元示意如图13所示。

采用片体智能焊接生产线进行板单元制作，前道为上料装配工位，进行加劲肋装配(无码装配)；然后通过辊道输入到焊接工位，焊接工位使用智能焊接机器人进行焊接，机器人可以直接进行工件的3D激光扫描自动识别和定位，自动识别、定位工件，自动跟踪焊缝，完成包角和焊接作业。焊接完毕后进行修补工位，修补完成后进入自动背烧工位，进行火工矫正，最后流出到卸料工位。

3.2　块体划分及制造

根据小节段的结构特点，将其分为若干个平面块体。平面块体划分时，尽量采用大尺寸以保证块体整体性，并尽量保证转运及起吊的高效性，最终将每个小节段划分为4个平面块体，分为底板块体、中墙块体、边墙块体及顶板块体；中管廊顶部纵缝左右交替错开900 mm。平直块体的划分根据结构特点，将中墙单独划分,行车道孔顶板和底板分别划分,有利于生产部门针对性地组织施工，提高生产效率。块体尺寸长度为15m，宽度尽量划大，可充分利用平面流水线和焊接机器人流水线，提高产能。单个标准管节合计88个块体，非标准管节合计64个块体(非标准管节块体划分形式类似)，块体划分如图14所示。

块体制作时以面板片体为基面,翻身扣盖面板组件，然后安装剩余组件。块体制作时使用专用胎架，胎架结构要有足够的刚度，基准面应与块体基准面形状及工艺要求尺寸一致；并建立测量基准参考点，确保块体制作过程中不随拼装质量的增加而变形。底板角点处设有角点位置控制模板，以便角点处单元件准确定位。

3.3　小节段划分及制造

以165m标准钢壳沉管管节为例，钢壳沉管左、右对称划分,左、右两半分别在沿纵向方向约15m 划分1个半环形小节段，共22个半环形小节段，小节段质量多达500～600 t。标准管节划分如图15所示。

小节段拼装在总组场地移动式车间内进行，主要施工流程如下：制作胎架工装——测量并调整胎架水平——吊装底板块体(基准定位)——吊装边墙块体——吊装中墙块体——吊装顶板块体——小节段装配——焊前精度测量——小节段焊接并预留预埋件安装——小节段火工——焊后精度测量——小节段密性试验——小节段整体转运打砂涂装。

3.4　小节段运输及吊装

小节段采用专门的模板车进行转运，通过600t龙门吊进行单机吊装，在坞内拼成大节段。模块运输车示意如图16所示。

3.5　管节船台总装工艺流程

钢壳制造完成后进行总体拼装，船台总装工艺流程如图17所示。

4钢壳混凝土沉管隧道关键技术

4.1　沉管隧道钢壳混凝土组合结构设计施工关键技术

1)针对沉管隧道钢壳混凝土组合结构，首次对钢壳混凝土组合结构的受力机制及设计方法进行了系统的试验研究，揭示了钢壳混凝土组合结构抗弯和抗剪受力机制，提出了相应的计算方法，定量分析了钢壳结构混凝土脱空对承载能力的影响，制定了混凝土浇筑质量的控制标准[14]。

2)管节混凝土通过浇筑孔进入钢壳封闭隔舱内，无法振捣，必须采用高强自密实混凝土。为提高混凝土的浇筑质量，降低工程风险，针对自密实混凝土开展了系统试验研究，研究出高流动低收缩自密实混凝土配置，并形成施工工艺。

3)通过大量小尺寸和足尺模型浇筑试验，为满足混凝土浇筑质量，形成了排气孔、浇筑孔、加劲肋流通孔等细节设计等，针对钢壳脱空检测难题，研究出冲击映像法和中子法2种检测方法,通过综合利用，判断准确度高，满足设计和施工要求。

4.2　钢壳智能制造关键技术

深中通道钢壳沉管用钢量达32万t，如此大规模、大体量地使用钢壳沉管在国内乃至全世界尚属首例，其施工质量和工期控制尤为重要。鉴于钢壳沉管结构与船体结构的相似性，参考船体分段的建造模式、施工工艺和检验标准，以“两化融合”(工业化、信息化)为基础，以《中国制造2025》为契机，借鉴船舶行业智能制造2025 的研究成果，完成了项目钢结构智能制造的总体工艺方案研究。

按照钢壳沉管制造工艺流程，将其制造阶段划分为小节段车间智能化制造、中节段场地数字化搭载、大节段船坞自动化总组。以提高工效和保证质量为目标,小节段智能车间阶段，分别从型材/板材智能化切割流水线、片体智能焊接流水线、块体智能焊接流水线、小节段智能涂装、智能车间管控系统，构建“四线一系统”的智能车间；中节段阶段，通过应用三维全站仪、自动化焊接设备及模拟吊装和模拟搭载系统软件，构建中节段场地数字化搭载；大节段阶段，为满足钢壳沉管平整度要求，通过采用三维液压顶升装备、自动化焊接设备及管理系统软件，构建大节段船坞自动化总组。利用BIM技术、物联网、云计算、大数据等新一代信息技术研究开发钢结构智能管控系统，实现车间设计、工艺、制造、管理、监测、物流等环节的集成优化，采用大数据技术实现智能管理与决策，全面提升钢壳建造质量和综合管理水平。

5结论与建议

深中通道沉管隧道是世界上首次大规模采用、国内首次采用的钢壳混凝土组合结构，其综合难度居于世界之最。本文全面介绍了深中通道沉管隧道钢壳设计和制造关键技术，为今后类似工程提供了系统的技术参考。主要结论和建议如下：

1)钢壳混凝土组合结构中钢面板与混凝土结构共同承载的关键在于抗剪连接件。深中通道沉管隧道采用了焊钉、T肋和角肋3种形式的抗剪连接件，满足抗剪连接作用，但是设计数量较多，经济性相对较差，可以考虑采用其他连接作用更强的抗剪连接件，如PBL连接件，或者根据结构受力分布优化抗剪连接件的布置，提高工程经济性。

2)钢壳混凝土组合结构由大量钢板件焊接而成，由于局部位置空间有限，设计过程中建议优化板件连接方式，减小焊接难度，保证焊接质量。

3)深中通道沉管隧道采用冲击映像法和中子法检验管节封闭隔舱内混凝土浇筑的密实度，由于结构构造的复杂性，在部分位置无法检测，建议后续工程优化混凝土脱空检测技术，或对其他检测技术进行研究，并借鉴使用。

本文摘编自《隧道建设(中英文)》第41卷 第8 2021年8月，参考文献略。

第一作者简介：刘健(1976——)，男，江苏建湖人，2006 年毕业于美国特拉华大学，土木工程专业，博士，高级工程师,现从事深中通道设计与技术管理工作。E-mail：32083231@qq.com。

通信作者: 邓斌, E-mail：280132665@qq.com。

东合南是装配式钢结构基坑支护技术专家，

该技术适用于三层以内地下室开挖（15米挖深），

具有高安全、工期短（节约工期30%以上）、

造价低（节省造价10%以上）、循环使用等优势。

百度搜索东合南（www.geoseu.cn）看更多案例。

欢迎拨打技术咨询免费热线：4008786641